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Drehstrombrückenschaltung
Steuerbare Stromrichter, vorzugsweise steuerbare Siliciumzellen, erlangen in der Antriebstechnik wachsende Bedeutung. Zur besseren Ausnutzung der Sperrspannungen der Zellen bei Anpassung an die üblichen Motorspannungen findet insbesondere die Drehstrombrückenschaltung Anwendung. Sie liefert die doppelte Gleichspannung im Vergleich zu einer Einwegschaltung. Der Laststrom durchfliesst immer nach- einander zwei Ventile. Das gestattet bekanntlich, bei drei Zweigen auf steuerbare Elemente zu verzich- ten und diese durch nicht steuerbare Ventile zu ersetzen (halbgesteuerte Brücke). Allerdings ist dann für den Belastungsmotor ein Wechselrichterbetrieb nicht mehr möglich, der aber in vielen Fällen auch nicht benötigt wird.
Für die gleichgerichtete Ausgangsspannung ergibt sich eine wesentliche betriebliche Schwierigkeit dadurch, dass bei Gleichspannung Null das steuerbare Sternsystem eine der Gleichrichterspannung des un- gesteuerten Sternsystems gleiche Wechselrichterspannung liefern muss. Das bedingt einen Zündverzöge- rungswinkel von 1800. Ein derartig grosser Wechselrichtersteuerbereich ist jedoch bei nicht luckendem
Gleichstrom nicht möglich, da dann zu keiner Zeit an den steuerbaren Zellen eine negative Spannung, die zur Kommutierung des Stromes notwendig ist, wirksam werden kann. Der Zündverzögerungswinkel muss deshalb kleiner als 1800 sein. Deshalb lässt sich die Ausgangsspannung der bekannten halbgesteuerten
Brückenschaltungen nicht bis auf den Wert Null herabsteuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausgangsspannungen auch halbgesteuerter Brücken bis auf Null herabzusteuern.
Erfindungsgemäss erreicht man dies dadurch, dass das die steuerbaren Ventile enthaltende dreiphasige Sternsystem an einer höheren Wechselspeisespannung liegt als das die nicht steuerbaren Ventile enthaltende Sternsystem.
Die höhere Speisespannung für das steuerbare Ventil enthaltende Sternsystem kann mittels eines Transformators aufgebracht werden. Man kann hiezu einen Netztransformator mit zwei verschiedene Spannungen erzeugenden dreiphasigen sekundären Wicklungen vorsehen, wobei die sekundäre Wicklung mit der höheren Spannung das steuerbare Sternsystem speist.
Eine einfachere Ausführung wird durch einen Netztransformator mit einer dreiphasigen sekundären Wicklung erreicht, die eine Anzapfung enthält. Dabei wird das steuerbare Sternsystem mit der vollen sekundären Spannung, das nicht steuerbare Sternsystem mit der niedrigen Spannung der Anzapfung gespeist.
Eine einfachere Ausführung wird durch einen Netztransformator mit einer dreiphasigen sekundären Wicklung erreicht, die eine Anzapfung enthält. Dabei wird das steuerbare Sternsystem mit der niedrigeren Spannung der Anzapfung gespeist. Legt man das nicht steuerbare Sternsystem unmittelbar an Netzspannung, während das steuerbare Sternsystem über einen dreiphasigen Zusatztransformator mit der Netzspannung verbunden ist, so braucht der Transformator nur für einen Bruchteil der Gleichstromleistung bemessen zu werden.
Da die beiden sekundären dreiphasigen Spannungen sich nur wenig unterscheiden, ist der Einsatz eines.
Spartransformators, der in jeder Phase Anzapfungen für die beiden Sternsysteme besitzt, besonders wirtschaftlich. Um in diesem Fall eine Vormagnetisierung der Transformatoren zu vermeiden, die dadurch
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entsteht, dass sich die Gleichstromdurchflutungen in den einzelnen Schenkeln des Transformators nicht mehr aufheben, können die Kerne des Transformators mit Luftspalten versehen werden. Wirtschaftlicher ist es jedoch, die resultierende Gleichstromdurchflutung mittels besonderer, auf den Kernen angeordneter und dem Ausgangsgleichstrom durchflossener Gegenmagnetisierungswicklungen zu beseitigen.
Die DieGleichstromdurchflutungkannfernerauchaufschaltungstechnischemWeg beseitigt werden, indem die gesamten Sekundärwicklungen des Transformators oder der zusätzliche Wicklungsteil der gesteuerten
Brückenhälfte in Zickzack geschaltet werden. In Stromrichterschaltungen werden, insbesondere bei hohen
Stossbelastungen des Motors oder zur Begrenzung der Kurzschlussströme, häufig Drosselspulen vorgesehen, die ebenfalls zur Speisung der beiden Sternsysteme mit unterschiedlicher Wechselspannung benutzt werden können. Nach einem Merkmal der Erfindung kann dies dadurch geschehen, dass in die Netzzuleitungen zu der Brückenschaltung mit Anzapfungen versehene dreiphasige Drosselspulen eingeschaltet sind.
Dem steuerbaren Sternsystem ist dann lediglich ein Teil der gesamten Wicklung der Drosselspule vorgeschaltet, dem nicht steuerbaren Sternsystem die gesamte Wicklung.
Die Erzeugung unterschiedlicher Speisespannungen für die beiden Sternsysteme mittels Drosselspule kann auch dadurch erfolgen, dass die Drosselspulen zwei Wicklungen enthalten, wobei eine Wicklung, die mit dem steuerbaren Sternsystem verbunden ist, der andern Wicklung, die mit dem nicht steuerbaren
Sternsystem verbunden ist, entgegengeschaltet ist. Zur Beseitigung einer resultierenden Gleichstrom- durchflutung können die Kerne der Drosselspulen wieder mit Luftspalten versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, zusätzliche, in Reihe geschaltete und von dem gleichgerichteten Laststrom durchflossene Wick- lungen vorzusehen.
Da der maximale Zündverzögerungswinkel mit zunehmender Belastung des Antriebes kleiner wird, müsste bei Antrieben mit hoher kurzzeitiger Strombelastung das Verhältnis der Spannungen an den beiden
Steinsystemen sehr gross gewählt werden, was im Hinblick auf die Welligkeit der Gleichspannung, den
Leistungsfaktor der aufgenommenen Drehstromleistung und die Vormagnetisierung des Transformators un- günstig wäre. Es ist deshalb vorteilhaft, die Differenz zwischen der Spannung, die dem steuerbaren Stern- system zugeführt wird, und der Spannung, die dem nicht steuerbaren Sternsystem zugeführt wird, mit zu- nehmenden Werten des Lastgleichstromes ansteigen zu lassen.
Als steuerbare Ventile eignen sich besonders steuerbare Siliciumzellen, als nicht steuerbare Ventile Siliciumdioden.
In der Zeichnung wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei tragen ent- sprechende Teile gleiche Bezugszeichen. Es zeigt Fig. la den Verlauf der an den Gleichrichtern liegen- den Spannungen, Fig. 1b den Verlauf der gleichgerichteten Ausgangsspannung, Fig. 2 eine erfindungsge- mässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Netztransformator, der zwei Sekundärwicklungen aufweist,
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Netztransformator in Sparschaltung, der eine zusätzliche, in Reihe geschaltete Gleichstromwicklung aufweist, Fig. 4 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Zusatztransformator zwischen gesteuertem Sternsystem und Netz,
Fig. 5 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit angezapften Drosselspulen in der Netzzu- leitung, Fig.
6 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit Drosselspulen in der Netzzuleitung, die mit einer zusätzlichen Gegenwicklung versehen ist.
In Fig. la ist das Liniendiagrarnm der Wechselspannungen RST dargestellt. Die oberen Halbwellen kennzeichnen den Durchlassbereich der steuerbaren Zellen, die unteren Halbwellen den Durchlassbereich der nicht steuerbaren Zellen. Da erfindungsgemäss die an den zuletzt genannten Zellen liegende Spannung kleiner ist, liefert das ungesteuerte Sternsystem die strichlierte Spannung. Es wird von dem Fall ausgegangen, dass die Ausgangsspannung U A von ihrem vollen Wert auf Null heruntergesteuert wird. Dadurch vergrössert sich, wie aus Fig. la zu ersehen ist, von Zeitabschnitt zu Zeitabschnitt der Zündverzögerungswinkel a. Die Ausgangsspannung UA ist durch Schraffur hervorgehoben.
In dem Diagramm der Fig. lb ist die Ausgangsspannung U A entsprechend den schraffierten Flächen von Fig. la in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Es zeigt sich, dass infolge der für beide Sternsysteme unterschiedlich gewählten Spei- sespannung bei sehr kleinen Werten der Ausgangsspannungen zeitweise negative Spannungswerte vorhanden sind. und dadurch der Mittelwert der Ausgangsspannung bereits bei einem Zündverzögerungswinkel os kleiner als 1800 zu Null gemacht werden kann.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Brückenschaltung, die sich zusammensetzt aus zwei Sternsystemen, von denen das eine die steuerbaren Zellen 1, 3,5, das zweite die nicht steuerbaren Zellen 2,4, 6 ent- hält. Die Belastung bildet der fremderregte Gleichstrommotor 10, dem noch eine Gleichstromglättungsdrossel 11 vorgeschaltet ist. Die Drehzahl des Motors soll im allgemeinen in weiten Grenzen durch Anschnittssteuerung der Ventile 1, 3,5 veränderbar sein, mitunter muss sie sogar bis auf die Drehzahl Null
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herabgesteuert werden. An Stelle der Motorbelastung kann auch eine Wirkbelastung mit und ohne induktiver Komponente treten.
Das durch die steuerbaren Zellen gebildete dreiphasige Sternsystem liegt an einer höheren Wechselspannung als das durch die nicht steuerbaren Zellen gebildete Sternsystem. Der vorgeschaltete Netztransformator besitzt dazu ausser der Primärwicklung 12 zwei Sekundärwicklungen 13 und 14. Es genügt selbstverständlich auch eine Sekundärwicklung mit einer entsprechenden Anzapfung. Die Wechselstromanschlüsse der steuerbaren Zellen liegen an der vollen Sekundärspannung, während die nicht steuerbaren Zellen mit dem Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen je Phase bzw. mit der Anzapfung verbunden sind.
Befindet sich der Transformator in Stern- oder in Sparschaltung, so bringt die unterschiedliche Speisespannung der beiden Sternsysteme eine Schwierigkeit. Ihre Gleichstromdurchflutungen heben sich auf den einzelnen Schenkeln des Transformators nicht mehr auf, so dass er vormagnetisiert wird. Die Sekun-
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Luftspalte erhalten, oder die gesamten Sekundärwicklungen bzw. der zusätzliche Wicklungsteil der gesteuerten Brückenhälfte in Zick-Zack-Schaltung ausgeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht, wie in Fig. 3 gezeigt wird, darin, ihn mit zusätzlichen Wicklungen 15 zu versehen, die beispielsweise ein Drittel der Windungszahl der Wicklungen 14 haben. Die Wicklungen.
15 liegen in Reihe im Gleichstromkreis und kompensieren die Gleichstromvormagnetisierung (Gegenmagnetisierungswicklung).
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Sternsystem mit den nicht steuerbaren Zellen unmittelbar mit der Netzspannung verbunden ist, während zwischen den Netzzuleitungen und den drei Wechselstromanschlüssen des steuerbaren Sternsystems die Sekundärwicklungen 13 eines Zusatztransformators zwischengeschaltet sind, dessen Primärwicklungen 12 mit den Netzzuleitungen verbunden sind.
Der Transformator braucht hier nur für einen Bruchteil der Gleichstromleistung bemessen zu werden. Auch hier erfolgt eine Vormagnetisierung des Transformators, die durch eine nicht dargestellte Gegenmagnetisie- rungswicklung aufzuheben ist. In Anwendungsfällen, bei denen insbesondere infolge hoher Stossbelastung des Motors die Gefahr besteht, dass durch die Überströme die zulässige Wechselrichtergrenze überschritten wird, ist die in Fig. 5 gezeigte Anordnung zweckmässig. In den drei Netzzuleitungen zur Brückenschaltung liegt je eine Drosselspule mit Anzapfung, wobei die Anschlüsse des Gleichrichters so erfolgen, dass dem ungesteuerten Sternsystem die volle Wicklung 16,17, der Drosselspulen, dem gesteuerten Sternsystem dagegen nur die durch die Anzapfung bestimmte Wicklung 16 der Drosselspule vorgeschaltet sind.
Die an den Gleichrichtern liegende Spannung ist um den Spannungsabfall an den Drosselspulen kleiner als die Netzspannung. Durch den Anschluss an die Drosselspulenanzapfung wird erreicht, dass die steuerbaren Zellen eine höhere Wechselspannung erhalten als die nicht steuerbaren Zellen. Der Spannungsabfall an der Drosselspule ist dem Laststrom proportional. In vielen Fällen müssen die Drosselspulen schon mit Rücksicht auf die Begrenzung der Kurzschlussströme vorgesehen werden.
Auf die Drosselanzapfung kann verzichtet werden, wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, die Vorschaltdrosselspulen eine weitere Wicklung 17 besitzen, die der ersten Drosselspulenwicklung 16 entgegengeschaltet wird, mit dieser einpolig verbunden ist und an den freien Enden dieser zweiten Wicklung 17 die Wechselstromanschlüsse des gesteuerten Sternsystems liegen. Auch hiedurch lässt sich erreichen, dass für die gesteuerten Zellen die wirksame Reaktanz kleiner als für die ungesteuerten Zellen ist. Die Drosselspulen werden wie die Transformatoren vormagnetisiert. Sie müssen deshalb einen Lufspalt erhalten. Es ht auch möglich, sie mit einer Gegenmagnetisierungswicklung zu versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehstrombrückenschaltung mit einem gleichpolig miteinander verbundene steuerbare Ventile enthaltenden Sternsystem und einem im Vergleich dazu gegengesetzt gleichpolig miteinander verbundene nicht steuerbare Ventile enthaltenden Sternsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das die steuerbaren Ventile (1, 3,5) enthaltende dreiphasige Sternsystem an einer höheren Wechselspeisespannung liegt als das die nicht steuerbaren Ventile (2,4, 6) enthaltende Sternsystem.
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Three-phase bridge circuit
Controllable power converters, preferably controllable silicon cells, are becoming increasingly important in drive technology. The three-phase bridge circuit is used in particular to better utilize the blocking voltages of the cells when adapting to the usual motor voltages. It delivers twice the DC voltage compared to a one-way circuit. The load current always flows through two valves one after the other. As is well known, this makes it possible to dispense with controllable elements in three branches and to replace these with non-controllable valves (semi-controlled bridge). However, inverter operation is then no longer possible for the load motor, but in many cases this is also not required.
For the rectified output voltage, a significant operational difficulty arises from the fact that when the DC voltage is zero, the controllable star system has to supply an inverter voltage equal to the rectifier voltage of the uncontrolled star system. This requires an ignition delay angle of 1800. Such a large inverter control range is, however, with no luck
Direct current is not possible, since a negative voltage, which is necessary to commutate the current, cannot then become effective on the controllable cells at any time. The ignition delay angle must therefore be less than 1800. Therefore, the output voltage of the well-known semi-controlled
Do not drive bridge circuits down to zero.
The invention is based on the object of reducing the output voltages of half-controlled bridges to zero.
According to the invention, this is achieved in that the three-phase star system containing the controllable valves is connected to a higher AC supply voltage than the star system containing the non-controllable valves.
The higher supply voltage for the star system containing controllable valve can be applied by means of a transformer. For this purpose, a network transformer with three-phase secondary windings generating two different voltages can be provided, the secondary winding with the higher voltage feeding the controllable star system.
A simpler design is achieved by using a mains transformer with a three-phase secondary winding that contains a tap. The controllable star system is fed with the full secondary voltage, the non-controllable star system with the low voltage of the tap.
A simpler design is achieved by using a mains transformer with a three-phase secondary winding that contains a tap. The controllable star system is fed with the lower voltage of the tap. If the non-controllable star system is connected directly to the mains voltage, while the controllable star system is connected to the mains voltage via a three-phase additional transformer, the transformer only needs to be rated for a fraction of the DC power.
Since the two secondary three-phase voltages differ only slightly, the use of one is.
Autotransformer, which has taps for the two star systems in each phase, is particularly economical. In order to avoid a premagnetization of the transformers in this case
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if the direct current flows in the individual legs of the transformer no longer cancel each other out, the cores of the transformer can be provided with air gaps. It is more economical, however, to eliminate the resulting direct current flow by means of special counter magnetization windings arranged on the cores and through which the output direct current flows.
The direct current flow can also be eliminated by means of connection technology, in that the entire secondary windings of the transformer or the additional winding part of the controlled
Bridge half can be switched in zigzag. In converter circuits, especially at high
Impact loads on the motor or to limit the short-circuit currents, often choke coils are provided, which can also be used to supply the two star systems with different AC voltages. According to one feature of the invention, this can be done in that three-phase choke coils provided with taps are switched into the mains supply lines to the bridge circuit.
The controllable star system is then preceded by only a part of the entire winding of the choke coil, the non-controllable star system is the entire winding.
The generation of different supply voltages for the two star systems by means of a choke coil can also take place in that the choke coils contain two windings, one winding connected to the controllable star system and the other winding connected to the non-controllable one
Star system is connected, is opposite. To eliminate the resulting direct current flow, the cores of the choke coils can again be provided with air gaps. However, it is also possible to provide additional windings connected in series and through which the rectified load current flows.
Since the maximum ignition delay angle decreases with increasing load on the drive, the ratio of the voltages at the two should be the ratio of the voltages to the drives with high, short-term current loads
Stone systems are chosen to be very large, which in terms of the ripple of the DC voltage, the
Power factor of the three-phase power consumed and the pre-magnetization of the transformer would be unfavorable. It is therefore advantageous to let the difference between the voltage that is fed to the controllable star system and the voltage that is fed to the non-controllable star system increase with increasing values of the load direct current.
Controllable silicon cells are particularly suitable as controllable valves, and silicon diodes as non-controllable valves.
In the drawing, the invention is explained in more detail by means of embodiments. Corresponding parts have the same reference symbols. FIG. 1 a shows the profile of the voltages applied to the rectifiers, FIG. 1b shows the profile of the rectified output voltage, FIG. 2 shows a three-phase bridge circuit according to the invention with a mains transformer which has two secondary windings,
3 shows a three-phase bridge circuit according to the invention with a network transformer in an economy circuit, which has an additional, series-connected direct current winding, FIG. 4 shows a three-phase bridge circuit according to the invention with an additional transformer between the controlled star system and network,
5 shows a three-phase bridge circuit according to the invention with tapped choke coils in the mains supply line,
6 shows a three-phase bridge circuit according to the invention with choke coils in the power supply line, which is provided with an additional counter-winding.
The line diagram of the alternating voltages RST is shown in FIG. The upper half-waves indicate the transmission range of the controllable cells, the lower half-waves the transmission range of the non-controllable cells. Since, according to the invention, the voltage applied to the last-mentioned cells is lower, the uncontrolled star system supplies the voltage shown in broken lines. It is assumed that the output voltage U A is reduced from its full value to zero. As a result, as can be seen from FIG. 1 a, the ignition delay angle a increases from time segment to time segment. The output voltage UA is highlighted by hatching.
In the diagram in FIG. 1b, the output voltage U A is plotted as a function of time in accordance with the hatched areas in FIG. It turns out that as a result of the supply voltage selected differently for the two star systems, negative voltage values are occasionally present at very low values of the output voltages. and as a result, the mean value of the output voltage can be made zero even at an ignition delay angle os less than 1800.
2 shows a bridge circuit according to the invention, which is composed of two star systems, one of which contains the controllable cells 1, 3, 5 and the second the non-controllable cells 2, 4, 6. The load is generated by the separately excited direct current motor 10, which is also preceded by a direct current smoothing choke 11. The speed of the motor should generally be variable within wide limits by controlling the valves 1, 3, 5, sometimes it even has to be down to the speed of zero
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be downgraded. Instead of the motor load, there can also be an active load with and without an inductive component.
The three-phase star system formed by the controllable cells is due to a higher alternating voltage than the star system formed by the non-controllable cells. In addition to the primary winding 12, the upstream network transformer has two secondary windings 13 and 14 for this purpose. Of course, a secondary winding with a corresponding tap is also sufficient. The AC connections of the controllable cells are connected to the full secondary voltage, while the non-controllable cells are connected to the connection point of the two secondary windings for each phase or to the tap.
If the transformer is in star or economy circuit, the different supply voltage of the two star systems creates a problem. Their direct current flows no longer cancel each other out on the individual legs of the transformer, so that it is premagnetized. The second
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Obtain air gaps, or the entire secondary windings or the additional winding part of the controlled bridge half are designed in a zigzag circuit.
Another possibility, as shown in FIG. 3, is to provide it with additional windings 15 which have, for example, a third of the number of turns of the windings 14. The windings.
15 are in series in the direct current circuit and compensate for the direct current bias (counter magnetization winding).
Fig. 4 shows an embodiment of the invention in which the star system with the non-controllable cells is connected directly to the mains voltage, while the secondary windings 13 of an additional transformer are connected between the mains leads and the three AC connections of the controllable star system, the primary windings 12 of which are connected to the mains leads are connected.
The transformer only needs to be rated for a fraction of the DC power. Here, too, there is a premagnetization of the transformer, which can be canceled by a counter magnetization winding (not shown). The arrangement shown in FIG. 5 is appropriate in applications in which there is a risk, particularly as a result of high shock loads on the motor, that the permissible inverter limit will be exceeded due to the overcurrents. In each of the three mains supply lines to the bridge circuit there is a choke coil with a tap, the connections of the rectifier being made in such a way that the full winding 16, 17 of the uncontrolled star system, the choke coils, and the controlled star system only the winding 16 of the choke coil that is determined by the tap are.
The voltage applied to the rectifiers is lower than the line voltage by the voltage drop across the choke coils. The connection to the choke coil tap ensures that the controllable cells receive a higher AC voltage than the non-controllable cells. The voltage drop across the reactor is proportional to the load current. In many cases, the choke coils must be provided with a view to limiting the short-circuit currents.
The choke tap can be dispensed with if, as shown in Fig. 6, the series choke coils have a further winding 17, which is connected in opposition to the first choke coil winding 16, is connected to it with one pole and at the free ends of this second winding 17 the AC connections of the controlled Star system lie. This also makes it possible to achieve that the effective reactance for the controlled cells is smaller than for the uncontrolled cells. The reactors are premagnetized like the transformers. You must therefore have an air gap. It is also possible to provide them with a counter magnetization winding.
PATENT CLAIMS:
1. Three-phase bridge circuit with a star system containing homopolar interconnected controllable valves and a star system containing opposite homopolar interconnected non-controllable valves, characterized in that the three-phase star system containing the controllable valves (1, 3,5) is connected to a higher AC supply voltage than the star system containing the non-controllable valves (2, 4, 6).