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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter mit optimiertem Leistungsfaktor zur Speisung eines
Gleichstromverbrauchers aus einer Wechselstromquelle über einen ungesteuerten Gleichrichter und mit einem zwischen dem Ausgang des Gleichrichters und dem Gleichstromverbraucher angeordneten Gleichstromsteller, dessen Steuersatz mit der Wechselstromquelle synchronisiert ist und den Leistungsfaktor auf einem vorgegebenen
Wert, insbesondere ungefähr 1, hält sowie mit einem Speicherkondensator, von dem einer der beiden Anschlüsse mit dem speiseseitigen Anschluss des zwangslöschbaren Gleichstromstellers verbunden ist, und mit einer den
Gleichstromverbraucher überbrückenden Freilaufdiode.
Bei einer derartigen Stromrichterschaltung mit Zwangskommutierung kann durch netzsynchrones Pulsen die Kommutierungsblindleistung kompensiert und dadurch ein blindstromfreier Betrieb eines Stromrichters ermöglicht werden. Damit tritt die bei Stromrichtern ohne Zwangskommutierung entstehende Blindleistung nicht auf, die wegen der Zusatzverluste, den zusätzlichen Investitionen bei Geräten und Anlagen und wegen der zusätzlichen Spannungsabsenkung und Spannungsverzerrung unerwünscht ist.
Bei dem eingangs beschriebenen, aus der DL-Zeitschrift "ELEKTRIE", 25 [1971], S. 282 bis 284, Bild 2 bekannten Stromrichter ist der Kondensator unmittelbar zwischen die Eingangsklemmen des Gleichstromstellers und damit zwischen die Ausgangsklemmen des ungesteuerten Gleichrichters geschaltet. Dies ist nachteilig, da der
Kondensator mit der Induktivität am Eingang der Schaltungsanordnung, insbesondere der Induktivität der
Wechselstromquelle, über den ungesteuerten Gleichrichter einen Schwingkreis bildet, in dem bei einer
Pulssteuerung des Gleichstromstellers hohe Ströme fliessen können. Diese Ströme, die bei einem Kondensator mit fest vorgegebener Kapazität nicht beeinflussbar sind, wirken auf die Wechselstromquelle zurück.
Die Ströme enthalten Oberschwingungen, deren Frequenz im allgemeinen über derjenigen des speisenden Wechselstromnetzes liegt, wenn der Kondensator nicht unvertretbar gross dimensioniert werden soll. Diese Oberschwingungen wirken auf weitere Verbraucher an der Wechselstromquelle störend ein und belasten die Wechselstromquelle zusätzlich.
Diese Oberschwingungsströme treten insbesondere bei einer einphasigen Wechselstromquelle und einem einphasigen Gleichrichter stark in Erscheinung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Oberschwingungsströme weitgehend zu unterdrücken, insbesondere bei Verwendung einer einphasigen Wechselstromquelle und einer einphasigen Gleichrichterbrücke.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen den beiden Ausgangsklemmen des ungesteuerten Gleichrichters eine Reihenschaltung aus dem Speicherkondensator und aus einer Entladediode geschaltet ist, wobei der andere Anschluss des Speicherkondensators über eine in der Stromdurchlassrichtung des zwangslöschbaren Gleichstromstellers gepolte Hilfsspeisediode mit der Ausgangsklemme des Gleichstromstellers verbunden ist.
Beim erfindungsgemässen Stromrichter werden die Oberschwingungsströme unterdrückt und damit ihre nachteiligen Rückwirkungen auf die Wechselstromquelle vermieden. Dies ist insbesondere dann sehr vorteilhaft, wenn der ungesteuerte Gleichrichter als einphasige Gleichrichterbrücke ausgebildet ist, da hier der Oberwellenanteil in der Gleichspannung besonders hoch ist. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch für einen dreiphasigen Anwendungsfall geeignet, bei dem die Speisung des Verbrauchers aus einem Drehstromnetz über eine dreiphasige ungesteuerte Gleichrichterbrücke erfolgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass dem Steuersatz des zwangslöschbaren Gleichstromstellers einerseits ein Stromregler für die Pulsbreite und anderseits ein Leistungsfaktor-Regler für den Zündzeitpunkt des Gleichstromstellers vorgeschaltet sind, welchem Leistungsfaktor-Regler eingangsseitig der Istwert des Leistungsfaktors der Wechselstromquelle und ein entsprechender Sollwert zugeführt sind. Hiedurch kann abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall der Leistungsfaktor entweder optimiert werden (cos o = l) oder es kann ein beliebiger Wert eines induktiven oder sogar kapazitiven Leistungsfaktors eingestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemässen Stromrichters besteht in der Stromversorgung einer über einen Wechselrichter gespeisten elektrischen Maschine. Die über den Wechselrichter gespeiste elektrische Maschine bildet bei dieser Anwendung den Gleichstromverbraucher.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Zeigerdiagramm zur Definition des Leistungsfaktors, Fig. 2 ein Beispiel eines zeitlichen Strom- und Spannungsverlaufes während einer Halbperiode, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem erfindungsgemässen Stromrichter, Fig. 4 die Anwendung eines erfindungsgemässen Stromrichters zur Speisung einer über einen Wechselrichter gespeisten elektrischen Maschine, Fig. 5 die Schaltung des erfindungsgemässen Stromrichters.
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gewählt. Die Netzspannung U liegt in Phase mit dem Wirkstromlw und ist daher ebenfalls an der Ordinate angeschrieben. Der Stromzeiger--I--läuft entgegen dem Uhrzeigersinn um.
Im dargestellten Beispiel eilt der Strom der Spannung um den Winkel zip nach. Dies entspricht einer induktiven Blindleistung mit einem positiven Leistungsfaktor cos < , 0.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf von Strom und Spannung während einer Halbperiode über der Zeitachse t aufgetragen. Bei einem üblichen Stromrichter hat die Spannung U in den Zeitpunkten ti und t3 Nulldurchgänge, während der Strom I der Spannung U nacheilt und in den Zeitpunkten t2 und t4 Nulldurchgänge aufweist. Dies
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entspricht wieder einem positiven Leistungfaktor und damit einer induktiven Blindleistung. Wird dagegen der Strom zum Zeitpunkt tz eingeschaltet und zum Zeitpunkt tL wieder ausgeschaltet, so entsteht ein Puls der Breite B. Durch Vorgabe der Zeitpunkte tz und tL innerhalb einer Halbperiode lässt sich die Lage des Pulses bestimmen und damit der Wert des Leistungsfaktors cos tp einstellen.
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Wechselstromquelle synchronisiert ist.
In jeder Halbperiode der Wechselspannung erfolgt nur eine Zündung und nur eine Löschung. Sowohl die Zündung wie auch die Löschung des Gleichstromstellers können zu beliebigen Zeitpunkten während der Halbperiode der Wechselspannung erfolgen. Dadurch kann ein vorgegebener Wert des Leistungsfaktors eingehalten werden, insbesondere ungefähr 1.
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derartige Wechselstromquelle durch die Sekundärseite eines an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichtertransformators gebildet sein, wobei der ohmsche Widerstand --3-- den Leitungswiderstand und der induktive Widerstand--4--die Leitungsinduktivität darstellen. Die an den Klemmen-5 und 6-auftretende Wechselspannung ist einem ungesteuerten einphasigen Gleichrichter --7-- zugeführt, der die Dioden-Dl bis D4--in einer Brückenschaltung enthält.
Der Gleichrichter --7-- ist an die
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Dem Gleichstromsteller--10--ist ein Steuersatz --18-- zur Bestimmung des Zündzeitpunktes tz und des Löschzeitpunktes tL zugeordnet. Um den Steuersatz --18-- mit der Wechselspannung zu synchronisieren, ist die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle--l--von einem Spannungswandler --20-- erfasst. Eine
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Generatorspannung beim jeweiligen Anwendungsfall zugänglich ist, so wird man sie auch zweckmässigerweise zur Synchronisierung des Steuersatzes heranziehen. Bei der Verwendung eines Wechselstromnetzes als Wechselstromquelle ist im allgemeinen die Generatorspannung selbst jedoch nicht verfügbar und man wird daher auf die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle synchronisieren.
Zur Bestimmung der Pulsbreite-B-ist dem Steuersatz-18-ein Stromregler-22-zugeordnet.
Diesem sind der von einem Stromwandler-23-erfasste Messwert I für den Verbraucherstrom als Regelgrösse und die Sollwertspannung I* als Führungsgrösse zugeführt.
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Wechselstromquelle--l--über den Spannungswandler--20--und aus Momentanwerten des Stromes vom Stromwandler--26--. Der ermittelte Wert des Leistungsfaktors wird mit einem entsprechenden Sollwert (cos so)* verglichen und steuert den Leistungsfaktor-Regler --24-- aus. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall kann hiedurch der Leistungsfaktor entweder optimiert werden oder es kann ein beliebiger Wert eines induktiven oder sogar kapazitiven Leistungsfaktors eingestellt werden.
Der Steuersatz--18--bildet aus den Ausgangssignalen des Stromreglers--22--und des Leistungsfaktor-Reglers--24--den Zündzeitpunkt tz und den Löschzeitpunkt tv Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Stromrichters. Zur besseren Übersicht sind die Regeleinrichtungen für den Steuersatz--18--weggelassen. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet.
In Fig. 5 ist ein dem Gleichstromsteller--10--zugeordneter Kondensator--30--zur Speicherung der magnetischen Energie des Wechselstromnetzes zugeordnet. Der Kondensator--30--ist so bemessen, dass die beim Löschvorgang des Gleichstromstellers auftretende Spannungsspitze nicht zu gross wird.
In der Schaltungsanordnung der Fig. 5 liegt zwischen den Eingangsklemme des Gleichstrommstellers eine Reihenschaltung aus dem Kondensator --30-- und einer Entkopplungsdiode-El-, wobei der eine Belag des Kondensators --30-- mit der einen Eingangsklemme des Gleichstromstellers und sein anderer Belag über eine weitere Entkopplungsdiode-E2-mit einer Ausgangsklemme des Gleichstromstellers verbunden ist. Der Gleichstromverbraucher--15--ist von einer Freilaufdiode--F3--überbrückt.
Zur weiteren Erläuterung der Fig. 5 wird nochmals auf die Fig. 2 und 3 verwiesen. Wenn das zünd- und löschbare Ventil --11-- gezündet wird und im Zündzeitpunkt tz die Spannung am Kondensator--30-grösser ist als die Spannung der Wechselstromquelle --1--, dann entlädt sich der Kondensator über das Ventil - -11--, die Last --15-- und die Entkopplungsdiode--El--. Sobald die Kondensatorspannung unter die
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Ausgangsspannung der Wechselstromquelle--l--sinkt, übernehmen die Dioden--Dl und D4-- die
Stromführung.
Wenn das Ventil --11-- gelöscht wird, erzwingt die Induktivität --4-- der Wechselstromquelle (Netzinduktivität) ein Weiterfliessen des Stromes über die Diode-D1--, den Kondensator - -30--, die Entkopplungsdiode--E2-, die Last-15-und die Diode-D4-so lange, bis der Strom abgeklungen ist und die Dioden--Dl und D4-- sperren. Die Lastinduktivität--17--erzwingt einen
Stromfluss über die Freilaufdiode--F3--. Die spezielle Anordnung des Kondensators und der beiden Entkopplungsdioden--El und E2-unterdrückt die Oberwellenströme und verhindert ihre Rückwirkung auf die Wechselstromquelle.
Derartige Oberwellenströme würden auftreten, wenn der Kondensator--SO-- unmittelbar zwischen den Eingangsklemmen des Gleichstromstellers angeordnet wäre und mit der Induktivität --4-- der Wechselstromquelle einen Schwingkreis bilden würde.
In der Schaltungsanordnung der Fig. 5 ist nur eine hochbelastbare Freilaufdiode-F3-erforderlich, die den vollen Laststrom aufnimmt. Die beiden Entkopplungsdioden--El und E4--werden wesentlich niedriger belastet und können entsprechend kleiner dimensioniert werden.
Fig. 4 zeigt im Blockschaltbild die Anwendung eines erfindungsgemässen Stromrichters zur Speisung eines Elektromotors-27-. Dem Gleichstromsteller --10-- ist wieder ein Gleichrichter --7-- mit einer Wechselstromquelle-l--vorgeschaltet. Im Ausgang des Gleichstromstellers --10-- liegt ein Wechselrichter --28--, der seinerseits wieder den Elektromotor--27--speist. Gegenüber der bekannten Speisung eines Elektromotors über einen Zwischenkreisumrichter mit Gleichstromzwischenkreis ergibt sich bei dieser Ausführung der grosse Vorteil, dass im Gleichstromkreis keine Glättungsglieder benötigt werden. Dies ermöglicht einen Verzicht auf das sonst notwendige LC-Glättungsglied zwischen Gleichrichter und Gleichstromsteller.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Stromrichter mit optimiertem Leistungsfaktor zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einer Wechselstromquelle über einen ungesteuerten Gleichrichter und mit einem zwischen dem Ausgang des Gleichrichters und dem Gleichstromverbraucher angeordneten Gleichstromsteller, dessen Steuersatz mit der Wechselstromquelle synchronisiert ist und den Leistungsfaktor auf einem vorgegebenen Wert, insbesondere ungefähr 1, hält sowie mit einem Speicherkondensator, von dem einer der beiden Anschlüsse mit dem speiseseitigen Anschluss des zwangslöschbaren Gleichstromstellers verbunden ist, und mit einer den
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beiden Ausgangsklemmen (8,9) des ungesteuerten Gleichrichters (7) eine Reihenschaltung aus dem Speicherkondensator (30) und aus einer Entladediode (El) geschaltet ist,
wobei der andere Anschluss des Speicherkondensators (30) über eine in der Stromdurchlassrichtung des zwangslöschbaren Gleichstromstellers gepolte Hilfsspeisediode (E2) mit der Ausgangsklemme (13) des Gleichstromstellers (10) verbunden ist.
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