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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur blindleistungssparenden Gleichrichtung von einoder mehrphasige Wechselstrom mit induktivitätsbehafteter Wechselstromleitung, bei der die Wechselstromeingänge an eine ungesteuerte Vollweg-Gleichrichterbrücke geführt sind, deren positiver Ausgang über einen im Pulsbetrieb gesteuerten, wechselweise durchgeschalteten und gesperrten Gleichstromsteller an den Pluspol des Laststromkreises geführt ist und deren negativer Ausgang den Minuspol desselben darstellt.
Eine derartige bekannte Schaltungsanordnung dient als Spannungsregeleinrichtung für eine Gleichspannung und enthält weiterhin einen Speicherkondensator, der die Welligkeit der Spannung für eine Regelschaltung herabsetzt (DE-AS 1513420). Im bekannten Fall ist der positive Ausgang der Gleichrichterbrücke direkt mit der Last verbunden, doch dieser Unterschied zur obigen Kennzeichnung ist unwesentlich, weil die Polarität bei entsprechendem Anschluss der Schaltglieder beliebig gewählt werden kann. Hinter dem negativen Ausgang der Gleichrichterbrücke liegen ein Schalttransistor und ein Stelltransistor hintereinander in der zur Last führenden Leitung.
Der Schalttransistor wird hochfrequent derart ein-und ausgeschaltet, dass er bei hoher Eingangsspannung für kürzere Zeiträume als bei niedriger geöffnet ist und die Spannung am zwischen die positive und negative Leitung geschalteten Speicherkondensator vorregelt, deren Welligkeit dann durch die kontinuierlich arbeitende Regelschaltung mit Schalttransistor völlig ausgeglichen wird. Es handelt sich im bekannten Fall um eine Transistor-Schaltung für relativ geringe Leistungen.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zur blindleistungssparenden Gleichrichtung kann Anwendung finden bei Schienenfahrzeugen und Trolleybussen, also bei grossen Leistungen.
Zum Einsatz gelangen dabei bekanntlich z. B. halbgesteuerte, mit Thyristoren und Dioden bestückte Brückenschaltungen, die als symmetrische oder unsymmetrische Schaltungen ausgeführt werden. Beim Betrieb eines solchen Zweipulsstromrichters tritt je nach Steuerwinkel eine mehr oder weniger grosse Phasenverschiebung auf, so dass im Teillastbereich ein ungünstiger Leistungsfaktor entsteht (Dr. H.-Ch.
Skudelny,"Analyse der halbgesteuerten Einphasenbrückenschaltung", Archiv für Elektrotechnik 55, (1972), S. 44 bis 56 ; G. Möltgen, "Eigenschaften des Stromrichters in zweipulsiger halbgesteuerter Brückenschaltung", Elektrische Bahnen 39 (1968), 11, S. 256 bis 264).
Bei Bahnstromversorgungen werden die Netzanlagen durch Verbraucher mit einem schlechten Leistungsfaktor stark belastet. Es ist bekannt, zur Verbesserung des Leistungsfaktors zwei oder mehrere halbgesteuerte Brücken hintereinander zu schalten (Dr. H.-Ch. Skudelny,"Stromrichterschaltungen für Wechselstromtriebfahrzeuge", ETZ-A 1956, S. 240 bis 259).
Eine andere bekannte Möglichkeit besteht in der Zwangskommutierung der Thyristoren, bei der neben der Durchschaltung bei einem bestimmten Steuerwinkel der Stromfluss aus dem Netz vorzeitig unterbrochen werden kann (J. Förster,"Loschbare Fahrzeugstromrichter zur Netzentlastung und -stützung", Elektrische Bahnen 43, (1972), S. 13 bis 19). Nachteilig ist bei dieser Ausführung noch, dass Oberschwingungen erzeugt werden und dass die Zwangskommutierung für den vollen Strom ausgelegt werden muss.
Der Erfindung liegt, ausgehend von der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung, die Aufgabe zugrunde, Verschiebungs- und Leistungsfaktor durch den Kommutierungsvorgang betreffende Massnahmen zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass als Gleichstromsteller zwei abwechselnd durchgeschaltete, zeitweise gleichzeitig stromführende und abwechselnd gelöschte Gleichstrom-Thyristorsteller mit Löschschaltung und Löschkondensator anodenseitig an die Gleichrichterbrücke und kathodenseitig an die beiden Eingänge einer geteilten Saugdrossel geführt sind, deren Mittelabgriff den positiven Pol des Lastkreises bildet, dass die Löschschaltung aus zwei, zwei Hilfsthyristoren enthaltenden, parallel zum entsprechenden Thyristor des Gleichstromstellers liegenden Zweigen, die über den Löschkondensator an den Verbindungspunkten der beiden Hilfsthyristoren miteinander verbunden sind, besteht und dass zwischen jedem Eingang der Saugdrossel und dem Minuspol des Lastkreises Freilaufdioden mit anodenseitigem Anschluss am Minuspol liegen.
Diese Schaltungsanordnung stellt eine Reihenschaltung von zwei zwangskommutierten Stromrichtern dar. - Eine solche Schaltungsanordnung ist natürlich prinzipiell auch zur Übertragung von Gleichstrom geeignet. - Die eingangsseitige Gleichrichterbrücke bewirkt eine Halbwellenspannung gleicher Polarität.
Der daran angeschlossene, als Zweispulsgleichstromsteller zu bezeichnende Schaltungsteil wird in seiner
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Aussteuerung vom Netz geführt, so dass der dem Netz entnommene Laststrom weitgehend in Phase mit der
Spannung ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Schaltungsanordnung ist darin begründet, dass die als Thyristorsteller eingesetzten Hauptthyristoren aufeinanderfolgend gezündet und demnach die Speisung des Lastkreises über beide Hälften der Saugdrossel zwischendurch erfolgt und dann die Löschung der Hauptthyristoren, ebenfalls aufeinanderfolgend mit zwischenzeitlichem Freilauf vorgenommen wird.
Durch die zeitliche Lage der Zündungen und Löschungen wird bei gegebenen Verhältnissen die Blindleistungsbelastung des Netzes vorteilhaft beeinflusst, d. h. die erfindungsgemässe Schaltung kann während einer Halbperiode mehrmals geschaltet und derart angesteuert werden, dass der Strom im Netz angenähert sinusförmig bleibt und sich weitgehend in Phase mit der Spannung befindet, so dass sich tatsächlich eine blindleistungssparende
Gleichrichtung ergibt, insbesondere eine Blindleistungsfreiheit bezogen auf die Grundschwingung, also ein Verschiebungsfaktor von 1.
Beim Polaritätswechsel der Netzspannung muss der Strom von einem Brückenzweig der Brückenschaltung auf den andern kommutieren. Dieser Kommutierungsvorgang bewirkt kurzzeitig einen Netzkurzschluss. Ein Freilauf über beide Freilaufdioden und die Saugdrossel verhindert dies vorteilhaft.
Die Saugdrossel wird voll ausgenutzt.
Zweckmässig sind die eingangsseitigen Hilfsthyristoren der Löschschaltung mit ihren Anoden an den positiven Ausgang der Gleichrichterbrücke gelegt. Mit dieser Massnahme ist vorteilhaft die richtige Aufladung des Löschkondensators für die Löschung des jeweiligen Hauptthyristors gesichert.
Eine vorteilhafte Variante der vorbeschriebenen Schaltung besteht darin, dass die eingangsseitigen Hilfsventile der Löschschaltung mit ihren Anoden an einen gemeinsamen Knotenpunkt gelegt sind, der über je ein Ventil mit je einem Wechselstromeingang und über einen Stützkondensator mit dem Minuspol des Lastkreises verbunden ist.
Der Vorteil dieser Variante liegt im Betrieb an einem Netz mit grossen Leitungsinduktivitäten, wie es z. B. bei einer Oberleitung bei Schienenfahrzeugen der Fall ist. Der Stützenkondensator wird wegen der gekennzeichneten Anschaltung auf den Scheitelwert der Netzspannung aufgeladen. Bei geeigneter Grösse des Stützkondensators kann die Löschung der Hauptthyristoren ein oder mehrmals mit Hilfe der Hilfsthyristoren und des Löschkondensators erfolgen.
Der Stützkondensator ist mit dem Speicherkondensator der eingangs beschriebenen bekannten Schaltungsanordnung nicht vergleichbar ; denn bei der Erfindung handelt es sich beim Stützkondensator nicht um einen Glättungskondensator auf der Gleichstromseite (Gleichspannung), sondern um einen Kondensator, der induktive, in der Netzinduktivität gespeicherte Energie aufnimmt und dadurch beim Abschalten der Thyristoren eine Überspannung vermeidet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 die Schaltungsanordnung mit Saugdrossel mit Mittelanzapfung und Fig. 2 die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit anders angeschalteten Hilfsthyristoren und Stützkondensator.
Im einzelnen besteht die Schaltungsanordnung aus einer eingangsseitigen Wechselstromquelle-l--mit induktivitätsbehafteter Wechselstromleitung - Induktivität L - und den Klemmen --2 und 3--, wobei an die Klemmen --2 und 3-- eine Vollweg-Gleichrichterbrücke aus Dioden --D1, D2, D5 und D6-- angeschlossen ist, an deren positivem Ausgang-9-Hauptthyristoren-Tl und T2-- mit ihren Anoden liegen und deren negativer Ausgang --13-- mit dem lastseitigen Minuspol --12-- potentialgleich ist. Die Kathoden der Hauptthyristoren--T1 und T2-- sind mit unterschiedlichen Eingängen --6 bzw. 7-- einer Saugdrossel --L s--verbunden.
Je eine Freilaufdiode --D3 und D4-- ist mit ihrer Kathode an jeweils einen der Eingänge --6 bzw. 7-der Saugdrossel --Ls -- und mit ihrer Anode jeweils zusammen mit der Anode der entsprechenden Diode - -D1 bzw. D2-- der Vollwegbrücke an den Minuspol --12-- des ausgangsseitigen Lastkreises angeschlossen.
Die Schaltungsanordnung besitzt weiterhin eine gemeinsame Löscheinrichtung aus den Hilfsthyristoren --tus bis T8--. Verbindungspunkte--4 und 5-- zwischen den Hilfsthyristoren --T5 und T7 bzw. T6 und T8-- sind über einen Kommutierungs- bzw. Löschkondensator --C-- miteinander verbunden.
In der Schaltung nach Fig. 2 sind ein Stützkondensator --CS-- und ungesteuerte Ventile --7, 8--, z. B. Dioden, vorgesehen, die mit ihren Anoden mit je einem Ausgang-2 bzw. 3-- der Wechselstromquelle
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- -1-- mit der Leitungsinduktivität L und mit ihren Kathoden über einen Knotenpunkt --10-- mit den Anoden der Hilfsthyristoren --T7 und T8-- verbunden sind.
Die Saugdrossel --LS-- kenn natürlich in zwei Glättungsdrosseln aufgeteilt sein (nicht dargestellt).
Nachfolgend wird die Wirkungsweise der beiden Schaltungen kurz erläutert :
In der Schaltung nach Fig. 1 muss der Löschkondensator--C--so dimensioniert werden, dass er die Energie der Leitungsinduktivität L aufnehmen kann, damit keine zu hohe Spannung an den Ventilen entsteht. Bei geringer Induktivität muss dagegen zweckmässig die Kondensatorspannung überwacht werden, um die Kommutierung zu gewährleisten.
Es wird vom stromlosen Betrieb ausgegangen. Zunächst wird der Hauptthyristor --T1-- gezündet.
Der Strom fliesst von Klemme --2-- über --T1--, --6--, --LS-- (halber Strom). Von --Ls-- aus fliesst der volle Laststrom über den Mittelabgriff --11-- zur Last und von dieser zurück zum Minuspol --12--. Vom Minuspol --12-- aus fliesst der halbe Strom über --D4-- und --7-- zu --LS--, die andere Hälfte über --D2 und 3-zurück zur Quelle --1--. Danach wird der Hauptthyristor --T2-- gezündet. Der Strom geht von - auf --T2-- über. Es fliesst nun halber Strom über-T1--,-6-- zu-Ls-, voller Strom von - LS-- über --11--, --12--, --D2-- zu --3-- und halber Strom über --T2--, --7-- zu --LS--. Das Löschen von --T1-- erfolgt durch Zünden von --T8 und T5--.
Voraussetzung für die Löschung von - T1-- ist, dass der Kondensator --C-- mit einer Spannungsrichtung von Punkt --4-- nach Punkt --5-aufgeladen war. Der Strom kommutiert von --T1-- auf --T8--, --C--, --T5--. Es fliesst nun halber Strom über --T8--, -C--, --T5--, --LS--, voller Strom von --LS-- über --11--, --12--, --D2-- zu --3-- und halber Strom über --T2-, --7-- zu --LS--. Es erfolgt die Kommutierung des Löschstromes von --T8--, --C--, --T5-- auf --D3--. Der Freilauf des halben Stromes über --D3-- beginnt, wenn der Kondensator-C-auf die Spannung zwischen den Klemmen --2 und 3-- aufgeladen worden ist. Diese Kondensatorspannung mit der Spannungsrichtung von --5-- nach --4-- dient später zur Löschung des Hauptthyristors --T2--. Von Klemme --2-- fliesst nun halber Strom über --T2--, --7-- zu --LS--.
Von - fliesst voller Strom über --11--, Last zu --12--. Weiterhin fliesst halber Strom über-D3-,-6- zu --Ls -- und halber Strom--D2-- zu-3--. Das Löschen des Hauptthyristors --T2-- erfolgt durch Zünden von --T6 und T7-- und mit Hilfe der Spannung des Kondensators --C--. Es fliesst nun halber Strom von Punkt --2-- über --T7--, --4--, --C--, --5--, --T6--, --7-- zu --LS--. Weiterhin fliesst voller Strom von --LS-- über --11--, Last zu --12-- und halber Strom über --D3--, --6-- zu --LS-- sowie halber Strom über --D2-- zu --3--. Der Strom kommutiert danach von --T7--, --C--, --T6-- auf --D4--.
Die Kommutierung erfolgt, wenn der Kondensator --C-- auf die Spannung zwischen --2 und 3-aufgeladen ist. Schliesslich folgt eine Freilaufphase des Laststromes. Der Laststrom von--L s--fliesst je zur Hälfte über die Dioden --D3 und D4--. In der zweiten Halbwelle mit einer Spannungsrichtung von Klemme -3-- zu --3-- zu Punkt --2-- kommen die Dioden--D6 und D1-- zum Eingriff. Ansonsten ist die Wirkungsweise unter abwechselnder Funktion der Thyristoren-Tl und T2-- die gleiche wie vorbe- schrieben.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Fig. 2 erläutert :
Die Schaltung gemäss Fig. 2 arbeitet bei grossen Leitungsinduktivitäten wegen des zusätzlichen Kondensators --4-- vorteilhafter - allerdings mit etwas erhöhtem Schaltungsaufwand. Neben den bereits beschriebenen Vorteilen wird ein weiterer Vorteil dadurch erreicht, dass der Stützkondensator --CS-- durch die zwei in Reihe geschalteten Hilfs- bzw. Löschthyristoren --T7 und T5-- oder --T8 und T6-teilweise entladen werden kann. Zum Löschen dieser Thyristoren kann jeweils ein Löschthyristor des nicht leitenden Zweiges dienen.
Die einzelnen Stromverläufe beim Durchschalten bzw. Zünden und Löschen der Hauptthyristoren-Tl und T2-- entsprechend denen an Hand der Fig. 1 beschriebenen. Beim jeweiligen Löschvorgang hat der über die Dioden--D7 und D8--an den Knotenpunkt --10-- angeschlossene Stützkondensator --CS-- die folgende Wirkung :
Unter der Voraussetzung, dass zu Beginn der Löschung die Spannung an --CS-- grösser als die Spannung zwischen den Klemmen --2 und 3-- ist, fliesst gegenüber dem Stromverlauf in Fig. 1 zusätzlich Strom aus --CS--. Der Strom aus der Wechselstromquelle --1-- klingt ab, dadurch entsteht an der Induktivität L eine Spannung, so dass über die Diode --D7-- noch ein Strom fliessen kann.
Wenn der Kondensator --C-- sich durch den Löschstrom umgeladen und die Spannung an-CS-- erreicht hat, kommutiert der Löschstrom auf die Diode --D3--. Über die Diode --D7-- fliesst weiter Strom in den
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Kondensator--CS--. Wenn der Stromfluss in den Stützkondensator --C8-- beendet ist, entspricht die Stromaufteilung der Freilaufphase über die Diode--D3--gemäss Fig.
l. Beim Löschen des Hauptthyristors --T2-- fliesst ebenso wie beim Löschen des Thyristors --T1-- Strom aus dem Stützkondensator --CS--. Wenn der Löschkondensator-C-- sich durch den Löschstrom wieder umgeladen und die Spannung am Stützkondensator--CS--erreicht hat, kommutiert der Löschstrom auf die Diode--D4--. Über die Diode --D7-- fliesst weiter Strom in den Stützkondensator--CS--.
In der zweiten Halbwelle treten die Dioden --D1, D6 und D8--an Stelle der Dioden --D2, D5 und D7-- in Funktion. Ansonsten ist die Wirkungsweise analog zu der vorbeschriebenen.
EMI4.1
An Stelle der beiden Dioden--D7 und D8-- kann auch eine Diode zwischen die Anschlüsse --9 und 10-geschaltet werden.
Vorteilhaft wird eine weitere Verwendung der Schaltung dann erreicht, wenn der Mittelabgriff --11-und der Minuspol --12-- kurzgeschlossen werden. Der Zweipulsgleichstromsteller dient nun dazu, wechselweise Energie aus dem Netz zu entnehmen und sie in der Netzdrossel --L-- und im Stützkondensator --CS-- zu speichern. Am Stützkondensator --CS-- kann dann ein Hauptantrieb angeschlossen werden (z. B. ein Wechselrichter zur Speisung eines Drehstrommotors).