Umrichter mit einer Schaltungsanordnung zur Änderung der Betriebsart Unter einem Ventilumformer ist bekanntlich eine elektrische Einrichtung zu verstehen, welche dazu dient, elektrische Energie hinsichtlich der Strom- und Spannungsform, der Effektiv-Werte von Strom und Spannung, der Phasenlage oder Phasenzahl bzw. der Frequenz mit Hilfe von elektrischen Ventilen umzufor men.
Umrichter sind Ventilumformer zwischen zwei Wechselstromsystemen, von denen eines normalerweise ein relativ starres Netz ist, während das andere ein Netz, eine Maschine oder irgend ein passiver Verbrau cher sein kann. Mit Umrichtern wird vornehmlich die Frequenz umgeformt.
Unter der Führung eines Umrichters wird das Er zwingen der Stromübergänge von einem Ventil auf das folgende verstanden. Hierzu sind Wechselspannungen, sog. Führungsspannungen erforderlich, welche gegen über den Wechselströmen voreilen. Ein führendes Wechselstromsystem muss daher in der Lage sein, in duktive Blindleistung an den geführten Umrichter ab zugeben.
Falls die Stromübergänge von einem Ventil auf das nächste derart erfolgen, dass der Strom lückenlos ver läuft, werden sie als Kommutierungen bezeichnet. Die zugehörigen Führungsspannungen nennt man Kommu- tierungs-Spannungen. Eine natürliche Kommutierung liegt dann vor, wenn die Kommutierungsspannungen von einem Netz oder von einer Maschine, nicht hinge gen beispielsweise von einem Schwingkreis stammen.
Umrichter werden bekanntlich in Zwischenkreis umrichter und Direktumrichter eingeteilt. Fig.1 gibt einen Zwischenkreisumrichter, Fig.2 einen Direktum- richter schematisch wieder.
In Fig. 1 sind mit U, V die Klemmen eines primä ren, mit X, Y die Klemmen eines sekundären Wechsel stromsystems bezeichnet. Ein Primärtransformator 1 weist eine äussere Wicklung la und eine innere Wick lung lb auf, ein Sekundärtransformator 2 eine äussere Wicklung 2a sowie eine innere Wicklung 2b. Gehört letztere einer Maschine an, kann die äussere Wicklung 2a entfallen. Dies trifft beispielsweise zu, wenn die Maschine Permanentmagnetpole besitzt. Die inneren Transformatorwicklungen 1b, 2b sind über steuerbare Ventile 3, 4, 5, 6 miteinander verbunden.
Eine Spei cherdrossel 7 ist an Mittelpunktsanzapfungen der bei den inneren Transformatorwicklungen 1b, 2b geschal tet. Die dargestellte Schaltung wird eine beidseitige Mit telpunktschaltung genannt.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Zwi- schenkreisumrichters ht folgende: Nimmt man an, dass die Ventile 3, 5 geöffnet, die Ventile 4, 6 hingegen gesperrt sind, fliesst ein durch vollausgezogene Pfeile gekennzeichneter Strom in den oberen Wicklungshälften der inneren Wicklungen 1b, 2b.
Bei geeigneter Bemessung ist die Speicherdrossel 7 in der Lage, den Strom in praktisch unveränderter Grösse und Richtung aufrechtzuerhalten, selbst wenn infolge einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung letztere in bestimmten Zeitmomenten erste rem entgegengerichtet ist. Eine primäre Kommutierung tritt ein, wenn das Ventil 3 gesperrt, das Ventil 4 ge öffnet wird. Dann fliesst dem gestrichelten Pfeil ent sprechend ein Strom in. der unteren Wicklungshälfte der inneren Wicklung 1b, ohne dass dies im Sekundärkreis eine Stromumkehr zur Folge hätte.
Der Primärtrans formator 1 bildet zusammen mit den steuerbaren Ven tilen 3, 4 einen primären Stromrichter, denn über die Verbindungsleitung zwischen den zusammengeschalte ten Kathoden der Ventile 3, 4 sowie den miteinander verbundenen Anoden der Ventile 5, 6 fliesst ein Gleichstrom. Dieser wird durch den sekundären Strom richter 2b, 5, 6 in einen Wechselstrom umgeformt. Öff net man das Ventil 6 und sperrt das Ventil 5, so liegt eine sekundäre Kommutierung vor, da nunmehr der gestrichelt gezeichnete Strom in der unteren Wick lungshälfte der inneren Wicklung 2b fliesst.
Bei den beschriebenen Vorgängen führt das pri märe Wechselstromnetz den primären Stromrichter. Die Kommutierungen zwischen den Ventilen 3, 4 erfol- gen also mit Hilfe der Primärspannung, unabhängig von der Sekundärspannung. Das sekundäre Wechsel stromsystem ist ein Netz oder eine Maschine. Der sekundäre Stromrichter kann demnach sekundärnetzge- führt oder maschinengeführt betrieben werden. Der Umrichter arbeitet also mit natürlicher Kommutierung. Bei sekundärseitiger Führung durch eine Maschine muss diese die notwendige Kommutierungsblindleistung und Kommutierungsspannung bereitstellen können.
Eine Asynchronmaschine oder eine Maschine mit tiefer Maschinenfrequenz erfüllt jedoch die genannte Voraus setzung nicht. Dann liesse sich zur sekundärseitigen Führung das Primärnetz heranziehen. Dies hätte jedoch schädliche niederfrequente Rückwirkungen auf die Primärseite zur Folge.
Zwischenkreisumrichter ermöglichen zwar prak tisch unbegrenzt hohe Sekundärfrequenzen, sie versa gen aber bei sehr kleinen Sekundärfrequenzen.
Fig.2 zeigt einen Direktumrichter in beidseitiger Mittelpunktschaltung. Gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Es lässt sich er kennen, dass die gleichen Elemente Verwendung fin den wie beim Zwischenkreisumrichter. Die steuerbaren Ventile 3, 4, 5, 6 sind allerdings auf andere Art zu sammengeschaltet.
Die Funktion des in Fig. 2 wiedergegebenen Direkt umrichters ist folgende: Der Primärtransformator 1 bildet mit den Ventilen 3, 5 einen ersten und mit den Ventilen 4, 6 einen zwei ten primären Stromrichter. Diese beiden Stromrichter sind bezüglich der inneren Wicklung 2b des Sekundär transformators 2 antiparallel geschaltet. Nimmt man an, dass nur das Ventil 3 geöffnet, alle anderen Ventile aber gesperrt sind, fliesst ein durch vollausgezogene Pfeile gekennzeichneter Strom in den oberen Wick lungshälften der inneren Wicklungen 1b, 2b. Die Spei cherdrossel 7 dient wiederum dazu, Stromrichtung und Stromgrösse auch bei entgegengerichteter Spannung aufrechtzuerhalten.
Eine primäre Kommutierung tritt ein, wenn das Ventil 3 gesperrt, das Ventil 5 geöffnet wird. Dann fliesst dem gestrichelten Pfeil entsprechend ein Strom in der unteren Wicklungshälfte der inneren Wicklung 1b, ohne dass dies eine Stromumkehr in der Wicklung 2b zur Folge hätte. Das abwechselnde Zün den von kathodenseitig direkt miteinander verbunde nen Ventilen bedingt eine primäre Kommutierung. Eine sekundäre Kommutierung ergibt sich, wenn an odenseitig direkt miteinander verbundene Ventile auf einanderfolgend geöffnet werden.
So führt beispiels weise die Ablösung des Ventils 3 durch Ventil 6 zwar zur Stromumkehr in der Wicklung 2b (gestrichelter Pfeil), nicht hingegen in der Wicklung 1b. Werden Ventile, die weder anodenseitig noch kathodenseitig direkt miteinander verbunden sind, nacheinander ge zündet, so liegt eine gemeinsame Kommutierung vor. Folgt beispielsweise auf das Ventil 3 das Ventil 4, so tritt sowohl in der Wicklung 1b als auch in der Wick lung 2b eine Stromumkehr ein.
Der vorbeschriebene Direktumrichter wird wie derum primärseitig netz- oder maschinengeführt betrie ben. Das primäre Wechselstromsystem stellt also die erforderlichen Führungsspannungen und die benötigte Blindleistung bereit. Die primärseitige Führung ist damit gesichert. Sekundärseitig kann der Umrichter maschinengeführt, sekundämetzgeführt oder primär- netzgeführt betrieben werden. Der Umrichter arbeitet also mit natürlicher Kommutierung.
Mit primärnetzgeführten Direktumrichtern ohne Speicherdrossel lassen sich zwar beliebig tiefe Sekun- därfrequenzen beherrschen, die höchste Sekundärfre quenz ist jedoch auf einen Bruchteil der Primärfre quenz begrenzt. Darüber hinaus treten primärseitig starke, schädliche niederfrequente Rückwirkungen auf.
Direktumriehter mit Speicherdrosseln ermöglichen ebenfalls tiefe Sekundärfrequenzen, da im Falle von gemeinsamer Kommutierung die Primär- und die Sekundärwechselspannung zusammen wirken, so dass auch bei sehr kleiner Sekundärspannung die Kommu- tierung noch sicher vor sich geht. Bei höherer Sekun därfrequenz ist aber die Ausnützung der Anlageteile ausserordentlich schlecht.
Es ist also zusammenfassend festzustellen, dass Umrichter mit natürlicher Kommutierung Sekundärfre quenzen beliebiger Höhe, wie sie beispielsweise bei be stimmten umrichtergespeisten Antrieben benötigt wer den, nicht ermöglichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Mängel des Be kannten zu vermeiden.
Diese Aufgabe lässt sich lösen, wenn erfindungsge- mäss Schaltelemente vorgesehen sind, welche die steuerbaren Ventile und Induktivitäten des Umrichters derart miteinander verbinden, dass in einer ersten Schaltstellung der Schaltelemente der Umrichter als Zwischenkreisumrichter und in einer zweiten Schalt stellung als Direktumrichter geschaltet ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass un ter Verwendung praktisch gleicher Starkstromelemente (Transformatoren, Ventilen, Drosseln) bei tiefen Sekundärfrequenzen der in diesem Frequenzbereich be sonders geeignete Direktumrichter, bei hohen Sekun därfrequenzen der wesentlich günstigere Zwischenkreis umrichter zum Einsatz kommen kann.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.
Es zeigt: Fig. 1 einen bereits beschriebenen Zwischenkreis umrichter, Fig.2 einen ebenfalls schon erläuterten Direktum- richter, Fig. 3 einen Umrichter in beidseitiger Mittelpunkt schaltung, wobei sich ein Schaltelement in. einer ersten Schaltstellung befindet, Fig. 4 eine Anordnung entsprechend Fig. 3, wobei sich das Schaltelement in einer zweiten Schaltstellung befindet,
Fig.5 einen Umrichter in beidseitiger Brücken schaltung, wobei sich ein Schaltelement in einer ersten Schaltstellung befindet, Fig. 6 eine Anordnung entsprechend Fig. 5, wobei sich das Schaltelement in einer zweiten Schaltstellung befindet, Fig.7 einen Umrichter in beidseitiger Brücken schaltung, wobei die primäre und die sekundäre Puls zahl unterschiedlich sind.
Fig. 3 stellt einen Umrichter in beidseitiger Mittel punktschaltung dar, wobei wiederum gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in den vor hergehenden Figuren. Nunmehr ist ein Schaltelement 8 vorgesehen, das sich in einer ersten Schaltstellung I be findet.
In dieser Schaltstellung sind die anodenseitig an die innere Wicklung 1b des Primärtransformators 1 an- geschlossenen Ventile 3, 4 über die Kontakte 9, 10 des Schaltelementes 8 sowie die Verbindungsleitung 11 kathodenseitig zusammengeschlossen. Die Ventile 5, 6 hingegen, welche kathodenseitig an der inneren Wick lung 2b des Sekundärtransformators 2 liegen, sind an- odenseitig über die Kontakte 12, 13 des Schaltelemen tes 8 und die Verbindungsleitung 14 miteinander ver bunden. Schliesslich besteht über die Leitung 15 eine Verbindung zwischen den zusammengeschlossenen Kathoden der Ventile 3, 4 und den zusammengeschlos senen Anoden der Ventile 5, 6.
Es liegt also ein Zwi- schenkreisumrichter gemäss Fig.1 vor.
Der in Fig. 4 dargestellte Umrichter entspricht hin sichtlich der Einzelelemente demjenigen von Fig.3. Das Schaltelement 8 nimmt jedoch eine zweite Schalt stellung II ein. In dieser Schaltstellung sind die Ventile 3, 5, welche anodenseitig je an einer Klemme der inne ren Wicklung 1b des Primärtransformators 1 liegen, über den Kontakt 9 des Schaltelements 8 sowie eine Leitung 16 kathodenseitig miteinander verbunden. Ebenso werden die Ventile 4, 6, welche gleichfalls an- odenseitig je an einer Klemme der inneren Wicklung 1b des Primärtransformators 1 liegen, über den Kon takt 10 des Schaltelements 8 sowie eine Leitung 17 kathodenseitig verbunden.
Die Elemente 1b, 3, 5 bil den einen ersten primären Stromrichter, die Elemente 1b, 4, 6 einen zweiten primären Stromrichter. Diese beiden Stromrichter sind bezüglich der Sekundärwick lung 2b antiparallel geschaltet. Es liegt also ein Direkt- umrichter gemäss Fig. 2 vor.
Der Neuerungsgedanke ist nicht auf Mittelpunkt schaltungen beschränkt. Er lässt sich beispielsweise auch bei Brückenschaltungen verwirklichen.
Fig.5 bezieht sich auf eine beidseitige Brücken schaltung. Mit U, V sind wiederum die Klemmen eines primären, mit X, Y die Klemmen eines sekundären Wechselstromsystems bezeichnet. Steuerbare Ventile weisen die Bezugsziffern 20-27 auf. Ferner sind Dros seln 28, 29, die vorzugsweise auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind, vorgesehen und Schaltelemente 30 vorhanden. Letztere befinden sich in einer ersten Schaltstellung I.
In dieser Stellung sind die Wechsel stromklemmen der aus den Ventilen 20, 21, 22, 23 be stehenden ersten Stromrichterbrücke mit dem primären Wechselstromsystem, die Wechselstromklemmen der aus den Ventilen 24, 25, 26, 27 aufgebauten zweiten Stromrichterbrücke mit dem sekundären Wechsel stromsystem verbunden. Weil die beiden Stromrichter brücken gleichstromseitig über Drosseln in einen Kreis zusammengeschaltet sind, liegt ein Zwischenkreisum- richter vor.
Der in Fig. 6 dargestellte Umrichter entspricht hin sichtlich der Einzelelemente demjenigen von Fig.5. Das Schaltelement 30 nimmt jedoch eine zweite Schalt stellung II ein. Nunmehr sind sowohl die Wechsel stromklemmen der ersten Stromrichterbrücke 20, 21, 22, 23 als auch der zweiten Stromrichterbrücke 24, 25, 26, 27 mit dem sekundären Wechselstromsystem X, Y verbunden. Das primäre Wechselstromsystem U, V steht mit Mittelanzapfungen der Drosseln 28, 29 in Verbindung.
Die Funktionsweise des in Fig. 6 dargestellten Um richters ist folgende: Es sei ein Stromfluss von U über 28, 24, X, Y, 27, 29 nach V angenommen. Werden die Ventile 24, 27 durch die Ventile 22, 21, abgelöst, so liegt eine pri- märe Kommutierung vor (Stromfluss von V über 29, 22, X, Y, 21, 28 nach U). Würden hingegen die Ven tile 24, 27 durch die Ventile 25, 26 abgelöst, so hätte dies eine sekundäre Kommutierung zur Folge (Strom- fluss von U über 28, 25, Y, X, 26, 29 nach V).
Schliesslich tritt eine gemeinsame Kommutierung auf, wenn auf die Ventile 24, 27 die Ventile 23, 20 folgen (Stromfluss von V über 29, 23, Y, X, 20, 28 nach U). In der Umrichterschaltung gemäss Fig.6 ist kein Gleichstromzwischenkreis vorhanden. Es handelt sich also um einen Direktumrichter.
Die in den Fig.1-6 beschriebenen Schaltungen sind zweipulsig. Unter Pulszahl ist hierbei das Verhält nis zwischen der Frequenz der ersten Harmonischen der gleichgerichteten Spannung und der Netzfrequenz zu verstehen. Der Neuerungsgedanke ist aber auch auf eine bestimmte Pulszahl nicht beschränkt. Er lässt sich ohne weiteres auf höherpulsige Schaltungen anwenden. Es kann dann allerdings vorkommen, dass nicht sämt liche Starkstromelemente in beiden Schaltungsarten (Zwischenkreisumrichter und Direktumrichter) benötigt werden. Ein Beispiel ist in Fig.7 wiedergegeben.
Es handelt sich dort um eine beidseitige, primär zweipul- sige, sekundär sechspulsige Brückenschaltung. Mit U. V sind wieder die Klemmen eines primären, mit X, Y, Z die Klemmen eines sekundären Wechselstromsystems bezeichnet. Die aus den Ventilen 31-36 bestehende Stromrichterbrücke ist zu der aus den Ventilen 37-4.2 aufgebauten Stromrichterbrücke bezüglich der Drosseln 43 und 44 antiparallel geschaltet. Ferner sind Schalt elemente 45 vorgesehen.
In der Schaltstellung I (voll ausgezogene Schalterstellung) liegt ein Zwischenkreis umrichter vor, in der Schaltstellung II (gestrichelt ge zeichnete Schalterstellung) ein Direktumrichter. In der Schaltung als Zwischenkreisumrichter finden die Ven tile 33, 36 keine Verwendung, beim Direktumrichter werden hingegen sämtliche' Ventile benötigt. Die Wir kungsweise der Anordnung gemäss Fig. 7 ist analog zu jener anhand von Fig. 5 und 6 erläuterten Funktion.
EMI0003.0068
<I>Bezeichnungsliste</I>
<tb> 1 <SEP> --- <SEP> Primärtransformator
<tb> la <SEP> = <SEP> äussere <SEP> Wicklung <SEP> des <SEP> Primärtransformators <SEP> 1
<tb> 1b <SEP> = <SEP> innere <SEP> Wicklung <SEP> des <SEP> Primärtransformators <SEP> 1
<tb> 2 <SEP> = <SEP> Sekundärtransformator
<tb> 2a <SEP> = <SEP> äussere <SEP> Wicklung <SEP> des <SEP> Sekundär transformators <SEP> 2
<tb> 2b <SEP> = <SEP> innere <SEP> Wicklung <SEP> des <SEP> Sekundär transformators <SEP> 2
<tb> 3 <SEP> = <SEP> erstes <SEP> steuerbares <SEP> Ventil
<tb> 4 <SEP> = <SEP> zweites <SEP> steuerbares <SEP> Ventil
<tb> 5 <SEP> = <SEP> drittes <SEP> steuerbares <SEP> Ventil
<tb> 6 <SEP> --- <SEP> viertes <SEP> steuerbares <SEP> Ventil
<tb> 7 <SEP> = <SEP> Speicherdrossel
<tb> 8 <SEP> = <SEP> Schaltelement
EMI0004.0001
<B>9, <SEP> 10,
</B> <SEP> 12, <SEP> 13 <SEP> = <SEP> Kontakte <SEP> des <SEP> Schaltelementes <SEP> 8
<tb> 11, <SEP> 14, <SEP> 15, <SEP> 16 <SEP> = <SEP> Verbindungsleitungen <SEP> am <SEP> Schalt element <SEP> 8
<tb> 20, <SEP> 21, <SEP> 22, <SEP> 23 <SEP> = <SEP> erste <SEP> Stromrichterbrücke
<tb> 24, <SEP> 25, <SEP> 26, <SEP> 27 <SEP> = <SEP> zweite <SEP> Stromrichterbrücke
<tb> <B>28,29</B> <SEP> = <SEP> Drosseln
<tb> 30 <SEP> --- <SEP> Schaltelement
<tb> 31 <SEP> <B>...</B> <SEP> 42 <SEP> --- <SEP> steuerbare <SEP> Ventile
<tb> 43,44 <SEP> = <SEP> Drosseln
<tb> 45 <SEP> = <SEP> Schaltelement
<tb> I, <SEP> <B>il</B> <SEP> = <SEP> Stellungen <SEP> der <SEP> Schaltelemente
<tb> U, <SEP> V <SEP> = <SEP> Klemmen <SEP> eines <SEP> primären <SEP> Wechsel stromsystems
<tb> X, <SEP> Y, <SEP> Z <SEP> = <SEP> Klemmen <SEP> eines <SEP> sekundären <SEP> Wechsel stromsystems