Stromrichteranordnung
Mit der Entwicklung von Silicium-Gleichrichtern, die zu überaus verlässlichen und auch preiswerten Bauelementen geworden sind, hat das Anwendungsgebiet gleichgerichteter Ströme eine gewaltige Ausweitung erfahren. Die geringen mechanischen Abmessungen von Silicium-Dioden erlauben auch ihre Verwendung in rotierenden Maschinen so dass bei diesen durch Wegfall von mechanisch bewegten Kontakten (Kommutatoren, Schleifringen) ein bedeutender Fortschritt im Stand der Technik erzielt wurde.
Für Einphasen-Vollweggleichrichtung wird im allgemeinen die Brückenschaltung nach Graetz angewandt. Dabei werden in bekannter Weise vier Ventilzweige benötigt. Bei der Mittelpunktschaltung ist mit nur zwei Ventilzweigen ebenfalls eine Vollweggleichrichtung erreichbar, jedoch muss das speisende System, z. B. die Sekundärwicklung eines Transformators, doppelt ausgeführt werden, wenn man auf gleiche Verlustleistung darin kommen möchte.
Bei rotierenden Gleichrichteranordnungen, bei denen sich also der speisende Teil, die Gleichrichter und die Last gemeinsam auf einem mechanisch verbundenen Teil befinden, beanspruchen die Gleichrichter samt ihren Befestigungsorganen einen von der Baugrösse der Maschine abhängigen Anteil an den Herstellkosten. Bei Einheiten mit grosser Leistung treten die mechanisch tragenden Elemente gegenüber den elektrisch aktiven in den Vordergrund. Bei Einheiten mit kleiner Leistung, etwa im Bereich von weniger als 5 kW gleichgerichteter Leistung, fehlen zum Teil eigene mechanisch tragende Konstruktionselemente, da diese Funktion von den aktiven Teilen mit übernommen werden kann, sofern man letztere günstig gestaltet hat. Die Kosten richten sich hier also in erster Linie nach der Grösse und Anzahl der elektrisch aktiven Elemente, etwa nach der Anzahl der Gleichrichter und ihren Befestigungsorganen.
In bestimmten Anwendungsfällen sind die Kosten überhaupt proportional der Anzahl der Gleichrichter.
Bisher standen für die Einphasen-Vollweggleichrichtung die oben erwähnte Brückenschaltung oder die Mittelpunktschaltung zur Verfügung. Die Wahl einer dieser Möglichkeiten war davon abhängig, ob die Einsparung von zwei Brükkenzweigen den Aufwand des doppelten speisenden Systems aufzuwiegen imstande war.
Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung mit je einer in Phase und Gegenphase geschalteten Wicklung pro speisender Phase und Lastwiderständen mit Halbleiterdioden oder Thyristoren, wobei erfindungsgemäss die Anordnung 2 n mit Wechselstrom beaufschlagte Wicklungen, von denen n in Phase und n in Gegenphase sind, und 2 n Lastwiderstände enthält, wobei n eine ganze Zahl ist, welche Wicklungen und Lastwiderstände abwechselnd in einen geschlossenen, in beiden Richtungen durchlässigen Kreis geschaltet sind, wobei in diesem aufeinanderfolgende Wicklungen wechselweise in Phase und Gegenphase geschaltet sind, an jedem Verbindungspunkt zwischen Wicklung und Lastwiderstand des geschlossenen Kreises bei n=t ein und bei nzl zwei Ventilkreise angeschlossen sind,
von denen jeder eine Serienschaltung von Wicklung und Lastwiderstand überbrückt und jeder dieser Ventilstromkreise mit Halbleiterdioden oder mit Thyristoren so geschaltet ist, dass die an den beiden Enden einer Wicklung angeschlossenen Ventilkreise in bezug auf die Richtung zum Verbindungspunkt gleiche, die an die beiden Enden eines Lastwiderstandes angeschlossenen Ventilkreise hingegen unterschiedliche Durch- lassrichtung aufweisen.
In Weiterbildung der Erfindung kann durch die direkte Verbindung von Verbindungspunkten (Knoten) gleichen Potentials des geschlossenen Kreises untereinander und darausfolgende Reduktion der Zahl der Ventilzweige, im besonderen auf die Zahl von zwei Ventilzweigen, erreicht werden.
Man kann durch abwechselndes Durchschalten und Sperren jedes zweiten Ventilzweiges eine Richtungsumkehr der Energie, im besonderen eine Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom erzielen.
Die erfindungsgemässe Stromrichteranordnung kann bei einer rotierenden bürstenlosen Erregermaschine mit Erregermaschinenwicklung und Polrad angewendet werden, wobei der speisende wie der verbrauchende Teil in je zwei gleiche Hälften unterteilt ist, in der weiter oben näher erläuterten Weise durch zwei Ventilzweige verbunden werden.
Die Voraussetzung der Teilbarkeit des speisenden und verbrauchenden Teils trifft bei Wechselstromerregermaschinen, die den Hauptteil aller Anwendungsfälle mit rotierenden Gleichrichtern darstellen, immer zu, da jede Maschine min destens zwei Pole hat, die im allgemeinen getrennt gewikkelt und erst später zusammengeschaltet werden.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung am elektrischen Modellfall einer Wechselstromerregermaschine beispielsweise beschrieben.
In der Zeichnung stellt Fig. 1 die bekannte Brückenschaltung, Fig. 2 die bekannte Einphasenmittelpunktschaltung und Fig. 3 die erfindungsgemässe Gleichrichterschaltung in schematischer Form dar. In den Fig. 4 und 5 werden für zwei Zeitaugenblicke tl (Fig. 4) und t2 (Fig. 5) die Stromrichtungsverhältnisse dargestellt, die sich bei alternierendem Durchschalten und Sperren der beiden Ventilzweige im Falle der Umrichtung von Gleich- in Wechselstrom ergeben.
Fig. 6 zeigt eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeit der beschriebenen Schaltungsanordnung auf mehrere Teile im erzeugenden sowie im verbrauchenden System, Fig. 7 zeigt die gleiche Anordnung aber mit entsprechend verbundenen Knotenpaaren gleichen Potentials und schliesslich Fig. 8 die gleiche Anordnung mit Reduktion der Ventilzweige auf nur zwei. Fig. 9 stellt eine aus Fig. 3 abgeleitete Anordnung dar, wie sie im Rotor von bürstenlosen Erregermaschinen Anwendung findet.
In Fig. 1 ist das elektrisch aktive, galvanisch verbundene System einer Wechselstromerregermaschine schematisch dargestellt. Es besteht aus drei Teilen, der Rotorwicklung 1 der Erregermaschine als erzeugendes System, in welcher ein ein- oder mehrphasiges Wechselstromsystem induziert werden kann, den nachgeschalteten Gleichrichtern 2, 3, 4, 5, hier in Brückenschaltung und der Polradwicklung 6 als Last.
In Fig. 2 ist eine Einphasen-Mittelpunktschaltung angewendet, mit der doppelten Speisewicklung (Erzeugersystem) 7, 8, den beiden Gleichrichtern 10 und der Polradwicklung 6 als Last
In Fig. 3 sind die beiden Hälften der Erregermaschinenwicklung (Erzeuger) mit 11, 12 bezeichnet, die beiden Gleichrichterzweige mit 13, 14 und die beiden Hälften der Polradwicklung mit 15, 16. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise gelten die strichliert eingetragenen Pfeile für den Zeitaugenblick t1 und die voll ausgezogenen für den Zeitaugeblick t2, die jeweils für die Maximalwerte während einer vollen Periode gelten. Die induzierten Spannungen in den beiden Häften des speisenden Systems 11 und 12 sind phasen- und grössengleich.
Im Zeitaugenblick t1 sei die Spannung in der Erregerwicklungshälfte 11 von a nach b, in der Erregerwicklungshälfte 12 von d nach c gerichtet. Die Punkte a, c und b, d sind zwar durch Gleichrichter verbunden, aber in Sperrichtung, so dass ohne Last kein Strom zu fliessen vermag.
Gleichzeitig aber tritt zwischen den Punkten d-a und c-b eine Potentialdifferenz auf. Bei Anschluss der Lasthälften an diesen Stellen fliesst der Strom in der Polradwicklungshälfte 16 von d nach a, in der Polradwicklungshälfte 15 von c nach b.
Im Zeitaugenblick t2 tritt 11 und 12 die negative Spannungshalbwelle auf, sie ist in 11 von b nach a, in 12 von c nach d gerichtet. Jetzt kann sich der Laststrom nur über das Ventil 13 schliessen, er hat in 16 die Richtung von d nach a und in 15 von c nach b, er fliesst also in derselben Richtung wie im Augenblick t.
Damit ist die Vollweggleichrichtung dieser Schaltung prinzipiell nachgewiesen. Eine Gegenüberstellung der Verlustbilanzen soll nun noch die Gleichheit des Wicklungsvolumens bei der Brückengleichrichtung und der beschriebenen Gleichrichtung beweisen.
Für die Brückengleichrichtung nach Graetz gilt während jeder Halbwelle J12. R1 = Q1, wenn mit J der Effektivwert des Stromes, mit R der Wicklungswiderstand des speisenden Systems, mit Q die Verlustleistung darin und mit den Indizes die Figurenpositionen angegeben werden. Jeder Gleich- richterzweig führt während einer Halbwelle den einfachen Effektivwert und wird während der anderen Halbwelle mit der einfachen Spannung in Sperrichtung belastet. Die Richtverluste bestehen aus der Summe der Verluste von zwei Zweigen.
Für die Mittelpunktschaltung gilt bei der ersten Halbwelle J72. R7 = Q7, bei der zweiten Halbwelle J82 R8 = Q8.
Bei vorausgesetzter Gleichheit von JI mit J7 und J8 muss Rg = R7 = R8 gelten, damit wieder der Wert J12 R1 = Q1 wie bei der Brückenschaltung entsteht. Da aber jede Wicklungshälfte den Widerstand gleich R besitzen muss und jede für sich die volle Spannung zu liefern hat, folgt, dass die speisende Wicklung das doppelte Gewicht bzw. das doppelte Volumen besitzt.-Jeder Gleichrichterzweig führt während einer Halbwelle den einfachen Effektivwert, wird aber während der anderen Halbwelle mit der doppelten Spannung in Sperrrichtung belastet. Die Richtverluste bestehen aus den Verlusten nur eines Zweiges.
Für die beschriebene Gleichrichterschaltung gilt bei der ersten Halbwelle J112 R11 = Q11 und J122 R12 = Q12, dieselben Werte gelten bei der zweiten Halbwelle. Da nun beide Ströme stets gleichzeitig fliessen, wird bei J" = J,2 ='au, derselbe Effekt wie bei den vorhergehenden Fällen in der Last erzielt Um auch auf dieselben Verluste zu kommen, muss R7 = R8 = 2R1 sein. Sodann ergibt sich wider wegen der Gleichzeitigkeit in beiden Kreishälften J112. R11 + J122. R12 = 2(J,/2)2 2R1 = Q1.
Da jede Wicklungshälfte jetzt den doppelten Widerstand haben kann als bei der Brückenschaltung, erhält sie nur das halbe Gewicht bzw. das halbe Volumen, verglichen mit der Brückenschaltung, womit das Gesamtgewicht gleich wie bei der Brückenschaltung wird. Jeder Gleichrichterzweig führt während einer Halbwelle den einfachen Strom und wird während der anderen Halbwelle mit der doppelten Spannung in Sperrichtung beansprucht. Die Richtverluste bestehen aus den Verlusten nur eines Zweiges.
Die Vorteile liegen also klar auf der Hand: Einsparung sowohl der Hälfte der Ventile und Befestigungselemente (Kühlkörper) als auch der Hälfte an Montagearbeit. Der bei doppelter Sperrspannung um 25 bis 40 % höhere Diodenpreis lässt trotzdem in der Summe eine entscheidende Kosteneinsparung zu. Überdies kann bei kleinen Maschinen das Raumproblem am rotierenden Teil ausschlaggebend sein.
Die Teilung der Wicklung in zwei Hälften bedeutet hier überhaupt keinen Mehraufwand, im Gegenteil: Die einzelnen Pole der Maschine wurden ja getrennt bewickelt und erst anschliessend zusammengeschaltet, es steht immer eine durch 2 teilbare Zahl von Teilwicklungen zur Verfügung, sowohl im speisenden System als auch im Lastsystem.
Eine Energierichtungsumkehr ist bei der vorgeschlagenen Schaltung möglich, wenn anstelle der ungesteuerten Gleichrichterzweige gesteuerte Elemente zum Einsatz gelangen. Bei alternierendem Durchschalten und Sperren der beiden Zweige ergibt sich eine Umformung von Gleichstrom, der in den beiden Hälften 15 und 16 der Polradwicklung erzeugt wird, in einen Wechselstrom, der durch die beiden
Hälften 11 und 12 der Erregermaschinenwicklung fliesst. Bei Änderung der Durchlassrichtung eines der beiden Ventil zweige vertauschen das erzeugende und verbrauchende Sy stem ihre Plätze und es ergibt sich eine Umformung von
Gleichstrom aus den Erregermaschinenwicklungen 11 und
12 in einen Wechselstrom durch die Polradwicklungen 15 und 16.
Fig. 4 zeigt die für den Zeitaugeblick t1, Fig. 5 die für den Zeitaugenblick t2 geltenden Verhältnisse, wobei der je weils sperrende Ventilzweig in beiden Figuren überhaupt weggelassen wurde.
Eine Erweiterung der Anordnung auf mehrere Teile so wohl im erzeugenden als auch im verbrauchenden System ist in analoger Weise möglich und durch Fig. 6 dargestellt.
Die Anzahl der Ventile in Fig. 6 dient zur Verdeutlichung des erfindungsgemässen Anordnungsgedankens. Es ist klar erkenntlich, dass je zwei Gleichrichter zusammengefasst werden können, wie dies Fig. 7 zeigt. Da noch immer zwei Knotenpaare gleiches Potential besitzen, können auch diese verbunden werden, wodurch sich letzten Endes eine Anordnung nach Fig. 8 mit nur zwei Gleichrichtern ergibt.
Fig. 9 stellt eine aus der Fig. 3 abgeleitete Anordnung dar, wie sie im rotierenden Teil von bürstenlosen Erregermaschinen Anwendung finden kann. Mit 1 sind die beiden Hälften des Erregermaschinenläufers, mit 2 die beiden Gleichrichterzweige und schliesslich mit 3 die beiden Hälften der Polradwicklung bezeichnet.
PATENTANSPRUCH I
Stromrichteranordnung mit je einer in Phase und Gegenphase geschalteten Wicklung pro speisender Phase und Lastwiderständen mit Halbleiterdioden oder Thyristoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung 2 n mit Wechselstrom beaufschlagte Wicklungen, von denen n in Phase und n in Gegenphase sind, und 2 n Lastwiderstände enthält, wobei n eine ganze Zahl ist, welche Wicklungen und Lastwiderstände abwechselnd in einen geschlossenen, in beiden Richtungen durchlässigen Kreis geschaltet sind, wobei in diesem aufeinanderfolgende Wicklungen wechselweise in Phase und Gegenphase geschaltet sind, an jedem Verbindungspunkt zwischen Wicklung und Lastwiderstand des geschlossenen Kreises bei n=1 ein bei n+1 zwei Ventilkreise angeschlossen sind,
von denen jeder eine Serienschaltung von Wicklung und Lastwiderstand überbrückt und jeder dieser Ventilstromkreise mit Halbleiterdioden oder mit Thyristoren so geschaltet ist, dass die an den beiden Enden einer Wicklung angeschlossenen Ventilkreise in bezug auf die Richtung zum Verbindungspunkt gleiche, die an die beiden Enden eines Lastwiderstandes angeschlossenen Ventilkreise hingegen unterschiedliche Durchlassrichtung aufweisen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kreis direkte Verbindungen von Verbindungspunkten (Knoten) gleichen Potentials aufweist, um die Zahl der Ventilzweige, z. B. auf zwei, zu reduzieren.
2. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Verbindungspunkte gleichen Potentials miteinander elektrisch direkt verbunden sind und die zugeordneten Ventilkreise gemeinsam aufweisen, so dass jeder Ventilkreis mehrere parallel liegende Serienschaltungen gleichzeitig überbrückt.
PATENTANSPRUCH II
Verwendung der Stromrichteranordnung nach Patentanspruch I und Unteranspruch 2 in einem aus einer rotierenden, bürstenlosen Wechselstromerregermaschine und der zugehörigen Synchronmaschine gebildeten Maschinensatz, wobei n=1 ist und die beiden Wicklungen die beiden Hälften der Erregerwicklung und die beiden Lastwiderstände die beiden Hälften der Polradwicklung sind.
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.