CH624800A5

CH624800A5 - Converter for converting AC power into DC power, or vice versa

Info

Publication number: CH624800A5
Application number: CH1541477A
Authority: CH
Inventors: Kyozo Tachibana; Yoshio Nozaki; Yoshio Okumura; Yutaka Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1981-08-14
Also published as: FR2375752B1; DE2755309A1; JPS5378020A; FR2375752A1; JPS579316B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umformer zur Umformung von Wechselstrom- in Gleichstromleistung oder umgekehrt. The invention relates to a converter for converting AC power into DC power or vice versa.

Derartige Leistungsumformer sind generell bekannt und werden beispielsweise in Schienenfahrzeugen und dergleichen verwendet. Im allgemeinen wird bei einem solchen Umformer der Betrag der Umformung über den Zündwinkel eines Thyristors gesteuert. Dabei tritt jedoch in dem Wechselstrom, insbesondere bei der Nutzbremsungssteuerung eine Verzerrung auf, die bedeutet, dass der Wechselstrom hochfrequente Komponenten enthält. Der Anteil an höheren Harmonischen in dem Wechselstrom bedingt verschiedene Schwierigkeiten. Ein Beispiel für erhebliche Schwierigkeiten besteht darin, dass Rauschspannungen auf Fernsprechleitungen und dergleichen induziert werden. Power converters of this type are generally known and are used, for example, in rail vehicles and the like. In general, the amount of the deformation is controlled by the firing angle of a thyristor in such a converter. However, a distortion occurs in the alternating current, in particular in the regenerative braking control, which means that the alternating current contains high-frequency components. The proportion of higher harmonics in the alternating current causes various difficulties. An example of significant difficulties is that noise voltages are induced on telephone lines and the like.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 26 17 694 ist ein Umformer bekannt, bei dem die Verzerrung des Wechselstroms verringert ist. Bei dem in Fig. 1 dieser Offenlegungsschrift gezeigten Umformer sind zwei Thyristoren und zwei Dioden oder vier Thyristoren in eine Brücke eingeschaltet, und zwischen zwei Thyristoren der Brückenzweige sind Drosselspulen in Serie gechaltet, wobei die beiden Drosselspulen magnetisch gleichsinnig oder mitgekoppelt sind. Aufgrund der Funktion der Drosselspulen ist die Induktanz des Kommutierungskreises geringer, wenn die Ausgangsleistung des Umformers im wesentlichen ihr Maximum oder ihr Minimum hat, als dann, wenn sie kein Maximum oder Minimum hat, wodurch der Anteil an höheren Harmonischen in dem Eingangs Wechselstrom zum Zeitpunkt de Kommutierung der Thyristoren effektiv verringert wird, ohne die Brauchbarkeit des Umformers zu beeinträchtigen. A converter is known from German Offenlegungsschrift No. 26 17 694 in which the distortion of the alternating current is reduced. In the converter shown in Fig. 1 of this laid-open specification, two thyristors and two diodes or four thyristors are connected in a bridge, and choke coils are connected in series between two thyristors of the bridge branches, the two choke coils being magnetically co-directional or coupled. Due to the function of the choke coils, the inductance of the commutation circuit is lower when the output power of the converter has essentially its maximum or minimum than when it has no maximum or minimum, whereby the proportion of higher harmonics in the AC input at the time de Commutation of the thyristors is effectively reduced without impairing the usability of the converter.

Bei einem derartigen Umformer ist insbesondere dann, wenn die Thyristorbrücke aus vier Thyristoren besteht, ein minimaler Voreilwinkel ymin erforderlich, um die Kommutierung zuverlässig durchzuführen. Fällt der Voreilwinkel ß mit dem minimalen Voreilwinkel ymin zusammen, so wird die Verzerrung des Wechselstroms gross. Bei der Kommutierung bedeutet dies, dass der eine der Drosselspulen durchsetzende Strom abnimmt, während der die andere Drosselspule durchsetzende Strom zunimmt. Daher ändern sich die magnetomotorischen Kräfte der beiden magnetisch mitgekoppelten Drosselspulen nicht wesentlich, und ihre Induktanzen werden sehr klein. Infolgedessen verlieren die Drosselspulen ihre Glätt-tungswirkung hinsichtlich der hochfrequenten Stromkomponenten. In such a converter, a minimum lead angle ymin is required in particular if the thyristor bridge consists of four thyristors in order to reliably carry out the commutation. If the lead angle β coincides with the minimum lead angle ymin, the distortion of the alternating current becomes large. In the case of commutation, this means that the current passing through one of the choke coils decreases, while the current passing through the other choke coil increases. Therefore, the magnetomotive forces of the two magnetically coupled choke coils do not change significantly, and their inductances become very small. As a result, the choke coils lose their smoothing effect with regard to the high-frequency current components.

Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Umformern nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. Eine spezielle Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, einen Leistungsumformer zu schaffen, bei dem bei der Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom, d. h. bei der Nutzbremsung, hochfrequente Komponenten im Wechselstrom verringert sind. Ausserdem soll der erfindungsgemässe Umformer von den oben erläuterten Nachteilen frei sein. The invention is based on the general object of at least partially eliminating disadvantages such as occur in comparable converters according to the prior art. A particular object of the invention can be seen in providing a power converter in which, when converting direct current into alternating current, i. H. when regenerative braking, high-frequency components in AC are reduced. In addition, the converter according to the invention should be free from the disadvantages explained above.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus der Lehre des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. The solution to this problem results from the teaching of claim 1. Advantageous further developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the drawings. Show in the drawings

Fig. 1 ein elektrisches Schienenfahrzeug mit einem Leistungsumformersystem ; 1 shows an electric rail vehicle with a power converter system;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Steuerteils zur Steuerung eines in dem Leistungsumformersystem nach Fig. 1 enthaltenen Umformers; FIG. 2 shows a block diagram of a control part for controlling a converter contained in the power converter system according to FIG. 1;

Fig. 3 Impulsdiagramme der Wechselspannung und des Wechselstroms an der Primärseite des Umformers zur Erläuterung der Arbeitsweise des Umformersystems nach Fig. 1 und 2; 3 shows pulse diagrams of the AC voltage and the AC current on the primary side of the converter to explain the mode of operation of the converter system according to FIGS. 1 and 2;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Umformers nach Fig. 1 ; FIG. 4 shows a further embodiment of the converter according to FIG. 1;

Fig. 5 Impulsdiagramme der Wechselspannung und des Wechselstroms an der Primärseite des Umformers nach Fig. 4; 5 shows pulse diagrams of the alternating voltage and the alternating current on the primary side of the converter according to FIG. 4;

Fig. 6 Messwerte der höher-harmonischen Komponenten im Primärwechselstrom des Umformers nach Fig.4; 6 shows measured values of the higher harmonic components in the primary alternating current of the converter according to FIG. 4;

Fig. 7 bis 9 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele des Umformers nach Fig. 1 ; 7 to 9 are schematic representations of further exemplary embodiments of the converter according to FIG. 1;

Fig. 10 ein Steuerverfahren für denjenigen Fall, dass der in Fig. 7 dargestellte Umformer durch den Steuerteil nach Fig. 2 gesteuert wird; FIG. 10 shows a control method for the case in which the converter shown in FIG. 7 is controlled by the control part according to FIG. 2;

Fig. 11 Messwerte der höher-harmonischen Komponenten in dem Primärwechselstrom für den Fall, dass die Steuerung nach dem in Fig. 10 veranschaulichten Verfahren erfolgt; 11 shows measured values of the higher harmonic components in the primary alternating current in the event that the control takes place according to the method illustrated in FIG. 10;

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Steuerteils nach Fig. 12; 12 shows a further exemplary embodiment of the control part according to FIG. 12;

Fig. 13 ein Steuerverfahren in demjenigen Fall, dass der in Fig. 9 gezeigte Umformer durch den Steuerteil nach Fig. 12 gesteuert wird; und FIG. 13 shows a control method in the event that the converter shown in FIG. 9 is controlled by the control part according to FIG. 12; and

Fig. 14 Messwerte der höher-harmonischen Komponenten im Primärwechselstrom für denjenigen Fall, dass die Steuerung nach dem in Fig. 13 veranschaulichten Verfahren erfolgt. 14 shows measured values of the higher harmonic components in the primary alternating current for the case that the control takes place according to the method illustrated in FIG. 13.

Gemäss Fig. 1 wird Wechselstromleistung aus einer Wechselstromquelle 20, bei der es sich etwa um eine Unterstation handelt, über eine Oberleitung 30 und eine Schiene 40 einem Fahrzeug zugeführt, das den Wechselstrom über einen Stromabnehmer 50 und ein Rad 60 aufnimmt. Die Wechselstromleistung wird über einen Transformator 70 sowie einen Leistungsumformer 100 in die gewünschte Gleichstromleistung zum Antrieb eines Gleichstrommotors 80 umgeformt. Eine Glät-tungsdrossel 75 dient zur Verringerung der Welligkeit in dem Gleichstrom, die von der pulsierenden Komponente der gleichgerichteten Spannung herrührt. Eine Feldwicklung 85 des 1, alternating current power is supplied from an alternating current source 20, which is, for example, a substation, via an overhead line 30 and a rail 40 to a vehicle which receives the alternating current via a pantograph 50 and a wheel 60. The AC power is converted via a transformer 70 and a power converter 100 into the desired DC power for driving a DC motor 80. A smoothing choke 75 serves to reduce the ripple in the DC current resulting from the pulsating component of the rectified voltage. A field winding 85 of the

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

Ji Ji

**0 ** 0

i'J i'J

35 35

bO bO

65 65

3 624800 3 624800

Gleichstrommotors 80 wird aus einer eigenen Stromquelle 90 nische. Naturgemäss ist jedoch zu erwarten, dass diese Stromgespeist. Zur Nutzbremsung wird die Feldwicklung 85 umge- Verläufe geringere Verzerrungen aufweisen als ein Stromver-polt. lauf in demjenigen Fall, dass der Steuervoreilwinkel ß mit dem DC motor 80 becomes a niche from its own power source 90. However, it is naturally to be expected that this is powered by electricity. For regenerative braking, the field winding 85 will have lower distortions than reverse polarity reversal. run in the case that the control lead angle ß with the

Der Leistungsumformer 100 umfasst vier in eine Brücke minimalen Steuervoreilwinkel ßmin zusammenfällt, The power converter 100 comprises four minimum control lead angle βmin coinciding in a bridge,

eingeschaltete Thyristoren 101 bis 104, wobei jeder Brückenz- 5 Generell wird das Ausmass der auf Fernsprechleitungen weig einen Thyristor enthält. Die Verbindungspunkte a und b oder dergleichen einwirkenden Induktionstörungen, die von der Thyristorbrücke sind mit den beiden Eingangsklemmen des den höher-harmonischen Stromkomponenten einer Oberlei- switched on thyristors 101 to 104, each bridge-5 Generally, the extent of the white lines on a telephone contains a thyristor. The connection points a and b or the like acting induction disturbances, which are from the thyristor bridge with the two input terminals of the higher harmonic current components of an overhead

Gleichstrommotors 80 verbunden, wobei die Drossel 75 zwi- tung herrühren, nach dem folgenden äquivalenten Störstrom Jp sehen dem Verbindungspunkt a und dem Motor 80 liegt, wäh- abgeschätzt, bei dem der Effektivwert der höher-harmonischen rend die Verbindungspunkte c und d mit den beiden Klemmen 10 Stromkomponenten mit In (n gibt die Ordnungszahl der Har- DC motor 80 connected, the choke 75 coming in between, after the following equivalent interference current Jp see the connection point a and the motor 80 is estimated, in which the effective value of the higher harmonic rend the connection points c and d with the two Terminals 10 current components with In (n gives the ordinal number of the

einer Sekundärwicklung 71 des Transformators 70 verbunden monischen an) und der Rauschfaktor für die Frequenz der sind. In dieser Thyristorbrücke werden die Thyristoren 101 und höher-harmonischen Stromkomponenten mit Sn bezeichnet a secondary winding 71 of the transformer 70 connected monic) and the noise factor for the frequency of the. In this thyristor bridge, the thyristors 101 and higher harmonic current components are referred to as Sn

104 während der positiven Halbwelle der Wechselspannung wird: 104 during the positive half wave of the AC voltage becomes:

und die Thyristoren 102 und 103 während der negativen Halb- i and thyristors 102 and 103 during the negative half i

welle gezündet. 15 Jp = ./jT (gn Tn)2 , . wave fired. 15 Jp = ./jT (gn Tn) 2,.

Der in Fig. 2 gezeigte Steuerteil steuert die Zündwinkel der ( 2 ) vier Thyristoren 101 und 104 des Umformers 100. Dabei erzeugt ein Taktgeber 200 synchron mit der Primärspannung des Transformators 70 ein Synchronsignal SS, das einem ersten Fig- & sind Messwerte der höher-harmonischen Strom- The control part shown in FIG. 2 controls the firing angles of the (2) four thyristors 101 and 104 of the converter 100. A clock generator 200 generates a synchronous signal SS in synchronism with the primary voltage of the transformer 70, which is a first harmonic current

Festsignalgenerator 210 und einem Phasenschieber 220 zuge- 20 komponenten des Oberleitungsstroms i in dem Leistungsum- Fixed signal generator 210 and a phase shifter 220 associated with components of the overhead line current i in the power conversion

führt wird. Auf der Basis dieses Synchronsisignals SS erzeugt formersystem nach Fig. 1 und 2, gemessen als äquivalenter der erste Festsignalgenerator 210 ein Begrenzungssignal Sßlim Störstrom Jp, mit einer ausgezeichneten Linie a dargestellt, leads. 1 and 2, measured as the equivalent of the first fixed signal generator 210, generates a limiting signal Ssslim interference current Jp, shown with an excellent line a, on the basis of this synchronization signal SS

entsprechend dem unteren Grenzwinkel ßlim des Steuervoreil- Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, wird der äquivalente Winkels. Das Begrenzungssignal Sßlim wird einem zweiten Fest- Störstrom Jp in einem Bereich, in dem der Steuervoreilwinkel ß corresponding to the lower limit angle ßlim of the control advantage- As can be seen from this illustration, the equivalent angle. The limit signal Sßlim becomes a second fixed interference current Jp in a range in which the control lead angle β

signalgenerator 230 und dem Phasenschieber 220 zugeführt. ^ grösser ist als der untere Grenzwinkel ßlim = 72°, auf annä- signal generator 230 and the phase shifter 220 supplied. ^ is greater than the lower limit angle ßlim = 72 °, to approx.

Der zweite Festsignalgenerator 230 erzeugt auf der Basis des hernd 0,5 A heruntergedrückt. Im Gegensatz dazu steigt der The second fixed signal generator 230 generates based on the 0.5A down. In contrast, the

Begrenzungssignals Sßlim ein um einen vorgegebenen Phasen- äquivalente Störstrom Jp in dem Fall, dass beispielsweise der winkel nacheilendes Signal, nämlich ein Zündsignal GPßmin, Steuervoreilwinkel ß auf den minimalen Steuervoreilwinkel das dem minimalen Voreilwinkel ßmin entspricht. Das Zündsi- ßmin = 60° eingestellt wird, in der Nähe dieses minimalen gnal GPßmin wird über einen (nicht gezeigten) Zündsteuer- m Steuervoreilwinkels ßmin abrupt auf annähernd 0,6 A, wie dies kreis einem von den Thyristoren 101 und 102 gebildeten ersten durch die gestrichelte Linie b in Fig. 6 dargestellt ist. Limitation signal Sßlim a by a predetermined phase equivalent interference current Jp in the event that, for example, the angle lagging signal, namely an ignition signal GPßmin, control lead angle ß to the minimum control lead angle which corresponds to the minimum lead angle ßmin. The Zündsi- ßmin = 60 ° is set, in the vicinity of this minimum signal GPßmin is abruptly via a (not shown) control control angle ßmin abmin to approximately 0.6 A, as is the first by the thyristors 101 and 102 formed by dashed line b is shown in FIG. 6.

Paar PI von Brückenzweigen zugeführt. De Phasenschieber Bei dem Ausführungsbeispiel eines Leistungsumformersy- Pair of PI fed from bridge branches. De phase shifter In the embodiment of a power converter system

220 empfängt ausser dem Synchronsignal SS und dem stems nach Fig. 4, in der die gleichen Bezugszeichen wie in 220 receives in addition to the synchronous signal SS and the stems of FIG. 4, in which the same reference numerals as in

Begrenzungssignal Sßlim ein Phasensteuersignal PC und Fig-1 für die entsprechenden Bauelemente verwendet werden, Limit signal Sßlim a phase control signal PC and Fig-1 are used for the corresponding components,

erzeugt ein Zündsignal GPß entsprechend einem Voreilwinkel 35 umfasst der Umformer 150 zusätzlich eine Drossel 110 mit Mit- generates an ignition signal GPß corresponding to an advance angle 35, the converter 150 additionally comprises a throttle 110 with

ß. Dieses Zündsignal GPß wird über einen (ebenfalls nicht telabgriff. Oberhalb und unterhalb des Mittelabgriffs weist die gezeigten) Zündsteuerkreis einem von den Thyristoren 103 und Drossel 110 gleiche Windungszahlen auf. Die Wicklungen sind ß. This ignition signal GPß is via a (also not telabtap. Above and below the center tap, the shown) ignition control circuit has one of the thyristors 103 and choke 110 the same number of turns. The windings are

104 gebildeten zweiten Paar P2 von Brückenzweigen zuge- auf dem gleichen Kern angeordnet und miteinander magne- 104 formed second pair P2 of bridge branches arranged on the same core and magnetically

führt. tisch gleichsinnig oder mitgekoppelt. Die Drossel 110 liegt in leads. table in the same direction or coupled. The throttle 110 lies in

Der minimale Steuervoreilwinkel ymin ist generell erfor- Serie zwischen den Thyristoren 103 und 104, und der Mittelab- The minimum control lead angle ymin is generally required between the thyristors 103 and 104, and the center

derlich, um die Kommutierung eines Thyristors zuverlässig griff ist an das obere Ende der Sekundärwicklung 71 des Trans- In order to reliably handle the commutation of a thyristor, the upper end of the secondary winding 71 of the trans-

durchzuführen. Bekanntlich wird dieser minimale Steuervoreil- formators 70 angeschlossen. perform. As is known, this minimal control preformator 70 is connected.

winkel ymin von der Abschaltcharakteristik des Thyristors Der in Fig. 2 gezeigte Steuerteil dient zur Steuerung der bestimmt. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Zündwinkel für die vier Thyristoren 101 und 104 des Umforminimale Steuervoreilwinkel ßmin unterscheidet sich von dem 45 mers 150. In diesem Fall wird das Zündsignal GPßmin aus dem minimalen Steuervoreilwinkel ymin und liegt in einem Bereich, zweiten Festsignalgenerator 230 über einen (nicht gezeigten) der durch die folgende Ungleichung gegeben ist: Zündsteuerkreis dem von den Thyristoren 101 und 102 gebildeten ersten Paar PI von Brückenzweigen zugeführt, während 180° > ß ä ßlim > ßmin ä ymin (1) das Zündsteuersignal GPß auf dem Phasenschieber 220 eben- angle ymin from the switch-off characteristic of the thyristor The control part shown in Fig. 2 is used to control the determined. The firing angle used in the present description for the four thyristors 101 and 104 of the deforming control advance angle ßmin differs from the 45 mers 150. In this case, the ignition signal GPßmin becomes the minimum control advance angle ymin and lies in a range, second fixed signal generator 230 over a ( (not shown) which is given by the following inequality: Ignition control circuit is fed to the first pair PI of bridge branches formed by thyristors 101 and 102, while the ignition control signal GPß on phase shifter 220 is also equal to 180 °> ß ßlim> ßmin

v, falls über einen (nicht gezeigten) Zündsteuerkreis dem von den Um die Arbeitsweise des oben beschriebenen Leistungsum- Thyristoren 103 und 104 gebildeten zweiten Paar P2 von Brük- v if, via an ignition control circuit (not shown), the second pair P2 of bridges formed by the operation of the above-described power thyristors 103 and 104

formers zu erläutern, wird im folgenden auf die Oberleitungs- kenzweigen zugeführt wird. To explain formers will be introduced in the following to the catenary branches.

Wechselspannung V und den Oberleitungsstrom i gemäss Fig. 3 Der Verlauf der Oberleitungsspannung V und des Oberlei- AC voltage V and the overhead line current i according to FIG. 3 The course of the overhead line voltage V and the overhead line

Bezug genommen. In Fig. 3 ist der Verlauf dieser Spannung V tungsstroms i dieses Umformersystems sind in Fig. 5 darge- Referred. FIG. 3 shows the course of this voltage V current i of this converter system is shown in FIG.

und des Stroms i in dem Fall dargestellt, dass der minimale Vor- 55 stellt. In dem Diagramm (b) der Fig. 5 stellt die dicke Linie den eilwinkel ßmin 60° und der Steuervoreilwinkel ß 90° betragen. Oberleitungsstrom für denjenigen Fall dar, dass der minimale and the current i in the case where the minimum prefix 55. In diagram (b) of FIG. 5, the thick line represents the rapid angle βmin 60 ° and the control advance angle β 90 °. Catenary current in the event that the minimum

Der untere Grenzwinkel ßlim des Steuervoreilwinkels ß ist auf Steuervoreilwinkel ßmin = 60°, der Steuervoreilwinkel ß = 90° The lower limit angle ßlim of the control lead angle ß is set to control lead angle ßmin = 60 °, the control lead angle ß = 90 °

72° eingestellt. Während der ersten positiven Halbwelle der und der untere Grenzwinkel ßlim = 72° betragen. Die dünne 72 ° set. During the first positive half-wave the and the lower limit angle ßlim = 72 °. The thin one

Spannung V steigt der Strom i bei dem Steuervoreilwinkel ß = Linie zeigt ausserdem den Oberleitungsstrom für den Fall, dass Voltage V, the current i increases at the control lead angle ß = line also shows the overhead line current in the event that

90° vom Wert -1 auf Null sowie beim minimalen Steuervoreil- der Steuervoreilwinkel ß mit dem unteren Grenzwinkel ßlim winkel ßmin von Null auf den Wert I. Während der nachfolgen- zusammenfällt. Wie ersichtlich, sind die Verzerrungen in diesen den negativen Halbwelle der Spannung V fällt der Strom i beim Strömen durch die Wirkung der Drossel 110 verringert. Über- 90 ° from the value -1 to zero as well as with the minimum control advance - the control advance angle ß with the lower limit angle ßlim angle ßmin from zero to the value I. During the following - coincides. As can be seen, the distortions in these the negative half-wave of the voltage V drops the current i when flowing due to the action of the choke 110 reduced. Over-

Steuervoreilwinkel ß von I auf Null und weiter beim minimalen schreitet jedoch der Steuervoreilwinkel ß den unteren Grenz- Control lead angle ß from I to zero and further at the minimum, however, the control lead angle ß exceeds the lower limit

Steuervoreilwinkel ßmin von Null auf den Wert -1. In Fig. 3 ist winkel ßlim und fällt er mit dem minimalen Steuervoreilwinkel mit einer dünneren Linie der Oberleitungsstrom für denjenigen 65 ßmin zusammen, so erfährt der Oberleitungsstrom nicht die Control lead angle ßmin from zero to the value -1. In Fig. 3 is angle ßlim and if it coincides with the minimum control lead angle with a thinner line the overhead line current for that 65 ßmin, the overhead line current does not experience that

Fall gezeigt, dass der Steuervoreilwinkel ß auf den unteren höher-harmonische Stromkomponenten glättende Wirkung Case shown that the control lead angle ß on the lower higher-harmonic current components smoothing effect

Grenzwinkel ßlim eingestellt wird. Diese Ströme stellen Recht- der Drossel 110. Insbesondere nimmt dann, wenn der Strom eckwellen dar und enthalten daher zahlreiche höhere Harmo- von den Thyristoren 101 und 104 auf die Thyristoren 102 und Limit angle ßlim is set. These currents represent right-hand choke 110. In particular, when the current is corner waves and therefore contain numerous higher harmonics from thyristors 101 and 104 to thyristors 102 and

624800 624800

4 4th

103 kommutiert wird, der durch die obere Hälfte der Drossel 110 fliessende Strom ab und gleichzeitig der durch die untere Hälfte der Drossel 110 fliessende Strom zu. Daher ändert sich die magnetomotorische Kraft der Drossel 110 nicht, und die Induktanz ist sehr gering. 103 is commutated, the current flowing through the upper half of the inductor 110 and simultaneously the current flowing through the lower half of the inductor 110 increases. Therefore, the magnetomotive force of the reactor 110 does not change, and the inductance is very small.

In Fig. 6 sind die Messwerte für die in dem Oberleitungsstrom i enthaltenen höher-harmonischen Komponenten in dem oben erläuterten Leistungsumformersystem durch die ausgezogene Linie c dargestellt. Die höher-harmonischen Stromkomponenten sind dabei als äquivalenter Störstrom Jp wiedergegeben. Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, wird die Grösse des äquivalenten Störstroms Jp in dem Bereich, in dem der Steuervoreilwinkel ß grösser ist als der untere Grenzwinkel ßlim = 72°, auf näherungsweise 0,3 A heruntergedrückt. Andererseits ist der äquivalente Störstrom Jp für den Fall, dass der Steuervoreilwinkel ß auf den minimalen Steuervoreilwinkel ßmin eingestellt wird, mit der gestrichelten Linie d eingezeichnet. Wie ersichtlich, steigt dabei der äquivalente Störstrom Jp in der Umgebung des minimalen Steuervoreilwinkels ßmin abrupt auf etwa 0,6 A. 6 shows the measured values for the higher harmonic components contained in the overhead line current i in the power converter system explained above by the solid line c. The higher harmonic current components are shown as equivalent interference current Jp. As can be seen from this illustration, the size of the equivalent interference current Jp in the area in which the control lead angle β is greater than the lower limit angle βlim = 72 ° is pressed down to approximately 0.3 A. On the other hand, the equivalent interference current Jp in the event that the control lead angle β is set to the minimum control lead angle ßmin is shown with the dashed line d. As can be seen, the equivalent interference current Jp abruptly increases to about 0.6 A in the vicinity of the minimum control lead angle βmin.

Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich, lassen sich die höher-harmonischen Komponenten des auf der Primärseite fliessenden Wechselstroms dadurch verringern, dass die Thyristoren des in Fig. 1 oder Fig. 4 gezeigten Umformers mit der Bedingung gezündet werden, dass der Steuervoreilwinkel ß gleich oder grösser ist als ein unterer Grenzwinkel ßlim, der seinerseits grösser ist als der minimale Steuervoreilwinkel ßmin. As can be seen from the above explanations, the higher harmonic components of the alternating current flowing on the primary side can be reduced in that the thyristors of the converter shown in FIG. 1 or FIG. 4 are ignited on the condition that the control lead angle β is equal to or greater is a lower limit angle ßlim, which in turn is greater than the minimum control lead angle ßmin.

Der minimale Steuervoreilwinkel ymin, der zur sicheren Kommutierung der Thyristoren erforderlich ist, beträgt generell 40 bis 60°, und der minimale Steuervoreilwinkel ßmin wird in der Nähe dieses Wertes eingestellt. Der untere Grenzwinkel ßlim des Steuervoreilwinkels bestimmt sich nach dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin. Wird die Differenz zwischen dem unteren Grenzwinkel ßlim und dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin auf etwa 5° gesetzt, so lässt sich eine befriedigende Verringerung der höher-harmonischen Stromkomponenten erzielen. Vom Standpunkt des Ausmasses dieser Wirkung her ist es jedoch zweckmässig, eine Differenz von etwa 10° zu wählen. The minimum control lead angle ymin, which is required for safe commutation of the thyristors, is generally 40 to 60 °, and the minimum control lead angle ßmin is set close to this value. The lower limit angle ßlim of the control lead angle is determined by the minimum control lead angle ßmin. If the difference between the lower limit angle βlim and the minimum control lead angle βmin is set to approximately 5 °, a satisfactory reduction in the higher harmonic current components can be achieved. From the point of view of the extent of this effect, however, it is appropriate to choose a difference of about 10 °.

In Fig. 7,8 und 9 sind weitere Umformer gezeigt, bei denen sich der Steuerteil nach Fig. 2 anwenden lässt. Der Umformer nach Fig. 7 hat einen Aufbau, bei dem zwei der Umformer 100 gemäss Fig. 1 in Serie geschaltet sind. Wiederum bezeichnen in Fig. 7 die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 entsprechende Bauelemente. Die beiden Umformer 100 sind jeweils mit einer halben Sekundärwicklung 72 bzw. 73 des Transformators 70 verbunden. 7, 8 and 9 show further converters in which the control part according to FIG. 2 can be used. The converter according to FIG. 7 has a construction in which two of the converters 100 according to FIG. 1 are connected in series. Again, the same reference numerals in FIG. 7 denote corresponding components in FIG. 1. The two converters 100 are each connected to half a secondary winding 72 or 73 of the transformer 70.

Der in Fig. 8 gezeigte Umformer besteht aus dem Umformer 100 nach Fig. 1 und dem Umformer 150 nach Fig. 4. Die beiden Umformer 100 und 150 sind in Serie geschaltet, wobei sie wieder jeweils mit einer halben Sekundärwicklung 72 bzw. 73 des Transformators 70 verbunden sind. The converter shown in FIG. 8 consists of the converter 100 according to FIG. 1 and the converter 150 according to FIG. 4. The two converters 100 and 150 are connected in series, again with half a secondary winding 72 and 73 of the transformer 70 are connected.

Der Umformer nach Fig. 9 besteht aus dem Umformer 100 nach Fig. 1 und einem Umformer 160 mit sechs Thyristoren. Die Umformer 100 und 160 sind wiederum in Serie geschaltet. In dem Umformer 160 bilden die in Serie geschalteten Thyristoren 161 und 162 eine erste Gruppe P41 von Zweigen, die in Serie geschalteten Thyristoren 163 und 164 eine zweite Gruppe P42 und die in Serie geschalteten Thyristoren 165 und 166 eine dritte Gruppe P43 von Zweigen. Zwischen den beiden Thyristoren 163 und 164 der zweiten Gruppe P42 ist eine Drossel 167 mit Mittelabgriff ähnlich wie in Fig. 2 in Serie eingeschaltet. Der Mittelabgriff der Drossel 167 ist mit einem Mittelabgriff einer geteilten Sekundärwicklung 74 des Transformators 70 verbunden. Die beiden Enden dieser Sekundärwicklung 74 sind an die mittleren Verbindungspunkte in den Gruppen P41 und P43 angeschlossen. The converter according to FIG. 9 consists of the converter 100 according to FIG. 1 and a converter 160 with six thyristors. The converters 100 and 160 are in turn connected in series. In the converter 160, the series-connected thyristors 161 and 162 form a first group P41 of branches, the series-connected thyristors 163 and 164 form a second group P42 and the series-connected thyristors 165 and 166 form a third group P43 of branches. Between the two thyristors 163 and 164 of the second group P42, a choke 167 with center tap is connected in series similar to that in FIG. 2. The center tap of the choke 167 is connected to a center tap of a split secondary winding 74 of the transformer 70. The two ends of this secondary winding 74 are connected to the middle connection points in groups P41 and P43.

Fig. 10 veranschaulicht ein Steuerverfahren für denjenigen Fall, dass die Umformer nach Fig. 7,8 und 9 mit dem in Fig. 2 gezeigten Steuerteil gesteuert werden. Im vorliegenden Fall wird insbesondere die Steuerung des Umformers nach Fig. 7 als Beispiel angenommen. In Fig. 10 ist an der Ordinate der Steuervoreilwinkel ß aufgetragen, während die Abszisse die Gleichspannung des Umformers wiedergibt. In dem Bereich A-B werden die Gruppen PI 1, P12 und P21 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin gesteuert, während die Gruppe P22 mit Steuervoreilwinkeln ß gesteuert wird, die gleich oder grösser sind als der untere Grenzwinkel ßlim. Erreicht der Steuervoreilwinkel ß im Punkt B den Wert von 180°, so erlischt das Zündsignal für die Gruppe P12, und der Gruppe PI 1 wird ein Gleichspannungszündsignal zugeführt. In diesem Zustand arbeitet die Gruppe PI 1 ähnlich wie eine sogenannte freilaufende Diode. In dem Bereich B-C wird dann die Gruppe P21 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin gesteuert, während die Gruppe P22 bis hinauf zum Wert von 180° mit Steuervoreilwinkeln ß gesteuert wird, die wiederum gleich oder grösser sind als der untere Grenzwinkel ßlim. FIG. 10 illustrates a control method for the case in which the converters according to FIGS. 7, 8 and 9 are controlled with the control part shown in FIG. 2. In the present case, in particular the control of the converter according to FIG. 7 is assumed as an example. 10, the control lead angle β is plotted on the ordinate, while the abscissa represents the DC voltage of the converter. In the area A-B, the groups PI 1, P12 and P21 are controlled with the minimum control lead angle βmin, while the group P22 is controlled with control lead angles β which are equal to or greater than the lower limit angle ßlim. If the control advance angle β at point B reaches the value of 180 °, the ignition signal for group P12 goes out and group PI 1 is supplied with a DC ignition signal. In this state, the group PI 1 works similarly to a so-called free-wheeling diode. In the area B-C, the group P21 is then controlled with the minimum control lead angle βmin, while the group P22 is controlled up to the value of 180 ° with control lead angles β, which in turn are equal to or greater than the lower limit angle ßlim.

Fig. 11 zeigt die Messwerte der höher-harmonischen Stromkomponenten für den Fall, dass der Umformer nach Fig. 7 nach dem oben erläuterten Steuerverfahren gesteuert wird. Die höher-harmonischen Stromkomponenten sind als der oben erwähnte äquivalente Störstrom Jp dargestellt. Dabei sind folgende Schaltungsgrössen gegeben: FIG. 11 shows the measured values of the higher harmonic current components in the event that the converter according to FIG. 7 is controlled according to the control method explained above. The higher harmonic current components are shown as the equivalent interference current Jp mentioned above. The following circuit sizes are given:

Versorgungsspannung 50 Hz, 100 V Leerlaufspannung an der Sekundärseite des Supply voltage 50 Hz, 100 V open circuit voltage on the secondary side of the

Transformators 142V/Windung Reaktanz der Stromquelle 0,003 Q Induktanz auf der Gleichstromseite 63 mH Transformer 142V / turn reactance of the power source 0.003 Q inductance on the DC side 63 mH

Bei dem Ausführungsbeispiel des Steuerteils nach Fig. 12 sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet. Der Steuerteil nach Fig. 12 eignet sich insbesondere für die Umformer nach Fig. 7,8 und 9. Der Taktgeber 200 erzeugt das Synchronsignal SS und führt es einem ersten Festsignalgenerator 230 und dem Phasenschieber 220 zu. Der Festsignalgenerator 230 erzeugt ein erstes Zündsignal GPßmin 1 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßminl, das einem zweiten Festsignalgenerator 240 sowie dem Phasenschieber 220 zugeführt wird. Der Phasenschieber 220 nimmt ausserdem das Phasensteuersignal PC auf und erzeugt das Zündsignal GPß mit einem Steuervoreilwinkel ß. Der zweite Festsignalgenerator 240 erzeugt auf der Basis des Zündsignals GPßmin 1 ein Zündsignal GPßmin2, bei dem es sich um ein Signal handelt, das um einen vorgegebenen Phasenwinkel nacheilt. Dieses Zündsignal Gpßmin2 wird einem dritten Festsignalgenerator 250 zugeführt, der daraus ein um einen vorgegebenen Phasenwinkel nacheilendes Signal, nämlich ein Zündsignal Gpßmin3, erzeugt. Diese Signale, d. h. der Steuervoreilwinkel ß, die minimalen Steuervoreilwinkel ßminl, ßmin2 und ßmin3, sowie der aus den Kennlinien der Thyristoren zu bestimmende minimale Steuervoreilwinkel ymin werden auf einen Bereich eingestellt, der durch die folgende Ungleichung wiedergegeben wird: In the exemplary embodiment of the control part according to FIG. 12, corresponding parts are designated with the same reference numbers as in FIG. 2. The control part according to FIG. 12 is particularly suitable for the converter according to FIGS. 7, 8 and 9. The clock generator 200 generates the synchronous signal SS and feeds it to a first fixed signal generator 230 and the phase shifter 220. The fixed signal generator 230 generates a first ignition signal GPßmin 1 with the minimum control advance angle ßminl, which is fed to a second fixed signal generator 240 and the phase shifter 220. The phase shifter 220 also receives the phase control signal PC and generates the ignition signal GPß with a control advance angle β. The second fixed signal generator 240 generates an ignition signal GPßmin2 on the basis of the ignition signal GPßmin 1, which is a signal that lags behind a predetermined phase angle. This ignition signal Gpßmin2 is fed to a third fixed signal generator 250, which generates a signal lagging by a predetermined phase angle, namely an ignition signal Gpßmin3. These signals, i.e. H. the control lead angle ß, the minimum control lead angles ßminl, ßmin2 and ßmin3, and the minimum control lead angle ymin to be determined from the characteristics of the thyristors are set to a range which is represented by the following inequality:

180° > ß > ßminl > ßmin2 ^ ßmin3 è ymin (3) 180 °> ß> ßminl> ßmin2 ^ ßmin3 è ymin (3)

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Festsignalgenerator 210 zur Erzeugung des unteren Grenzwinkels ßlim nicht vorgesehen, was jedoch möglich ist. In diesem Fall wird der Steuervoreilwinkel ß nicht kleiner gemacht als der untere Grenzwinkel In this exemplary embodiment, the fixed signal generator 210 is not provided for generating the lower limit angle βlim, but this is possible. In this case, the control lead angle β is not made smaller than the lower limit angle

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

3> 3>

4f» 4f »

4', 4 ',

55 55

öO ok

b5 b5

ßlim, d. h. ß è ßlim. Der untere Grenzwinkel ßlim ist jedoch seinerseits grösser als der minimale Steuervoreilwinkel ßminl, d. h. ßlim > ßminl. ßlim, d. H. ß è ßlim. However, the lower limit angle ßlim is in turn larger than the minimum control lead angle ßminl, i. H. ßlim> ßminl.

Ein Verfahren zur Steuerung des in Fig. 9 gezeigten Umformers mit Hilfe des oben beschriebenen Steuerteils soll nun anhand von Fig. 13 erläutert werden. In Fig. 13 ist an der Ordinate der Steuervoreilwinkel ß und an der Abszisse die Gleichspannung des Umformers aufgetragen. In einem Bereich D-E werden die Gruppen PI 1 und P41 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin3 ausgesteuert, die Gruppe P12 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßmin2 und die Gruppe P43 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßminl. In diesem Zustand wird die Gruppe P42 mit Steuervoreilwinkeln ß phasengesteuert, die in einem Bereich liegen, der grösser ist als der minimale Steuer-.voreilwinkel ßminl und kleiner als 180°, d. h. ßminl < ß < 180°. Erreicht der Steuervoreilwinkel ß im Punkt E den Wert von 180°, so wird die Steuerung des Umformers so geändert, dass das Zündsignal der Gruppe P 41 erlischt und die Gruppen P42 und P43 mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßminl gesteuert werden. Im Bereich E-F wird dann die Gruppe P42 mit Steuervoreilwinkeln ß phasengesteuert, die wiederum in demjenigen Bereich liegen, der grösser ist als der minimale Steuervoreilwinkel ßminl und kleiner als 180°, d. h. ßminl <ß< 180°. Bei Erreichen des Punktes G erlischt das Zündsignal der Gruppe P41, und die Gruppen P42 und P43 werden mit dem minimalen Steuervoreilwinkel ßminl gesteuert. Im Bereich G-H wird dann die Gruppe 43 mit Steuervoreilwinkeln ß A method for controlling the converter shown in FIG. 9 with the aid of the control part described above will now be explained with reference to FIG. 13. In FIG. 13, the control lead angle β is plotted on the ordinate and the DC voltage of the converter is plotted on the abscissa. In a region D-E, the groups PI 1 and P41 are controlled with the minimum control lead angle βmin3, the group P12 with the minimum control lead angle βmin2 and the group P43 with the minimum control lead angle βmin3. In this state, the group P42 is phase-controlled with control lead angles β which lie in a range which is greater than the minimum control lead angle βminl and less than 180 °, ie. H. ßminl <ß <180 °. If the control lead angle β reaches the value of 180 ° at point E, the control of the converter is changed so that the ignition signal of group P 41 goes out and groups P42 and P43 are controlled with the minimum control lead angle ßminl. In the area E-F, the group P42 is then phase-controlled with control lead angles β, which in turn lie in the area which is greater than the minimum control lead angle βminl and less than 180 °, ie. H. ßminl <ß <180 °. When point G is reached, the ignition signal of group P41 goes out, and groups P42 and P43 are controlled with the minimum control advance angle βminl. In the range G-H, the group 43 is then β with control angle

5 624800 5 624800

gesteuert, die wiederum in dem Bereich ßminl < ß < 180° liegen. controlled, which in turn are in the range ßminl <ß <180 °.

Die Messwerte der höher-harmonischen Stromkomponenten für denjenigen Fall, dass der Umformer nach Fig. 9 gemäss 5 dem oben beschriebenen Steuerverfahren gesteuert wird, sind in Fig. 14 veranschaulicht. Wiederum sind diese höher-harmoni-schen Stromkomponenten als der oben erwähnte äquivalente Störstrom Jp dargestellt. Die Schaltungsgrössen des Umformers haben die oben angegebenen Werte, wobei die Reaktanz io der Drossel 167 0,8 fi beträgt. The measured values of the higher-harmonic current components for the case in which the converter according to FIG. 9 is controlled according to FIG. 5 using the control method described above are illustrated in FIG. 14. Again, these higher harmonic current components are shown as the equivalent interference current Jp mentioned above. The circuit sizes of the converter have the values given above, the reactance io of the choke 167 being 0.8 fi.

In Fig. 14 bezeichnet die Kurve e die Messwerte der höherharmonischen Stromkomponenten des Sekundärstroms in demjenigen Fall, dass die beiden minimalen Steuervoreilwinkel ßmin2 und ßmin3 auf 62° und der verbleibende minimale 15 Steuervoreilwinkel ßmin 1 auf 71 ° eingestellt werden. Andererseits gibt die Kurve f die Messergebnisse für denjenigen Fall wieder, dass der minimale Steuervoreilwinkel ßminl auf 80°, der minimale Steuervoreilwinkel ßmin2 auf 71° und der minimale Steuervoreilwinkel ßmin3 auf 62° eingestellt werden. 20 Wie sich aus den obigen Messwerten ersehen lässt, wird der äquivalente Störstrom Jp insgesamt noch kleiner, wenn die Steuerung mit mehreren minimalen Steuervoreilwinkeln unterschiedlicher Werte erfolgt. In FIG. 14, curve e denotes the measured values of the higher harmonic current components of the secondary current in the case that the two minimum control lead angles βmin2 and ßmin3 are set to 62 ° and the remaining minimum 15 control lead angles ßmin 1 to 71 °. On the other hand, curve f shows the measurement results for the case in which the minimum control lead angle βmin1 is set to 80 °, the minimum control lead angle βmin2 to 71 ° and the minimum control lead angle ßmin3 to 62 °. 20 As can be seen from the above measured values, the equivalent interference current Jp becomes even smaller overall if the control is carried out with several minimum control lead angles of different values.

Wie ferner ersichtlich, ergibt die Steuerung des Umformers 25 noch dem oben beschriebenen Steuerverfahren im Vergleich zu den Messergebnissen nach Fig.l 1 einen insgesamt noch kleineren äquivalenten Störstrom Jp. As can also be seen, the control of the converter 25 still results in the control method described above, compared to the measurement results according to FIG. 11, an overall even smaller interference current Jp.

G G

5 Blatt Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

624800 PATENT CLAIMS

1. Converter for converting AC power to DC power or vice versa, characterized by a thyristor bridge with at least four thyristors

(101 ... .104), which are divided into at least two groups (PI, P2) of bridge branches whose firing angles are controlled, a first control device (230) for controlling a group (PI) of bridge branches of the thyristor bridge with a minimum Control lead angle (ßmin) and a second control device (220) for controlling the other group (P2) of bridge branches with a control lead angle (ß) which is greater than the minimum control lead angle (ßmin).

2. Converter according to claim 1 or 2, characterized by a choke (110) connected to said other group (P2) of bridging branches.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the second control device a device (210) for 'generating a limit signal (Sßlim) with a lower limit angle (ßlim), which is greater than the minimum control lead angle (ßmin), and a device ( 220) for generating an ignition signal (GPß), the control lead angle (ß) is greater than the lower limit angle (ßlim).

3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that a choke (110) connected to said other group (P2) of bridge branches.

4. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized by a further group (P41) forming thyristors (161, 162) which are controlled with a minimum control lead angle (ßmin3) which is smaller than the first-mentioned control lead angle (ßminl).