DE1092558B

DE1092558B - Single-phase rectifier circuit, especially for single-phase alternating current powered electric traction vehicles with direct current traction motors

Info

Publication number: DE1092558B
Application number: DEK12958A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erwin Kuebler
Original assignee: ERWIN KUEBLER DR ING
Current assignee: ERWIN KUEBLER DR ING
Priority date: 1952-01-25
Filing date: 1952-01-25
Publication date: 1960-11-10

Description

Einphasen-Gleichrichterschaltung, insbesondere für mit Einphasen-Wechselstrom gespeiste elektrische Triebfahrzeuge mit Gleichstrom-Fahrmotoren Um eine schädliche Auswirkung der Primärstromoberwellen vonDrehstrom-Stromrichteranlagen großer Leistung auf die Spannungsform des Netzes zu vermeiden, ist man gezwungen, die Phasenzahl der Stromrichteranlage so hoch wie möglich zu wählen. So wählt man z. B. bei Großstromrichteranlagen der chemischen Industrie Phasenzahlen 24, 36 oder 48, um sicherzugehen, daß im speisenden Hochspannungsnetz keine Verzerrung der Spannungskurve durch Resonanz mit Stromrichteroberwellen entsteht.Single-phase rectifier circuit, especially for single-phase alternating current powered electric traction vehicles with direct current traction motors To a harmful Effect of primary current harmonics of three-phase current converter systems with high output To avoid the voltage shape of the network, one is forced to change the number of phases the converter system as high as possible. How to choose z. B. in large power converter systems chemical industry phase numbers 24, 36 or 48 to ensure that im dining High voltage network no distortion of the voltage curve due to resonance with converter harmonics arises.

Sollen die Gleichstrom-Fahrmotoren elektrischer Triebfahrzeuge über Gleichrichter (Lichtbogen-Entladungsgefäße oder Kontaktumformer) aus einem Einphasen-Wechselstromnetz betrieben werden, so stellen solche fahrbaren Gleichrichteranlagen in der Gesamtheit eines Bahnbezirkes eine Stromrichteranlage großer Leistung dar, für welche ebenfalls die Notwendigkeit besteht, die Oberwellenrückwirkung auf das speisende Netz möglichst klein zu halten.Should the DC traction motors be used by electric traction vehicles Rectifiers (arc discharge vessels or contact converters) from a single-phase alternating current network are operated, so provide such mobile rectifier systems in their entirety of a railway district is a high-performance converter system, for which also there is a need to minimize harmonic effects on the feeding network to keep it small.

Ein Einphasengleichrichter ist nun bezüglich der Primärstromoberwellen der ungünstigste Gleichrichter, bei dem man außerdem nicht die Möglichkeit hat, auf der Sekundärseite des Transformators auf höhere Phasenzahl übergehen zu können. Die Erhöhung der Phasenzahl ist nur bei Drehstrom möglich, nicht aber bei Einphasen-Wechselstrom.A single phase rectifier is now in terms of primary current harmonics the most unfavorable rectifier, with which one also does not have the possibility to be able to switch to a higher number of phases on the secondary side of the transformer. The number of phases can only be increased with three-phase current, but not with single-phase alternating current.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Einphasen-Gleichrichterschaltung für einphasig gespeiste Anlagen zu schaffen, die es ermöglicht, die Ausbildung der Oberwellen wesentlich herabzusetzen.The invention is based on the object of an advantageous single-phase rectifier circuit for single-phase systems that enable the training of the Significantly reduce harmonics.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einphasen-Gleichrichterschaltung, bestehend aus einer Anordnung von zwei Elektroden mit Steuergittern in Mittelpunktschaltung und einer Nullelektrode ohne Steuergitter oder bestehend aus einer Anordnung von vier Elektroden mit Steuergittern in Brückenschaltung mit zwei Nullelektroden ohne Steuergitter oder bestehend aus einer entsprechenden Kontaktumformerschaltung, mit fester Aussteuerung der Elektroden mit einem Steuerwinkel von 60° in Verbindung mit einem Stufentransformator zur Spannungsregelung.The invention relates to a single-phase rectifier circuit, consisting of an arrangement of two electrodes with control grids in mid-point connection and a zero electrode without a control grid or consisting of an arrangement of four electrodes with control grids in bridge circuit with two zero electrodes without Control grid or consisting of a corresponding contact converter circuit, with fixed control of the electrodes with a control angle of 60 ° in connection with a step transformer for voltage regulation.

An sich ist es bekannt, bei gittergesteuerten Gleichrichtern zum Zweck der Leistungsfaktorverbesserung eine Anordnung von gesteuerten Elektroden in Mittelpunktschaltung mit einer ungesteuerten Nullelektrode vorzusehen. Die besonderen, bei der Erfindung angestrebten Wirkungen und Vorteile können jedoch wegen der für die Spannungsregelung veränderlichen Aussteuerung der Gleichrichter nicht eintreten.It is known per se for the purpose of grid-controlled rectifiers For power factor improvement, an arrangement of controlled electrodes in a midpoint connection to be provided with an uncontrolled zero electrode. The special ones with the invention However, desired effects and advantages can be achieved because of the voltage regulation variable modulation of the rectifier does not occur.

Auch ist eine Anordnung zur Regelung der von Gasgleichrichtern mit Gittersteuerung abgegebenen Gleichspannung bei hohem Leistungsfaktor des wechselstromseitig aufgenommenen Stromes mittels Stufenschalter an den Speisetransformatoren und der Gittersteuerung bekannt, die sich dadurch auszeichnet, daß für jede Transformatorphase zwei Anoden vorgesehen sind, welche innerhalb eines gleichbleibenden Gleichspannungsregelbereiches über Stufenschalter und gegebenenfalls über Anodendrosseln an die gleiche Transformatoranzapfung angeschlossen sind. Im Falle einer fortlaufenden Spannungsregelung mittels Stufenschalter werden die je Phase vorgesehenen zwei Anoden nacheinander an die benachbarte Transformatoranzapfung gelegt. Mit Hilfe der Gittersteuerung werden diese beiden Anoden während des Umschaltens nach Bedarf stromlos gemacht.There is also an arrangement for regulating gas rectifiers Grid control output DC voltage at a high power factor on the AC side current consumed by means of step switches on the supply transformers and the Grid control known, which is characterized in that for each transformer phase two anodes are provided, which are within a constant DC voltage regulation range Via step switch and, if necessary, via anode chokes to the same transformer tap are connected. In the case of continuous voltage regulation using a step switch the two anodes provided for each phase are successively connected to the adjacent transformer tap placed. With the help of the grid control, these two anodes are switched on during switching de-energized as required.

Ferner ist es für wenigstens zeitweise im Reihenschlußbetrieb arbeitende, über Gleichrichter gespeiste Gleichstrommotoren bekannt, nur in dem Feldkreis eine Glättungseinrichtung anzuordnen. Die Gleichrichter sind in diesem Falle ungesteuert und die Spannungsregelung erfolgt mittels eines Stufentransformators, der mit einem Schaltwerk od. dgl. ausgerüstet ist.Furthermore, it is for at least temporarily working in series operation, DC motors fed via rectifiers are known, only one in the field circuit To arrange smoothing device. In this case, the rectifiers are uncontrolled and the voltage regulation takes place by means of a step transformer, which is connected to a Derailleur or the like. Is equipped.

Beide zuletzt genannten Anordnungen dienen der Regelung der Gleichspannung unter der Voraussetzung, daß das speisende Wechselstromnetz als praktisch starr angenommen werden kann. Hinweise auf eine Beeinflussung der Rückwirkung der Gleichstromlast auf das speisende Drehstromnetz sind diesen Veröffentlichungen nicht zu entnehmen.Both of the arrangements mentioned last are used to regulate the DC voltage provided that the feeding AC network is practically rigid can be accepted. Indications of an influence on the reaction of the direct current load These publications do not refer to the feeding three-phase network.

Durch die in der Erfindung angegebene Zündverschiebung von 60° für die Außenelektroden wird eine Kurvenform des primären Wechselstromes erzielt, die zu erreichen bisher nur mit einem Sechsphasengleichrichter möglich war. Diese Verbesserung der einphasigen Gleichrichtung bedeutet eine Unterdrückung der dritten Oberwelle im Einphasennetz, was besondere Bedeutung für den Fall der transformatorischen oder galvanischen Kopplung eines Einphasennetzes mit einem speisenden Drehstromnetz hat, da dann auch im Drehstromnetz keine dritte Oberwelle infolge eines Gleichrichterbetriebes auftritt. Dieses Unterdrücken der dritten Oberwelle im speisenden Drehstromnetz ist im Hinblick auf den Betrieb von Asynchronmotoren von solcher Wichtigkeit, daß sogar eine gewisse Verschlechterung des Leistungsfaktors durch den bereits gekennzeichneten Gleichrichterbetrieb in Kauf genommen werden kann.Due to the ignition delay of 60 ° specified in the invention for the outer electrodes becomes one Curve shape of the primary alternating current achieved, which could previously only be achieved with a six-phase rectifier was. This improvement in single-phase rectification means suppression of the third harmonic in the single-phase network, which is of particular importance in the case of transformer or galvanic coupling of a single-phase network with a feeding one Three-phase network has, since then there is no third harmonic as a result of the three-phase network a rectifier operation occurs. This third harmonic suppression in the feeding three-phase network is with regard to the operation of asynchronous motors of such importance that even some degradation in the power factor can be accepted by the rectifier operation already marked can.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung erläutert. Fig. 1 zeigt eine Einphasen-Mittelpunktschaltung mit Nullelektrode, Fig. 2 eine Einphasen-Brückenschaltung mit zwei Nullelektroden.The invention will be explained with reference to the drawing. Fig. 1 shows a Single-phase midpoint circuit with zero electrode, FIG. 2 shows a single-phase bridge circuit with two zero electrodes.

Fig. 3 zeigt den Gleichspannungsverlauf bei Aussteuerung der Außenelektroden mit a=60' und Fig. 4 den zugehörigen Primärstromverlauf.3 shows the DC voltage curve when the external electrodes are controlled with a = 60 'and FIG. 4 the associated primary current curve.

Mit 10 bzw. 20 ist der vor der Gleichrichteranordnung angeordnete Transformator bezeichnet. M ist der Gleichstromverbraucher (Fahrmotor). 11 sind gesteuerte und 12 angesteuerte Gleichrichterelektroden. Es sei darauf hingewiesen, daß an Stelle einer Anordnung von Gleichrichterelektroden auch Kontakte eines Kontaktumformers in sinngemäßer Anordnung vorgesehen sein können.With 10 or 20 is arranged in front of the rectifier arrangement Transformer called. M is the direct current consumer (traction motor). 11 are controlled and 12 controlled rectifier electrodes. It should be noted that instead of an arrangement of rectifier electrodes also contacts of a contact converter can be provided in a corresponding arrangement.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 sind die angesteuerte Elektrode 12 und der Verbraucher M an den Mittelpunkt 13 der Sekundärwicklung des Transformators 10 angeschlossen. Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist mit Hilfe einer Querdrosselspule 14 ein künstlicher Nullpunkt 15 geschaffen, an den die angesteuerten Nullelektroden angeschlossen sind. Man hat dadurch den Vorteil, daß man mit nur einem Satz Stufenschalter auskommt. Die Bauleistung der Querdrosselspule ist klein, da der Nullanodenstrom nicht über sie fließt. Der Verbraucher _M liegt hier in Brückenschaltung an der Gleichrichteranordnung.In the circuit of FIG. 1, the driven electrode 12 and the consumer M to the center point 13 of the secondary winding of the transformer 10 connected. In the circuit according to FIG. 2, a transverse choke coil is used 14 created an artificial zero point 15 at which the controlled zero electrodes are connected. This has the advantage that you can use only one set of step switches gets by. The construction output of the transverse inductor is small because of the zero anode current does not flow over them. The consumer _M is here in a bridge circuit at the Rectifier arrangement.

Bei beiden Schaltungen sind die Außenelektroden mit einem Zündverschiebungswinkel a = 60° fest ausgesteuert. Die Nullelektroden sind angesteuert. Der Gleichstrom sei geglättet angenommen.In both circuits, the outer electrodes have an ignition delay angle a = 60 ° fixedly controlled. The zero electrodes are activated. The direct current is assumed to be smoothed.

Bei dieser Art der Gleichrichtung sinusförmiger Wechselspannung erhält man die Wechselstromkurve nach Fig.4, welche der Primärstromkurve eines Sechsphasengleichrichters entspricht, also nur Oberwellen der Ordnungszahlen 5, 7, 11, 13. .. enthält. Diese Kurvenform wird durch die angegebene feste Aussteuerung erzielt.With this type of rectification sinusoidal alternating voltage is obtained the alternating current curve according to Fig. 4, which is the primary current curve of a six-phase rectifier corresponds, i.e. only contains harmonics of ordinal numbers 5, 7, 11, 13 ... These The curve shape is achieved by the specified fixed modulation.

Die Wirkungsweise sei im folgenden am Beispiel des Einphasengleichrichters in Mittelpunktschaltung der Fig. 1 erläutert. Bei diesem Einphasengleichrichter mit gesteuerten Außenanoden und angesteuerter Nullanode verläuft die Gleichspannung U, wie beim einfachen gittergesteuerten Vollweggleichrichter für rein ohmsche Belastung. Der Strom il fließt in die Primärwicklung; der Gleichstrom fließt während der elektrischen Winkel a = 60° von der Kathode über den Motor M nach dem Transformatornullpunkt 13 und von dort, ohne daß er in die Sekundärwicklung hineingeht, über die Nullelektrode 12 nach der Kathode, so daß während dieser Zeitabschnitte der Transformator 10 sekundär und damit auch primär stromlos ist. Während der übrigen jeweils 120° breiten Abschnitte fließt der Gleichstrom wie im normalen Gleichrichterbetrieb vom Transformatornullpunkt 13 über die eine Hälfte der Sekundärwicklung und eine Außenanode 11 nach dem Motor M. Die Gleichspannung Ugo weist nur positive Teilspannungen auf, negative Teilspannungen können nicht auftreten (Fig. 3). Während der negativen Spannungshalbwelle jeder Hauptanode führt nämlich, wie oben dargelegt, einmal die Nullanode über den el. Winkel a und zum andern anschließend die durch Gittersteuerung freigegebene andere Außenanode über den Winkel c-a den Gleichstrom, weil diese beiden Anoden während der negativen Spannungshalbwelle der augenblicklichen Bezugsanode höheres elektrisches Potential haben. Die Gleichspannung ist also während der e1. Winkel aNull und wird im übrigen aus den verbleibenden breiten Teilen der positiven Spannungshalbwellen gebildet. Die mittlere Gleichspannung Ug in Abhängigkeit vom Zündverschiebungswinkel ist daher durch die Beziehung gegeben, welche bereits aus dem einfachen Vollweg-Gleichrichterbetrieb für rein ohmsche Belastung bekannt ist: Ug = Ug o (1 -I- cos a) /2 = 0,75 Ug o. Bezüglich der Primärstromkurve (Fig. 4) ist die Feststellung wichtig, daß die Außenanoden und damit die Transformatorwicklungen während der Brenndauer der Nullanode, d. h. während der e1. Winkel a stromlos sind. Der Transformator ist nur während der -c-a breiten Gleichspannungsbereiche mit Strom belastet. Daraus ergibt sich automatisch die in Fig.4 gezeichnete Primärstromform für a = 60°. Aus der Symmetrie dieses Stromverlaufes ist ferner zu ersehen, daß der Phasenverschiebungswinkel zwischen der Spannungsgrundwelle Ugo und der mit ilo bezeichneten Stromgrundwelle 99 = a/2 = 30° beträgt, so daß dieser Gleichrichter theoretisch mit cos (P = 0,$7 arbeitet.The mode of operation is explained below using the example of the single-phase rectifier in the midpoint circuit of FIG. 1. In this single-phase rectifier with controlled external anodes and controlled neutral anode, the DC voltage U runs like in the simple grid-controlled full-wave rectifier for purely ohmic loads. The current il flows into the primary winding; the direct current flows during the electrical angle a = 60 ° from the cathode via the motor M to the transformer zero point 13 and from there, without going into the secondary winding, via the zero electrode 12 to the cathode, so that during these time segments the transformer 10 is secondary and therefore also primarily without current. During the remaining 120 ° wide sections, the direct current flows as in normal rectifier operation from the transformer zero point 13 via one half of the secondary winding and an outer anode 11 after the motor M. The direct voltage Ugo only has positive partial voltages, negative partial voltages cannot occur (Fig. 3). During the negative voltage half-wave of each main anode, as explained above, the zero anode carries the direct current via the electrical angle α and then the other external anode released by grid control via the angle ca, because these two anodes carry the direct current during the negative voltage half-wave of the current reference anode have a higher electrical potential. The DC voltage is therefore during the e1. Angle a zero and is otherwise formed from the remaining broad parts of the positive voltage half-waves. The mean DC voltage Ug as a function of the ignition delay angle is therefore given by the relationship that is already known from simple full-wave rectifier operation for purely ohmic loads: Ug = Ug o (1 -I- cos a) / 2 = 0.75 Ug o . With respect to the primary current curve (Fig. 4) is the important finding that the outer anode, and therefore the transformer windings during the burning time of the zero anode, ie during the e1. Angle a are de-energized. The transformer is only loaded with current during the approximately broad DC voltage ranges. This automatically results in the primary current form shown in FIG. 4 for a = 60 °. The symmetry of this current curve also shows that the phase shift angle between the fundamental voltage wave Ugo and the fundamental current wave designated ilo is 99 = a / 2 = 30 °, so that this rectifier theoretically works with cos (P = 0, $ 7.

Die Außenanoden und die Nullanode führen während jeder Netzperiode 1/s Periode lang den Gleichstrom, so daß die drei Anoden strommäßig untereinander gleich belastet sind, wie bei einem Dreiphasengleichrichter. Der lineare Strommittelwert jeder Anode beträgt Iam=Ig13 und der Stromeffektivwert Iaeff=Ig1113.The external anodes and the neutral anode lead during every mains period 1 / s period long the direct current, so that the three anodes are electrically connected to each other are equally loaded, as with a three-phase rectifier. The linear mean current value of each anode is Iam = Ig13 and the effective current value Iaeff = Ig1113.

Dieselben Überlegungen gelten auch für die Brückenschaltung.The same considerations apply to the bridge circuit.

Die Transformatorbauleistung beträgt bei der Mittelpunktschaltung bei der vorgegebenen Aussteuerung NT = 1,46 Ng, bei der Brückenschaltung NT = 1,21 Ng.The transformer output is NT = 1.46 Ng for the mid-point circuit at the specified level, and NT = 1.21 Ng for the bridge circuit.

Die Spannungsregelung für die Fahrmotoren erfolgt transformatorisch, da der Gleichrichter wegen der Primärstromoberwellen mit fester Aussteuerung betrieben werden soll.The voltage regulation for the traction motors is carried out using a transformer, because the rectifier is operated with a fixed level due to the primary current harmonics shall be.

Claims

PATENT CLAIM: Single-phase rectifier circuit, consisting of an arrangement of two electrodes with control grids in mid-point connection and a zero electrode without control grid or consisting of an arrangement of four electrodes with control grids in a bridge circuit with two zero electrodes without control grid or consisting of a corresponding contact converter circuit, in particular for single-phase AC powered electric traction vehicles with direct current traction motors, characterized in that the control angle of the outer electrodes is set to a fixed value of 60 ° and the direct voltage is regulated purely by means of a transformer using a step transformer. Considered publications: German Patent Specifications Nos. 628 543, 642 335, 665 637, 840 738. Zeitschrift Fa. Elektrotechnik, 1949, issue 3, p. 50/51.