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Umrichter mit einem Reihenkondensator im Belastungskreis Für die Erzeugung
eines Wechselstromes höherer Frequenz, insbesondere im unteren Mittelfrequenzbereich,
aus einem Drehstromnetz normaler Frequenz als Stromquelle mittels ruhender Einrichtungen
verwendet man oft Umrichter, die aus einem Gleichrichter, einem Gleichstromzwischenkreis
und einem Wechselrichter bestehen. Der Gleichrichter und der Wechselrichter können
mit Gasentladungsventilen oder Halbleiterventilen bestückt sein, die mindestens
für den Wechselrichterteil steuerbar sein müssen. Der Gleichstromzwischenkreis enthält
meist eine große Gleichstromdrossel, die zur Glättung des Gleichstromes dient und
für den Ausgleich der unterschiedlichen Momentanwerte der Leistungen auf der Gleichrichter-und
Wechselrichterseite sorgt.
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Ein großes Anwendungsgebiet dieser Umrichter bildet die Erzeugung
von Wechselströmen netzfremder Frequenz, insbesondere von Wechselströmen einer Mittelfrequenz,
aus einem Drehstromnetz normaler Niederfrequenz als Stromquelle.
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Der Wechselrichter derartiger Anordnungen kann fremdgeführt oder selbstgeführt
sein. Dies bedeutet, daß der Wechselrichter in kein vorhandenes Wechselstromnetz
mit einer eingeprägten Wechselspannung einspeist, sondern daß die Wechselspannung
erst von diesem gebildet werden muß. Dies hat ferner zur Folge, daß für die Herbeiführung
der Ablösung der Ventile oder der Kommutierung keine Netzwechselspannung zur Verfügung
steht, sondern daß die Ventilablösung innerhalb des Wechselrichters selbst zu erfolgen
hat.
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Für derartige Umrichter zur Erzeugung von Wechselströmen der Mittelfrequenz
im Bereich mittlerer Leistungen kann nun die zweimalige Energieumformung, nämlich
die Gleichrichtung und die Wechselrichtung, mit Rücksicht auf den Gesamtwirkungsgrad
sehr nachteilig sein. Außerdem kann sich der bei einer solchen Umrichteranordnung
mit Gleichstromzwischenkreis notwendige erhebliche Aufwand für die Glättungsmittel
des Gleichstromes ungünstig auswirken.
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Andererseits zeigt es sich, daß bei einem Wechselrichter zur Erzeugung
eines Mittelfrequenz-Wechselstromes erhöhte Anforderungen an die Ventile dieses
Wechselrichters gestellt sind, und zwar besonders dann, wenn bei höheren Leistungen
gesteuerte Gasentladungsventile angewendet werden müssen. Bei diesen Gasentladungsventilen
findet nämlich im Anschluß an jede Kommutierung während der Entionisierungszeit
unter der Wirkung der negativen Sperrspannung eine Zerstäubung von Anodenmaterial
statt, die insbesondere bei pumpenlosen Stromrichtergefäßen die Lebensdauer der
Gefäße herabsetzt. Dieser Vorgang tritt in um so höherem Maße auf, je höher die
Frequenz des zu erfolgenden Wechselstromes ist.
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Diese Herabsetzung der Lebensdauer der Wechselrichterventile läßt
sich verhindern, wenn man die Entstehung der negativen Sperrspannung unterbindet,
was beispielsweise durch Anordnung weiterer Ventile in Antiparallelschaltung zu
den gesteuerten Wechselrichterventilen möglich ist.
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Diese Möglichkeit einer Antiparallelschaltung weiterer Ventile besteht
aber nur, wenn man den Wechselrichter als einen selbstgeführten Wechselrichter ausbildet,
der für die Stromablösung der Ventile keine Gegenspannung als Kommutierungsspannung
benötigt.
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Aus diesen Erwägungen heraus ist bereits ein selbstgeführter Wechselrichter
mit einem zur Belastung in Reihe geschalteten Kondensator, vorzugsweise zur Erzeugung
von Mittelfrequenz-Wechselströmen, vorgeschlagen worden, bei welchen den aus Gasentladungsventilen
oder steuertechnisch ähnlich wirkenden Halbleiterventilen gebildeten steuerbaren
Ventilen des Wechselrichters ungesteuerte Ventile direkt antiparallel geschaltet
und bei welchem der mit der Belastung in Reihe geschaltete Kondensator und die gegebenenfalls
durch zusätzliche Induktivitäten ergänzte Impedanz der Belastung so bemessen sind,
daß sie einen Schwingungskreis bilden, der eine unterhalb der aperiodischen Dämpfung
liegende Dämpfung aufweist und eine Schwingungsdauer ein wenig kürzer als die Periodendauer
des zu erzeugenden Wechselstromes
besitzt, so daß der Strom jedes
gesteuerten Ventils spätestens nach Durchlaufen einer Halbschwingung durch Null
geht.
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Es ist das Ziel der Erfindung, .einen mit dem gleichen vorgenannten
Belastungskreis versehenen Umrichter ohne Vorschaltung eines Gleichrichters und
mithin auch ohne Anwendung eines Gleichstromzwischenkreises unmittelbar aus einem
Drehstromnetz normaler Frequenz zu betreiben. -Dies ist durch eine Schaltung der
Anordnung als ein sogenannter unmittelbarer Umrichter möglich.
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Eine der hierzu anwendbaren bekannten Schaltungen besteht darin, den
einen Pol des Belastungskreises an den vorhandenen bzw. durch einen Zwischentransformator
gebildeten Nullpunkt des Drehstromnetzes normaler Frequenz anzuschließen, während
der andere Pol über drei Paare antiparallel geschalteter gesteuerter Ventile an
die drei Phasen des Drehstromnetzes angeschlossen ist.
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Die Erfindung sieht für einen derartigen Umrichter eine Steuereinrichtung
vor, welche in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen der verketteten Spannungen des
Drehstromnetzes erzeugte Steuerimpulse bildet, die alle Ventile dauernd in Wechselrichterbereit
Schaft halten, und welche außerdem in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen des einphasigen
Wechselstromes im Belastungskreis erzeugte, in ihrem Einsatz um einen festen einstellbaren
Zeitwert d t verzögerte Steuerimpulse für Gleichrichterbetrieb bildet, die
unabhängig von den erstgenannten Steuerimpulsen auf je drei Ventile gleicher Stromrichtung
einwirken, sobald eines dieser Ventile stromführend wird, und die unverzögert beendet
sind, sobald ein Richtungswechsel des Stromes erfolgt.
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Ein Beispiel einer Ausführung eines Umrichters nach der Erfindung
und einer dazugehörigen Steuereinrichtung ist in den Fig. 1 bis 3 wiedergegeben.
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In Fig. 1 ist die Schaltung der starkstromführenden Teile des Umrichters
dargestellt. An ein Drehstromnetz mit den Phasen RST und dem Nulleiter Mp sind einerseits
die sechs steuerbaren Ventile l a, 3 a, 5 a sowie 2 b, 4 b,
6 b und andererseits der eine Pol des Belastungskreises angeschlossen. Die
Belastung besteht aus dem ohmschen Widerstand 7, der Induktivität 8 und dem Kondensator
9, die so bemessen sind, däß die Dämpfung dieses Kreises unterhalb der aperiodischen
Dämpfung liegt. Der andere Pol der Belastung ist unter Zwischenschaltung eines Stromwandlers
10 mit den untereinander verbundenen freien Elektroden der Ventile verbunden. Die
Steuerung der Ventile erfolgt durch eine Steuereinrichtung 18, die anschließend
näher beschrieben ist. Diese Steuereinrichtung erhält eine Information über die
Nulldurchgänge des Wechselstromes im Belastungskreis über die Sekundärwicklung des
Stromwandlers 10 und andererseits eine Information über die Nulldurchgänge der verketteten
Spannungen des Drehstromnetzes über die dargestellten Verbindungsleitungen mit den
Phasen RST des Drehstromnetzes. Die Steuerung der Ventile über die in Fig. 1 eingetragenen
Steuerleitungen erfolgt selbsttätig so, daß die Periodendauer es erzeugten Wechselstromes
etwas länger als die Schwingungsdauer des Belastungskreises ist, was durch die Einschaltung
einer fest einstellbaren Verzögerung J t des Einsatzes dieser Steuerimpulse sichergestellt
ist.
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Der Aufbau der Steuereinrichtung 18 ist aus dem in Fig.2 wiedergegebenen
Blockschaltbild zu ersehen. Die Wirkungsweise- dieser Steuereinrichtung ist durch
die Kurvendarstellung in Fig. 3 veranschaulicht.
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Die Informationen über die Nulldurchgänge der verketteten Spannungen
des Drehstromnetzes erfolgen durch einen Impulsbildner 11, dem die drei Phasen RST
des Drehstromnetzes zugeführt sind. Dieser Impulsbildner erzeugt in an sich bekannter
Weise in den Zeitpunkten der Spannungsnulldurchgänge kurze Impulse. Die Zahl dieser
Impulse beträgt also sechs je Periode. Jeder dieser Impulse ist zweimal herausgeführt,
so. daß der Impulsbildner im ganzen zwölf Ausgänge hat. Diese Ausgänge sind durch
die Winkelangabe für die zeitliche Lage der Spannungsnulldurchgänge bezeichnet.
Von diesen zwölf Ausgängen sind je zwei mit einer bistabilen Kippstufe 12 verbunden,
wobei jeweils zwei Impulse ausgewählt sind, die zeitlich um 240 bzw. 120° auseinanderliegen.
Die je zwei Zuleitungen bilden die beiden Eingänge der sechs bistabilen Kippstufen
12. Jede dieser Kippstufen liefert in dem Zeitintervall, der für einen Wechselrichterbetrieb
in Betracht kommt, einen positiven Steuerimpuls von 120° hänge.
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Die Information über die Nulldurchgänge des Wechselstromes im Belastungskreis
erfolgt durch einen Stromwandler 10, dessen Sekundärwicklung auf zwei Übertragungsglieder
15 und 16 einwirkt. Jedes dieser Übertragungsglieder hat zwei Eingänge und einen
Ausgang. Der eine Eingang dieser Übertragungsglieder ist mit der Sekundärwicklung
des Stromwandlers verbunden. Der andere Eingang liegt hingegen an einer Steuergleichspannungsquelle
17, mit der die Verzögerungszeit d t eingestellt werden soll, um die der
Beginn der Stromhalbschwingungen des Wechselstromes durch die Übertragungsglieder
verspätet weitergegeben werden soll. Das übertragungsglied 15 gibt demgemäß einen
Impuls ab, der nach Beginn der positiven Stromhalbschwingung um die Zeit A t verspätet
einsetzt und am Ende dieser Halbschwingeng unverzögert aussetzt. Ähnlich gibt das
Übertragungsglied 16 einen Impuls ab, der nach Beginn der negativen Stromhalbschwingung
an die Zeit ._1 t verspätet einsetzt und am Ende dieser Halbschwingung unverzögert
aussetzt.
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Die Übertragungsglieder 15, 16 arbeiten also ähnlich wie anzugsverzögerte
Relais, deren Abfall unverzögert ist. Die vorliegenden praktisch angewendeten Übertragungsglieder
sind auf elektronischer Basis, vorzugsweise unter Anwendung von Transistoren, aufgebaut.
Sie können beispielsweise aus einer Kippstufe mit zwei Transistoren bestehen, deren
einer Stromkreis einen Kondensator enthält und dessen Kippzeitpunkt spannungsabhängig
veränderbar ist.
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Die Ausgangssignale der Übertragungsglieder 15 und 16 bilden die eine
Eingangsspannung von je drei »Oder«-Gliedern 13. Die anderen Eingangsspannungen
dieser »Oder«-Glieder bilden die Ausgangssignale der vorgenannten bistabilen Kippstufen
12. Die »Oder«-Glieder 13 geben infolgedessen eines der Ausgangssignale der Übertragungsglieder
15, 16 oder eines der Ausgangssignale der Kippstufen 12 für die Steuerung der Ventile
des Umrichters weiter. Die Übertragung dieser Impulse erfolgt über die zwischengeschalteten
Verstärker 14. Die Ausgänge dieserVerstärker sind mit den Bezeichnungen der jeweils
angesteuerten Ventile beschriftet.
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Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Die ganz oben dargestellten Kurven stellen den zeitlichen Verlauf der gegen den
Nullpunkt
Mp gemessenen Spannungen der Phasen RST des Drehstromnetzes dar. Die stärker ausgezogene
Kurve ist die daraus hervorgehende Wechselspannung u. im Belastungskreis. Mit to,
t1, ... , t11 sind bestimmte charakteristische Zeitpunkte der Steuerung bezeichnet.
Die weitere Kurve zeigt den Verlauf des Wechselstromes it" im Belastungskreis. Darunter
sind die von der Steuereinrichtung gebildeten Steuerimpulse für die Ventile 1 a,
3 a, 5 a, 4 b, 6 b,
2 b dargestellt.
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Die Steuereinrichtung arbeitet wie folgt: Nach dem willkürlich angenommenen
Anfangszeitpunkt to führt das Ventil 5 a den Belastungsstrom. Die
Steuergitter der Stromrichtergefäße 1 a, 3 a und 5 a führen zu diesem Zeitpunkt
sämtlich positive Spannungen. Bei den übrigen Ventilen befindet sich immer nur eines
in Wechselrichterbereitschaft. Im Zeitpunkt t1 wird im normalen Gleichrichterbetrieb
der Belastungsstrom von Ventil 5 a auf Ventil 1 a kommutiert. Im Zeitpunkt
t2 wechselt der Belastungsstrom sein Vorzeichen, womit das Ausgangssignal des übertragungsgliedes
15 unverzögert aussetzt. Die Gitterspannungen der Ventile 1 a und 5 a werden
negativ, während das Ventil 3 a in Wechselrichterbereitschaft verbleibt.
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Die Stromführung in der umgekehrten Richtung übernimmt das in Wechselrichterbereitschaft
stehende Ventil 4 b, bis das Übertragungsglied 16 ein um die Zeit .J t gegenüber
dem Stromnulldurchgang verzögertes Ausgangssignal abgibt. Durch dieses Signal werden
alle Gitterspannungen der Ventile 2 b, 4 b, 6 b positiv. Das Ventil mit der höchsten
Anodenspannung 6 b übernimmt damit im Zeitpunkt t3 die Stromführung. In ähnlicher
Weise verlaufen die weiteren Vorgänge der Stromablösungen.
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Zum erstmaligen Anschwingen des Umrichters wird mittels eines Wischkontaktes
19 auf die Steuergitter der Ventile l a, 3 cc, 5 a ein Anfangsimpuls
gegeben. Hierauf beginnt das Ventil mit der höchsten Anodenspannung mit der Stromführung
und damit ist der Umrichter in Verbindung mit der Steuereinrichtung funktionsfähig.
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Mit der Vorgabe der Zeitverzögerung @9 t läßt sich die Phasenverschiebung
zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung des Belastungskreises des Umrichters
und damit die an dem Belastungskreis abgegebene Leistung einstellen.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung des Umrichters eignet sich besonders
für steuerbare Halbleiterstromrichter, bei denen es keine Lebensdauerverminderung
infolge Materialzerstäubung gibt. Für Anlagen größerer Leistung, bei denen Gasentladungs-Stromrichtergefäße
angewendet werden, sind jedoch besondere Vorkehrungen zum Schutz der Stromrichtergefäße
gegen die Zerstäubungserscheinungen zweckmäßig. Eine diesem Zweck dienende modifizierte
Schaltung eines Umrichters ist in Fig. 4 wiedergegeben.
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In dieser Schaltung, die sich auf ein Drehstromnetz ohne Nullpunkt
bezieht, stellen die Ventile 1 a bis 6 a sowie 1 b bis 6 b die als Gasentladungs-Stromrichtergefäße
ausgebildeten Hauptventile des Umrichters dar. Sie sind in Dreiphasenbrückenschaltung
geschaltet und an einen Transformator 20 angeschlossen. Diese Hauptventile erhalten
die Steuerimpulse der Steuereinrichtung, jedoch nur die beiden Impulse, die von
den Übertragungsgliedern 15 und 16 abgegeben werden. Infolgedessen arbeiten diese
Hauptventile nur im Gleichrichterbetrieb. Die Stromführung nach jeder Richtungsänderung
des Belastungsstromes übernimmt zunächst ein Hilfswechselrichter, und zwar jeweils
für die eingestellte Verzögerungszeit d t. Dieser Hilfswechselrichter besteht
aus den steuerbaren Ventilen 1 c bis 6 c. Er wird gespeist von einem Hilfsgleichrichter,
der mit den ungesteuerten Ventilen 1 d bis 4 d bestückt ist. Die Stromzuführung
erfolgt über den Hilfstransformator 22, der primärseitig parallel zum Einphasen-Belastungskreis
angeschlossen ist.
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Die genannten Wechselrichterventile 1 c bis 6 c erhalten in der früher
beschriebenen Weise durch den Impulsbildner 11 ständig und zeitlich ohne Lücken
aneinanderschließend die für einen Wechselrichterbetrieb notwendigen Impulse, und
zwar ohne Rücksicht auf die Einhaltung eines sogenannten Respektabstandes. Der weiterhin
ersichtliche Kondensator 23 des Hilfswechselrichters dient dem Zweck, Sperrspannungssprünge
an den gesteuerten Ventilen 1 c bis 6 c zu unterbinden. Wird im Anscbluß an die
kurzzeitige Stromführung des Hilfswechselrichters die in Frage kommende Gruppe der
Hauptventile als Gleichrichter stromführend, so kehrt sich die Spannung des Belastungskreises
und damit auch des Hilfstransformators 22 um. Die Spannung am Hilfswechselrichter
ändert sich jedoch wegen des Kondensators 23 nur langsam, so daß bei den Ventilen
des Hilfswechselrichters zwar der Strom schnell verlischt, jedoch kein Sperrspannungssprung
auftritt. Spannungssprünge in der Sperrichtung im Anschluß an eine Stromführung
treten lediglich an den ungesteuerten Gleichrichterventilen 1 d bis 4 d auf, denen
diese Beanspruchung jedoch nichts schadet.
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Soll weiterhin vermieden werden, daß die im einphasigen Verbraucherkreis
notwendigerweise auftretenden Leistungsschwankungen mit der doppelten Mittelfrequenz
auf das Drehstromnetz übertragen werden, so kann man dies-noch durch eine Kondensatorgruppe
21 erreichen. Diese Kondensatoren können so bemessen sein, daß sie mit den Streublindwiderständen
des Transformators 20 einen Parallelresonanzkreis bilden. Die Resonanzfrequenz dieses
Kreises wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie unterhalb der Frequenz der auftretenden
Stromoberschwingungen der Stromrichteranordnung liegt. Bei dieser Bemessung fließen
die Oberschwingungsströme hauptsächlich über die Kondensatorgruppe, so daß das Drehstromnetz
davon entlastet ist.