DE1147304B

DE1147304B - Gleichspannungssysteme mit gittergesteuerten Gleichrichtern, deren Ventilgruppen ueber Saugdrosseln verbunden sind

Info

Publication number: DE1147304B
Application number: DEA30166A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Engstroem
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1957-08-31
Filing date: 1958-08-26
Publication date: 1963-04-18
Also published as: GB848161A; CH371176A; US3021471A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 c 67/55

INTERNATIONALE KL.

H02p;j

A 30166 Vmb/21 c

ANMELDETAG: 26. A U G U S T 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 18. APRIL 1963

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichspannungssysteme, die von gittergesteuerten Gleichrichtern gespeist werden, deren Ventilgruppen im Verhältnis zueinander phasenverschoben sind, von denen jede mindestens die Pulszahl 2 hat und die einzelnen Gruppen durch Saugdrosseln verbunden sind.

Ein Gleichspannungssystem, das in seiner gewöhnlichsten Form aus zwei Dreiphasengruppen besteht, die über eine Saugdrossel verbunden sind, hat bei normalem Betrieb eine Gleichspannung, die in ungeglättetem Zustand von der Phasenspannung einer jeden Dreiphasengruppe bestimmt ist. Da die Saugdrossel zwischen den Dreiphasengruppen eine große Induktanz darstellt, wird jede Kommutierung zwischen Anoden verschiedener Gruppen verhindert. Über der Saugdrossel liegt eine Wechselspannung, die dem Unterschied zwischen den Momentanweiten der Gleichspannung der beiden Dreiphasengruppen entspricht. Diese Wechselspannung veranlaßt einen Magnetisierungsstrom in der Saugdrossel, der jede einzelne Dreiphasengruppe durchfließt und sich dem Gleichstrom überlagert. Auf Grund der Richtwirkung des Ionenventils kann der auf diese Weise zusammengesetzte Strom nicht negativ werden, was eintreten würde, wenn die Gleichstromkomponente durch eine Dreiphasengruppe auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß sie kleiner als der Scheitelwert des Magnetisierungsstromes der Saugdrossel wird. Der Wert des Gleichstromes, bei welchem dies eintritt, wird gewöhnlich der kritische genannt. Wenn der Magnetisierungsstrom der Saugdrossel am Entstehen gehindert wird, kann die Saugdrossel nicht die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Ventilgruppen aufnehmen, und es entstehen Kommutierungen zwischen Anoden verschiedener Gruppen. Der Gleichrichter geht dann allmählich in Sechsphasenbetrieb über, was bei ganz leer laufenden Gleichrichtern einer Spannungssteigerung von etwa 15% entspricht. Das Belastungsgebiet, in dem eine solche Spannungssteigerung auftreten kann, wird gewöhnlich unterkritisch genannt.

Das Gleichstromsystem kann auch mehrere parallel arbeitende Aggregate umfassen, von denen jedes z. B. der beschriebenen Art angehören kann. Wenn die Aggregate dabei über Induktanzen zusammengeschaltet sind und alle Sekundärspannungen der verschiedenen Gleichrichtertransformatoren verschiedene Phasenlage haben, kann auch in diesem Falle eine Spannungssteigerung erhalten werden, falls der Belastungsstrom einen bestimmten Wert unterschreitet, so daß Kommutierungen zwischen Anoden verschiedener Aggregate entstehen. Man kann die Schwierig-Gleichsparmungssysteme

mit gittergesteuerten Gleichrichtern,

deren Ventilgruppen über Saugdrosseln

verbunden sind

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Västeräs (Schweden)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt, Gießen, Bismarckstr. 43

Beanspruchte Priorität: Schweden vom 31. August 1957 (Nr. 7913)

Gunnar Engström, Ludvika (Schweden), ist als Erfinder genannt worden

keiten, die sich aus dieser Arbeitsweise der Saugdrosseln ergeben, nicht mit den Spannungsreglern oder Lastverteilern lösen, wie sie für Gleichrichter bekannt sind.

Die Erfindung ermöglicht, Spannungssteigerungen auf Grund unterkritischer Belastung in dem genannten Gleichspannungssystem mit gesteuerten Gleichrichtern zu verhindern, deren Ventilgruppen im Verhältnis zueinander phasenverschoben sind, wobei jede Gruppe wenigstens die Pulszahl 2 hat und die Gruppen durch eine Saugdrossel verbunden sind. Zu diesem Zweck erhält eifindungsgemäß das Gleichspannungssystem eine Anordnung, die mittels an sich bekannter Abtastung der Gleich- und Wechselspannung des Systems die Ventilgruppen, in denen der Strom zeitweilig Null wird, blockiert, wenn die Gleichspannungen den der Wechselspannung der Ventilgruppe bei normalem Betrieb entsprechenden Leerlaufwert überschreitet.

Die Erfindung kann bei verschiedenen Arten der Gittersteuerung des Gleichrichters verwendet werden,

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sie ist aber besonders für Gleichrichter mit einem sogenannten schwebenden Gitter geeignet. Ein schwebendes Gitter bedeutet in der Gleichrichtertechnik, daß das Potential der nicht brennenden Gitter im Verhältnis zu der Kathode von der Spannungsdifferenz zwischen diesen Gittern und dem augenblicklich brennenden Gitter bestimmt wird. Dieses Gitter nimmt durch den Lichtbogen ein Potential an, das nur unbeträchtlich von dem Kathodenpotential abweicht. Gewöhnlich ist ein hochohmiger Widerstand zwischen dem Nullpunkt des Gittersystems und der Kathode des Gleichrichters geschaltet, um das Potential des Gitters auch bei leer laufendem Gleichrichter zu fixieren.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt

Fig. 1 ein Strom-Spannungs-Diagramm mit unterkritischen Arbeitsgebieten,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit zwei auf ein Gleichstromnetz parallel arbeitenden Gleichrichtern und

Fig. 3 die prinzipielle Anordnung eines schwebenden Gittersystems bei einer Ventilgruppe mit drei Anoden.

Fig. 1 zeigt, in Prozenten ausgedrückt, den Zusammenhang zwischen der Gleichspannung D und dem Gleichstrom/. Wenn der Gleichstrom auf 0,5 oder 1 % sinkt, entsteht die obengenannte Grenze für die Magnetisierung der Saugdrossel, und es tritt eine Spannungssteigerung, z. B. bis auf 115% der Nennspannung bei Leerlauf ein, weil Kommutierungen zwischen Anoden in dem System entstehen, die sonst durch die Saugdrossel getrennt wären. Das Diagramm zeigt auch, daß das Gleichspannungssystem einen inneren Spannungsfall mit leicht fallender Spannungscharakteristik hat, so daß der Nennstrom bei einer Spannung, die einige Prozent niedriger als die Leerlaufspannung ist, erreicht wird.

Fig. 2 zeigt ein Gleichspannungssystem mit zwei Gleichrichtern, wobei das Ionenventil! des einen Gleichrichters an zwei Dreiphasengruppen 2 und 3 angeschlossen ist. Der Gleichrichtertransformator 6 hat für jede Gruppe eine sterngeschaltete Sekundärwicklung 4 bzw. 5. Die Nullpunkte der Sekundärwicklungen sind über eine Saugdrossel 7 verbunden. Die Primärwicklung des Transformators 6 ist mit ihren Klemmen 8 an einer Wechselstromquelle angeschlossen. Die Kathode des Ionenventils 1 ist durch einen Leiter 9 mit der einen Stromschiene 10 des Gleichspannungssystems verbunden, die andere Stromschiene 11 ist über eine Glättungsdrossel 12 am Mittelpunkt der Saugdrossel 7 angeschlossen. Die Gitter 13 und 14 des Ionenventils sind am Gitterspannungsgerät 15 angeschlossen, das von bekannter Art sein kann. Das schematische Symbol zeigt, daß das Gerät zwei verschiedene Sekundärwicklungsgruppen umfassen kann. Diese können an ihre Gittergruppen 13 und 14 in der Weise angeschlossen werden, daß das System schwebende Gitter erhält. Das Gitterspannungsgerät 15 ist an einem Blockierungsgerät 16 angeschlossen, es besteht aus einem Transduktorverstärker 17, der in Reihe mit einer Halbleiterventil-Brückenschaltung 18 mit einer Wechselspannungsquelle 19 verbunden ist. Der Strom durch die Halbleiterventil-Brückenschaltung 18 gibt die erforderliche Blockierungsspannung über einem Widerstand20, dem ein Glättungskondensator21 parallel geschaltet ist. Der Transduktorverstärker 17 hat außer der mit einem Pfeil symbolisch angedeuteten direkten Selbsterregung drei Steuerwicklungen. Die erste Steuerwicklung 22 ist an der Gleichspannung des Systems zwischen den Schienen 10 und 11 angeschlossen. Die zweite Steuerwicklung 23 ist über eine Gleichrichteranordnung 24, die aus einem Transformator 25 und einer Halbleiterventilgruppe 26 besteht, an der Wechselspannung des Gleichrichtertransformators 6 angeschlossen und die dritte Steuerwicklung

ίο 27 an ein später beschriebenes Gerät 28.

Zum besseren Verständnis des Blockierungsverlaufs wird auf Fig. 3 verwiesen, wo die Gitterspeisung für eine Dreipulsgruppe mit schwebendem Gittersystem gezeigt ist. Jedes Gitter der drei Anoden 35, 36 und 37 ist über einen Gitterwiderstand R_g an einer Phase der Sekundärwicklung 38 eines Gitterspannungstransformators angeschlossen. Der Nullpunkt der Wicklung ist über einen Nullpunktwiderstand R₀, der beträchtlich größer als R_x sein muß,

ao und über das Blockierungsgerät 16 an der Kathode 39 des Ionenventils angeschlossen.

Die resultierende Gitterspannung bei einem nicht brennenden Gitter kann von der Spannung E₀ beeinflußt werden, wenn der Strom, der von E₀ kommt, einen Spannungsabfall über R_g gibt. Es kann mathematisch nachgewiesen werden, daß, wenn A₀ bedeutend größer als R_g ist, E₀ beträchtlich größer als die sekundäre Phasenspannung E_g des Gitterspannungstransformators sein muß. Wenn der Gleichrichter einen Strom gibt, der größer als der kritische ist, und ein negatives Potential dem Gitter einer nicht brennenden Anode aufgedrückt werden soll und wenn man annimmt, daß die Größe von A₀ nur 10-i?_g ist, muß E₀ ungefähr 30-.E^ sein. Wenn dagegen der Strom der drei Anoden durch Null geht, tritt eine solche Änderung des von dem Gitterstrom verursachten Spannungsabfalles ein, daß ein bedeutend niedrigerer Wert von E₀ für die Blockierung erforderlich wird. In einem solchen Fall braucht E₀ nur um den Faktor yä~ E_g zu übersteigen.

Wenn in einem gemäß der Erfindung ausgerüsteten Gleichspannungssystem der Belastungsstrom auf seinen kritischen Wert sinkt, kann also eine Blockierungsspannung der Größenordnung ]/2 E_g den Gitter-

kreisen des Gleichrichters aufgedrückt werden, worauf die Dreipulsgruppe, in der der Strom zuerst durch Null geht, blockiert wird. Dadurch wird eine Spannungssteigerung verhindert, da die restliche Dreipulsgruppe in einem Gleichrichter immer noch Strom liefert und den gleichen Gleichspannungswert wie der ganze Gleichrichter bei normalem Betrieb gibt.

Ein Vorteil des Gittersystems nach dem schwebenden Prinzip ist, daß die nötige Blockierungsspannung dem Nullpunkt des Gitterspannungstransformators aufgedrückt werden kann und die Blockierung bei Nulldurchgang des Stromes einer Ventilgruppe geschieht. Bei anderen Arten des Gittersystems ist es nötig, ein Organ anzuordnen, das bei Nulldurchgang des Gleichrichterstromes wirksam wird und dann die Blockierung bewirkt.

An sich sollten die beiden Steuerwicklungen 22 und 23 in Fig. 2 genügend sein, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Die Steuerwicklungen können nämlich in einer solchen Weise angeordnet werden, daß ihre Amperewindungszahlen einander in einem Punkt auf der charakteristischen Kurve des Transduktors 17 ausgleichen, der die nötige Blockierungs-

spannung steuert. Wenn der Gleichrichter in seinem unterkritischen Gebiet arbeitet, wird die Amperewindungszahl der Wicklung 22 größer als die Amperewindungszahl der Wicklung 23, und eine Ventilgruppe wird blockiert. Sobald die Belastung des Systems wieder erhöht wird, sinkt die Gleichspannung, und die Blockierung der Gruppe wird aufgehoben.

Um einen ständigen Wechsel zwischen Blockierung und Freigabe zu vermeiden, was bei bestimmten Belastungsf allen denkbar ist, hat der Transduktor 17 die erwähnte dritte Steuerwicklung 27. Sie ist an einer Anordnung 28 angeschlossen, die den Strom des Ionenventils 1 abtastet. Die Fig. 2 zeigt beispielsweise hierfür eine Schaltung mit einem Meßtransduktor 29, der für Minimalstromanzeige geschaltet ist, d. h. die abgegebene Spannung der Anordnung ändert sich innerhalb eines sehr engen Gebietes kurz vor dem Nullwerden des Stromes. Die Anordnung besteht im Prinzip aus einer Brückenschaltung, in der zwei Zweige aus der Hälfte eines Widerstandes 30 und die beiden anderen Zweige aus den reihegeschalteten Wicklungen des Meßtransduktors 29 bestehen. Die Wechselspannung wird der einen Diagonale der Brückenschaltung von den Klemmen 31 zugeführt. In der anderen Diagonale liegt eine Halbleiterventilanordnung 32, die so lange im wesentlichen konstante Gleichspannung liefert, bis der Gleichstrom durch den Meßtransduktor bis auf einen Wert nahe Null sinkt, dann nimmt die Spannung des Halbleiterventile schnell ab.

Die Steuerwicklung 27 ist so angeordnet, daß ihre Amperewindungszahl mit der der Wicklung 23 zusammenwirkt, und der Eingriff der Steuerwicklung 27 ist so abgepaßt, daß eine Blockierung bei dem kritischen Belastungsstrom erhalten wird, während ihre Aufhebung erst bei einer Gleichspannung, die etwas niedriger als der normale Leerlaufswert ist, erhalten wird.

Fig. 2 zeigt außer dem beschriebenen Gleichrichter 1 auch einen Gleichrichter 33, der parallel zum ersten an den Schienen 10 und 11 angeschlossen ist. Es wird vorausgesetzt, daß auch der Gleichrichter 33 eine Blockierungsausrüstung der beschriebenen Art hat, daß es weiterhin möglich ist, die Gleichrichter nach und nach zu blockieren, wenn die Belastung sinkt, und diese wieder aufzuheben, wenn ihre Mitwirkung erforderlich ist.

Damit wenigstens eine Dreiphasengruppe unblockiert bleibt, darf der Strom der nicht blockierten Gruppe nicht durch Null gehen. Hierfür kann es notwendig sein, einen Grundbelastungswiderstand 34 zwischen den Schienen 10 und 11 anzuschließen. Anstatt eines Grundbelastungswiderstandes können die gleichspannungsabtastenden Steuerwicklungen der Transduktoren in dem Gerät 16 in solcher Weise ausgeführt sein, daß sie die erwünschte Grundbelastung ausmachen.

Statt eine stromabtastende Wicklung anzuordnen, um die Aufhebung der Blockierung der Gleichrichter bei einer etwas niedrigeren Spannung als der Leerlaufspannung zu erreichen, kann der mit zwei spannungsfühlenden Steuerwicklungen versehene Transduktor schwankend selbsterregt und so dimensioniert sein, daß die Blockierungsspannung bei einem erwünschten Betriebspunkt erhalten wird, der etwas höher als der kritische Belastungspunkt ist, und die Aufhebung der Blockierung bei einer Gleichspannung erfolgt, die etwas niedriger als die genannte Betriebsspannung ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gleichspannungssystem mit gittergesteuerten Gleichrichtern, deren Ventilgruppen im Verhältnis zueinander phasenverschoben sind, wobei jede Gruppe wenigstens die Pulszahl 2 hat und die Gruppen durch eine Saugdrossel verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die mittels an sich bekannter Abtastung der Gleich- und Wechselspannung des Systems die Ventilgruppen, in denen der Strom zeitweilig Null wird, blockiert, wenn die Gleichspannung den der Wechselspannung der Ventilgruppe bei normalem Betrieb entsprechenden Leerlaufwert überschreitet.

2. Gleichspannungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Anordnung derart, daß die Blockierung der Ventilgruppen aufgehoben wird, wenn die Gleichspannung des Systems niedriger als der dem normalen Betrieb entsprechende Leerlaufwert wird.

3. Gleichspannungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zugehörigen Gleichrichter mit schwebenden Gittern versehen sind und die Blockierungsspannung den Gitterkreisen jeder Ventilgruppe derart zugeführt wird, daß die Ventilgruppen blockiert werden, in denen der Strom zeitweilig Null wird.

4. Gleichspannungssystem nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einem Verstärker mit einem Transduktor mit mindestens zwei Steuerwicklungen besteht, von denen die erste einen der Gleichspannung des Gleichrichters proportionalen Strom und die andere einen dem Mittelwert der Wechselspannung einer Ventilgruppe proportionalen Strom führt und beide so bestimmt sind, daß die erforderliche Blockierungsspannung erhalten wird, wenn die Amperewindungszahl der erstgenannten Steuerwicklung der Amperewindungszahl der anderen Steuerwicklung gleich ist oder diese übersteigt.

5. Gleichspannungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktor eine dritte Steuerwicklung aufweist, die einen dem Gleichstrom des Gleichrichters proportionalen Strom führt und so bestimmt ist, daß die nötige Blockierungsspannung erhalten wird, wenn die Amperewindungszahl der ersten Steuerwicklungen die Summe der Amperewindungszahlen der zweiten und der dritten Steuerwicklung übersteigt.

6. Gleichspannungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Steuerwicklung von einem stromempfindlichen Organ gespeist wird, dessen Ausgangsspannung innerhalb eines engen Bereiches kurz vor Null stromabhängig gemacht ist.

7. Gleichspannungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am System eine Belastung solcher Größe angeschlossen ist, daß der Gleichstrom der übrigbleibenden Ventilgruppe in jedem Augenblick größer als Null ist.

8. Gleichspannungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung aus den entsprechend bemessenen, gleichspannungsempfindlichen Steuerwicklungen der Transduktoren des Systems besteht.

9. Gleichspannungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transduktorverstärker labil und so bestimmt ist, daß die Blockierungsspannung bei einem erwünschten Betriebspunkt erhalten wird und die Aufhebung der Blockierung bei einer Gleichspannung, die

etwas niedriger als die Spannung in dem Betriebspunkt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 647 912, 654 150, 693 477, 952 994;

österreichische Patentschrift Nr. 112 534.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen