DE1227128C2

DE1227128C2 - Ausgleichseinrichtung zur Spannungshaltung und Spannungseinstellung

Info

Publication number: DE1227128C2
Application number: DE1962L0041403
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Fritz Germann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-03-07
Filing date: 1962-03-07
Publication date: 1973-03-01
Also published as: DE1227128B

Description

einem Drehstromnetz an den Motor. Da die Ventil- und es arbeitet der gesteuerte Stromrichter der Zuwirkung der Entladungsgefäße und der Gleichrichter- satzordnung gemäß der Erfindung, welcher dem dioden den Arbeitsstrom in der Durchlaßstromrich- selbsterregten Wechselrichter nachgeschaltet ist, bei tung festlegt, werden Umkehrstromrichter, die für einem Zündwinkel α im Teilbereich 0° ^ α ^L 90° el. Drehrichtungsumkehr und Nutzbremsung des Motors 5 im Gleichrichterbetrieb, bei einem Zündwinkel im vorgesehen sind, in verschiedenartigen Schaltungen Teilbereich 90° el. ^«^ 180° el. hingegen im Wechausgeführt und werden wahlweise im Gleichrichter- selrichterbetrieb, wobei der im Gleichrichterbetrieb oder im Wechselrichterbetrieb gesteuert. Desgleichen arbeitende Stromrichter einen mit zunehmendem ist ein aus zwei Teilstromrichtern zusammengesetzter Zündwinkel kleiner werdenden vollweggleichgerich-Umkehrstromrichter für den Umkehrbetrieb eines io teten Teil der Wechselrichterspannung zu der Span-Gleichstromnebenschlußmotors bekannt (SCR-Ma- nung der Betriebsspannungsquelle addiert, während nual der General Electric Comp., 1961, 2. Ausgabe, der im Wechselrichterbetrieb arbeitende Stromrichter S. 124), bei dem Thyristoren verwendet sind. einen mit zunehmendem Zündwinkel größer werden-

Die Stromrichter dieser Umkehrstromrichterschal- den vollweggleichgerichteten Teil von der Spannung tungen enthalten zwar keine bewegten Teile, und es 15 der Betriebsspannungsquelle subtrahiert. Die vorkann die Polarität der Verbraucherspannung sowie stehend dargelegte Unterscheidung zwischen Gleichdes Verbraucherstromes nach den Betriebserforder- richter- und Wechselrichterbetrieb des steuerbaren nissen gewechselt werden, bei der Nutzbremsung des Stromrichters ergibt sich durch das Vorzeichen des Motors kann sogar nur die Polarität der Verbrau- zeitlichen Mittelwertes der gleichgerichteten Wechselcherspannung und nicht die Stromrichtung gewechselt ao richterspannung in bezug auf das Vorzeichen der werden, jedoch sind die Umkehrstromrichterschal- Betriebsgleichspannung. Gleichrichterbetrieb bedeutet tungen nicht Ausgleichseinrichtungen im Sinne des demnach, daß zeitlicher Mittelwert der gleichgerichoben dargelegten Erfindungsgegenstandes. teten Wechselrichterspannung und Betriebsgleich-

Die oben ferner erwähnte bekannte Schaltung spannung gleiches Vorzeichen haben, Wechselrichtereines Umrichters (Hütte, IVA, 28. Auflage, 1957, 25 betrieb bedeutet, daß dieselben entgegengesetztes S. 611) stellt einen Umrichter mit Gleichstrom- Vorzeichen haben. Nicht nur im Wechselrichterzwischenkreis dar, welcher zur Energieübertragung betrieb des Stromrichters wird jedoch Energie aus zwischen zwei Wechselstromnetzen ungleicher Fre- dem Verbraucherkreis über den Wechselrichter in die quenzen vorgesehen ist, die über je einen Transfer- Gleichspannungsquelle oder in die Betriebsgleichmator einen Gleichrichter und einen netzgeführten 30 spannungquelle selbst zurückgeliefert, sondern auch Wechselrichter miteinander gekoppelt sind. Die be- im Gleichrichterbetrieb, und zwar in den Zeitabkannte Schaltung ist nicht verwendbar, um eine Aus- schnitten, in welchen die gleichgerichtete Wechselgleichseinrichtung entsprechend dem Erfindungs- richterspannung und die Betriebsgleichspannung entgegenstand zu erhalten, die zur Spannungshaltung gegengesetzte Vorzeichen haben. Entsprechend wird und Spannungseinstellung einer Gleichspannung vor- 35 im Wechselrichterbetrieb des Stromrichters, wenn die gesehen werden kann. betreffenden Spannungen jeweils gleiches Vorzeichen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine haben, Energie aus der Gleichspannungsquelle oder mit Minimalaufwand an Bestückung erstellbare Korn- der Betriebsgleichspannungsquelle über den Wechselbination von statischen Stromrichtern zum Schnell- richter in den Verbraucherkreis übertragen,
ausgleich von Schwankungen einer Betriebsgleich- 40 Die Erfindung ist noch dadurch weiter ausgebilspannung anzugeben, mit der die Spannungsschwan- det, daß die Einstellung des jeweils erforderlichen kungen ähnlich wie bei der bekannten Drehzahlrege- Zündwinkels und somit der Steuerung des gesteulung elektrischer Maschinen durch Zu- und Gegen- erten Stromrichters von der Änderung der Verschaltung einer Spannung ausgeglichen werden kön- braucherspannung abhängig gemacht ist.
nen und mit der auch ein entsprechender Energie- 45 Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht ausgleich möglich ist. der gesteuerte Stromrichter aus steuerbaren Strom-

Die Erfindung besteht bei einer statischen Aus- richtergefäßen und nach einer weiteren Ausgestaltung

gleichseinrichtung der zuvor im Abs. 4 genannten aus steuerbaren Gleichrichterzellen.

Art darin, daß eine aus einem selbsterregten, in bei- Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß

den Energierichtungen Wirkleistung liefernden, von 5° mit der beschriebenen Kombination eines selbst-

einer Gleichspannungsquelle versorgten Wechsel- erregten-statischen Wechselrichters und eines steuer-

richter und einem diesem nachgeschalteten gesteuer- baren statischen Stromrichters eine Einrichtung zum

ten Stromricher bestehende Zusatzanordnung vorge- Ausgleichen von Spannungsschwankungen einer Be-'

sehen ist, die eine Zusatz- oder Gegenspannung er- triebsgleichspannung erstellt werden kann, die im

zeugt und damit Leistung liefert oder entnimmt. 55 Gegensatz zu den angeführten bekannten statischen

Damit nun diese mit einer in der Spannung nicht Stromrichtern, einzeln oder kombiniert, alle günstikonstanten Betriebsspannungsquelle und mit einem gen Eigenschaften einer Ausgleichseinrichtung aufVerbraucher in Reihe zu schaltende Ausgleichsein- weist, nämlich Schnellausgleich der Spannungsrichtung jeweils eine zum Konstanthalten der Ver- Schwankungen der Betriebsspannung wie auch der braucherspannung entsprechend große Zusatz- oder 60 Spannungsschwankungen infolge von Belastungs-Gegenspannung erzeugt, ist die Erfindung dadurch Schwankungen, Minimalaufwand an Bestückung, Erweiter ausgebildet, daß der gesteuerte Stromrichter zeugung einer Zusatz- oder einer Gegenspannung in mit einer Vorrichtung zur Einstellung des Zünd- entsprechender Größe je nach Abweichung der Ver-. winkeis ausgerüstet ist, die Gleich- oder Wechsel- braucherspannung von einem Sollwert und dabei Zurichterbetrieb ermöglicht. 65 führen oder Abführen elektrischer Energie in den

Der Einstellbereich des Zündwinkels umfaßt ins- bzw. aus dem Verbraucherkreis, Erzeugung einer

gesamt 180° el. mit den zwei gleich großen Teil- Gegenspannung unter Beibehaltung der Polarität des

bereichen von 0 bis 90° el. und von 90 bis 180° el. Verbraucherstromes und Abgreifen der Gleichspan-

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nung für die Ausgleichseinrichtung an der Betriebs- halben Periode der vom Wechselrichter gelieferten

Spannungsquelle oder an einer gesonderten Gleich- Spannung gezündet, so kann durch Phasenverschie-

spannungsquelle. . bung des Zündzeitpunktes eine resultierende positive

An Hand des in der F i g. 1 gezeigten Ausfüh- oder negative Spannung geliefert werden,

rungsbeispiels · und der Spannungsdiagramme in 5 Wird der gittergesteuerte Stromrichter jeweils in

Fig. 2 werden der Aufbau und die Wirkungsweise einem Abstand von 180° el., d. h. einer halben

der erfindungsgemäßen Ausgleichseinrichtung darge- Periode, gezündet, so wird je nach Festlegung des

stellt und erläutert. ■ Zündzeitpunktes innerhalb der vom Wechselrichter

In Fig. 1 sind sowohl die Betriebspannungs- gelieferten Wechselspannungshalbperiode eine Zuquelle 1 als auch die Gleichspannungsquelle 1' ein io satz- oder Gegenspannung erzeugt.
Gleichstromnetz oder eine Batterie. Der Wechsel- In Fig. 2a ist die vom Wechselrichter erzeugte richter 2 ist ein selbsterregter Wechselrichter, der in Spannung U_w über die Zeit aufgetragen. Die Darstelder Lage ist, in beiden Energierichtungen Leistung zu lung in Fig. 2b zeigt die Betriebsgleichspannung U₁ führen. Diesem selbsterregten Wechselrichter 2 ist und in F i g. 2 c die mittels der Zusatzeinrichtung bei ein gittergesteuerter Stromrichter in Mittelpunkt- 15 einem Zündwinkel α = 45° el. in den Verbraucher-. oder Brückenschaltung mit steuerbaren Gleichrich- Stromkreis eingespeiste Spannung U₂ sowie in terzeilen oder Stromrichtergefäßen nachgeschaltet. Fig. 2d die aus diesen beiden Spannungen U₁ Die Drossel 4 und der Kondensator 5 bilden in be- und U₂ sich ergebende resultierende Spannung Z7₃. In kannter Weise ein Glättungsglied, das dem Verbrau- Fig. 2e ist die über die Zusatzeinrichtung in den eher 6 vorgeschaltet ist. Der Verbraucher 6 soll stets 20 Verbraucherstromkreis eingespeiste Spannung U₂' bei mit konstanter Spannung beaufschlagt werden, wenn einem Zündwinkel α = 135° el. und in Fig. 2f die auch eine Strom- und somit Leistungsaufnahme sich damit ergebende resultierende Spannung U₃' darvariiert, gestellt.

Treten beispielsweise an der Betriebsspannungs- Ist der Zündwinkel α kleiner als 90° el., dann ist quelle 1 Spannungsschwankungen auf, so ändert sich 25 die positive Spannungszeitfläche der Spannung der auch die am Verbraucher anliegende Spannung. Zusatzeinrichtung größer als die negative. Somit Solche Spannungsschwankungen am Verbraucher wirkt die Anordnung 2, 3 als Gleichrichter, der aus können durch eine variable Stromaufnahme des Ver- dem von der Gleichspannungsquelle 1' gespeisten brauchers selbst noch ungünstig verstärkt werden. Wechselrichter 2 Wirkleistung in den Verbraucher-Um eine entsprechend der aufgestellten Forderung 30 kreis liefert und den Mittelwert der resultierenden konstante Verbraucherspannung zu erhalten, ist es Spannung gegenüber der Spannung der Betriebsnotwendig, die Spannungsänderungen der Betriebs- Spannungsquelle erhöht.

Spannungsquelle 1 über eine Zusatzanordnung aus- Wird der Zündwinkel α größer als 90° el. und kleizugleichen. Mit der erfindungsgemäßen Ausgleichs- ner als 180° el., so ist die negative Spannungszeiteinrichtung kann sowohl eine Erhöhung als auch eine 35 fläche größer als die positive. Damit wirkt der Strom-Verminderung der Spannung der Betriebsspannungs- richter 3 als netzgeführter Wechselrichter, welcher quelle 1 ausgeglichen werden. vom Verbraucherkreis über den Wechselrichter 2

Maßgebend für diese über eine Erhöhung oder Wirkleistung in die Gleichspannungsquelle 1' überVerminderung der Spannung erzielte Ausgleichung führt und den Mittelwert der resultierenden Spanist der Zündzeitpunkt des gittergesteuerten Strom- 40 nung gegenüber der Spannung der Betriebsspannungsrichters 3. Dieser Zündzeitpunkt des dem selbst- quelle erniedrigt.

erregten Wechselrichter 2 nachgeschalteten gitter- Bei einem Zündwinkel von α = 90° el. sind die

gesteuerten Stromrichters 3 wird so verschoben, daß positiven und negativen Spannungszeitflächen gleich,

die Spannung am Ausgang des gittergesteuerten und der Mittelwert der Spannung der Zusatzeinrich-

Stromrichters gerade die Spannungsänderung der Be- 45 tung ist Null.

triebsspannungsquelle bzw. der Verbraucherspannung Eine in Abhängigkeit von der Verbraucherspan-

kompensiert. . nungsänderung vorgenommene Zündwinkelverschie-

Die in F i g. 2 ausgeführten Spannungsdiagramme bung regelt somit die Verbraucherspannung auf einen

zeigen den Zusammenhang zwischen der Verschie- Sollwert.

bung des Zündzeitpunktes gegenüber der von der 50 Im Verbraucherstromkreis, dem über die Zusatz-Wechselrichterspannung des Wechselrichters 2 vor- anordnung nach der Erfindung Wirkleistung zugeliegegebenen Phase und der durch diese Verschiebung fert oder entnommen wird, befhldet sich ein zur Glätbewirkten Spannungsausgleichung im Verbraucher- tung der Verbraucherspannung »dienendes, aus Droskreis. Diese Zündzeitpunktverschiebung ergibt je- sei 4 und Kondensator 5 bestehendes Glättungsglied. weils einen Zündwinkel «, der in den Spannungs- 55 Die beiden Gleichspannungsquellen 1 und 1' sind diagrammen der F ig. 2 in die Auf tragungen auf der entweder zwei voneinander getrennte Gleichspan-Abszisse eingeht. nungsnetze oder ein gemeinsames. Selbstverständlich

Wird der gittergesteuerte Stromrichter jeweils mit können auch Batterien als Gleichspannungsversor-

einem zeitlichen Abstand von 180° el., d.h. in der gung dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 ■ . 2 Patentansprüche· auc^ mcnt mechanische Schaltkontakte verwendet sind.

1. Statische Ausgleichseinrichtung zur Span- An Ausgleichseinrichtungen, die ohne elektrische nungshaltung und Spannungsemstellung einer aus Maschinen arbeiten, ist eine Anordnung zur Koneiner Betriebsspannungsquelle entnommenen 5 stanthaltung der Heizleistung einer Verstärkerröhre Gleichspannung, dadurch gekennzeich- bekannt, die aus einer Gleichspannungsquelle mit net, daß eine aus einem selbsterregten, in beiden schwankender Spannung gespeist wird (deutsche Aus-Energierichtungen Wirkleistung liefernden, von legeschrift 1091 619). Bei dieser Anordnung wird einer Gleichspannungsquelle (1') versorgten Wech- zum Ausgleich der Heizleistung eine Wechselspanselrichter (2) und einem diesem nachgeschalteten, io nung über einen Transformator in den Heizkreis zugesteuerten Stromrichter (3) bestehende Zusatz- sätzlich eingespeist. An Stelle des Transformators anordnung vorgesehen ist, die eine Zusatz- oder kann aber auch ein Gleichrichter vorgesehen sein. Gegenspannung erzeugt und damit Leistung lie- Ein Leistungsausgleich im Sinne einer Energiefert oder entnimmt. entnahme aus dem Heizkreis in die Zusätzquelle zu-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 15 rück ist jedoch nicht möglich.

kennzeichnet, daß der gesteuerte Stromrichter (3) Des weiteren ist eine mit einer Transistorschaltung

mit einer Vorrichtung zur Einstellung des Zünd- regelbare' Anordnung zur Stromversorgung von

winkeis ausgerüstet ist, die Gleich- oder Wechsel- Batterien bekannt, bei der zur Betriebsspannung eine

richterbetrieb ermöglicht. zusätzliche Gleichspannung aus einem selbsterregten

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- 20 Wechselrichter mit nachgeschaltetem Gleichrichter kennzeichnet, daß der dem selbsterregten Wech- erzeugt wird (deutsche Auslegeschrift 1122 148).
selrichter nachgeschaltete, gesteuerte Stromrichter Eine andere bekannte Anordnung zur Regelung der Zusatzanordnung bei einem Zündwinkel 0° einer schwankenden Gleichspannung enthält einen 21 α ZL 90° el. Gleichrichterbetrieb und bei einem motorbetriebenen mechanischen Wechselrichter und Zündwinkel 90° el. ./a ^ 180° el. Wechselrich- 25 einen nachgeschalteten Gleichrichter, mit welchem terbetrieb aufweist. eine Zusatzgleichspannung zum Ausgleichen der

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 Schwankungen der Gleichspannung erzeugt wird, bei oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstel- der die Gleichspannung für den Wechselrichter am lung des jeweiligen Zündwinkels und somit die Verbraucher abgenommen wird (deutsche Patent-Steuerung des gesteuerten Stromrichters von der 30 schrift 971 856).

Änderung der Verbraucherspannung abhängig ist. Bei diesen Anordnungen hat die Zusatzspannung

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 die gleiche Polarität wie die Betriebsspannung oder bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte die schwankende Gleichspannung, und es wird diese Stromrichter aus steuerbaren Stromrichtergefäßen Zusatzspannung mit Hilfe des Wechselrichters gebesteht. . 35 steuert. Eine Energieentnahme aus dem Verbraucher-

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 kreis in die Zusatzquelle ist daher ebenfalls nicht bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte möglich.

Stromrichter aus steuerbaren Gleichrichterzellen Bekannt ist außerdem ein Stromversorgungsgerät,

besteht. das bei Netzausfall eine unterbrechungsfreie Speisung

40 eines Verbrauchers mit konstanter Gleichspannung sicherstellt, bei dem gleichfalls eine derartige Einrichtung, die eine Zusatzgleichspannung zur Kon-

Die technische Anwendung vieler Verfahren sowie stanthaltung der Verbraucherspannung liefert, vor-

die Ausnutzung vieler elektrischer Vorrichtungen , handen ist (deutsche Auslegeschrift 1 121 692). Bei

setzen eine konstante Verbraucherspannung voraus. 45 einem ähnlichen bekannten Stromversorgungsgerät

Da aber eine Verbraucherspannungsänderung viele mit einem eine Bereitschaftsbatterie puffernden

Ursachen haben kann, ist es ratsam, eine Konstant- Hauptgleichrichter und einem Hilfsgleichrichter,

regelung der Verbraucherspannung durch Ausgleichs- welcher den Hauptgleichrichter steuert und der bei

einrichtungen vorzunehmen. geringer Verbraucherlast allein die Stromversorgung

Bisher sind beispielsweise Ausgleichseinrichtungen 50 übernimmt, wird ein zwischen der Batterie und dem mit elektrischen Maschinen bekannt, die jeweils aus Verbraucher gewünschter Spannungsabfall durch ein einem Generator und einem Motor bestehen.

Mit sogenanntes Gegenspannungsgerät, ein geregeltes Hilfe solcher Ausgleichsmaschinen ist es möglich, Gleichrichtergerät erzeugt (deutsche Patentschrift durch Umpolung der Erregung die Spannungsrich- 1 042 083).

Es ist bei diesen Stromversorgungsgeräten tung zu ändern, während die Stromrichtung erhalten 55 aber nicht möglich, eine Zusatz- oder eine Gegenbleibt.

Damit ist gewährleistet, daß Leistung sowohl gleichspannung wahlweise in den Verbraucherstromin den auszugleichenden Stromkreis geliefert als auch kreis einzufügen und jeweils in der Größe zu steuern, diesem entnommen werden kann (deutsche Auslege- Es ist auch nicht vorgesehen, Energie aus dem Verschrift 1 021 948; Hütte, IVA, 1957, S. 236, Bild46). braucherkreis über das Gegenspannungsgerät abzu-

Sehr störend wirkt sich bei den bisher bekannten 60 führen.

Anordnungen das Vorhandensein bewegter Teile Es sind speziell in der Starkstromtechnik Schaltunaus.

Diese erhöhen den Verschleiß und machen gen von Umkehrstromrichtern und die Schaltung außerdem eine aufwendige Wartung notwendig. eines Umrichters bekannt, bei denen steuerbare Ent-

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine statische ladungsgefäße oder steuerbare Halbleitergleich-

Ausgleichseinrichtung zur Spannungshaltung und 65 richterdioden verwendet sind.

Die betreffenden Um-

Spannungseinstelhmg einer aus einer Betriebsspan- kehrstromrichter (Hütte, IVA,

28. Auflage, 1957,

nungsquelle entnommenen Gleichspannung, d. h. eine S. 610) sind zum Antreiben eines Gleichstrommotors

Ausgleichseinrichtung, bei der keine bewegten Teile, vorgesehen und übertragen elektrische Energie aus