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Schaltungsanordnung zur Erfassung des Brenndauerendes von Stromrichterventilen
über Wechselstromwandler mit Bürdenkreis In der Stromrichtertechnik ist es häufig
notwendig, den genauen Nulldurchgang der durch die Stromrichterventile fließenden
Ströme zu erfassen. Am besten wird das Verlöschen des Ventilstroms durch den dabei
auftretenden Sperrspannungssprung am Stromrichterventil bemerkt, der wegen der im
Kommutierungskreis enthaltenen Induktivitäten auch dann auftritt, wenn ein nichtsteuerbarer
Stromrichter oder ein »voll offen« gesteuerter steuerbarer Stromrichter vorliegt.
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In Hochspannungs-Stromrichteranlagen, wie sie z. B. für die Hochspannungs-Gleichstromübertragung
verwendet werden, muß man jedoch auf diese Art der Ventilstrom-Nulldurchgangserfassung
häufig verzichten, weil die dazu für jeden Stromrichterventilzweig notwendigen Isolierübertrager
dieses Verfahren sehr aufwendig werden lassen.
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In solchen Fällen steht zur Erfassung des Nulldurchgangs der Ventilströme
nur der Sekundärstrom von Stromwandlern zur Verfügung, die in die vom Transformator
kommenden Zuleitungen zur Stromrichterventilanordnung geschaltet werden und die
für andere Zwecke, z. B. für den Transformator-Differentialschutz, ohnehin benötigt
werden.
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Werden Stromrichter-Brückenschaltungen verwendet, dann können gewöhnliche
Wechselstromwandler verwendet werden, da in den Zuleitungen zur Brückenschaltung
Wechselströme fließen.
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Besonders bei steuerbaren Stromrichteranlagen kommt es aber häufig
vor, daß die in den Brückenzuleitungen fließenden Wechselströme unsymmetrisch sind,
d. h., daß sie unterschiedlich lange Stromhalbwellen besitzen. In solchen Fällen
wird das Gleichgewicht zwischen der positiven und der negativen Spannungszeitfläche,
die dem Stromwandler zugeführt werden, gestört, so daß der Kern des Stromwandlers
in die Sättigung gerät.
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Infolgedessen wird die Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung
des Stromwandlers aufgehoben, und der Sekundärstrom wird Null, obwohl der Primärstrom
des Stromwandlers, der identisch mit dem Ventilstrom ist, noch nicht gleich Null
ist. Das bedeutet, daß infolge der Sättigung des Stromwandlers ein zu früher Nulldurchgang
des Ventilstroms vorgetäuscht wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen Fehler zu beseitigen
und Mittel vorzusehen, die es gestatten, auch bei unterschiedlich langen Stromhalbwellen
den genauen Nulldurchgang der Ventilströme durch Wechselstromwandler zu erfassen,
die in den Zuleitungen zur Stromrichter-Brückenschaltung liegen. Demzufolge bezieht
sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Brenndauerendes
von Stromrichterventilen über Wechselstromwandler mit Bürdenkreis.
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Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Bürdenkreis eine zusätzliche
Induktivität geschaltet ist und daß die Zeitkonstante des Bürdenkreises so auf die
größtmögliche
Unsymmetrie der beiden Wechselstrom-Halbwellen und auf den Sättigungsfluß des Stromwandlers
abgestimmt ist, daß noch vor dem Nulldurchgang des Stromwandler-Primärstroms ein
Gleichgewicht zwischen Primär- und Sekundärdurchflutung des Stromwandlers eintritt.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird gewährleistet,
daß auch im Falle der Sättigung des Stromwandlers durch die in den Bürdenkreis geschaltete
Induktivität ein Sekundärstrom aufrechterhalten wird, der entsprechend der Zeitkonstante
des Bürdenkreises nach einer e-Funktion abklingt. Durch entsprechende Dimensionierung
dieser Induktivität tritt vor dem Nulldurchgang des Primärstroms eine erneute Kopplung
zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung des Stromwandlers ein, so daß der
Nulldurchgang des Sekundärstroms ohne wesentlichen Fehler den Nulldurchgang des
Ventilstroms angibt.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß parallel zur Sekundärwicklung
des Stromwandlers Mittel zur Kompensation des Stromwandler-Magnetisierungsstroms
vorgesehen sind. Dadurch werden Fehler in der Anzeige des Nulldurchgangs des Ventilstroms,
die durch den Magnetisierungsstrom des Stromwandlers hervorgerufen werden, beseitigt.
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Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, F i g. 2 den zeitlichen Verlauf des Primär- und des Sekundärstroms
des Stromwandlers, falls die Stromhalbwellen verschieden lang sind und im Bürdenkreis
des Wandlers keine Induktivität liegt, F i g. 3 die zugehörige Magnetisierungskennlinie
des Stromwandlers, F i g. 4 den zeitlichen Verlauf des Primär- und des Sekundärstroms
des Stromwandlers, falls die Stromhalbwellen verschieden lang sind und im Bürdenkreis
eine Induktivität liegt, F i g. 5 die zugehörige Magnetisierungskennlinie des Stromwandlers
und F i g. 6 den zugehörigen zeitlichen Verlauf der Spannung in der Stromwandler-Sekundärwicklung.
Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht aus einem Wechselstromwandler
4 mit einem Bürdenkreis 1, der durch einen ohmschen Widerstand 3 und eine Induktivität
2 gebildet wird. Die Primärwicklung des Wechselstromwandlers 4 sei in die Zuleitung
einer Stromrichter-Brückenschaltung geschaltet und von einem unsymmetrischen Wechselstrom
i1 durchflossen.
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Zunächst sollen an Hand von F i g. 2 und 3 die Verhältnisse betrachtet
werden, die sich ergäben, wenn die Induktivität 2 im Bürdenkreis 1 nicht vorhanden
wäre. Zur Zeit t = 0 möge der Magnetisierungszustand I vorliegen.
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Solange die Primär- und die Sekundärwicklung des Wandlers 4 miteinander
gekoppelt sind, folgt der Sekundärstrom i2 dem Verlauf des Primärstromes i1. Entsprechend
dem Spannungsabfall an der Bürde 3 ändert sich der Magnetisierungszustand des Wandlers
4, da die Flußänderung d 0 proportional dem Zeitintegral der Wandlerspannung u ist.
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Während der positiven Stromhalbwelle erfolgt in der Magnetisierungskennlinie
nach F i g. 3 entsprechend dem Zeitintegral der Spannung u, die dem Sekundärstrom
i2 proportional ist, eine Flußänderung von I nach II, wo der Stromwandler in die
Sättigung gerät. Das bedeutet, daß die Primär- und die Sekundärwicklung des Wandlers
4 entkoppelt werden, die Spannung u an der Sekundärwicklung zusammenbricht und der
Sekundärstrom i2 zu Null wird (gestrichelt in F i g. 2). Der gesamte Primärstrom
il wirkt dann als Magnetisierungsstrom und treibt den Wandler weit in die Sättigung
(III). Erst zu Beginn der negativen Stromhalbwelle tritt wieder eine Kopplung der
Primär- mit der Sekundärwicklung ein, und der Kern des Wandlers 4 wird entsprechend
dem Zeitintegral der negativen Spannung u vom Punkt IV bis zum Punkt I der Magnetisierungskennlinie
nach F i g. 3 abmagnetisiert.
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An diesem Beispiel erkennt man, daß es mit der herkömmlichen Stromwandlerschaltung
mit einem Bürdenkreis ohne Induktivität nicht möglich ist, auf der Stromwandler-Sekundärseite
den Nulldurchgang des mit dem Primärstrom identischen Ventilstroms genau zu erfassen,
wenn der Primärstrom unsymmetrisch ist und der Wandler wegen der deshalb unterschiedlichen
positiven und negativen Spannungs-Zeit-Integrale in die Sättigung gerät.
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Demgegenüber ermöglicht es die in F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, den Nulldurchgang des Ventilstroms auch dann auf der Stromwandler-Sekundärseite
genau zu erfassen, wenn der Primärstrom unsymmetrisch ist und der Wandler deshalb
in die Sättigung gerät. An Hand von F i g. 4; 5 und 6 wird der Erfindungsgedanke
näher erläutert., Zum Zeitpunkt t= 0 möge wiederum der Magnetisierungszustand I
(F i g. 5) vorliegen. Solange Primär- und Sekundärwicklung miteinander gekoppelt
sind, folgt der Sekundärstrom 12 wiederum dem Verlauf des Primärstroms il. Wegen
der durch die Stromänderung in der Induktivität 2 induzierten Spannung
erhöht sich die an der Stromwandler-Sekundärwicklung liegende Spannung u, so daß
der Wandler bei gleichem Aufbau und gleichen Daten jetzt früher in die Sättigung
gerät (F i g. 4 und 5 Punkt II). Damit werden natürlich auch die Primär- und die
Sekundärwicklung des Wandlers 4 früher entkoppelt; und die Spannung u an der Sekundärwicklung
bricht früher zusammen. Im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel wird der Sekundärstrom
jetzt jedoch nicht Null. Durch die Induktivität 2 wird: er aufrechterhalten und
klingt entsprechend der Zeitkonstante
des Bürdenkreises exponentiell ab (Fig.4). Da die Gesamtdurchflutung des Wandlers
4 wegen des Sekundärstroms 12 kleiner ist als im vorhergehenden Beispiel, wird der
Wandler 4 jetzt auch nicht so weit in die Sättigung getrieben (F i g. 5 Punkt HI).
Erst wenn die Primärdurchflutung gleich der Sekundärdurchflutung ist (Magnetisierungsstrom
vernachlässigt), sind beide Wicklungen des Wandlers 4 wieder miteinander gekoppelt,
und der Sekundärstrom folgt dem Verlauf des Primärstroms. Das ist im vorliegenden
Beispiel im Punkt IV der F i g. 4 und 5 der Fall.
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Durch das Einfügen der Induktivität 2 in den Bürdenkreis 1 ist es
also gelungen, noch vor dem Nulldurchgang des Primärstroms die Kopplung zwischen
der Primär- und der Sekundärwicklung des Wandlers 4 wiederherzustellen, so daß wieder
ein genaues Erfassen des Nulldurchgangs des Ventilstroms auf der Wandler-Sekundärseite
möglich wird.
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Natürlich muß die Induktivität 2 genügend groß sein, um den gewünschten
Effekt zu erzielen. Es ist unbedingt notwendig, daß die Zeitkonstante
des Bürdenkreises 1 so groß gemacht wird, daß der Sekundärstrom 1, nicht bereits
vor dem Nulldurchgang des Primärstroms i1 Null oder nahezu Null wird. Deshalb muß
bei der Dimensionierung der Induktivitä 2 der Sättigungsfluß des Stromwandlers 4
und die zu erwartende größtmögliche Ursymmetrie des Primärstroms ü berücksichtigt
werden.
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Wie aus den Figuren der Zeichnung ersichtlich ist, wurde im vorliegenden
Beispiel davon ausgegangen, daß ein Stromwandler mit stark idealisierten magretischen
Eigenschaften vorliegt. Diese Vereinfachung spielt im allgemeinen keine Rolle, da
der Magnetisierungsstrom der üblichen Stromwandler lediglich etwa 1 bis 201o des
Nennstroms beträgt. Der durch den Stromwandler-Magnetisierungsstrom hervorgerufene
Fehler bei der Erfassung des Nulldurchgangs des Ventilstroms ist also vernachlässigbar.
Sollte er in besonderen Anwendungsfällen jedoch schon von Bedeutung sein, dann ist
es ohne großen Aufwand möglich, ihn durch Kompensation des Magnetisierungsstroms
zu verkleinern. Diese Kompensation kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß parallel
zur Wandler-Sekundärwicklung ein Halbleiterventil vorgesehen ist; das durch einen
Strom in Höhe des Magnetisierungsstroms vorgestromt wird und so angeordnet
ist,
daß der Einfluß des Magnetisierungsstrom", auf die Erfassung des Nulldurchgangs
des Ventilstroms unterdrückt wird.
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Auch kann es günstig sein, parallel zur Induktivität 2 überspannungsbegrenzende
Mittel, beispielsweise Zenerdioden, vorzusehen, weil dadurch vermieden werden kann,
daß die in der Induktivität 2 induzierte Spannung zu hoch wird und der Stromwandler
zu früh in die Sättigung gerät.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung kann beispielsweise mit
Vorteil in Umkehrstromrichteranlagen und zur Löschwinkelmessung netzgeführter Wechselrichter,
besonders in HW-Anlagen oder untersynchronen Stromrichterkaskaden, verwendet werden.