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Gleichrichter mit gesteuerten Trittgrenzen Zur Umformung von Wechselstrom
in Gleichstrom werden häufig Gleichrichter verwendet, deren einzelne Zweige mit
Thyristoren bestückt sind. Mit derartigen Stromrichtern läßt sich der Energiefluß
durch Ändern der Phasenlage der den einzelnen Thyristoren zugeführten Zündimpulse
innerhalb der einzelnen Spannungshalbwellen des Wechselspannungsnetzes verändern.
Derartige Zündimpulse können aber einen Thyristor nur dann von dem Sperrzustand
in den leitenden Zustand überführen, wenn an der Laststrecke (Anode-Kathode) des
Thyristors eine Spannung geeigneter Polarität liegt.
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Diese Voraussetzung ist jedoch nicht ohne weiteres erfüllt, wenn an
den Gleichrichter eine Spannungsquelle, ein Netz, ein Motor oder ein Kondensator
angeschlossen ist, der Gleichrichter also auf eine Gegenspannung arbeitet. In diesen
Fällen gibt es Intervalle, in denen die Gegenspannung größer ist als der Momentanwert
der den Gleichrichter speisenden Spannung.
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Bei einem Steuer- oder Regelvorgang kann es daher vorkommen, daß sich
die Ausgangsspannung des Gleichrichters sprunghaft ändert, sobald der von der Regelabweichung
abhängige Zündwinkel einen kritischen, durch die Gegenspannung bestimmten Wert annimmt.
Unter bestimmten Voraussetzungen, insbesondere bei großer Induktivität sowie bei
großem Strom würden bei einem zu großen Zündwinkel Störungen eintreten. Im folgenden
werden die Grenzwerte, die der Zündwinkel maximal annehmen darf, ohne daß solche
störenden Spannungssprünge auftreten, die von den Daten der einzelnen Anlage, bei
gegebener Anlage aber vor allem von der Belastung abhängen, als »natürliche Trittgrenzen«
bezeichnet.
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Um Betriebsstörungen zu vermeiden, hat man daher bei Gleichrichtern
und bei Wechselrichtern feste Trittgrenzen eingeführt, die in einem Sicherheitsabstand
von den natürlichen Trittgrenzen liegen und durch die sichergestellt wird, daß der
Zündwinkel nie in den Bereich gesteuert werden kann, in dem die angesteuerten Thyristoren
nicht mehr zünden bzw. den Strom nicht mehr übernehmen können.
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Diese festen Trittgrenzen sind vielfach auf eine genau definierte
Gegenspannung bzw. Kommutierungszeit abgestimmt. Man kann nun den Abstand der Trittgrenze
von der natürlichen Trittgrenze so groß wählen, daß auch große Schwankungen der
Gegenspannung zu keiner Betriebsstörung führen.
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Dann ergibt sich aber eine schlechte Ausnutzung des Gleichrichters,
da einerseits seine maximal mögliche Leistung niemals erreicht, andererseits der
Steuerbereich nach unten zu sehr eingeengt wird. Eine andere bekannte Möglichkeit
besteht darin, den Zündimpulsen eine bestimmte Mindestbreite von beispielsweise
40° e1. zu geben. Dadurch läßt sich aber nur dann ein sicherer Betrieb gewährleisten,
wenn die Gegenspannung des Gleichrichters niemals größer als A - sin
a werden kann, wobei A die Amplitude der den Gleichrichter speisenden
Wechselspannung und a die Breite der Zündimpulse bedeutet. Ein weiterer Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, daß an der Steuerstrecke der Thyristoren bei sehr
großem Zündwinkel (kleiner Ausgangsspannung) ein Teil des Durchsteuerimpulses liegt.
Dies ist ebenso unerwünscht wie der mit der Erzeugung von Impulsen größerer, konstanter
Breite verbundene Aufwand.
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Die Erfindung ermöglicht demgegenüber bei allen Belastungen die Ausnutzung
des jeweils maximal möglichen Steuerbereiches.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Gleichrichter mit Thyristoren,
dessen Ausgangsspannung durch Änderung des Zündwinkels in einem durch Trittgrenzen
bestimmten Bereich gesteuert oder geregelt wird.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trittgrenzen abhängig
von der Spannung an den Thyristoren gesteuert werden.
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Nun ist es allerdings schon bekannt, einen Wechselrichter mit einer
Steuereinrichtung zu versehen, die den Zündwinkel zusätzlich abhängig vom Laststrom
so beeinflußt, daß er die natürlichen Trittgrenzen nicht überschreiten kann. Um
die Blindleistung möglichst klein zu halten, sollte dabei die Trittgrenze auch im
stationären Betrieb bei Lastschwankungen auf den zulässigen Minimalwert geregelt
werden.
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Diese Vorschläge sind jedoch auf Gleichrichter nicht ohne weiteres
übertragbar, da die natürlichen Trittgrenzen beim Gleichrichter vom Laststrom unabhängig
sind.
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Die Lage der Zündimpulse, die den Thyristoren in den einzelnen Zweigen
des Gleichrichters zugeführt
werden, wird meist durch Vergleich
einer Steuergleichspannung - die z. B. von der Abweichung der Ausgangsspannung des
Gleichrichters von einem Sollwert abhängt - mit einer periodischen, vorzugsweise
sägezahnförmigen Vergleichsspannung bestimmt. Die Summe oder Differenz dieser beiden
Spannungen werden einem Kippelement zugeführt, dessen Ausgangsspannung sich sprunghaft
ändert, wenn die resultierende Eingangsspannung einen festen Ansprechwert überschreitet.
Der Eingangsspannung des Kippelementes eines solchen Steuersatzes kann man dann
eine weitere Steuergleichspannung überlagern, die durch Gleichrichtung und Glättung
von der an den Thyristoren liegenden Spannung abgeleitet ist.
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Zu einer besonders einfachen Lösung im Rahmen des Erfindungsgedankens
kommt man, wenn die Vergleichsspannung von einem Kondensator abgegriffen wird, der
über einen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und der durch
einen Schalter (Röhre oder Transistor) periodisch kurzgeschlossen wird. Man kann
dann den Schalter direkt abhängig von dem Vorzeichen der Spannung an den Thyristoren
steuern, und zwar so, daß der Schalter - der normalerweise geschlossen ist - nur
während der Zeit geöffnet wird, da die Spannung an den Thyristoren die gewünschte
Polarität hat. Man erhält auf diese Weise eine sägezahnförmige Spannung, deren Anstiegszeit
gerade dem Bereich entspricht, in dem die Thyristoren zünden können.
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In der Regel ist es zweckmäßig, der von der Spannung an den Thyristoren
abhängigen Steuerspannung eine konstante Gegenspannung solcher Größe zu überlagern,
daß der Anschnittswinkel bei offenem Regelkreis (Regelabweichung gleich Null) und
Gegenspannung gleich Null so klein wie möglich ist. Der Gleichrichter liefert dann
die größtmögliche Ausgangsspannung, die durch eine positive Regelabweichung (Istwert
größer als Sollwert) nur verkleinert werden kann. Negative Regelabweichungen werden
nicht berücksichtigt. Die dem Kippelement zugeführte Spannung besteht also aus einer
konstanten Spannung, der die Regelabweichung gleichsinnig überlagert ist (Vergrößerung
des Anschnittswinkels) und aus der Steuerspannung und der periodischen Vergleichsspannung,
die den erstgenannten Spannungen entgegenwirken und die den Anschnittswinkel zu
verringern suchen.
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Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren erläutert.
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F i g. 1 dient zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise eines
Gleichrichters mit gesteuerten Trittgrenzen. Der Gleichrichter, der an einem Wechselspannungsnetz
11 liegt, ist dort mit 1 bezeichnet und durch einen einzigen Thyristor symbolisiert.
An den Gleichspannungsausgang 12 ist ein Verbraucher 2 angeschlossen, dessen Gegenspannung
durch eine Batterie 3 veranschaulicht ist. Die Zündimpulse für die Thyristoren des
Stromrichters 1 werden von einem Steuersatz 4 über die Verbindung 41 geliefert,
der im wesentlichen aus Kippelementen besteht, deren Ausgangsspannung sich sprunghaft
ändert, sobald die Eingangsspannung einen festen Ansprechwert UA erreicht. Diese
Eingangsspannung ergibt sich als Summe oder Differenz mehrerer konstanter und variabler
Spannungen, die in den Punkten 7, 8 und 9 überlagert werden: Zunächst wird
in Punkt 7 die Differenz zwischen einer über die Leitung 71 zugeführten, dem Istwert
proportionalen Spannung und einer über die Leitung 72 zugeführten Sollwertspannung
gebildet. Diese Spannungsdifferenz, meist als Regelabweichung bezeichnet, wird über
die Leitung 74 dem Punkt g zugeführt und dort mit einer periodischen, vorzugsweise
sägezahnförmigen Spannung verglichen, die von einem Generator 6 erzeugt und über
die Leitung 61 zugeführt wird. Durch eine geeignete Synchronisierungs- oder Regeleinrichtung
ist dafür gesorgt, daß die Länge- eines »Sägezahnes« gerade der Dauer einer Halbwelle
der den Stromrichter speisenden Wechselspannung entspricht.
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Die so gewonnene Spannung wird über die Leitung 81 dem Punkt 9 zugeführt
und dort einer Gleichspannung überlagert, die mit Hilfe eines Gleichrichters 5 mit
nachgeschalteten Siebmitteln von der an den Thyristoren des Stromrichters liegenden
Differenzspannung abgeleitet und über die Verbindung 51 zugeführt ist. Die resultierende
Gesamtspannung wird über die Verbindung 91 dem Eingang des Steuersatzes 4 zugeführt.
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Außerdem wird dieser Gesamtspannung in Punkt 7 noch eine konstante
Gleichspannung überlagert, die über die Leitung 73 zugeführt wird und deren Größe
und Richtung so gewählt ist, daß durch sie bei Regelabweichung und Gegenspannung
gleich Null der kleinstmögliche Anschnittswinkel eingestellt wird.
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Das Zusammenwirken der einzelnen Spannungskomponenten und ihr Einfluß
auf die Ausgangsspannung des Gleichrichters 1 ist in F i g. 2 veranschaulicht. Die
einzelnen Spannungskomponenten sind dort mit einem Index versehen, der mit der Bezeichnung
derjenigen Stellen in F i g.1 übereinstimmt, an denen diese Spannungen auftreten.
In das Diagramm ist zunächst die feste Ansprechgrenze des Steuersatzes 4 eingetragen,
die hier einen von Null verschiedenen Wert hat, der mit UA bezeichnet ist. Der Steuersatz
4 liefert, wie schon hervorgehoben, einen Ausgangsimpuls U", sobald die Eingangsspan#
nung U91 diesen Grenzwert UA überschreitet. Die resultierende Eingangsspannung U91
setzt sich aus der sägezahnförmigen, periodischen Vergleichsspannung Usi und mehreren
Gleichspannungen U71, U72, U73 und U51 zusammen, durch die die Spannung UF des Fußpunktes
der sägezahnförmigen Spannung Usi bestimmt wird. Diese Spannung GF ergibt sich wiederum
als Differenz zwischen einer konstanten Gleichspannung U73 und der Gleichspannung
U51, deren Größe von der an den Thyristoren des Stromrichters liegenden Differenzspannung
abhängt. Die konstante Spannung U73 ist -- wie gezeichnet -- so gewählt, daß sich
bei der maximalen Spannung U51 (bei Gegenspannung Null) und offenem Regelkreis der
kleinstmögliche Anschnittswinkel und damit der in F i g. 1 angedeutete Verlauf der
Ausgangsspannung U12 des Gleichrichters ergibt.
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Die Spannung U81 und damit die Lage der Zündimpulse U41 wird weiter
bestimmt durch die Differenz zwischen der der Verbraucherspannung proportionalen
Istwertspannung U71 und der Sollwertspannung U72. Der Vergleich der beiden Spannungen
wird so durchgeführt, daß nur positive Regelabweichungen (Istwert größer als Sollwert)
einen Einfluß auf die Größe der Spannung Up haben. Liegt eine solche positive
Regelabweichung vor, dann wird die Spannung UF kleiner. Das bedeutet eine Verschiebung
des Verlaufes der Gesamtspannung U91 nach unten. Dabei
wandert der
Schnittpunkt des Spannungsverlaufes U91 mit der dem Ansprechwert UA entsprechenden
Geraden nach rechts. Dadurch ergibt sich ein größerer Anschnittswinkel und eine
niedrigere Ausgangsspannung.
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Die in F i g. 2 gezeichneten Verhältnisse gelten für den Fall, daß
die Gegenspannung Null ist. Mit steigender Gegenspannung sinkt jedoch die Spannungskomponente
U51. Dadurch wird ebenfalls der Anschnittswinkel vergrößert, und zwar unabhängig
von der jeweiligen Größe der Regelabweichung. Ist die Ausgangsspannung trotz des
durch die Spannung U51 bestimmten Anschnittswinkels immer noch zu groß, dann wird
sie durch einen Eingriff des Regelkreises noch weiter herabgesetzt. In keinem Fall
kann jedoch durch die Wirkung des Regelkreises der Zündimpuls die durch die Gegenspannung
bestimmte natürliche Trittgrenze überschreiten.
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Die beiden konstanten Spannungen U7- und U7;, wird man in einem praktischen
Ausführungsbeispiel zweckmäßig durch eine einzige entsprechend bemessene Differenzspannung
ersetzen.