DE1261942B - Gleichrichter mit gesteuerten Trittgrenzen - Google Patents

Gleichrichter mit gesteuerten Trittgrenzen

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DE1261942B
DE1261942B DE1963S0085000 DES0085000A DE1261942B DE 1261942 B DE1261942 B DE 1261942B DE 1963S0085000 DE1963S0085000 DE 1963S0085000 DE S0085000 A DES0085000 A DE S0085000A DE 1261942 B DE1261942 B DE 1261942B
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voltage
rectifier
thyristors
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DE1963S0085000
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Inventor
Gustav Voss
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/081Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters wherein the phase of the control voltage is adjustable with reference to the AC source

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ermöglicht demgegenüber bei allen Belastungen die Ausnutzung des jeweils maximal möglichen Steuerbereiches.
  • 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.
  • Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trittgrenzen abhängig von der Spannung an den Thyristoren gesteuert werden.
  • 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.
  • Diese Vorschläge sind jedoch auf Gleichrichter nicht ohne weiteres übertragbar, da die natürlichen Trittgrenzen beim Gleichrichter vom Laststrom unabhängig sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die beiden konstanten Spannungen U7- und U7;, wird man in einem praktischen Ausführungsbeispiel zweckmäßig durch eine einzige entsprechend bemessene Differenzspannung ersetzen.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Gleichrichter mit Thyristoren, dessen Ausgangsspannung durch Änderung des Zündwinkels in einem durch Trittgrenzen bestimmten Bereich gesteuert oder geregelt wird, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Trittgrenzen abhängig von der Spannung an den Thyristoren gesteuert werden.
  2. 2. Gleichrichter nach Anspruch 1, bei dem die Lage der Zündimpulse durch Vergleich einer periodischen, vorzugsweise sägezahnförmigen Spannung und einer veränderbaren Gleichspannung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Thyristoren liegende Differenzspannung gleichgerichtet, geglättet und der veränderbaren Gleichspannung überlagert ist.
  3. 3. Gleichrichter nach Anspruch 2, bei dem die sägezahnförmige Spannung von einem Kondensator abgegriffen wird, der über einen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und durch einen elektronischen Schalter periodisch kurzgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter abhängig von dem Vorzeichen der Spannung an den Thyristoren so gesteuert wird, daß er nur so lange geöffnet ist, wie die Wechselspannung größer als die Gegenspannung ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1118-332, 1119 388; AEG-Mitteilungen, 1951, S. 213 bis 219; VDE-Fachberichte, Bd. 20, 1958, S. 102 bis 106.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2118029A1 (de) * 1970-12-13 1972-07-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd
DE2709079A1 (de) * 1976-03-04 1977-09-08 Fuji Electric Co Ltd Verfahren zur blindstromfreien aussteuerung einer stromrichteranordnung

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1118332B (de) * 1958-11-04 1961-11-30 Siemens Ag Verfahren zum Betriebe gittergesteuerter Stromrichter od. dgl.
DE1119388B (de) * 1957-04-12 1961-12-14 Bbc Brown Boveri & Cie Regeleinrichtung fuer Gleichrichter, die eine Sammelschiene speisen, deren Spannung durch die Rueckwirkung der Stromverbraucher zeitweilig ueberhoeht werden kann

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