DE1438018C - Schaltungsanordnung zur gesteuerten oder geregelten Speisung eines elektn sehen Verbrauchers - Google Patents

Description

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Bekanntlich können elektrische Verbraucher be- Rückspeisung statt. Diese bekannte Schaltungsan-

liebiger Art, d. h. ohmsche, induktive, kapazitive, Ordnung ist zur gesteuerten oder geregelten Speisung solche mit und ohne Gegenspannung und Kombi- eines elektrischen Verbrauchers in beliebiger Enernationen daraus über steuerbare Halbleiterelemente gie-, Strom- und Spannungsrichtung nicht geeignet,

dadurch gesteuert und geregelt werden, daß die Ein- 5 Es ist auch schon eine Schaltungsanordnung zur

und Ausschaltzeit, d. h. ihr Tastbetrieb, variiert wird. gesteuerten oder geregelten Speisung eines elek-

Tastbar sind solche elektronischen Verstärkerele- trischen Verbrauchers aus einer Gleichstromquelle mente, die von Haus aus ein Ein- oder Ausschalten vorgeschlagen worden, bei der eine Stromrichter-

des Leistungsstromes ermöglichen, wenn ihr Steuer- brücke mit vier Zweigen vorgesehen ist, an deren

strom entsprechend ein- oder ausgeschaltet wird xo einer Diagonale die Gleichstromquelle und an deren

(deutsche Auslegeschrift 1026 850; deutsche Zeit- anderer Diagonale der Verbraucher angeschlossen ist

schrift »AEG-Mitteilungen«, 1960, S. 51 und 52). und bei der in jedem Zweig ein nicht steuerbares und

Ebenfalls tastbar sind Stromrichterventile, die Sperr- ein tastbares, d. h. ein mit einer Löscheinrichtung

spannung in beiden Richtungen aufnehmen können, versehenes steuerbares Ventil in solcher Polung anti-

und deren Einschalten in der Durchlaßrichtung zu 15 parallel geschaltet sind, daß die nicht steuerbaren

beliebiger Zeit erfolgen kann, die aber durch einen Ventile in Sperrichtung an der Gleichstromquelle

kurzzeitigen Gegenstromstoß — im allgemeinen einem liegen. Durch Variation des Tastbetriebes dieser

Kondensator entnommen — gelöscht werden müssen. steuerbaren Ventile kann die Speisung des Ver-

Ist die Freiwerdezeit solcher Stromrichterventile sehr brauchers gesteuert oder geregelt werden. Bei dieser

niedrig, und zwar in der Größenordnung von einigen 20 Anordnung ist jedem steuerbaren Ventil eine Lösch-

Mikrosekunden, wie es z. B. bei steuerbaren Silizium- einrichtung angeordnet, die im allgemeinen aus einem

zellen, den Thyristoren, der Fall ist, dann kann die zu Löschkondensator, einem weiteren steuerbaren Ventil

installierende Kondensatorleistung sehr klein gehalten und einer Umschwingdrossel mit einer Sperrdiode

werden, wenn insbesondere bei induktiven Ver- besteht.

brauchern Freilaufventile vorgesehen werden, auf 25 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine

welche der Verbraucherstrom kommutiert wird (deut- Schaltungsanordnung zur gesteuerten oder geregelten

sehe Zeitschrift »ETZ-A«, Heft vom 24. 9. 1962, Speisung eines elektrischen Verbrauchers in belie-

S. 653 bis 656). biger Energie-, Strom- und Spannungsrichtung aus

Der Vorteil solcher tastbaren Anordnung ist, daß einer Gleichstromquelle anzugeben, bei der der Aufder Strom eines beliebigen Verbrauchers nach Vor- 30 wand an zu installierender Ventilleistung und der gäbe eines beliebigen Sollwertes in einfacher Weise Blindleistungsbedarf gering sind,
geregelt werden kann, indem eine Zweipunktregelung Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einer in der Weise erfolgt, daß das tastbare Stromrichter- Schaltungsanordnung der obengenannten Art erfinventil bei Unterschreitung eines Stromminimalwertes dungsgemäß dadurch gelöst, daß den und nur den eingeschaltet und bei Überschreitung eines Strom- 35 beiden gemeinsam an einem Pol der Gleichstrommaximalwertes ausgeschaltet wird. Auf Grund der quelle liegenden steuerbaren Ventilen je eine Löschbei tastbaren elektronischen Stromrichterventilen er- einrichtung zugeordnet und die Steuereinrichtung der reichbaren hohen Schaltfrequenz ergeben sich keine Ventile derart ausgebildet ist, daß je nach der Strom-Stabilisierungsprobleme, richtung im Verbraucher das eine oder das andere mit

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung 40 einer Löscheinrichtung versehene steuerbare Ventil

zur gesteuerten oder geregelten Speisung eines elek- im Tastbetrieb arbeitet und bei Energieaufnahme

trischen Verbrauchers in beliebiger Energie-, Strom- durch den Verbraucher das zu der jeweiligen Strom-

und Spannungsrichtung aus einer Gleichstromquelle, richtung gehörige weitere steuerbare Ventil dauernd

mit einer Stromrichterbrücke mit vier Zweigen, an eingeschaltet bleibt, während bei Energieabgabe vom

deren einer Diagonale die Gleichstromquelle und an 45 Verbraucher an die Gleichstromquelle die beiden

deren anderer Diagonale der Verbraucher ange- weiteren steuerbaren Ventile ausgeschaltet bleiben,

schlossen ist und bei der in jedem Zweig ein nicht In Weiterbildung der Erfindung ist das Zünden

steuerbares und ein steuerbares Stromrichterventil in und Löschen der mit einer Löscheinrichtung ver-

solcher Polung antiparallel geschaltet sind, daß die sehenen steuerbaren Stromrichterventile durch eine

nicht steuerbaren Ventile in Sperrichtung an der 5° Zweipunktregelung bestimmt, und zwar derart, daß

Gleichstromquelle liegen. die Regelgröße Strom, Spannung oder Energie nach

Aus der französischen Zusatzpatentschrift 79 085 Betrag und Richtung mit einer vorgegebenen Füh-

(Zusatz zu 1 279 782) ist eine Schaltungsanordnung rungsgröße verglichen wird.

zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers aus An Hand der Figuren, die Ausführungsbeispiele einer Gleichstromquelle bekannt, bei der eine Strom- 55 des Gegenstandes der Erfindung veranschaulichen, richterbrücke mit vier Zweigen vorgesehen ist, an soll die Erfindung näher erläutert werden,
deren einer Diagonale die Gleichstromquelle und an Die F i g. 1 a bis 1 d zeigen die verschiedenen Bederen anderer Diagonale der Verbraucher ange- triebszustände einer Schaltungsanordnung gemäß der schlossen ist und bei der in jedem Zweig ein nicht Erfindung zur Speisung eines Gleichstromversteuerbares und ein steuerbares Stromrichterventil in 60 brauchers;

solcher Polung antiparallel geschaltet sind, daß die F i g. 2 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei

nicht steuerbaren Ventile in Sperrichtung an der der als Führungsgröße jedoch eine Wechselgröße

Gleichstromquelle liegen. Bei dieser Schaltungsan- vorliegt;

Ordnung handelt es sich um eine Wechselrichter- F i g. 3 zeigt eine entsprechend aufgebaute Anord-

schaltung ohne Möglichkeit, die abgegebene Span- 65 nung zur Speisung eines dreiphasigen Verbrauchers,

nung zu steuern oder zu regeln. Am Schluß jeder und

Stromhalbwelle findet über die antiparallel ge- F i g. 4 zeigt eine Anordnung zur Speisung eines

schalteten nicht steuerbaren Ventile jeweils eine Gleichstrom-Reihenschlußmotors.

In der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 a bis 1 d ist eine Stromrichterbrücke mit vier Zweigen vorgesehen, an deren einer Diagonale eine Gleichstromquelle 8 und an deren anderer Diagonale ein Verbraucher 9, im Beispiel ein Motor, angeschlossen ist und bei der in jedem Zweig ein nicht steuerbares 12 a bis 12 d und ein steuerbares Stromrichterventil 10 g, 10 b, 11a, 11b in solcher Polung antiparallel geschaltet sind, daß die nicht steuerbaren Ventile 12 a bis 12 d in Sperrichtung an der Gleichstromquelle 8 liegen. Den und nur den beiden gemeinsam an einem Pol der Gleichstromquelle 8 liegenden steuerbaren Ventilen 10 α und 10 b ist je eine Löscheinrichtung zugeordnet. Dies ist durch einen zweiten Steueranschluß am Ventil angedeutet. Diese Schaltungsanordnung ermöglicht einen Vierquadrantenbetrieb, wobei vorausgesetzt wird, daß die Gleichstromquelle 8 nicht nur Strom liefern, sondern auch Strom aufnehmen kann. Die Funktionsweise im Vierquadrantenbetrieb soll an Hand der Fig. 1 a bis Id näher erläutert werden. Als Verbraucher wird zum Beispiel der Anker eines Gleichstrommotors 9 angenommen, dessen Ankerinduktivität nicht gesondert dargestellt ist, die aber im Falle einer echten Rückarbeit — bis auf die Verbraucherspannung Null — vorhanden sein soll. In den Diagrammen rechts der Schaltung ist jeweils angegeben, in welchem Quadranten des Drehzahl-Drehmoment-Kennlinienfeldes n/Md oder des Spannungs-Strom-Kennlinienfeldes Uli jeweils gearbeitet wird, wenn die steuerbaren Ventile entsprechend ausgesteuert werden und Strom führen.

In den F i g. 1 a und 1 c ist der Fahrbetrieb, im ersten Falle Treiben rechts, im zweiten Falle Treiben links, dargestellt. Die F i g. 1 b und 1 d veranschaulichen den zugehörigen Bremsbetrieb. Die nicht weiter dargestellte Steuereinrichtung für die steuerbaren Stromrichterventile 10 α, 10 b, 11,11 b ist derart ausgebildet, daß je nach der Stromrichtung im Verbraucher 9 das eine oder das andere mit einer Löscheinrichtung versehene steuerbare Ventil 10 α bzw. 10 b im Tastbetrieb arbeitet und bei Energieaufnahme durch den Verbraucher, d. h. im Fahrbetrieb, das zu der jeweiligen Stromrichtung gehörige weitere steuerbare Stromrichterventil 11 b bzw. 11 α dauernd eingeschaltet bleibt, während bei Energieabgabe vom Verbraucher an die Gleichstromquelle, d. h. beim Bremsbetrieb, die beiden weiteren steuerbaren Ventile 115 bzw. 11a ausgeschaltet bleiben. Zweckmäßigerweise erfolgt das Zünden und Löschen der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile 10 α und 10 b durch eine Zweipunktregelung, und zwar derart, daß die Regelgröße Strom, Spannung oder Energie nach Betrag und Richtung mit einer vorgegebenen Führungsgröße verglichen wird.

Im Fahrbetrieb Treiben rechts gemäß F i g. 1 a wird demzufolge das halbausgefüllt dargestellte steuerbare Stromrichterventil 10 a, dem eine Löscheinrichtung zugeordnet ist, in Abhängigkeit von der Regelgröße getastet, z. B. in Abhängigkeit vom Ankerstrom, der mit einem Stromwandler 13 erfaßt wird. Das zu dieser Stromrichtung gehörige steuerbare Ventil 11 b, das voll ausgefüllt dargestellt ist, bleibt während dieser Zeit dauernd eingeschaltet. Der von der Gleichstromquelle 8 gelieferte Verbraucherstrom fließt somit über das mit einer Löscheinrichtung versehene steuerbare Ventil 10 a, den Verbraucher 9 und das steuerbare Ventil 11 b. Wie angedeutet, fließt der Verbraucherstrom während der Zeit, in der das steuerbare Ventil 10 α gelöscht ist, über das steuerbare Ventil 11 b und das nicht steuerbare Ventil 12 c im Freilauf weiter. Bei dem in F i g. 1 a dargestellten Fahrbetrieb wird der Gleichstromquelle 8 eine positive Leitung P ₊ entnommen und dem Verbraucher 9 zugeführt.

In F i g. 1 b ist der dem Fahrbetrieb Treiben rechts zugeordnete Bremsbetrieb dargestellt. Während des Bremsbetriebes, d. h. bei Energieabgabe vom Verbraucher 9 an die Gleichstromquelle 8, bleiben die beiden steuerbaren Stromrichterventilella und life ausgeschaltet. Dieser Bremsbetrieb wird dadurch eingeleitet, daß von den vier steuerbaren Stromrichterventilen drei gesperrt sind und lediglich das mit einer Löscheinrichtung versehene Ventil 10 b im Tastbetrieb arbeitet. Dadurch wird die nicht näher dargestellte Ankerinduktivität unter Umkehrung der Stromrichtung über die Diode 12a aufgeladen. Das bedeutet, daß der in diesem Stromkreis fließende Strom, getrieben durch die Anker-EMK, ansteigt. Beim Löschen des steuerbaren Ventiles 10 b fließt über die Diode 12 α und 12 d ein Rückarbeitsstrom zur Stromquelle 8 weiter. Während dieses Betriebszustandes wird, wie im Diagramm rechts angedeutet, eine Leistung P _ vom Verbraucher 9 zur Gleichstromquelle 8 geliefert.

In Fig. Ic ist der Fahrbetrieb Treiben links dargestellt. Dieser Betriebszustand ergibt sich ganz automatisch, wenn das gleiche mit einer Löscheinrichtung versehene steuerbare Stromrichterventil 10 b wie in Fig. Ib weiterbetrieben und zusätzlich das zu der Stromrichtung Treiben links gehörige steuerbare Stromrichterventil 11a eingeschaltet wird, so daß während der Zeit, in der das tastbare Stromrichterventil 10 b gelöscht ist, ein Freilaufstrom über die Stromrichterventile 11α und 12 d fließen kann. Während dieses Betriebszustandes wird, wie im Diagramm angedeutet, eine positive Leistung P ₊ von der Gleichstromquelle 8 an den Verbraucher 9 geliefert.

In F i g. 1 d ist schließlich der dem Fahrbetrieb Treiben links zugeordnete Bremsbetrieb dargestellt. Entsprechend den in F i g. 1 b beschriebenen Vorrgängen wird die nicht dargestellte Ankerinduktivität unter Umkehrung der Stromrichtung mit Hilfe des im Tastbetrieb arbeitenden, mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventils 10 α aufgeladen. Bei Löschung des Stromrichterventils 10 a fließt der Verbraucherstrom über die Dioden 12 b und 12 c zur Gleichstromquelle 8 weiter. Auch hier läßt sich durch die Möglichkeit der Gleichspannungstransformation unter Verwendung von mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventilen der Motor 9 bis auf die Drehzahl Null abbremsen.

An Hand der F i g. 1 a bis Id wurde gezeigt, daß eine aus vier nicht steuerbaren Stromrichterventilen 12α bis lld, zwei steuerbaren Stromrichterventilen 11α, lib und zwei tastbaren Stromrichterventilen 10 α, 10 b aufgebaute Stromrichterbrücke, die aus einer Gleichstromquelle 8 gespeist wird, in der Lage ist, einen Betrieb in allen vier Quadranten zu ermöglichen. Damit kann, wie in F i g. 2 angedeutet ist, einem beliebigen Verbraucher 26 auch Wechselstrom veränderlicher Höhe und veränderlicher Frequenz zugeführt werden. Das Zünden und Löschen der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile 10 α und 10 b wird dabei durch eine Zweipunktregelung bestimmt. Der Ist-Strom als Regel-

größe wird nach Betrag und Richtung mit einer vorgegebenen Führungsgröße I_soU verglichen, die im vorliegenden Beispiel ein Wechselstrom ist, dessen Kurvenform, Frequenz und Betrag veränderbar ist. Die schematisch dargestellte Einrichtung 16 enthält die Zünd- und Löscheinrichtungen für die tastbaren Stromrichterventile 10 α und 10 b sowie einen Stromregler und eine Umschaltlogik, die je nach Stromrichtung die Ventile 10 a oder 10 b einschaltet. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich in ihrer Funktionsweise prinzipiell nicht von der in Fig. 1.

Sinngemäß läßt sich mit einer solchen Stromrichterbrückenanordnung auch Drehstrom aus der Gleichstromquelle 8 mit konstanter Spannung unmittelbar erzeugen, wie das in F i g. 3 dargestellt ist. Zu diesem Zweck wird eine Dreiphasenbrücke mit dem gleichen Grundaufbau wie bei der Einphasenbrücke gemäß F i g. 2 gebildet. In jedem Brückenzweig ist ein nicht steuerbares 12 a bis 12/ und ein steuerbares Stromrichterventil 10 α bis 10 c, 11a bis lic in solcher Polung antiparallel geschaltet, daß die nicht steuerbaren Ventile 12a bis 12/ in Sperrichtung an der Gleichstromquelle 8 liegen. Den und nur den drei gemeinsam an einem Pol der Gleichstromquelle 8 liegenden steuerbaren Ventilen 10 a bis 10 c ist je eine Löscheinrichtung zugeordnet. Als Drehstromverbraucher ist im vorliegenden Beispiel ein Dreiphasen-Induktionsmotor 27 mit Kurzschlußläufer angegeben. Für die steuerbaren Ventile lla bis lic ist lediglich eine Logik erforderlich, die diese Ventile sperren muß, wenn das tastbare Stromrichterventil, das unmittelbar mit dem steuerbaren Ventil in Reihe liegt, das gerade Strom führt, gezündet wird. Vorzugsweise werden die Ströme in der gewünschten Kurvenform, normalerweise sinusförmig, von einem elektromechanischen oder statischen Pilotgenerator 30 an die Zünd-, Lösch- und Regeleinrichtungen 16 α bis 16 c vorgegeben. Eine Drehzahlregelung erfolgt mit Vorteil nach dem Leitstromverfahren, indem die Drehzahl η mit einer Tachometermaschine 28 ermittelt und mit Hilfe eines Drehzahlreglers 29 auf einen vorgegebenen Sollwert n_so(i geregelt wird. Der Ausgang dieses Drehzahlreglers>29 liefert dem Pilotgenerator 30 als Führungsgröße einen Gleichstromsollwert I_soU. Die Umwandlung dieses Gleichstromsoliwertes in einen entsprechenden Drehstromsollwert kann nach bereits vorgeschlagenen Anordnungen erfolgen. Um das Anlaufmoment des Drehstrommotors 27 möglichst hoch zu halten, ist eine überlagerte Regelung auf einen bestimmten Schlupf zweckmäßig.

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstrom-Reihenschlußmotors. Diese Anordnung ermöglicht einen Betrieb des Gleichstrom-Reihenschlußmotors mit seinem Anker 9 und seiner Feldwicklung 17 in allen vier Quadranten, wobei ein stabiler Bremsbetrieb mit größtmöglichem Drehmoment auch bei geschwächtem Feld erreicht wird. Bei dieser Anordnung ist der Verbindungspunkt der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile 10 α und 10 b mit dem Verbindungspunkt der zugehörigen nicht steuerbaren Stromrichterventile 12a und 12b über die Feldwicklung 17 verbunden. Parallel zur Feldwicklung 17 ist eine Freilaufdiode 18 geschaltet. Die Funktionsweise dieser Anordnung entspricht prinzipiell der der Fig. 1. Entsprechend den Schaltzuständen nach den Fig. Ib und 1 d wird hier beim Bremsen ebenfalls die Ankerbzw. Feldinduktivität aufgeladen. Es ist vorteilhaft, direkt parallel zur Feldwicklung 17 ein zusätzliches steuerbares Stromrichterventil 19 vorzusehen, so daß in einfacher Weise eine Feldschwächung vorgenommen werden kann. Bei direkter Parallelschaltung zur Feldwicklung in Reihe mit den mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventilen 10a und 10 b braucht dieses steuerbare Stromrichterventil 19 nicht löschbar zu sein. Mit dieser Schaltungsanordnung ist auch eine Regelung des Ankerbremsstromes, der direkt über die Diodenbrücke 12a bis lld fließen kann, durch entsprechende Feldstromregelung möglich. Wie bei den Anordnungen gemäß den F i g. 1 bis 3 wird das Zünden und Löschen der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile 10 α und 10 b zweckmäßig durch eine Zweipunktregelung bestimmt, und zwar derart, daß die Regelgröße Strom, Spannung oder Energie nach Betrag und Richtung mit einer vorgegebenen Führungsgröße verglichen wird. Einrichtungen 16 a und 16 b dienen zur Zündung, Löschung und Regelung. Ein Stromwandler 13 erfaßt den Strom-Istwert.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur gesteuerten oder geregelten Speisung eines elektrischen Verbrauchers in beliebiger Energie-, Strom- und Spannungsrichtung aus einer Gleichstromquelle, mit einer Stromrichterbrücke mit vier Zweigen, an deren einer Diagonale die Gleichstromquelle und an deren anderer Diagonale der Verbraucher angeschlossen ist und bei der in jedem Zweig ein nicht steuerbares und ein steuerbares Stromrichterventil in solcher Polung antiparallel geschaltet sind, daß die nicht steuerbaren Ventile in Sperrrichtung an der Gleichstromquelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß den und nur den beiden gemeinsam an einem Pol der Gleichstromquelle (8) liegenden steuerbaren Ventilen (10 a, 10 b) je eine Löscheinrichtung zugeordnet und die Steuereinrichtung der Ventile (10 a, IO b, 11 a, 11 b) derart ausgebildet ist, daß je nach der Stromrichtung im Verbraucher (9) das eine oder das andere mit einer Löscheinrichtung versehene steuerbare Ventil (10 α, 10 fe) im Tastbetrieb arbeitet und bei Energieaufnahme durch den Verbraucher das zu der jeweiligen Stromrichtung gehörige weitere steuerbare Ventil (lla, 11 b) dauernd eingeschaltet bleibt, während bei Energieabgabe vom Verbraucher an die Gleichstromquelle die beiden weiteren steuerbaren Ventile (lla, Ub) ausgeschaltet bleiben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zünden und Löschen der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile (10 α, 106) durch eine Zweipunktregelung bestimmt ist, und zwar derart, daß die Regelgröße Strom, Spannung oder Energie nach Betrag und Richtung mit einer vorgegebenen Führungsgröße verglichen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Speisung eines Gleichstrom-Reihenschlußmotors (9) der Verbindungspunkt der mit einer Löscheinrichtung versehenen steuerbaren Stromrichterventile (10 α, IQb) mit dem Verbindungspunkt der züge-

hörigen nicht steuerbaren Stromrichterventile (12 α, 12 b) über die Feldwicklung (17) verbunden ist und parallel zur Feldwicklung (17) eine Freilaufdiode (18) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Feldschwächung parallel zur Feldwicklung (17) ein zusätzliches steuerbares Stromrichterventil (19) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße ein Wechselstrom ist, dessen Kurvenform, Frequenz und Betrag veränderbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dreiphasenbrücke mit dem gleichen Grundaufbau wie bei der Einphasenbrücke gebildet und ein Drehstromverbraucher gespeist ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 543/96