DE1438308C - Anordnung zur Energieübertragung zwischen zwei Gleichstromkreisen ver schiedener Spannung - Google Patents

Description

mit der vorgesehenen Konimutierungseinrichtung möglich.

An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Die

Fig. 1 und 2 sind nicht Gegenstand des Schutzbegehrens, sondern dienen als einfache Grundsatzschaltungen zur Erläuterung der Erfindung, wie durch die

F i g. 3 bis 5 verdeutlicht wird.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen das Arbeiten eines Gleichstrommotors U_m an einer Batterie mit konstanter Gleichspannung. Es zeigt Fig. 1 die Anordnung zur Speisung des Motors U_m aus der Gleichspannungsquelle U und F i g. 2 die Anordnung zur Nutzbremsung des Motors U_m, d. h. zur Rücklieferung von Energie an die Spannungsquelle U. In den Fig. 3 und 4 ist der SchalterS₁ bzw. S₂ der Fig. 1 und 2 durch eine Kombination von steuerbaren Thyristoren ersetzt.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß bei geschlossenem Schalter S₁ in der Induktivität L₁ und im Motor U_m ein ansteigender Strom i entsteht, während bei geöffnetem Schalter S₁ der Strom i von der Diode D₁₁ übernommen wird und entsprechend der Zeitkonstanten des Stromkreises gebildet aus D₁₁, L₁ und U_m, abklingt. Bei periodischem Schließen und Öffnen von S₁ läßt sich hierbei durch das Verhältnis zwischen Öffnungszeit und Schließzeit ein beliebiger Mittelwert des Stromes i bzw. der Verbraucherspannung und damit eine beliebige Umdrehungszahl des Motors U_m erzielen, ohne daß wesentliche Verluste auftreten. Damit der Schalter S₁ beim Öffnen keine große Überspannung hervorruft, kann gegebenenfalls die Induktivität der Gleichspannungsquelle U bzw. auch weitere mit ihr in Reihe liegende Induktivitäten, beispielsweise Leitungsinduktivitäten, durch einen Kondensator C₁ überbrückt werden. Zur Vermeidung von Schwingungen läßt sich dabei weiterhin eine Diode D₁ vorsehen.

Mit der Anordnung nach F i g. 2 liefert die Motorspannung U_m Energie zurück an die Gleichspannungsquelle U, deren Spannung größer sein kann als die vom Motor U_m abgegebene. Bei geschlossenem Schalter S₂ kommt zunächst ein ansteigender Strom durch die Induktivität L₂ und den Motor U_m zustande, der sich durch den Schalter S₂ schließt. Nach Öffnung des Schalters S₂ wird dieser Strom durch die Diode D₂ in die Gleichspannungsquelle U gedrückt und klingt entsprechend der durch die Induktivität L₂ gegebenen Geschwindigkeit ab. Wird S₂ wieder geschlossen, so steigt i wieder an und kann erneut durch Öffnen von S₂ auf die Gleichspannungsquelle U umgeschaltet werden. Auch hier läßt sich durch das Verhältnis zwischen Öffnungs- und Schließzeit des Schalters S₂ der Strom i und damit die Bremsgeschwindigkeit regeln. In beiden Fällen wird man an sich bekannte und deshalb hier nicht näher dargestellte Uberwachungs- und Steuereinrichtungen vorsehen müssen, die eine Überschreitung oder Unterschreitung der zulässigen Werte für i verhindern. Beispielsweise dürfen in der Schaltung der Fig. 1 bei Stillstand des Motors U_m die Einschaltzeiten des Schalters S₁ nur sehr gering sein.

Die F i g. 3 und 4 zeigen grundsätzlich die gleichen Schaltungen wie die Fig. 1 und 2. Es sind jedoch die Schalter S₁ und S₂ durch eine Kombination von Thyristoren ersetzt, die durch Entladestöße eines Löschkondensators C periodisch gelöscht werden. Die Thyristorkombination der F i g. 3 arbeitet auf folgende Weise: Man zündet zunächst — z. B. mit Hilfe einer logischen, an sich bekannten Steuerungsanordnung — die Thyristoren 1, 2 und 5. Es beginnt dann ein ansteigender Strom i im Motor U_m zu fließen. Gleichzeitig lädt sich über die Thyristoren 1 und 5 der Löschkondensator C mit der angegebenen Polarität auf. Um die Energiezufuhr zum Motor U_m

ίο zu unterbrechen, d. h. um den Strom i in den Kurzschlußweg über die Diode D zu drücken, zündet man den Thyristor 3, so daß sich der Löschkondensator C über 3 und 1 entlädt und dabei 1 löscht, so daß die Stromzufuhr aus der Gleichspannungsquelle U zum Motor unterbrochen ist. Gleichzeitig entlädt sich dabei der Löschkondensator C oder lädt sich bereits in umgekehrter Richtung auf, wie es durch die eingeklammerten Polaritätszeichen angedeutet ist. Um die Energiezufuhr zum Motor U_m wieder einzuleiten, werden jetzt die Thyristoren 3 und 4 und gleichzeitig der Thyristor 6 gezündet. Über letztere lädt sich jetzt der Löschkondensator voll in der durch eingeklammerte Zeichen angedeuteten Polarität auf. Zündet man jetzt den Thyristor 1, so entlädt sich der Löschkondensator über die Thyristoren 3 und 1 und löscht dabei den Strom in dem Thyristor 3, so daß die Energiezufuhr zum Motor wieder unterbrochen ist. Auf diese Weise wird abwechselnd der Strom über die Reihenschaltung der Thyristoren 1 und 2 und die Reihenschaltung der Thyristoren 3 und 4 zum Motor geführt. Der Strom über den Thyristor 5 und 6 ist dabei im periodischen Betrieb außerordentlich klein, so daß letztere durch eine verhältnismäßig kleine Sicherung Si geschützt werden können. Man kann, wie in F i g. 3 angedeutet ist, auch noch einen weiteren Thyristor 7 anordnen und den Laststrom hauptsächlich über diesen Thyristor, der auch aus einer Parallelschaltung mehrerer Thyristoren bestehen kann, führen. Die übrigen Thyristoren 1 bis 6 brauchen dann nur für die Ladeströme der Löschkondensatoren ausgelegt zu werden. Beispielsweise zündet man zunächst 7, 1 und 5. Zum Unterbrechen des hierbei entstehenden Stromes durch den Thyristor? zündet man darauf 2 und 3. Zum Wiedereinleiten des Stromes durch den Thyristor? zündet man jetzt 7, 3 und 6 und zum Löschen dieses Stromes danach die Thyristoren 4 und 1 usw.

In gleicher Weise kann die Schaltung der Fig. 2 durch die Anordnung der Fig. 4 verwirklicht werden. Man erkennt, daß in Fig. 4 die gleichen Schaltelemente verwendet werden wie in Fig. 3. Infolgedessen ist es möglich, durch eine einfache Umschaltung die Schaltung der Fig. 3 in die der Fig. 4 umzuwandeln und dadurch von Antrieb des Motors U_m auf Nutzbremsung zu schalten. Diese Anordnung ist in F i g. 5 dargestellt, wobei die Umschaltung mit dem doppelpoligen Umschalter SS erfolgt. Statt dieser Umschaltung kann man natürlich auch die Anordnungen der Fig. 3 und 4 gleichzeitig, d. h. sämtliche Schaltelemente doppelt, vorsehen und beim Antrieb des Motors die Elemente der Fig. 3 periodisch zünden, beim Nutzbremsen dagegen die Elemente der Fig. 4. Dabei wird es unter Umständen erforderlich sein, statt der Diode D zwei Thyristoren zu verwenden, die beim Antrieb und beim Bremsen abwechselnd gezündet werden. Die gleichen Zündvorgänge der Fig. 3 und 4 vorausgesetzt, entspricht die ausgezogene Stellung des

Schalters SS in F i g. 5 der Betriebsweise nach F i g. 3, die gestrichelt angedeutete Stellung einer Betriebsweise nach Fig. 4.

Die in den Figuren am Beispiel des Betriebes eines Gleichstrommotors dargestellten Anordnungen können darüber hinaus allgemein Anwendung finden, wo es sich um die Energieübertragung zwischen zwei Gleichstromnetzen verschiedener Spannung handelt. In diesem Sinne stellt die Anordnung sozusagen einen »Gleichstromtransformator« dar. Beispielsweise kann die Anordnung nach der Erfindung benutzt werden, um eine Sammlerbatterie aus einer Stromquelle kleinerer oder größerer variabler Spannung mit geregeltem Ladestrom aufzuladen und zu entladen. Dabei wird man von den schon erwähnten Überbrückungskondensatoren C₁ in Fig. 1 und Fig. 2 Gebrauch machen, wenn damit die schädliche Induktivität des Gleichstromkreises, der intermittierenden Strom führt, in ihrer Auswirkung auf die Schaltelemente unwirksam gemacht werden kann. Letzteres ist beispielsweise der Fall, wenn aus einem Gleichstromnetz ein Triebfahrzeug mit Gleichstrommotor versorgt wird und dabei die Regelung und Netzbremsung der Motoren nach der Erfindung erfolgt. Die Fahrleitung bildet dann unter Umständen eine so große Induktivität, daß sie durch einen

ίο Löschkondensator C₁ überbrückt werden muß. Im übrigen wird man die Stromkreise möglichst induktivitätsarm aufbauen.

Statt der in Fig. 3 bis 5 dargestellten Löschschaltung mit doppelseitiger Löschpolarität des Löschkondensators C können natürlich auch andere Löschschaltungen mit doppelseitiger Löschpolarität des Löschkondensators angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 und einer in Reihe mit einer Diode liegenden Dros- Patentansprüche: sei, parallel geschaltet ist (Zeitschrift »Electrical Review«, Heft v. 22. 9. 1961, S. 470 und 471).

1. Anordnung zur Energieübertragung zwi- Es ist auch bereits eine Einrichtung bekannt, bei sehen zwei Gleichstromkreisen verschiedener 5 der bei einem Energiefluß von einem Gleichstrom-Spannung, bei der diese Übertragung inter- kreis niederer Spannung zu einem Gleichstromkreis mittierend über als Schaltelemente wirkende höherer Spannung in einer den Gleichstromkreis gesteuerte und durch Stromstöße aus einem niederer Spannung kurzschließenden Gleichstrom-Kondensator löschbare Halbleiterelemente statt- leitung ein steuerbares Halbleiterelement in Form findet und durch Variationen der Frequenz io eines Transistors vorgesehen ist. Dabei ist dann in und/oder der Dauer der Übertragungsimpulse dem kurzgeschlossenen Gleichstromteilkreis eine geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, Induktivität vorgesehen (deutsche Auslegeschrift daß bei einem Energiefluß von dem Gleichstrom- 1 026 850, F i g. 6).

kreis höherer Spannung zu dem niederer Span- Ebenfalls bekannt ist bereits eine Anordnung, nung in einer die Gleichstromkreise verbinden- 15 durch die ein Energiefluß von einem Gleichstromden Gleichstronileitung und bei einem Energiefluß kreis höherer Spannung in den niederer Spannung von dem Gleichstromkreis niederer Spannung zu gesteuert wird, bei der in einer die Gleichstromkreise dem höherer Spannung in einer den Gleichstrom- verbindenden Gleichstromleitung zwei parallele kreis niederer Spannung kurzschließenden Strompfade gleicher Stromrichtung vorgesehen sind, Gleichstromleitung zwei parallele Strompfade 20 wobei in jedem Pfad ein steuerbares Ventil angeordgleicher Stromrichtung vorgesehen sind, die je net und ein die parallelen Strompfade überbrückeneine Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepol- der, an die Kathodenseite der steuerbaren Ventile ter Thyristoren (1,2,3,4) enthalten, und die angeschlossener Löschkondensator vorgesehen ist Anschlüsse des Löschkondensators einer Lösch- (deutsche Patentschrift 674 203J.
schaltung an die Verbindungspunkte der beiden 25 Die Nachteile der bekannten Anordnungen Thyristoren (1, 2, 3, 4) jeder Reihenschaltung bestehen darin, daß entweder die Kommutierungsangeschlossen sind. einrichtung für das steuerbare Halbleiterventil

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- infolge der Ausnutzung nur einer Polarität des kennzeichnet, daß zu den beiden parallelen Löschkondensators aufwendig ist und nur eine Strompfaden ein weiterer Strompfad enthaltend 30 niedrige Kommutierungsfrequenz erlaubt (Electrical einen oder mehrere Thyristoren (7) parallel Review, H. v. 22. 9. 1961, S. 470 und S. 471) oder geschaltet und die Thyristoren (1, 4 und 7) derart aber daß im Falle der Ausnutzung beider Polaritäten gesteuert sind, daß die zu übertragende Energie des Löschkondensators zur Zwangskommutierung nur über den dritten Strompfad fließt, während nur eine Verlagerung des Energieflusses von einem über die restlichen Thyristoren (1 bis 4) nur die 35 Strompfad auf den anderen möglich ist, ohne daß Löschenergie fließt. der Stromfluß selbst mit Hilfe der Kommutierungs-

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- einrichtung wählbar unterbrochen werden kann kennzeichnet, daß die Löschschaltung zwei wei- (deutsche Patentschrift 674 203) oder daß als steuertere, parallel zu dem Löschkondensator (C) bares Halbleiterschaltelement ein Transistor mit angeordnete, entgegengesetzt in Reihe liegende 40 seiner gegenüber einem Thyristor bekanntlich gerin- und in bezug auf den Gleichstromkreis höherer geren Leistungsfähigkeit im Schaltbetrieb verwendet Spannung (U) in Durchlaßrichtung gepolte ist.

Thyristoren (5, 6) aufweist, deren Verbindungs- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

punkt an dem von den zwei parallelen Strom- vorgenannten Nachteile zu vermeiden,
pfaden abgewendeten Pol des Gleichstrom- 45 Bei einer eingangs beschriebenen Anordnung wird kreises höherer Spannung (U) angeschlossen ist. die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Energiefluß von dem Gleichstromkreis höherer Spannung zu dem niederer

Spannung in einer die Gleichstromkreise verbin-

50 denden Gleichstromleitung und bei einem Energiefluß von einem Gleichstromkreis niederer Spannung zu einem höherer Spannung in einer den Gleich-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung Stromkreis niederer Spannung kurzschließenden zur Energieübertragung zwischen zwei Gleichstrom- Gleichstromleitung zwei parallele Strompfade gleikreisen verschiedener Spannung, bei der diese 55 eher Stromrichtung vorgesehen sind, die je eine Übertragung intermittierend über als Schaltelemente Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepolter Thyriwirkende gesteuerte und durch Stromstöße aus einem stören enthalten, und die Anschlusses des Lösch-Kondensator löschbare Halbleiterelemente stattfindet kondensators einer Löschschaltung zwischen den und durch Variationen der Frequenz und/oder der Verbindungspunkten der beiden Thyristoren jeder Dauer der Ubertragungsimpulse geregelt wird. 60 Reihenschaltung angeschlossen sind.

Es ist eine derartige Anordnung mit einem Der Vorteil der neuen Lösung liegt darin, daß

Energiefluß von dem Gleichstromkreis höherer infolge der Ausnutzung jeder Polarität des Lösch-Spannung zu dem niederer Spannung bekannt, bei kondensators zur Zwangskommutierung bei gerinder in einer die Gleichstromkreise verbindenden gern wirtschaftlichen Aufwand eine hohe Kommu-Gleichstromleitung als Schaltelement ein Thyristor 65 tierungsfrequenz und damit Feinsteuerung des angeordnet ist, dem eine Löschschaltung bestehend Energieflusses möglich wird. Hierbei ist für die aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators Steuerung des Energieflusses eine Unterbrechung und einer Parallelschaltung eines zweiten Thyristors des Energieflusses ohne weitere zusätzliche Mittel