DE1488033B1 - Anordnung zur Steuerung des mittleren,durch einen Verbraucher fliessenden Gleichstromes mittels Thyristoren - Google Patents

Description

Zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes werden häufig ^j steuerbare Halbleitergleichrichter verwendet, Bauelemente, die in neuerer Zeit als Thyristoren bezeichnet werden. Ihre Eigenschaften entsprechen weitgehend denen eines Thyratrons.

Ein Thyristor kann durch einen einer Steuerelektrode zugeführten Impuls gezündet werden, wenn zwischen den Hauptelektroden gerade eine Spannung geeigneter Polarität liegt. Der dann fließende Strom ist nur durch den Verbaucherund die Speisespannung bestimmt und kann durch den Thyristor nicht mehr beeinflußt werden. Dieser erhält seine Sperrfähigkeit erst wieder, wenn der Laststrom einen nahe bei Null gelegenen Wert, den sogenannten Haltestromwert unterschreitet und danach eine den Thyristor in Durchlaßrichtung beanspruchte Spannung frühestens nach der sogenannten Turn-off-Zeit wieder angelegt wird.

Unter Turn-off-Zeit ist dabei diejenige Zeit zwischen dem Unterschreiten des Haltestromwertes und so dem erneuten Anlegen einer den Thyristor in Durchlaßrichtung beanspruchenden Spannung zu verstehen, die auf keinen Fall unterschritten werden darf, wenn der Thyristor mit Sicherheit sperren soll. Diese Zeitspanne hängt von vielen Einflußgrößen, vor allem aber von der Bauart des Thyristors und dem Verlauf der an ihm liegenden Spannung ab.

Ein Thyristor kann nur als Schalter betrieben werden. Zur stetigen Veränderung eines mittleren Laststromes kann dieser durch den Thyristor periodisch unterbrochen werden, wobei das Verhältnis der Abschaltdauer zur Dauer der gesamten Periode durch eine Steuerspannung bestimmt ist. Zur Glättung des Stromes ist es dabei zweckmäßig, dem Verbraucher einen induktiven Widerstand vor- und der gesamten Anordnung eine Nullanode parallel zu schalten. Die gleichen Ergebnisse lassen sich aber auch ohne Glättungsdrossel erreichen, wenn der Verbraucherwiderstand selbst eine hohe induktive Komponente besitzt, wie das beispielsweise bei Magneten oder Erregerwicklungen der Fall ist.

Nach diesem Prinzip arbeiten die sogenannten Gleichstrom-Chopper, bei denen der Verbraucher über einen Tyristor an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen und diesem Thyristor ein Löschkondensator über einen weiteren Thyristor parallel geschaltet ist. Die beiden Thyristoren werden abwechselnd periodisch so gezündet, daß der Verbraucherstrom durch das Verhältnis der Öffnungszeiten der beiden Thyristoren bestimmt ist.

Eine sehr einfache Möglichkeit, den mittleren Wert eines Gleichstromes mit Hilfe von Thyristoren zu steuern, ergibt sich, wenn die Energie von einer Wechselspannungsquelle bezogen werden kann. Man kann dann eine ganz oder teilweise mit Thyristoren bestückte Gleichrichterbrücke verwenden. Abgesehen von dem erforderlichen Aufwand an Thyristoren hat eine solche Stromrichterschaltung den Nachteil, daß die Zündimpulse nur in einem begrenzten Bereich verändert werden dürfen, da die sogenannten Trittgrenzen eingehalten werden müssen. Die Bestimmung dieser Trittgrenzen bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, wenn für die Speisung der Stromrichteranordnung keine sinusförmige Spannung zur Verfügung steht, wie dies der Fall ist, wenn die Anordnung über einen Gleichrichter an einen Synchrongenerator angeschlossen ist, der bei Vollast eine nahezu rechteckförmige Ausgangsspannung liefert.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes durch periodisches Schalten mit Hilfe von Thyristoren, wobei das Verhältnis von Abschaltdauer zur Dauer der gesamten Periode durch eine Steuerspannung bestimmt ist.

Die Erfindung besteht bei einer solchen Anordnung darin, daß eine erste Gleichstromquelle vorgesehen ist, die eine Spannung mit beliebigem Verlauf liefert, daß eine zweite Gleichstromquelle vorgesehen ist, die während eines ersten Teilabschnittes einer jeden Periode eine Spannung liefert, die zumindest vorübergehend Null und im übrigen kleiner als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist und die in einem zweiten Teilabschnitt größer als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist, und daß der Verbraucher an die beiden Gleichstromquellen über zwei Thyristoren angeschlossen ist, die derart steuerbar sind, daß der Verbraucher während des zweiten Abschnittes jeder Periode stets von der zweiten Gleichstromquelle gespeist wird.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß der Thyristor, der zwischen dem Verbraucher und der zweiten Spannungsquelle liegt, periodisch erlischt, ohne daß hierfür zusätzliche Hilfsmittel, wie Löschkondensatoren, erforderlich wären. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Spannung dieser zweiten Gleichstromquelle periodisch mindestens während eines Teiles des ersten Abschnittes Null ist. Die erste Gleichstromquelle kann dagegen eine Ausgangsspannung liefern, die z. B. einen festen konstanten Wert hat und die über den zwischen ihr und dem Verbraucher liegenden ersten Thyristor einen Strom zu treiben versucht, der ständig über dem Haltestromwert dieses Tyristors liegt, so daß dieser nicht ohne zusätzliche Hilfsmittel in den Sperrzustand gesteuert werden könnte. Da jedoch ein Steuersatz dafür sorgt, daß immer nach dem Zünden des ersten Thyristors auch noch der zweite Thyristor durchgesteuert wird, übernimmt dieser zweite Thyristor den Laststrom. Der erste Thyristor wird danach in Sperrichtung beansprucht, da nach dem Durchsteuerzeitpunkt des zweiten Tyristors die Spannung der zweiten Gleichstromquelle größer als die der ersten wird.

AlsGleichstromquellen können vorzugsweise Gleichrichter dienen, die an ein dreiphasiges Speisenetz angeschlossen sind und keine Glättungsmittel enthalten. Besonders einfache Verhältnisse lassen sich erzielen, wenn man als erste Gleichstromquelle einen Gleichrichter in Drehstrombrückenschaltung verwendet, bei der einer der zwischen den drei Phasen und einer Gleichstromklemme liegenden Ventilzweige, z. B. der zwischen der Phase R und der positiven Klemme liegende, fehlt.

Ähnlich läßt sich auch die zweite Gleichstromquelle mit zwei Ventilzweigen aufbauen, die zwischen zwei Phasen und einer Gleichstromklemme liegen, wobei die zweite Gleichstromklemme mit der dritten Phase verbunden ist. Vorzugsweise werden hier die Ventilzweige an die Phasen S und T und die eine Gleichstromklemme an die Phase R angeschlossen.

Der Aufwand für eine derartige Anordnung läßt sich noch weiter vermindern. Wenn die erste Gleichstromquelle aus der oben beschriebenen unvollständigen Drehstrombrücke besteht, liegt nämlich zwischen der einen Gleichstromquelle dieser Brücke und der Phase, die nur an eine der beiden Gleichstrom-

3 4

klemmen über ein Ventil angeschlossen ist, eine phasennetz abgebbare Gleichspannung ausnutzen. Die Spannung, die gerade den Verlauf hat, den die Span- maximale Verbraucherspannung ist vielmehr auf fünf nung der zweiten Gleichstromquelle haben soll. Man Sechstel der von einer vollständigen Drehstromkann daher in diesem Fall auf einen zusätzlichen brücke abgebbaren Spannung begrenzt. Gleichrichter verzichten. 5 In F i g. 2 ist die Schaltung eines Gleichrichters 8

Im Rahmen des Erfindungsgedankens bestehen im gezeigt, der ebenfalls an ein Drehstromnetz RST anwesentlichen zwei verschiedene Möglichkeiten, die geschlossen ist und dessen Gleichstromquellen mit 32 beiden Thyristoren zwischen dem Verbraucher und und 33 bezeichnet sind und der als zweite Gleichden beiden Stromquellen anzuordnen. In beiden Fäl- stromquelle im Sinne der Erfindung dienen kann. Der len ist die zweite Gleichstromquelle über einen Thy- ίο Verlauf der Ausgangsspannung dieses Gleichrichters ristor direkt mit dem Verbraucher verbunden. Die ist in Fig. 2a und in Fig. la (gestrichelt) dargeerste Gleichstromquelle kann dagegen über den an- stellt.

deren Thyristor entweder ebenfalls direkt mit dem In Fig. la sind ferner zwei Bereiche I und II einVerbraucher oder mit der Ausgangsklemme der zwei- gezeichnet, deren Grenzen durch den Verlauf der ten Gleichstromquelle verbunden werden. 15 Ausgangsspannungen der beiden in F i g. 1 und 2 dar-

Die zuletzt genannte Anordnung bietet dabei den gestellten Gleichrichter bestimmt sind. Diese beiden Vorteil, daß mit einem Steuersatz gearbeitet werden Bereiche überdecken einen Winkelbereich von 360° kann, der nur alle 360° einen Zündimpuls zu liefern und entsprechen einer vollen Periode des im Zweibraucht, dessen Phasenlage, bezogen auf das drei- punktbetrieb arbeitenden Gleichstromstellers, phasige Speisenetz, abhängig von einer Steuerspan- so Ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel der Erfinnung zwischen 0 und 360° verändert werden kann. dung ist in F i g. 3 gezeigt. Die beiden Gleichstrom-Man braucht hierbei lediglich die Zuführung der Im- quellen entsprechen den in F i g. 1 und 2 gezeigten pulse zu dem ersten Thyristor zu sperren, sobald Gleichrichtern, sind hier aber zu einem einzigen diese Impulse in dem zweiten Abschnitt jeder Periode Gleichrichter 3 mit einer dritten Klemme 33 zusamliegen. as mengefaßt. Der Verbraucher 5 ist an die Klemmen

Hierbei entstehen jedoch größere Leistungsver- 31 und 32 (erste Gleichstromquelle) über den Thyluste, da der Laststrom stets über beide Thyristoren ristor 1 und an die Klemmen 32 und 33 (zweite fließt. Das läßt sich jedoch vermeiden, wenn der Ver- Gleichstromquelle) über den Thyristor 2 angeschlosbraucher über je einen Thyristor direkt mit den bei- sen. Dem Verbraucher 5 ist eine Nullanode 6 parallel den Gleichstromquellen verbunden wird. In diesem 30 geschaltet, die notwendig ist, wenn der Verbraucher Falle muß der Steuersatz neben dem Impuls, dessen eine induktive Komponente besitzt, und die dann Phasenlage von der Steuerspannung abhängig ist, einen Stromfluß auch während der Sperrzeiten den noch einen zweiten Impuls jeweils zu Beginn des Thyristoren ermöglicht.

zweiten Bereiches jeder Periode liefern, der dem Die Steuerstrecken der beiden Thyristoren sind an

zweiten Thyristor zugeführt werden muß, wenn der 35 zwei Ausgänge eines Steuersatzes 4 angeschlossen, an andere Impuls im ersten Bereich liegt. Fällt dieser je- denen periodisch im Abstand von 360° Zündimpulse doch in den zweiten Bereich, dann ist er selbst dem abgegeben werden, deren Phasenlage von der Größe zweiten Thyristor zuzuführen und tritt an die Stelle einer dem Steuersatz 4 zugeführten Steuerspannung des Impulses mit konstanter Phasenlage. U_st abhängt.

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der 40 Mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung läßt Figuren erläutert. sich die Verbraucherspannung zwischen Null und der

In F ig. list eine unvollständige Drehstrombriicke 7 maximalen, von einer Drehstromgleichrichterbrücke gezeigt, die an ein dreiphasiges Speisenetz RST an- abgebbaren Spannung steuern. Solange beispielsweise geschlossen ist und als erste Gleichstromquelle im der Phasenwinkel der Zündimpulse, der durch die Sinne der Erfindung anzusehen ist. Mit den Ausgangs- 45 Spannung U_st bestimmt wird, in dem Bereich I, d. h. klemmen 31 und 32 dieser Brücke ist ein Verbrau- also zwischen 0 und 240°, liegt, wird dieser Zündcher 5 über einen Thyristor 1 verbunden. Der Ver- impuls dem Thyristor 1 zugeführt. Außerdem erhält lauf der Spannung Uy an dem Verbraucher 5 bei der Thyristor 2 alle 360° einen Zündimpuls, der undurchgesteuertemThyristor 1 ist durch die in Fig. la mittelbar nach dem Phasenwinkel 240° liegt. Wenn ausgezogene Kurve wiedergegeben. An dem Ver- 50 der dem Thyristor 1 zugeführte Zündimpuls bei 120° braucher liegt eine Spannung, die periodisch nach liegt, dann fließt von dem Zeitpunkt 120° ein Strom einem mit I bezeichneten Intervall Null wird. Durch von der Klemme 31 über den Thyristor 1 und den Verändern des Zündzeitpunktes im Verlauf einer Verbraucher 5 zurück zur Klemme 32. Kurz nach dem solchen Spannung-»Halbwelle« läßt sich die mittlere Zeitpunkt 240° bekommt der Thyristor 2 einen Zünd-Spannung am Verbraucher 5 ändern. Dabei bereitet 55 impuls, so daß von da an ein Strom von der Klemme jedoch das Löschen des Thryistors in der Umgebung 33 über den Thyristor 2 und den Verbraucher 5 zuder Nullstelle der Gleichrichterspannung Schwierig- rück zu Klemme 32 fließt. Da nunmehr die Spannung keiten, besonders wenn diese Spannung nach dem zwischen den Klemmen 33 und 32 größer als die Nullwerden sehr schnell wieder ansteigt. Diese zwischen den Klemmen 31 und 32 ist, wird der Thy-Schwierigkeiten lassen sich etwas vermindern, wenn 60 ristor 1 in Sperrichtung beansprucht und geht in den man in den Lastkreis zusätzlich Bauelemente mit Sperrzustand über. Über den Thyristor 2 fließt daeinem Schwellwert, z. B. Ventile, einfügt. Dadurch gegen bis zum Zeitpunkt 420° ein Laststrom. Dieser wird die Zeit zwischen dem Unterschreiten des Halte- Thyristor geht danach jedoch ebenfalls in den Sperrstromwertes und der erneuten Beanspruchung des zustand, da er mindestens während einer Zeitdauer Thyristors in Durchlaßrichtung vergrößert. Bei dieser 65 von 120° nicht mehr in Durchlaßrichtung bean-Anordnung sind zwar keine zusätzlichen Mittel für spracht wird. Diese Zeitdauer ist bei praktisch allen die Löschung des Stromtores erforderlich. Allerdings in der Stromversorgungstechnik vorkommenden läßt sich auch nicht die maximal von einem Drei- Speisefrequenzen erheblich größer als die Turn-off-

Zeit eines Thyristors. Schwierigkeiten können jedoch durch die dem Verbraucher parallel geschaltete Nullanode hervorgerufen werden. Der Spannungsabfall an dieser Diode addiert sich nämlich zu der Spannung der Gleichrichter und treibt unter Umständen auch dann noch einen über dem Haltestromwert liegenden Strom über den Thyristor 2, wenn die Spannung zwischen den Klemmen 32 und 33 Null ist. Um dies zu vermeiden, kann zwischen Klemme 32 und Phase R ein Gleichrichter mit hohem Schwellwert verwendet oder ein zusätzliches Ventil in den Laststromkreis des Thyristors 2 geschaltet werden.

Soll beispielsweise die Verbraucherspannung sehr weit herabgesteuert werden, so daß der Anschnittswinkel mehr als 240° beträgt, dann wird der Steuer- impuls nur noch dem Thyristor 2 zugeführt, und Thyristor 1 bleibt dauernd gesperrt.

Einleitend wurde bereits erwähnt, daß sich ein einfacherer Steuersatz ergibt, wenn der Thyristor 1 nicht zwischen die Klemmen 31 und 53, sondern zwischen den Klemmen 31 und 33 angeschlossen wird. Hierbei muß zwischen Phase R und Klemme 33 ein zusätzliches Ventil geschaltet werden, das zugleich den Löschvorgang des Thyristors 2 begünstigt, wie schon zuvor erläutert. In diesem Fall braucht der Steuer- »5 satz nur alle 360° einen Zündimpuls zu liefern, dessen Phasenlage zwischen 0 und 360° abhängig von der Steuerspannung U_st verändert werden kann und der beiden Thyristoren 1 und 2 zuzuführen ist, solange er in dem Bereich I liegt. Der Strom kommutiert in diesem Fall im Zeitpunkt 240° von dem Thyristor 1 auf den Thyristor 2. Thyristor 2 erlischt danach. Liegt der Phasenwinkel der Zündimpulse jedoch in dem Bereich II, dann sind diese Zündimpulse nur dem Thyristor 2 zuzuführen. Die Zuleitung dieser Zündimpulse zu dem Thyristor 1 ist daher zu sperren, sobald der Phasenwinkel der Zündimpulse mehr als 240° beträgt.

Die vorliegende Erfindung hat besondere Bedeutung für die Regelung und Steuerung des Erregerstromes von Generatoren, insbesondere von Drehstromgeneratoren mit nachgeschaltetem Gleichrichter, wie sie in zunehmendem Maße in Stromversorgungsanlagen auf Fahrzeugen als Ersatz für Gleichstromgeneratoren verwendet werden. Neben dem niedrigen Aufwand an Bauelementen bietet die erfindungsgemäße Anordnung gerade in diesem Anwendungsfall noch den besonderen Vorteil, daß die Funktionsfähigkeit auch dann noch gewährleistet ist, wenn keine sinusförmigen Spannungen zur Verfügung stehen. Die Ausgangsspannung eines Synchrongenerators mit nachgeschaltetem Gleichrichter verläuft nämlich nur im Leerlauffalle sinusförmig, im Belastungsfalle dagegen rechteckförmig. Durch diesen Sachverhalt wird aber bei der Anordnung nach der Erfindung lediglich der Bereich II auf Kosten des Bereiches I größer, ein Sachverhalt, der sich bei der Gestaltung des Steuersatzes ohne weiteres berücksichtigen läßt.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes durch periodisches Schalten mit Hilfe von Thyristoren, wobei das Verhältnis von Abschaltdauer zur Dauer der gesamten Periode durch eine Steuerspannung bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gleichstromquelle vorgesehen ist, die eine Spannung mit beliebigem Verlauf liefert, daß eine zweite Gleichstromquelle vorgesehen ist, die während eines ersten Teilabschnittes einer jeden Periode eine Spannung liefert, die zumindest vorübergehend Null und im übrigen Teil des Bereiches kleiner als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist und die in einem zweiten Teilabschnitt größer als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist, und daß der Verbraucher (5) an die beiden Gleichstromquellen über zwei Thyristoren (1, 2) angeschlossen ist, die derart steuerbar sind, daß der Verbraucher während des zweiten Abschnittes jeder Periode stets von der zweiten Gleichstromquelle gespeist wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle Gleichrichter dienen, die an ein dreiphasiges Speisenetz angeschlossen sind und kein Glättungsmittel enthalten.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichstromquelle aus einem Gleichrichter (7) in Drehstrombrückenschaltung besteht, bei der einer der zwischen den drei Phasen und einer Gleichstromklemme (31) liegenden Ventilzweige fehlt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichstromquelle aus einem Gleichrichter (3) mit zwei Ventilzweigen besteht, die zwischen zwei Phasen und einer Gleichstromklemme (32) liegen, wobei die zweite Gleichstromquelle (33) mit der dritten Phase verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (3) in Drehstrombrückenschaltung vorgesehen ist, bei dem einer der zwischen den drei Phasen und einer Gleichstromklemme liegenden Ventilzweige fehlt, daß die Spannung der ersten Gleichstromquelle zwischen der positiven und negativen Klemme (31, 32) dieser Brücke und die Spannung der zweiten Gleichstromquelle zwischen der einen Klemme (32) der Brücke und derjenigen Phase abgegriffen wird, die nicht über einen Ventilzweig mit der anderen Gleichstromquelle (33) verbunden ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (5) über einen Thyristor (1) mit der ersten Gleichstromquelle und über einen zweiten Thyristor (2) mit der zweiten Gleichstromquelle verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (5) über einen Thyristor (2) an die zweite Gleichstromquelle und über diesen und einen weiteren Thyristor (1) an die erste Gleichstromquelle angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen