DE1916231B2

DE1916231B2 - Circuit arrangement for a power converter system

Info

Publication number: DE1916231B2
Application number: DE1916231A
Authority: DE
Inventors: Harry Lundstroem; Harry Magnusson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1968-04-03
Filing date: 1969-03-29
Publication date: 1979-06-28
Also published as: FI42843C; SE318028B; GB1253423A; CH486800A; FI42843B; DE1916231A1; FR2005429A1; DK137209B; NO121349B; DK137209C

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Stromrichteranlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt aus der ETZ-A, 1967, Seiten 392, 393 und 396.The invention relates to a circuit arrangement for a converter system according to the preamble of Claim. Such a circuit arrangement is known from ETZ-A, 1967, pages 392, 393 and 396.

Eine Schaltungsanordnung der vorausgesetzten Art ist in Fig. 1 gezeigt und kann z. B. für die Speisung der Antriebsmotoren einer Gleichstromlokomotive verwendet werden. Die Stromrichterbrücken 1, 2, 3 und 4 speisen die Ankerwicklungen der separaten Gleichstrommotoren 6 und 7. Die Brücken sind an vier Wechselspannungsquellen, nämlich den Sekundärwicklungen 52-55 eines Stromrichtertransformators 5, angeschlossen und werden von diesen gespeist. Die Brücke 1 ist aus Dioden 13 und 14 und Thyristoren 11 und 12 aufgebaut. Die letzteren werden in bekannter Weise von einem nicht gezeigten Steuergerät winkelgesteuert, so daß die abgegebene Gleichspannung der Brücke zwischen Null und einem Maximalwert verändert werden kann. Die übrigen Brücken sind in gleicher Weise aufgebaut und werden in gleicher Weise unsymmetrisch halbgesteuert. Die Anordnung von zwei in Reihe geschalteten Stromrichterbrücken für jeden Motorkreis hat den Zweck, diese beiden Stromrichterbrücken in der bekannten Folgesteuerung zu betreiben. Das bedeutet, daß bei sukzessiver Erhöhung der Motorspannung von Null auf ihren Maximalwert zunächst z. B. die Brücken 3 und 4 von der Spannung Null auf volle Spannung gesteuert werden, während die Spannung der Brücken 1 und 2 auf Null gehalten wird, und erst danach die Spannung dieser Brücken von Null auf den Maximalwert erhöht wird. Dieser Steuervorgang ist in Fig. 2 veranschaulicht. Sie zeigt den Gleichspannungsverlauf der Brükken (U_A für die Brücken 3 und 4 und U_B für die Brükken 1 und 2) und den Verlauf der Gesamtspannung U_M an einem Motoranker als Funktion eines Steuersignals t/, das die Ankerspannung der Motoren bestimmt. Diese bekannte Folgesteuerung hat den Vorteil, daß die Blindstrombelastung des Wechselstromnetzes vermindert wird.A circuit arrangement of the type assumed is shown in FIG. 1 and may e.g. B. can be used to feed the drive motors of a DC locomotive. The converter bridges 1, 2, 3 and 4 feed the armature windings of the separate DC motors 6 and 7. The bridges are connected to four AC voltage sources, namely the secondary windings 52-55 of a converter transformer 5, and are fed by them. The bridge 1 is made up of diodes 13 and 14 and thyristors 11 and 12. The latter are angle-controlled in a known manner by a control unit, not shown, so that the output DC voltage of the bridge can be changed between zero and a maximum value. The other bridges are constructed in the same way and are asymmetrically half-controlled in the same way. The arrangement of two series-connected converter bridges for each motor circuit has the purpose of operating these two converter bridges in the known sequence control. This means that when the motor voltage is gradually increased from zero to its maximum value, e.g. B. the bridges 3 and 4 are controlled from the voltage zero to full voltage, while the voltage of the bridges 1 and 2 is kept at zero, and only then the voltage of these bridges is increased from zero to the maximum value. This control process is illustrated in FIG. It shows the DC voltage curve of the bridges (U _A for bridges 3 and 4 and U _B for bridges 1 and 2) and the curve of the total voltage U _M at a motor armature as a function of a control signal t /, which determines the armature voltage of the motors. This known sequence control has the advantage that the reactive current load on the alternating current network is reduced.

Ein Nachteil der zur Ermöglichung der Folgesteuerung notwendigen Aufteilung des Stromrichters in zwei in Reihe geschaltete Stromrichter besteht darin, daß die in den Sekundärwicklungen der Stromrichtertransformatoren auftretenden Kupferverluste bei gleicher installierter Transformatorleistung relativ groß sind. Die Folgesteuerung bringt es mit sich, daß beispielsweise die Sekundärwicklungen 53 und 55 des Transformators im allgemeinen einen höheren Strom führen als die Wicklungen 52 und 54. Dies ist besonders ausgeprägt, wenn die Brücken 3 und 4 noch voll ausgesteuert sind und der ganze Motorstrom durch die Wicklungen 53 und 55 fließt, während der Strom durch die Wicklungen 53 und 54 Null ist. Wegen dieser ungleichmäßigen Stromverteilung zwischen den Wicklungen werden die Transformatorverluste groß. Parallel mit den Sekundärwicklungen des Transformators werden gewöhnlich Filter 92—95 zum Vermindern der Oberwellen angeschlossen, und die Wirkung dieser Filter nimmt als Folge der ungleichmäßigen Stromverteilung ab.A disadvantage of the necessary division of the converter into two converters connected in series is that the copper losses occurring in the secondary windings of the converter transformers the same installed transformer power are relatively large. The sequential control entails that for example the secondary windings 53 and 55 of the transformer generally carry a higher current lead than windings 52 and 54. This is particularly pronounced when bridges 3 and 4 are still full are controlled and the entire motor current flows through the windings 53 and 55, while the current through windings 53 and 54 is zero. Because of this uneven power distribution between the Windings, the transformer losses are great. Filters 92-95 are usually connected in parallel with the secondary windings of the transformer to reduce harmonics, and the effectiveness of these filters decreases as a result of the uneven distribution of current.

Aus der CH-PS 239 106 ist eine Stromrichterschaltung bekannt, bei der zwei in Reihe geschaltete Stromrichter auf einen Verbraucher arbeiten. Einer dieser Stromrichter ist im Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb steuerbar, so daß die Summenspannung beider Stromrichter zwischen einem Maximalwert und Null variiert werden kann. Wenn der steuerbare Stromrichter ab Wechselrichter arbeitet, dann wird die vom anderen Stromrichter gelieferte Energie durch den Wechselrichter zurückgewonnen. Dieser Leistungsaustausch erfolgt über die Primärwicklungen der beiden Stromrichtertransformatoren. Um die Verluste in diesen Primärwicklungen zu vermindern, wird in der Entgegenhaltung ein gemeinsamer Stromrichtertransformator mit einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen verwendet. Die Energierückgewinnung erfolgt dann durch unmittelbare Kopplung der beiden Sekundärwicklungen. Eine Verminderung der Kupferverluste in den Sekundärwicklungen der Stromrichtertransformatoren ist durch diese Schaltung nicht möglich. Es sind so viele Sekundärwicklungen erforderlich, wie Stromrichter in der Schaltung vorhanden sind.From CH-PS 239 106 a converter circuit is known in which two are connected in series Power converters work on a consumer. One of these converters can be controlled in rectifier and inverter operation, so that the total voltage of both converters can be varied between a maximum value and zero. If the controllable power converter from inverter works, then the energy supplied by the other converter is recovered by the inverter. This exchange of power takes place via the primary windings of the two converter transformers. In order to reduce the losses in these primary windings, a common converter transformer with a primary and a two secondary windings are used. The energy recovery then takes place through immediate Coupling of the two secondary windings. The copper losses in the secondary windings of the converter transformers are reduced this circuit is not possible. As many secondary windings are required as there are converters in the Circuit are present.

Aus der FR-PS 1 260719 ist eine auf einen einzigen Verbraucher arbeitende, folgegesteuerte Stromrichterschaltung aus in Reihe geschalteten Stromrichterbrücken bekannt. Dabei sind einige Glieder dieser Reihenschaltung aus parallelgeschalteten Stromrichterbrücken aufgebaut, wobei beide Brücken von derselben Sekundärwicklung eines Transformators gespeist werden.From FR-PS 1 260719 a sequence-controlled converter circuit, which operates on a single consumer, is known from converter bridges connected in series. There are some links to this Series connection made up of converter bridges connected in parallel, both bridges being fed by the same secondary winding of a transformer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs in der Weise weiterzuentwickcln, daß die Kupferverluste der Stromrichtertransformatoren während des Ansteuerungsvorgangs herabgesetzt werden bzw. mit einer kleineren installierten Trans-The invention is based on the object of developing a circuit arrangement according to the preamble of patent claim in such a way that the copper losses of the converter transformers during the activation process are reduced or with a smaller installed transmission

formatorleistung gearbeitet werden kann.formator power can be worked.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale hat.A circuit arrangement is used to solve this problem proposed according to the preamble of claim, which according to the invention the in characterizing part of the claim has mentioned features.

In Fig. 2 beeinflußt das Steuergerät z. B. die Stromrichterbrücken 3 und 4, wenn die an das Steuergerät gelieferte Steuerspannung U₁ zwischen — 1 und 0 liegt.In Fig. 2, the control unit affects z. B. the converter bridges 3 and 4 when the control voltage U ₁ supplied to the control unit is between -1 and 0.

Um zirkulierende Ströme zu vermeiden, wird dabei jede der vier Klemmen der beiden Sekundärwicklungen an den Zusammenschaltpunkt der ungesteuerten Ventile in der einen Stromrichterbrücke und an den Zusammenschaltpunkt der gesteuerten Ventile in der anderen Stromrichterbrücke angeschlossen.In order to avoid circulating currents, each of the four terminals of the two secondary windings to the interconnection point of the uncontrolled valves in one converter bridge and to the Interconnection point of the controlled valves connected in the other converter bridge.

Anhand der Figuren soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Es zeigenThe invention is to be explained in more detail below with the aid of the figures. Show it

Fig. 1 und 2 die bekannte und bereits beschriebene Schaltungsanordnung für eine Stromrichteranlage und das Prinzip ihrer Steuerung,1 and 2 the known and already described circuit arrangement for a converter system and the principle of their control,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für eine Stromrichteranlage nach der Erfindung und3 shows a circuit arrangement for a power converter system according to the invention and

Fig. 4 ein Blockschema der Anlage nach Fig. 3.FIG. 4 shows a block diagram of the system according to FIG. 3.

Fig. 3 zeigt, wie die bekannte Schaltung nach Fig. 1 durch die erfindungsgemäße Maßnahme verändert wird. Das erfindungsgemäße Steuersystem geht aus Fig. 4 hervor. Vom Steuergerät 8 wird die Steuerspannung U_al den Stromrichterbrücken 1 und 4 und die Spannung U_a2 den Stromrichterbrücken 2 und 3 zugeführt. Die abgegebene Gleichspannung der Stromrichterbrücken 2 und 3 ist die in Fig. 2 mit U_n angegebene Funktion von U_al,d. h. Null bei U_a2<0, linear mit U_al anwachsend, wenn 0< U_a2< 1 ist, und konstant bei U_a2 > 1. Um die gewünschte sukzessive Aussteuerung zu erhalten, wird ein U₁ = I entsprechend Signal zu U₁ am Eingang des Operationsverstärkers 81 addiert, wobei die Vorzeichen von seinemFIG. 3 shows how the known circuit according to FIG. 1 is changed by the measure according to the invention. The control system according to the invention is shown in FIG. From the control device 8, the control voltage U _{al is} fed to the converter bridges 1 and 4 and the voltage U _{a2 is} fed to the converter bridges 2 and 3. The output DC voltage of the converter bridges 2 and 3 is the function of U _al , which is indicated in FIG. 2 with U _n. H. Zero at U _a2 <0, increasing linearly with U _al if 0 < U _a2 < 1, and constant at U _a2 > 1. In order to obtain the desired successive modulation, U ₁ = I corresponding to the signal for U ₁ am Input of the operational amplifier 81 added, with the sign of his

Ausgangssignal im Verstärker 82 umgekehrt werden, so daß sein Ausgangssignal U_a , = U_s + 1 ist. Die Ausgangsspannung der Stromrichterbrücken 1 und 4 folgt also der Kurve U₄ in Fig. 2. Die resultierende Belastungsspannung als Funktion von U₁ ist die mit U_a in Fig. 2 bezeichnete Kurve.Output signal in amplifier 82 are reversed so that its output signal U _a , = U _s + 1. The output voltage of the converter bridges 1 and 4 thus follows the curve U ₄ in FIG. 2. The resulting load voltage as a function of U ₁ is the curve labeled U _a in FIG.

Die Ströme durch die Sekundärwicklungen 52 und 53 werden bei jeder Aussteuerung untereinander gleich groß, was minimale Verluste ergibt. Ebenso werden die in Fig. 3 gezeigten Filterkreise 9 und 10 gleichförmig belastet, was eine maximale Wirkung der Filter ergibt.The currents through the secondary windings 52 and 53 are each other with each modulation the same size, which results in minimal losses. The filter circuits 9 and 10 shown in FIG. 3 are likewise used uniformly loaded, which gives a maximum effect of the filters.

Das Steuergerät 8 kann in bekannter Weise mit Kreisen für die Blockierung der Steuerimpulse zu den Stromrichterbrücken ergänzt werden, die völlig hinabgesteuert (bis auf die Gleichspannung Null) sind.The control unit 8 can in a known manner with circles for blocking the control pulses to the Converter bridges are added, which are completely controlled down (down to the DC voltage zero).

Die vorstehend beschriebene und in Fig. 3 dargestellte, als »Modul« bezeichnete Schaltungsanordnung der vier Stromrichterbrücken kann mit einem oder mehreren Moduln reihenges:· haltet werden. Die Reihenschaltung wird dabei auf der Glcichspannungsseite vorgenommen, und zwar so, daß ζ. Β. der Reihenschaltung von zwei Moduln nach Fig. 3 jedes Belastungsobjekt 6 oder 7 von vier reihengeschalteten Brücken gespeist wird. Hierbei gibt man dem Transformator 5 vier Sekundärwicklungen, die je an einer der vier reihengeschalteten Brücken in jedem Stromrichterzweig angeschlossen sind.The circuit arrangement described above and shown in FIG. 3 and designated as a "module" of the four converter bridges can be held in a row with one or more modules: · be held. the Series connection is on the DC voltage side made in such a way that ζ. Β. the series connection of two modules according to FIG. 3 each Load object 6 or 7 is fed by four bridges connected in series. Here you give the transformer 5 four secondary windings, each on one of the four bridges connected in series in each converter branch are connected.

Es ist auch eine Art von Parallelschaltung denkbar, die dann auf den Wechselstromseiten der Brücken vorgenommen wird. So kann ein zusätzlicher »Modul« mit zwei weiteren Belastungsobjekten mit dem in Fig. 3 gezeigten parallel geschaltet werden, wobei die Wechselspannungsanschlüsse der Brücken im zusätzlichen Modul an die beiden Sekundärwicklungen 52 und 53 angeschlossen werden. Hierdurch erhält man eine Speisung der vier Belastungsobjekte von zwei Sekundärwicklungen. A kind of parallel connection is also conceivable, which is then on the AC sides of the bridges is made. An additional »module« with two further load objects can be combined with the in 3 shown in parallel, the AC voltage connections of the bridges in the additional Module can be connected to the two secondary windings 52 and 53. This gives you a supply of the four load objects from two secondary windings.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patentanspruch:Claim:

Schaltungsanordnung für eine Stromrichteranlage mit zwei aus je zwei gleichspannungsseitig in Reihe geschalteten einphasigen, unsymmetrisch halbgesteuerten Stromrichterbrücken bestehenden Stromrichterzweigen, die gleichspannungsseitig an je eine separate Gleichstromlast angeschlossen sind, wobei die jeweils in Reihe liegenden Stromrichterbrücken wechselspannungsseitig an getrennte Sekundärwicklungen eines Stromrichtertransformators angeschlossen und in Folgeschaltung derart steuerbar sind, daß gleichzeitig stets nur Ventile des steuerbaren Ventilzweiges einer einzigen Stromrichterbrücke jedes Stromrichterzweiges gesteuert werden und die Gleichspannungen beider Stromrichterzweige im wesentlichen stets gleich groß sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Stromrichterbrücke (I bis 4) aus jedem Stromrichterzweig (1/3, 2/4) wechselspannungsseitig an eine gemeinsame Sekundärwicklung (52 bzw. 53) angeschlossen und in der Weise verbunden ist, daß jedes Ende der Sekundärwicklung (52 bzw. 53) an der Kathode eines gesteuerten und eines unge- -Ueuerten Ventilzweiges in beiden Stromrichterzweigen (1/3, 2/4) liegt und daß von den jeweils zwei durch eine gemeinsame Sekundärwicklung (52 bzw. 53) gespeisten Stromrichterbrücken (1/2, 3/4) gleichzeitig stets nur eine aus jedem Stromrichterzweig ausgesteuert wird.Circuit arrangement for a converter system with two out of two in each case on the DC voltage side Series-connected single-phase, asymmetrically half-controlled converter bridges existing converter branches, which are each connected on the DC voltage side to a separate DC load, each of which is in series Converter bridges are connected on the AC voltage side to separate secondary windings of a converter transformer and can be controlled in a sequential circuit in such a way that at the same time only valves of the controllable valve branch of a single converter bridge of each converter branch are controlled and the DC voltages of both converter branches are essentially always the same, as a result characterized in that one converter bridge (I to 4) from each converter branch (1/3, 2/4) on the AC voltage side connected to a common secondary winding (52 or 53) and connected in such a way that each end of the secondary winding (52 or 53) is connected to the cathode of a controlled and an uncontrolled valve branch in both converter branches (1/3, 2/4) and that of the respective two converter bridges (1/2, 3/4) at the same time only one is controlled from each converter branch.