DE1965822C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung von aus einem Wechselstromnetz betriebenen steuerbaren Gleichrichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von aus einem Wechselstromnetz betriebe- <>5 nen steuerbaren Gleichrichtern, bei denen mindestens zwei gleichstromseitig in Reihe geschaltete Gleichrichterbrücken vorgesehen sind, die über je eine Steuerstufe nacheinander stromdurchlässig gesteuert werden, wobei die zuerst stromdurchlässig gesteuerte Gleichrichterbrücke beim Aussteuern der nachfolgenden Gleichrichterbrücke erneut angesteuert wird.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der schweizerischen Patentschrift 4 70 820 bekannt Hierbei werden zwei oder mehrere Gleichrichter-Brückenanordnungen gleichstromseitig in Reihe geschaltet. Um den Blindstrombedarf auf der Wechselstromseite und die Welligkeit auf der Gleichstromseite gering zu halten, werden zwei unsymmetrisch halbgesteuerte Gleichrichter-Brückenanordnungen mit je zwei steuerbaren und zwei nicht steuerbaren Ventilen mit je einem Wechselstromanschl»ß zwischen den beiden in Reihe Hegenden steuerbaren bzw. nicht steuerbaren Ventilen in Reihe geschaltet. Die Steuerung der in Reihe geschalteten Brückenanordnungen erfolgt so, daß zuerst nur die steuerbaren Ventile der am unteren Spannungspotential liegenden Brückenanordnung mit Zündimpulsen beaufschlagt werden, wohingegen die steuerbaren Ventile der übrigen Brückenanordnungen gesperrt bleiben. Entsprechend dem Steuerwinkel der Zündimpulse wird zunächst diese erste Brückenanordnung bis zur vollen Aussteuerung hochgefahren, wobei die dem Gleichstrommotor zugeführte Spannung von Null aus ansteigt. Der Laststrom wird über die als Freilaufdioden wirkenden nicht steuerbaren Ventile der noch nicht angesteuerten in Reihe liegenden Brückenanordnungen geführt. Wenn der Steuerwinkel der Zündimpulse « = Null ist, wird die Aussteuerung der nächsten Brükkenanordnung freigegeben, so daß die dem Motor zugeführie Spannung weiter erhöht wird.

Bei Einphasenstrom, insbesondere mit der im Bahnbetrieb eingeführten Frequenz von I6V3 Hz, besteht bei hoher Motorgegenspannung, d.h. hoher Motordrehzahl und abnehmendem Strom, die Gefahr, daß der Strom lückt. Durch das an sich ungefährliche Lücken entsteht folgender unangenehmer Nebeneffekt: In Folge des nicht mehr fließenden Stromes kann die im Gleichstromkreis liegende Glättungsdrossel nicht mehr die Spannungsdifferenz zwischen der hohen Motorgegenspannung und der vom Gleichrichter her angebotenen sinusförmigen Gleichrichterspannung aufnehmen, so daß an den steuerbaren Ventilen auch in der positiven Halbwelle zeitweise negative Sperrspannung anliegt. Die steuerbaren Ventile können trotz anliegendem Steuerimpuls bei negativer Sperrspannung nicht leitend werden. Dieser Zustand tritt bei sinusförmiger Wechselspannung am Anfang und am Ende der Halbwelle auf. In diesen Bereichen ist die Gegenspannung höher als der Wechselspannungsaugenblickswert. Bei in Reihe geschalteten Stromrichterbrücken kann die Gegenspannung im Verhältnis zu einer Teilwechselspannung höher sein. Dadurch besteht hier in der ganzen positiven Halbwelle die Möglichkeit von negativer Sperrspannung am steuerbaren Ventil. Bei mehreren parallelgeschalteten steuerbaren Ventilen je Gruppe besteht die Gefahr, daß in Grenzfällen nur ein steuerbares Ventil bei der Impulsgabe leitend wird und allein den vollen Strom der Gruppe führen muß. Das Ventil wird dabei überlastet und schaltet ab.

Zur Vermeidung solcher Ausfälle könnte den steuerbaren Ventilen an Stelle eines einzigen kurz^:i Impulses Dauerimpuise zugeführt werden. Dauerimpulse haben jedoch den Nachteil, daß sie für die erforderliche Höhe und die in Betracht kommende Zeit von etwa 30 ms bei I6V3 Hz und IO ms bei 50 Hz sehr große Zündimpulsübertrager für große Spannungs-Zeitfläche erfordern.

Zur Beseitigung dieser Nachteile ist aus der genannten schweizerischen Patentschrift 4 70 820 eine Anordnung bekannt, bei der der Zündimpuls der zweiten Brückenanordnung gleichzeitig auch den Thyristoren der ersten Brückenanordnung zugeführt wird, wodurch erreicht wird, daß sich die in Reihe geschalteten B-ükkenanordnungen nun wie eine Brückenanordnung verhalten. Die zusätzlichen Zündimpulse werden synchron mit den Zündimpulsen der zweiten Brückenanordnung ausgelöst. ■'

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung von aus einem Wechselstromnetz betriebenen steuerbaren Gleichrichtern mit mindestens zwei gleichstromseitig in Reihe geschalteten, nacheinander stromdurchlässig gesteuerten, Gleichrichterbrükken anzugeben, bei dem trotz beliebiger zeitlicher Zuordnung der die GJeichrichterbrücken stromdurchlässig steuernden Zündimpulse ein einwandfreies Arbeiten der Gleichrichter gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerstufen, denen entsrprechend der gewünschten Gleichrichteraussteuerung Langzeitimpulse zugeführt werden, die steuerbaren Gleichrichter einer jeden Gleichrichterbrücke mit einer Kette von in ihrer zeitlichen Zuordnung beliebig zueinander liegenden Zündimpulsen ansteuern, daß jeder Gleichrichterbrükke ein erster Energiespeicher zugeordnet ist, der die Zündenergie für die von der zugeordneten Steuerstufe kommenden Zündimpulse liefert und daß der zuerst stromdurchlässig gesteuerten Gleichrichterbrücke ein zweiter Energiespeicher zugeordnet ist, der über ein elektronisches Schaltglied in Abhängigkeit von den Zündimpulsen der anderen Steuerstufe zugeschaltet wird.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher Kondensatoren sind, die einerseits über eine Entkopplungsdiode mit einer ersten Potentialschiene kleiner Gleichspannung und andererseits über einen Widerstand mit einer zweiten Potentialschiene wesentlich höherer Gleichspannung verbunden sind und daß dem ersten Energiespeicher die Reihenschaltung einer Steuerstreckenbürde und eines Verstärkerelementes, dessen Steuereingang zumindest mit dem Ausgang der zugeordneten Stuerstufe verbunden ist, derart parallel geschaltet ist, daß sich der erste Energiespeicher bei leitendem Verstärkerelement über die Steuerstreckenbürde entlädt und daß parallel zum ersten Energiespeicher die Reihenschaltung aus einem zweiten Energiespeicher und einem als elektronisches Schaltglied dienenden Tyristor liegt, dem eine Diode antiparallel geschaltet ist, und daß der Steuereingang des Tyristors von den Zündimpulsen der anderen Steuerstufe angesteuert ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einfachem Aufbau der Steuerung eine beliebige zeitliche Zuordnung der Zündimpulse für die einzelnen Stromrichterbrücken ermöglicht wird. Der unterschiedliche Abstand der Zündimpulse kann sich von Null bis zu einer Periode erstrekken. Als Steuers;tufe wird vorzugsweise ein gesteuerter astabilder Multivibrator verwendet, dessen Eingang ein der Stromrichteraussteuerung entsprechender Langzeitimpuls zugeführt wird, der je nach Steuerwinkel fts von Null bis 180° el. lang sein kann. Dieser Langzeitimpuls wird durch den Multivibrator in eine Kette von Impulsen aufgeteilt. Der Multivibrator ist so aufgebaut.

daß er nicht selbständig schwingt, sondern nur dann, wenn der Langzeitimpuls vorhanden ist. Auch bei gerade begonnener Schwingung fällt das Ausgangssigna! mit dem Einganssignal gleichzeitig fort

An Hand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles sei der Ertindungsgedanke erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Schaltungsanordnung zur Steuerung von zwei nicht näher dargestellten Stromrichterbrücken·,

In F i g. 2 sind Einzelheiten der Impulsendstufe für die zuerst stromdurchlässig gesteuerte Stromrichterbrücke dargestellt.

Für jede nicht näher dargestellte Stromrichterbrücke I bzw. II ist eine Steuerstufe 1,2 und eine Impulsendstufe 3,4 vorgesehen. Jede Impulsendstufe besitzt ein Verstärkerelement 31, 41 und mindestens einen Energiespeicher 32, 42. Die erste Impulsendstufe 3 enthält erfindungsgemäß einen zweiten Energiespeicher 33. Der Ausgang der zweiten Steuerstufe 2 ist ebenso wie der Ausgang der ersten Steuerstufe 1 mit dem Eingang der ersten Impulsendstufe 3 verbunden. In den Verbindungsleitungen liegen stromrichtungsabhängige Glieder 5, 6 als Entkopplungsglieder. Der Ausgang der ersten Impulsendstufe 3 führt zur Stromrichterbrücke 1, die zuerst stromdurchlässig gesteuert wird. Der Ausgang der zweiten Impulsendstufe 4 führt zur nachfolgend stromdurchlässig gesteuerten Stromrichterbrücke II.

In F i g. 2 ist der schaltungsmäßige Aufbau der ersten Impulsendstufe 3 dargestellt. Als Verstärkerelement ist im vorliegenden Beispiel ein npn-Transistor vorgesehen, an dessen Steuereingang die Steuerstufen 1 und 2 angeschlossen sind. Die eine Klemme der Steuerstrekkenbürde 7, die aus den Steuerstrecken der zu zündenden Stromrichterventile bzw. aus dem oder den Zündimpulsübertragern der Stromrichterbrücke I besteht, ist einerseits über eine Entkopplungsdiode 35 mit einer ersten Potentialschiene 8 von z. B. nur 15 V und andererseits über einen Widerstand 34 mit einer zweiten Potentialschiene 9 von z. B. 60 V verbunden. Die andere Klemme der Steuerstreckenbürde 7 ist über die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 311 mit der Nullschiene 10 verbunden. Zwischen der Nullschiene 10 und der den beiden Potentialschienen 8, 9 zugewandten Klemme der Bürde 7 liegt ein Stoßkondensator 32, der als Energiespeicher wirkt. Parallel dazu liegt eine Reihenschaltung aus einem zweiten Stoßkondensator 33 und einem Thyristor 37, dem eine Diode 38 antiparallel geschlatet ist. Beide Kondensatoren 32,33 werden über den Widerstand 34 auf das Potential der zweiten Potentialschiene 9 aufgeladen. Die Steuerstiecke des Thyristors 37 ist über einen Impulsübertrager 36 mit dem Ausgang der zweiten Impulsendstufe 4 verbunden. Sie kann im Bedarfsfall jedoch auch mit dem Eingang dieser Impulsendstufe bzw. mit dem Ausgang der zweiten S'euerstufe 2 verbunden werden. Die zweite Impulsendstufe 4 ist im Prinzip wie die erste Impulsendstufe 3 aufgebaut. Es entfällt lediglich der zweite Energiespeicher mit den zugehörigen Bauelementen.

Die Funktionsweise der dargestellten Anordnung ist folgende. Die beiden Steuerstufen 1 und 2 erhalten z. B. aus einer nicht näher dargestellten Regel- oder Steueranordnung Langzeitimpulse und lösen diese in rechteckförmige Kettenimpulse auf. Diese Kettenimpulse werden den beiden Endstufen 3 und 4 zugeleitet, wobei die Endstufe 4 von der Steuerstufe 2 gesteuert wird.

Gleichermaßen steuert die Steuerstufe 1 die Impulsendstufe 3. Diese erhält jedoch zusätzlich aus der zweiten Steuerstufe 2 auch deren Ketteninpulse, die sich zeitlich mit den Impulsen der ersten Steuerstufe 1 dekken können oder in deren Tastpausen oder auch beliebig zueinander liegen können. Die Entkopplungsdioden 5,6 in den Verbindungsleitungen verhindern die gegenseitige Beeinflussung der beiden Steuerstufen. An den Ausgängen der beiden Impulsendstufen 3, 4 werden verstärkte und geformte Impulse abgenommen, die den Steuerstrecken der steuerbaren Stromrichterventile der zugehörigen Stromrichterbrücken I, II im allgemeinen über Impulsübertrager 7 zugeführt werden. Die von den Steuerstufen 1 und 2 gelieferten Kettenimpulse schalten das Verstärkerelement, den Transistor 31, im Rhythmus der Impulse ein und aus. Beim Einschalten des Transistors 31 wird zunächst der auf das hohe Potential der zweiten Potentialschiene 9 aufgeladene Kondensator 32 über die Steuerstreckenbürde 7 entladen, wodurch eine hohe Zündimpulsspitze entsteht. Nach der Entladung dieses Energiespeichers wird von der ersten Potentialschiene 8 ein im Vergleich zur Impulsspitze niedriger Impulsrücken geliefert. Zwischen den einzelnen Impulsen muß eine Tastpause vorhanden sein, damit der Stoßkondensator 32 über den Widerstand 34 wieder aufgeladen werden kann. Da der ersten Impulsendstufe 3 die Impulse beider Steuerstufen 1 und 2 zugeführt werden, wäre hier eine Tastpause mit einer bestimmten Dauer nicht in jedem Falle gewährleistet. Aus diesem Grunde ist parallel zum ersten Stoßkondensator 32 ein zweiter Stoßkondensator 33 vorgese-

S hen, der jedoch nur dann über die Bürde 7 und den Transistor 31 entladen werden kann, wenn der in Reihe liegende Thyristor 37, dessen Funktion unter Umständen auch ein Transistor übernehmen kann, geöffnet ist. Die Steuerstrecke des Thyristors 37 ist über einen Im pulstransormator 36 mit dem Ausgang oder dem Ein gang der zweiten Impulsendstufe 4 verbunden, so daß er nur dann gezündet wird, wenn ein Impuls von der zweiten Steuerstufe kommt. Die Diode 38 dient zur Aufladung des zweiten Energiespeichers 33.

■ 5 Die Erfindung wurde an Hand zweier in Reihe geschalteter Stromrichterbrücken I, II erläutert. Es versteht sich, daß sie auch bei Verwendung von mehr als zwei Stromrichterbrücken angewendet werden kann. Bei z. B. drei in Reihe liegenden Stromrichterbrücken werden dann sinngemäß für die erste Impulsendstufe drei Energiespeicher und für die zweite Impulsendstufe zwei Energiespeicher notwendig, wohingegen die dritte Impulsendstufe wieder nur einen Energiespeicher aufweist. Entsprechend werden der ersten Impulsendstufe die Kettenimpulse aller drei Steuerstufen und der zweiten Impulsendstufe die Kettenimpulse der zweiten und dritten Steuerstufe zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung von aus einem Wechselstromnetz betriebenen steuerbaren Gleichrich- lern, bei denen mindestens zwei gleichstromseitig in Reihe geschaltete Gleichrichterbrücken vorgesehen sind, die über je eine Steuerstufe nacheinander stromdurchlässig gesteuert werden, wobei die zuerst stromdurchlässig gesteuerte Gleichrichterbrücke beim Aussteuern der nachfolgenden Gleichrichterbrücke erneut angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufen, denen entsprechend der gewünschten Gleichrichteraussteuerung Langzeitimpulse zugeführt werden, die steuerbaren Gleichrichter einer jeden Gleichrichterbrücke mit einer Kette von in ihrer Zeitlichen Zuordnung beliebig zueinander liegenden Zündimpulsen ansteuern, daß jeder Gleichrichterbrücke ein erster Energiespeicher zugeordnet ist, der die Zündenergie für die von der zugeordneten Steuerstufe kommenden Zündimpulse liefert und daß der zuerst stromdurchlässig gesteuerten Gleichrichterbrücke ein zweiter Energiespeicher zugeordnet ist, der über ein elektronisches Schaltglied in Abhängigkeit von den Zündimpulsen der anderen Steuerstufe zugeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß η Gleichrichterbrücken gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind und daß der ersten Gleichrichterbrücke η Energiespeicher, der zweiten Gleichrichterbrücke (n—1) Energiespeicher, der dritten Gleichrichterbrücke (n—2) Energiespeicher usw. zugeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher Kondensatoren (32, 33) sind, die einerseits über eine Entkopplungsdiodc (35) mit einer erster. Poientialschiene (S) kleiner Gleichspannung und andererseits über einen Widerstand (34) mit einer zweiten Potentialschiene (9) wesentlich höherer Gleichspannung verbunden sind und daß dem ersten Energiespeicher (32) die Reihenschaltung einer Steuerstreckenbürde (7) und eines Verstärkerelementes (31), dessen Steuerein- 4«; gang zumindest mit dem Ausgang der zugeordneten Steuerstufe (1) verbunden ist, derart parallel geschaltet ist, daß sich der erste Energiespeicher (32) bei leitendem Verstärkerelement (31) über die Steuerstreckenbürde (7) entlädt. 5«

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Energiespeicher (32) die Reihenschaltung aus einem zweiten Energiespeicher (33) und einem als elektronisches Schaltglied dienenden Tyristor (37) liegt, dem eine Diode (38) antiparallel geschaltet ist, und daß der Steuereingang des Tyristors (37) von den Zündimpulsen der anderen Steuerstufe (2) angesteuert ist.

fo