-
Stromrichteranordnung mit steuerbarer Ausgangsspannung Die Erfindung
betrifft eine Stromrichteranordnung mit steuerbarer Ausgangsspannung, bei der die
Primärwicklung eines Ubertragungstransformators über Stromrichterventile an eine
ein- oder mehrphasige Wechselspannungsquelle angeschlossen ist und an der Sekundärwicklung
des Ubertragungstransformators ein Wechsel- oder Gleichstromverbraucher liegt.
-
Stromrichter der beschriebenen Art sind handelsüblich. Durch Zündeinsatzsteuerung
der Ventile kann die am Verbraucher anliegende Spannung verändert werden. Dabei
erhält man eine Phasenverschiebung, die einen entsprechend schlechten Leistungsfaktor
der Anlage zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anlage ist ein
verhältnismäßig hoher Gehalt an Oberschwingungen mit entsprechender Rückwirkung
auf das speisende Wechael- oder Drehstromnetz.
-
Es besteht die Aufgabe, den Leistungsfaktor bei einer eingangsgenannten
Anordnung zu verbessern und die genannten Netzrückwirkungen zu vermindern oder zu
vermeiden.
-
Erfindungcgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ubertragungstransformator
mit zwei Primärwicklungen für jede Phase der Wechselspannung vorgesehen ist und
daß jeder Primärwicklung des obertragungstransformators eine Gruppe parallelgeschalteter
Stromrichterventile oder Stromrichterventilsysteme zugeordnet ist, wobei jedes Stromrichterventil
oder jedes Stromrichterventilsystem einer Gruppe an eine
Teilwicklung
der zugehörigen Primärwicklung angeschlossen ist.
-
Die beiden Primärwicklungen jeder Phase der Wechselspannung und ihre
Teilwicklungen können so ausgebildet sein, daß an den Anzapfungen einander entsprechender
Teilwicklungen im wesentlichen dem Betrag nach gleiche Spannungen liegen. Werden
alle parallelgeschalteten Stromrichterventile oder Stromrichterventilsysteme voll
ausgesteuert, so erhält der Verbraucher die höchste Lastspannung und damit die höchste
Leistung. Dabei ist die Lastspannung die Summe der Lastspannungen, die den an den
Teilwicklungen der Primärwicklungen anliegenden Spannungen entsprechen. Durch Steuerung
der Stromrichterventile kann die Lastspannung vermindert werden.
-
Vorzugsweise werden dabei die Stromrichterventile gesteuert, die an
den Anzapfungen von Teilwicklungen mit kleinerer als der vollen an jeder Primärwicklung
anliegenden Spannung liegen. Bei Vollaussteuerung der einer der Spannungsstufen
zugeordneten Ventile erhält der Verbraucher die volle Halbschwingung der Eingangswechselspannung
und es wird nur die Höhe der Spannung begrenzt. Es tritt somit keine Phasenverschiebung
zwischen Laststrom und Eingangsspannung auf und man erhält einen entsprechend guten
Leistungsfaktor der Anlage.
-
Zusätzlich kann innerhalb der Spannungsstufen durch verzögerte Zündung
der entsprechenden Stromrichterventile innerhalb der Halbschwingung die Spannungszeitfläche
verändert werden. Man erhält aber jeweils nur einen Spannungssprung von einer zur
nächsten Spannungsstufe. Auch in diesem Fall ergibt sich somit keine Phasenverschiebung.
Da Spannungesprünge in den Spannungszeitflächen jeweils nur zwischen benachbarten
Stufen auftreten, ist auch der Gehalt an Oberschwingungen des Verbraucherstromes
entsprechend gering. Es können somit Rückwirkungen auf das speisende Wechselstromnetz
weitgehend vermieden
werden. Zu erwähnen ist noch, daß bei Verwendung
von Thyristcren mit em erfindungsgemäßen Aufbau Kommutierungskurzschlüsse nicht
auftreten können.
-
Um am Verbraucher die volle Halbschwingung der Eingangswechselspannung
zu belassen, ist es günstig, eine der Stromrichterventile jeder Gruppe voll ausgesteuert
zu lassen.
-
Vorteilhaft ist es, fur. jede Gruppe von Stromrichterventilen einen
Schalter vorzuschen, mit dem wenigstens eines der Stromrichterventile ver der atzapfung
einer Teilwicklung auf die Anzapfung einer saderep Teilwicklung umschaltbar ist
Fs können mit einem Sur alter alle Stromrichterventele @@@@gsens einer Gruppe umsers.
tbar sein. Durch diese Umschaltung der Stromrichtervent von grcLeren auf kleinere
Spangungsstufen und umgekehrt, kann der mit der Steuerung überdeckbane Spannungsbereich
erweitert werden. Um einen stetage Übergang beim Umschalten sicherzustellen, sind
vorzugsweisd die Teilwicklungen so temessen, daß in einer Schaltstellung bei Vollaussteuerung
aller Stromrichterventile die Summe der Last spannungeu gleich oder kleiner als
die Lastspannung @@@@@@@ de in der anderen Schaltstellung mit einem einzigen vels
ausgesteuerten Stromrichterventil erzeugbar ist.
-
Die erfindungsgemaße Anordnung kann allgemein zur Strom versorgung
von Anlagen zur elektrischen Beheizung eingesetzt werden. Insbesondere ist sie für
solche Verbraucher anzuwenden, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert.
Das sind beispielsweise Zonenziehanlagen, oder Anlagen zur Oberflächenbehandlung
von Drähten oder Bändern, bei denen jeweils ein Draht- oder Bandabschnitt geheizt
wird. Ein weiteres Anwendungsgebiet
sind widerstandsbeheizte Vakuumöfen,
die beispielsweise zum Härten von Material verwendet werden. In allen Fällen kann
der erfindungsgemäßen Anordnung ein Gleichrichter nachgeschaltet sein.
-
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Figuren
1 bis 5 beispielhaft näher erläutert. In den Figuren sind einige Ausführungsbeispiele
dargestellt. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Fig. 1 zeigt die Schaltung eiper Anlage zur Speisung eines Verbrauchers.
Ein obertragungstransformator 1 ist an die Klemmen 2 einer einphasigen Wechselspannungsquelle
angeschlossen. Der Ubertragungstransformator 1 besitzt zwei Primärwicklungen 3 und
4 und eine Sekundärwicklung 5. Die Ausgänge der Sekundärwicklung 5 sind über eine
Last 6, die als ohmscher Widerstand dargestellt ist, miteinander verbunden.
-
Die Primärwicklungen 3 und 4 sind aus Teilwicklungen mit den Anzapfungen
7 bis 9 bzw. 10 bis 12 aufgebaut. Jede der Primärwicklungen 3 und 4 ist über eine
Gruppe von steuerbaren Stromrichterventilen 13 bis 15 bzw. 16 bis 18 beispielsweise
Thyristoren an die Klemmen 2 der Wechselspannungsquelle angeschlossen. Die Stromrichterventile
13 bis 1', bzw. 16 bis 18 jeder Gruppe sind parallelgeschaltet und jeweils mit einer
der Anzapfungen 7 bis 9 bzw. 10 bis 12 einer Teilwicklung verbunden. Im Ausführungsbeispiel
ist an die Anzapfungen 7 bis 9 bzw. 10 bis 12 der Teilwicklungen der Primärwicklungen
3 und 4 nur jeweils ein einziges Ventil angeschlossen. An jede der Anzapfungen kann
jedoch bei größerer Leistung auch eine Ventilgruppe mit einer Reihen- oder Parallelschaltung
von Ventilen angeschlossen sein.
-
Die Teilwicklungen sollen so ausgestaltet sein, daß entsprechende
Ventile der Ventilgruppen, beispielsweise die Ventile 7 und 10 jeweils Spannungen
U1 und -U1 gleicher Größe aber entgegengesetzter Richtung erhalten. In der einen
Halbschwingung der Eingangswechselspannung erhält deshalb beispielsweise die Primärwicklung
3 des Übertragungstransformators 1 über die Ventile 13 bis 15 eine Spannungszeitfläche,
die dem Verbraucher 6 zugeführt wird. Entsprechend erhält in der entgegengesetzten
Halbschwingung der Eingangswechselspannung die Primärwicklung 4 des obertragungstransformators
1 über die Ventile 16 bis 18 eine Spannungszeitfläche, die dem Verbraucher 6 zugeführt
wird.
-
In Fig. 2 ist eine volle Schwingung der Lastspannung UL aufgezeichnet.
Die drei Kurven 19 bis 21 zeigen die Spannungsstufen, zwischen denen die Lastspannung
UL durch Zündwinkelsteuerung der Stromrichterventile 13 bis 15 und 16 bis 18 veränderbar
ist. Dabei ist Kurve 19 die Lastspannung, die am Verbraucher 6 abfällt, wenn nur
die Ventile 13 und 16 bei Vollaussteuerung Strom führen. Kurve 20 bzw. 21 ist die
Summe der Lastspannungen, die man erhält, wenn die Ventile 13, 14 und 16, 17 bzw.
13 bis 15 und 16 bis 18 voll ausgesteuert sind.
-
Den Kurven 19 bis 21 ist direkt zu entnehmen, daß der Verbraucher
6 immer die vollen Halb schwingungen der Eingangswechselspannung erhält. Phasenverschiebungen
zwischen Verbraucherstrom und Eingangs spannung treten daher nicht auf und der Leistungsfaktor
ist hoch. Dieser Leistungsfaktor würde sich verschlechtern, falls bei gesperrten
Ventilen 14, 15, 17 und 18 die Ventile 13 und 16 nicht voll ausgesteuert wären,
da dann, wie in den bekannten Anlagen, eine Phasenverschiebung zwischen Spannung
und Strom nicht mehr zu vermeiden ist. Die Anordnung ist daher vorzugsweise so auszulegen,
daß
die Kurve 19 der kleinsten benötigten Lastspannung entspricht.
-
Durch Zündeinsatzsteuerung der Ventile 14, 15, 17 und 18 kann die
gesamte Spannungszeitfläche der Lastspannung UL jeweils von einer Spannungs stufe
stufenlos in eine andere überführt werden. In Fig. 2 sind die Zündwinkel 1 und v
2 der Ventile 14 und 17 eingetragen und die resultierenden Spannungszeitflächen
schraffiert dargestellt. Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Zündwinkel 1
und 2 kann die Spannungszeitfläche zwischen den Kurven 19 und 20 kontinuierlich
überstrichen werden. Dabei ist zu betonen, daß man beim Zünden eines Verntils jeweils
nur einen Spannungssprung von einer Spannungsstufe, beispielsweise der Kurve 19
zur nächsten, beispielsweise der Kurve 20 erhält, während weiterhin die vollen Halbschwingungen
der Eingangsspannungen am Verbraucher 6 anliegen. Phasenverschiebungen treten also
auch hierbei nicht auf. Außerdem bleibt bei diesen Spannungssprüngen der Oberwellengehalt
des Verbraucherstromes äußerst gering.
-
In Fig. 3 ist die Stromversorgung eines Verbrauchers 6 aus einer Drehstromquelle
mit den Phasen R, S und T dargestellt.
-
Der Verbraucher 6 ist über einen Gleichrichter 22, zu dem Dioden 23
in Brückenschaltung zusammengefaßt sind, an die Sekundärwicklungen 5a bis 5c eines
Dreiphasen-bertragungstransformators angeschlossen. Der Dreiphasentranaformator
besitzt pro Phase zwei Primärwicklungen 3a bis 3c und 4a bis 4c.
-
Jeder Primärwicklung ist eine Gruppe von steuerbaren, parallelgeschalteten
Stromrichterventilen 14a, 15a bis 14c, 15c bzw.
-
17a, 18a bis 17c, 18c zugeordnet. Die Stromrichterventile sind an
Anzapfungen von Teilwicklungen angeschlssen. Die am
Verbraucher
6 liegende Lastspannung läßt sich in analoger Weise verändern, wie es zu Fig. 1
und 2 ausführlich geschildert wurde.
-
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1.
Die Stromrichterventile 13 bis 15 bzw. 1G bis 18 jeder Gruppe sind mit Schaltern
24 bzw. 25 von den Anzapfungen 7 bis 9 bzw. 10 bis 12 abzuschalten und an die Anzapfungen
7a bis 9a bzw. 10a bis 12a von anderen Teilwicklungen anzuschalten. Dabei sind die
Teilwicklungen so bemessen, daß die an den Anzapfungen 7a bis 9a bzw. 10a bis 12a
anliegenden Spannungen kleiner sind als die Spannungen, die an den Anzapfungen 7
bis 9 bzw. 10 bis 12 liegen. Damit läßt sich in einfachster Weise der Steuerbereich
für die Lastspannung erweitern, wobei selbstverständlich mehrere Umschalter vorgesehen
sein können. In Fig. 5 ist die Last spannung UL einer Schwingungsperiode dargestellt.
Dabei zeigt die Fig. 5a eine Schaltstellung, die der Fig. 4 und damit der Fig. 1
entspricht.
-
In Fig. 5b sind die Spannungsstufen der Lastspannung aufgetragen,
die man erhält, wenn man die Gruppen von Stromrichterventilen an die Anzapfungen
7a bis 9a bzw. 10a bis 12a umschaltet. Der Vergleich beider Kurvengruppen 19 bis
21 bzw.
-
19a bis 21a zeigt, wie die Anordnung zu bemessen ist, um einen stufenlosen
Übergang der Last spannung zwischen den beiden Schaltbereichen zu erhalten. Mit
der in Fig. 4 gezeigten Schaltstellung läßt sich die Lastspannung auf die Spannungsstufe
19 heruntersteuern. Dabei ist, wie bei Fig. 2 ausführlich dargelegt, nur noch eines
der Stromrichterventile jeder Gruppe stromführend und voll ausgesteuert. Für einen
stufenlosen uebergang muß nach dem Umschalten die Last spannung möglichst unverändert
sein. Es muß daher die Summe aller Lastspannungen die man erhält, wenn alle Stromrichterventile
voll
ausgesteuert sind, der Lastspannung vor dem Umschalten entsprechen.
Die Teilwicklungen 7a bis 9a bzw. 10a bis 12a sind daher so zu bemessen, daß die
Spannungsstufe 21a nach dem Umschalten der Spannungsstufe 19 vor dem Umschalten
entspricht. Werden mehrere Schaltstufen nach diesem Schema vorgesehen, so läßt sich
bei hoher Leistung mit einfachsten Mitteln die Lastspannung innerhalb eines Bereiches
von einigen 100 V steuern.
-
5 Patentansprüche 5 Figuren