DE2003638C3 - Schaltungsanordnung zur Bildung einer steuerbaren Wechselspannung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Bildung einer steuerbaren Wechselspannung an einem Verbraucher, der an der Sekundärwicklung eines Transformators liegt, dessen Primärwicklung mit Endanschlüssen und Anzapfungen versehen ist, die über gesteuerte Stromrichterventile an eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Fig. 2 der britischen Patentschrift 10 78 114 bekannt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist ein Transformator vorgesehen, dessen Sekundärwicklung einen Verbraucher speist und dessen Primärwicklung eine am einen Endanschluß gelegene Anzapfung aufweist. Dieser Endanschluß und die Anzapfung sind jeweils über eine Antiparallelschaltung von zwei steuerbaren Ventilen mit einer Anschlußklemme einer Wechselspannungsquelle verbunden. Die andere Anschlußklemme der Wechselspannungsquelle ist direkt an den anderen Endanschluß der Primärwicklung angeschlossen. Die beiden Antiparallelschaltungen der gesteuerten Ventile wirken wie ein zweistufiger Umschalter. In jeder Halbwelle der speisenden Wechselspannung wird der Umschalter einmal betätigt, so daß sich bei jedem Umschaltpunkt ein Sprung im Verlauf der sekundärseitigen Wechselspannung ergibt.

Bei Schaltungsanordnungen mit steuerbaren Stromrichterventilen treten gelegentlich Fehlzündungen auf, H h ein Stromrichterventil erhält versehentlich zu einem falschen Zeitpunkt ein Zündsignal. Ergibt sich bei der bekannten Schaltungsanordnung eine solche Fehlzündung eines Stromrichterventils am Endanschluß oder an der Anzapfung, während das ihm an der Anschlußklemme der Primärwicklung gegengeschaltete Stromrichterventil an der Anzapfung bzw. am Endanschluß gerade Strom führt, so kann über die beiden nunmehr gezündeten Stromrichterventile und die durch die Anzapfung abgegriffene Teilwicklung der Primärwicklung ein hoher Kurzschlußstrom fließen. Dieser kann zur Zerstörung der beiden Stromrichterventile führen Insbesondere Halbleiterventile wie Thyristoren besitzen nur eine begrenzte Siromtragfähigkeit. Außerdem kann sich eine Überbeanspruchung des Transformators ergeben. UUi.-

Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebssicherheit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art im Hinblick auf die Fehlzündung von Stromrichterventilen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, daß der Transformator für jede Phase der Wechselspannung zwei gleichartig aufgebaute Primärwicklungen enthält wobei die Anzapfungen an beiden Primärwicklungen so gelegt sind, daß an einander entsprechenden Teilwicklungen im wesentlichen dem Betrag nach gleiche Spannungen liegen, daß jeder der beiden Primärwicklungen eine Gruppe von Stromnchtervenülen oder Stromrichterventilsystemen zugeordnet ist, die in Stromflußrichtung gleichsinnig einerseits an einen Endanschluß und an die Anzapfungen und andererseits an eine gemeinsame Klemme geschaltet sind, und daß die beiden Reihenschaltungen aus je einer Primärwicklung und der zugehörigen Gruppe von Stromrichterventilen oder Stromrichterventilsystemen sowohl bezüglich der Stromflußrichtung dieser Stromrichterventile oder Stromrichterventilsysteme als auch bezüglich des Wickelsinnes der Primärwicklungen gegensinnig parallel geschaltet sind. . .

Bei dieser Schaltungsanordnung ergibt sich infolge der Verwendung von zwei galvanisch getrennten Primärwicklungen bei gezündeten Stromrichtcrventilen für die eine Stromrichtung bei einer Fehlzündung von Stromrichterventilen für die andere Stromrichtung weder eine Überlastung des Transform?torr, noch eine Überbeanspruchung der gezündeten Stromrichterventile. Eine solche Fehlzündung hat keine nachteiligen Folgen, da das fehlgezündete Stromrichterventil infolge seiner Polung zur momentanen Eingangsspannung keinen Stromfluß zuläßt.

Weiden bei er erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 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 diejenigen 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 Stromrichterventile erhält der Verbraucher die volle Halbschwingung der Eingangswcchselspannung, und es wird nur die Höhe der Spannung begrenzt. Dabei tritt keine Phasenverschiebung zwischen Laststrom und Eingangs-

strom auf, und man erhält einen entsprechend guten Lei tungsfaklor der Schaltungsanordnung. Zusätzlich kann jedoch auch innerhalb der Spannungsstufen durch verzögerte Zündung der entsprechenden Stromrichierventile innerhalb der Halbschwingung die Spannungszei'flächc verändert werden. Man erhalt dann jeweils nur einen Spannungssprung von einer zur nächsten Spannungsstufe. Da Spannungssprünge in den Spannungszeitflächen jeweils nur zwischen benachbarten Stufen auftrett.i, ist auch der Oberschwingungsgehalt im Verbraucherstrom entsprechend gering. Somit können Rückwirkungen auf das speisende Wechselstromnetz weitgehend vermieden werden.

Um am Verbraucher die volle Halbschwingung der Eingangswechselspannung zu belassen, ist es günstig, eines der Stromrichterventile jeder Gruppe voll ausgesteuert zu lassen.

Vorteilhaft ist es, für jede Gruppe von Stromrichtervcntilen einen Schalter vorzusehen, mit dem wenigstens eines der Stromrichterventile von der Anzapfung einer Teilwicklung auf die Anzapfung einer anderen Teilwicklung umschaltbar ist. Es können mit einem Schalter alle Stromrichterventile wenigstens einer Gruppe umschaltbar sein. Durch diese Umschaltung der Stromrichterventile von größeren auf kleinere Spannungsstufen, und umgekehrt, kann der mit der Steuerung überdeckbare Spannungsbereich erweitert werden. Um einen stetigen Übergang beim Umschalten sicherzustellen, sind vorzugsweise die Teilwicklungen so bemessen, daß in einer Schaltstellung bei Vollaussteuerung aller Stromrichterventile die Summe der Lastspannungen gleich oder kleiner als die Lastspannung ist, die in der anderen Schaltstellung mit einem einzigen voll ausgesteuerten Stromrichterventil erzeugbar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann allgemein zur Stromversorgung von Anlagen zur elektrischen Beheizung eingesetzt werden. Insbesondere ist sie für solche Verbraucher anzuwenden, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Dies gilt beispielsweise für Zonenziehanlagen oder für Anlagen zur Oberflächenbehandlung von Drähten oder Bändern, bei denen jeweils ein Abschnitt eines Drahtes oder Bandes beheizt wird. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind widerstandsbeheizte Vakuumöfen, die beispielsweise zum Härten von Material verwendet werden. In allen Fällen kann der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Gleichrichter nachgcschaltet sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt die Schaltung einer Anlage zur Speisung eines Verbrauchers. Ein Transformator 1 ist an die Klemmen 2 einer einphasigen Wechselspannungsquelle angeschlossen. Der Transformator ί besitzt zwei Primärwicklungen 3 und 4 und eine Sekundärwicklung 5. Die Ausgänge der Sekundärwicklung 5 sind über einen Verbraucher 6, der 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 de Wechseispannungsquclle angeschlossen. Die Stromrichterventile 13 bis 15 bzw. 16 bis 18 jeder Gruppe sind einseitig parallel geschaltet und ipwpilx mit einer der Anzapfungen 7 bis 9 bzw. 10 bis 12 einer Teilwicklung verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist an die Anzapfungen 7 bis 9 und 10 bis 12 der Teilwicklungen der Primärwicklungen 3 bzw. 4 nur jeweils ein einziges Stromrichterventil angeschlossen. An jede der Anzapfungen kann jedoch bei größerer Leistung auch eine Ventilgruppe mit einer Reihen- oder Parallelschaltung von Stromrichterventilen angeschlossen sein.

Die Teilwicklungen sollen so ausgestaltet sein, daß entsprechende Stromrichterventile der Ventilgruppcn, beispielsweise die Stromrichterventile 13 und 16, jeweils Spannungen gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung (im Beispiel Spannungen U\ und - U\) erhalten. Entsprechendes gilt für die Stromrichterventile 14 und 15 sowie 17 und 18 und die Spannungen Ui, U3 bzw. —L/2, — Ui. In der einen Halbschwingung der Eingangswechselspannung erhält deshalb beispielsweise die Primärwicklung 3 des Transformators 1 über die Stromrichterventile 13 und 15 eine Spannungszeitfläche, die dem Verbraucher 6 zugeführl wird. Entsprechend erhält in der entgegengesetzten Halbschwingung der Eingangsvechselspannung die Primärwicklung 4 des Transformators 1 über die Stromrichterventile 16 bis 18 eine Spannungszeitfläche, die dem Verbraucher 6 zugeführt wird.

In F i g. 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 Ib bis 18 veränderbar ist. Dabei ist Kurve 19 die Lastspannung, die am Verbraucher 6 abfällt, wenn nur die Stromnchterventile 13 und 16 bei Vollaussteuerung Strom führen. Kurve 20 und 21 ist jeweils die Summe der Lastspannungen, die man erhält, wenn die Stromnchterventile 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 bei Vollaussteuerung immer die vollen Halbschwingungen der Eingangswechselspannung erhält. Phasenverschiebungen zwischen Verbraucherstrom und Eingangsspannung treten daher nicht auf, und der Leistungsfaktor ist hoch. Der Leistungsfaktor würde sich verschlechtern, falls bei gesperrten Stromrichterventilen 14,15 und 17, 18 der Stromrichterventile 13 und 16 nicht voll ausgesteuert wären, da dann eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom nicht mehr zu vermeiden ist. Die Schaltungsanordnung ist daher vorzugsweise so auszulegen, daß die Kurve 19 der kleinsten benötigten Lastspannung entspricht.

Durch Zündeinsatzsteuerung der Stromrichterventil^ 14,15 und 17,18 kann die gesamte Spannungszeitfläche der Lastspannung Ul jeweils von einer Spannungsstufe stufenlos in eine andere überführt werden. In F i g. 2 sind die Zündwinkel «1 und <x₂ der Stromrichterventil 14 und

17 eingetragen und die resultierenden Spannungszeitflächen schraffiert dargestellt. Durch Verzögerung oder Verkleinerung der Zündwinkel «i und «2 kann die Spannungszeitfläche zwischen den Kurven 19 und 20 kontinuierlich überstrichen werden. Dabei ist zu betonen, daß man beim Zünden eines der Stromrichterventile 14, 15 und 17, 18 jeweils nur einen Spannungssprung von einer Spannungsstufe, beispielsweise der Kurve 19, zur nächsten, beispielsweise der Kurve 20, erhält, während weiterhin die vollen Halbschwingungen der kleineren Kurve (im Beispiel Kurve 19) am Verbraucher 6 anliegen. Phasenverschiebungen treten also auch hierbei hinsichtlich der kleineren Kurve nicht auf. Bei diesen Spannungssprüngen bleibt der Oberwel-

engehalt des Verbraucherstromes äußerst gering.

Eine Betrachtung von Fi g. 1 ergibt, daß bei gezündetem Stromrichterventil für die eine Stromrichtung eine Fehlzündung eines Slromriehterventils für die andere Stromrichtung keine Überlastung des Transformators 1 oder der Stromrichterventile zur Folge hat. In einem ersten Betriebsfall sei das Stromrichterventil 17 gezündet. Dann fließt ein Strom von der linken Klemme 2 über die rechte Teilwicklung der Primärwicklung 4, die Anzapfung 11, das Stromrichterventil 17 und die rechte Klemme 2. Wird nun versehentlich das Stromrichterventil 13 gezündet, so hat das keine nachteiligen Folgen. Denn dieses Stromrichterventil 13 läßt wegen seiner Polung zur momentanen Eingangswechselspannung keinen Stromfluß zu. Mit anderen Worten: F.inc Fehlzündung führt weder zu einer Überlastung des gerade stromführenden Stromrichterventil«; 17 noch zu einer Überbeanspruchung des Transformators 1. Die dargestellte Schaltungsanordnung ist gegenüber Störungen der erwähnten Art sicher.

Das gilt auch für einen zweiten Betricbsfall, bei dem zunächst das Stromrichterventil 14 gezündet ist, so daß sich ein Stromfluß auf dem Wege 2, 3, 8, 14, 2 einstellt. Wird nun das Stromrichterventil 16 versehentlich gezündet, so ergeben sich wiederum keine nachteiligen Folgen. Dieses Stromrichterventil 16 läßt nämlich ebenfalls wegen seiner Polung zur momentanen Eingangsspannung keinen Stromfluß zu. Die dargestellte Schaltungsanordnung ist also auch gegenüber einem solchen Störungsfall sicher.

In F i g. 3 ist die Stromversorgung eines Verbrauchers 6 aus einer Drehstromquelle mit den Phasen R. 5 und 7" dargestellt. Der Verbraucher 6 ist über einen Gleichrichter 22, zu dem Dioden 23 in Brückenschaltung zusammengefaßt sind, an die Sekundärwicklung 5;) bis 5c eines Dreiphasen-Transformators angeschlossen. Der Dreiphasentransformator besitzt pro Phase zwei Primärwicklungen 3a bis 3c und 4;) bis 4c. Jeder Primärwicklung ist eine Gruppe von steuerbaren, einseitig parallelgeschaltctcn Stromrichtcrvcntilcn 14.7, 15.1 bis 14c, 15c bzw. 17a, 18a bis 17c, 18c zugeordnet. Diese Slromrichtcrvcntilc sind an Anzapfungen von Teilwicklungen angeschlossen. Die am Verbraucher 6 liegende Lastspannungen läßt sich in analoger Weise verändern, wie es zu F i g. 1 und 2 ausführlich geschildert wurde.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. I. Die Slromrichterventile 13 bis 15 bzw. 16 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 Teil wicklungen anzuschalten, Dabei sind die Teilwickliingcn so bemessen, daß die an den Anzapfungen 7a bis 9a bzw. 10a bis 12a anliegenden ίο 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 F i g. 5 ist die zu F i g. 4 gehörige Lastspannung Ui. für eine Schwingungsperiode dargestellt. Dabei zeigt F i g. 5a die Lastspannung Ui. für eine Schaltstellung, die der in F i g. 4 eingezeichneten und damit derjenigen von F i g. 1 entspricht. In F i g. 5b sind die Spannungsstufen der Laslspannung Ui. aufgetragen, die man erhält, wenn man die Gruppen von Stromrichlcrventilen 13 bis 15 und 16 bis 18 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 Schaltungsanordnung zu bemessen ist, um einen stufenlosen Übergang der Lastspannung U_t. zwischen den beiden Schaltbereichen zu erhalten. Mit der in Fig.4 gezeigten Schaltstellung läßt sich die Lastspannung Ui. auf die Spannungsstufe 19 hcrunterstcuern. Dabei ist, wie bei Fig. 2 ausführlich dargelegt, nur noch eines der Stromrichterventile jeder Gruppe stromführend und voll ausgesteuert. Für einen stufenlosen Übergang muß nach dem Umschalten der Schaltung 24, 25 die Lastspannung Ui. 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, dal! die Spannungsstufc 21a nach dem Umschalten dei Spannungsslufc 19 vor dem Umschalten entspricht Werden mehrere Sehaltstufen nach diesem Sehern; vorgesehen, so läßt sich bei hoher Leistung mi einfachen Mitteln die Lastspannung innerhalb eine: Bereiches von einigen 100 V steuern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Bildung einer steuerbaren Wechselspannung an einem Verbraucher, der an der Sekundärwicklung eines Transformators liegt, dessen Primärwicklung mit Endanschlüssen und Anzapfungen versehen ist, die über gesteuerte Stromrichterventile an eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, düß der Transformator (1) für jede Phase der Wechselspannung zwei gleichartig aufgebaute Primärwicklungen (3, 4; 3.7, 4a, 3b, 4b, 3c, 4c) enthält, wobei die Anzapfungen (8, 9 und 11, 12; 8, 9, 7 a, 8a, 9;; und 11, 12, 10a, Ua, 12a,/ an beiden Primärwicklungen so gelegt sind, daß an einander entsprechenden Teilwicklungen im wesentlichen dem Betrag nach gleiche Spannungen liegen, daß jeder der beiden Primärwicklungen (3, 4; 3a, 4a, 3b, 4b, 3c, 4c) eine Gruppe von Stromrichterventilen (13,14,15 bzw. 16, 17,18; 14a, 15a bzw. 17a, 18a sowie 140,15febzw. 176, \8b sowie 14c, 15c bzw. 17c, 18c^oder Stromrichterventilsystemen zugeordnet ist, die in Stromflußrichtung gleichsinnig einerseits an einen Endanschluß (7 bzw. 10) und an die Anzapfungen (8,9 bzw. 11,12; 8, 9,7a, 8a, 9a bzw. 11,12,10a, 12a^ und andererseits an eine gemeinsame Klemme (2, 2; R, S, T) geschaltet sind, und daß die beiden Reihenschaltungen aus je einer Primärwicklung (3,4; 3a, 4a, 3b, 4b, 3c, 4c) und der zugehörigen Gruppe von Stromrichterventilen oder Stromrichterventilsystemen sowohl bezüglich der Stromflußrichtung dieser Stromrichterventile oder Stromrichterventilsysteme als auch bezüglich des Wickelsinnes der Primärwicklungen (3,4; 3a, 4a. 3b, 4b, 3c, 4c)gegensinnig parallel geschaltet sind.