DE2017933C3 - Stromrichteranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I. Eine solche Stromrichteranlage ist aus der GB-PS 10 23 950 bekannt.

Die /um Stand der Technik zählenden Stromrichter- « anlagen sind zumeist entsprechend dem Blockschallbild nach Fig. I aufgebaut. Hierin bedeuten I einen Stromrichtertransformator. 2 eine Vcntilschallung, 3 einen Spannungswandler, 4 ein Zeitrcfcrcnzspannungsgcräl. 5 einen Vergleicher. 6 einen Impulsgeber, Usi eine w> Sicticrspannung und mein m-phasigcs Spciscneiz.

Der Stromrichlertransformator dient zur Spannungsübersctzung und zur galvanischen Trennung zwischen einem /»-phasigen Netz und der Gleichrichteranordfiung. F.r hat eventuell mehrere sekundäre Wicklungssy- μ sicrnc und seine Strciiinduktivität wirkt als Kommutic· riingsincluktivität zur Begrenzung des Stromanstiegs bei den Kommutiercn. Ist nur diese Funktion notwendig, kann er auch durch Drosseln ersetzt werden. Die Spannungen des Wechselstromnetzes werden über Spannungswandler 3 einem Zeitreferenzspannungsgerät 4 zugeführt, in dem daraus die Zeitreferenzspannung gebildet wird.

Die Zeitreferenzspannung wird in einem nachgeschalteten Vergleicher 5 mit einer Steuerspannung L/» verglichen. Sind die beiden Spannungen gleich groß, so wird die Ventilschaltung 2 über den Impulsgeber 6 gezündet.

Der Zündzeitpunkt und damit die Ausgangsgleichspannung ist vom Verlauf der Zeitreferenzspannung und von der Höhe der Steuerspannung abhängig. Die Steuerspannung Usi kann dabei von einem Regelgerät variiert werden, das die infolge von Laständerungen auftretenden Gleichspannungsschwankungen ausgleicht.

Die bekannten, gesteuerten Gleichrichteranordnungen arbeiten jedoch nur dann einwandfrei, wenn das speisende Netz eine Spannungsquelle mit geringer Innenreaktanz ist, so daß die sinusförmigen Spannungen weder vom eigenen, noch von anderen Stromrichtern gestört werden. Ist dagegen die Innenreaktanz des speisenden Netzes relativ hoch, überlagern sich den Wechselspannungen die von den Stromrichtern verursachten Kommutierungseinbrüche. Dies führt zu einer ungewollten Veränderung der Ausgangsgleichspannungen.

Zu dem gleichen Störeffekt kommt es bei einer Kopplung zwischen den Kommutierungsinduktivitäten mehrerer Stromrichter. Eine Kopplung kann im Stromrichtertransformator und in der Zuleitung zum Stromrichter auftreten und zum Beispiel bei Traktionsanwendungen hohe Werte aufweisen.

Besonders groß ist der Störeinfluß, wenn mehrere Stromrichter über einen gemeinsamen Stromrichtertransformator betrieben werden, wie dies bei unabhängig gesteuerten Brückenhälften der Fall ist. Wenn nämlich die Kommutierungen der beiden Brückenhälften ganz oder teilweise gleichzeitig verlaufen, bestimmt die mit dem kleineren Zündwinkel betriebene Brückenhälfle auch die Ausgangsgleichspannung der zweiten Brückenhälfte; es sind dann die Ausgangsspannungen gleich groß, das heißt, die mit dem größeren Zündwinkel arbeitende Steuerung ist wirkungslos.

Um diese Störeinflüsse zu reduzieren, können in bekannter Weise in die wechselstromseitigen Zuleitungen zusätzliche Induktivitäten eingebracht werden; üblicherweise sind dies nur die Streuinduktivitlten der Stromrichter-Trafos. Der Störeffekt wird dadurch zwar etwas vermindert, aber nicht behoben. Zudem erhöhen solche Induktivitäten den Spannungsabfall und den Blindleislungsbedarf, weshalb sie nicht zu groß werden dürfen.

Die durch die vorgenannten Störungen verursachten Glcichspannungsänderungcn müssen jedoch in bekannter Weise durch Regeleinrichtungen ausgeglichen werden, die über die Stcuerspannung Us₁ den Zündzeitpunkt beeinflussen. Die Phasenlage der Referenzspannung ist infolge der Induktivitäten vom Zündwinkcl des Stromrichters abhängig. F.ine Veränderung des Ziindwinkcls durch das Rcgelgeräi bewirkt demnach eine weitere Zündwinkelverstcllung und so weiter. Es entsteht also eine Rückkopplung, die Unstabilitäien zur Folge haben kann, was einen zusätzlichen Nachteil darstellt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Stromrichteranlage der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die

Nachteile des Bekannten nicht aufweist und welche die Ausgangsgleichspannung unabhängig von Störungen des speisenden Netzes liefert.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. ■;

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß bei dieser Stromrichteranlage die Ausgangs-Gleichspannung unabhängig von Störungen des speisenden Netzes konstant ist Daher kann auf die teuren und Verluste verursachenden Zusatzinduktivitäten verziehtet werden.

Anhand eingehender theoretischer und praktischer Untersuchungen hat sich gezeigt, daß bei dieser Stromrichteranlage die resultierende Gleichspannung im nicht lockenden Betrieb genau proportional dem !■> Produkt aus Steuerspannung und Netzfrequenz ist.

Die Phasenzahl darf beliebig sein.

Eine verteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten AusfOhrungsformen erläutert, wobei auch weitere Vorteile genannt werden. Es zeigt

Fig. 1 eine eingangs beschriebene, zum Siand der Technik zu zählende Einrichtung,

Fig. 2 erfindungsgemäße Einrichtungen, die von einem gemeinsamen Stromrichtertransformator gespeist werden,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung am Beispiel einer 3-pulsigen Mittelpunktschaltung,

Fig.4a bis d die zugehörigen, zur Erläuterung dienenden Spannungs-Zeit-Diagramme im Betrieb mit Fremdstörung,

Fig.5 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung.

In der Zeichnung sind jeweils gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Diese Bezugszeichen bedeuten:

1 einen Stromrichtertransformator, 2 eine Ventilschaltung, 3 einen Spannungswandler, 4 ein Zeitreferenzspannungsgerät, 5 einen Vergleicher, 6 einen Impulsgeber, 7 einen elektronischen Integrator, 8 eine Addierstufe, 9 eine Ladediode, 10 einen Speicherkondensator, 11 eine Entladeschaltung, 12 eine Entladediode, U_s, die Steuerspannung und mdas /n-phasige Speisenetz.

Wie die F i g. 2 erkennen läßt, besteht die Anordnung darin, daß das zum Vergleich mit der Steuerspannung Usi gelangende Signal des Geräts 7 durch Integration der an den Sekundärwicklungen des Stromrichtertransformators 1 abgegriffenen Spannungen über die Zeit gewonnen wird.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung sei an Hand der F i g. 3 und der zugehörigen Diagramme der Fig.4 erläutert. Der Übersichtlichkeit wegen beschränkt sich die Zeichnung auf jene Details, « die zur Beschreibung des Zündvorganges des Ventils 25 erforderlich sind.

In Abhängigkeit von der Zeit sind mit gleichem Zeitmaßstab in der F i g. 4 dargestellt:
unter a) die drei Phasenspannungen Uh, Us, Ur m>

unter b) als Beispiel, die verkettete Spannung

U_n-Ti= Us- lh

untere) das Integral der verketteten Spannung Us— Uh in der Form μ

Umi = - J/Act* ■ At

unter d) die Ausgangsspannung des Stromiichters, wobei die resultierende Gleichspannung der Summe der schraffierten Flächen entspricht.

Über den Spannungswandler 3rs (F i g. 3) wird derr. elektronischen Integrator 7 die verkettete Spannung Us — Uh zugeführt. Als Integrator kann z. B. ein in geeigneter Weise geschalteter Kondensator oder ein geeigneter elektronischer Rechner verwendet werden.

In einem Vergleicher 5 wird die Ausgangsspannung U,„i des Integrators 7 Uj_n, mit der Steuerspannung Us, verglichen. Bei gleicher Größe dieser Spannungen innerhalb der Zündbereichsgrenzen wird über den Impulsgeber6das elektrische Ventil 25gezündet.

Die Zündbereichsgrenzen ergeben sich daraus, daß das zu zündende Ventil im Zündzeitpunkt in Durchlaßrichtung gepolt sein muß. Mittels einer einfachen, aus der Digitaltechnik bestens bekannten Torschaltung kann diese Bedingung überwacht werden.

F i g. 4a zeigt den Verlauf der Phasenspannungen Ur, Usund Ut- Die Spannungseinbrüche zu den Zeitpunkten fi bis h, t·, bis tb, iq bis fm, t\ bis ti usw. sind auf die eingangs erwähnten Störungen, die -ntweder über ein Speisenetz mit hoher Innenreaktanz uder über die Kommutierungsinduktivitäten eingekoppelt werden, zurückzuführen. Zwar werden diese Einbrüche in der Praxis kaum so groß sein, jedoch durch diese etwas übertriebene Darstellung die Zeichnung übersichtlicher.

Die zu den Zeitpunkten tj bis u, ti bis Z₈, in bis ht, ti bis U usw. ersichtlichen Spannungseinbrüche werden von der Kommutierung des Stromrichters selbst verursacht; und zwar entsteht der Einbruch während der Zeitpunkte I₁ bis U dadurch, daß die Ventile 2R und 25 zugleich leitend sind. Die Ventile 25 und 2Tsind während des Zeitintervalls von ti bis lg gemeinsam leitend und zum Zeitpunkt /n bis Im sind die Ventile 2T und 2/? zugleich leitend. Ab i_s' wiederholt sich die Reihenfolge.

Die Summe der in Fig. 4d ersichtlichen schraffierten Flächenanteile ergibt, unter Beachtung der Vorzeichen, in bekannter Weise die resultierende Gleichspannung.

Eine Verringerung des negativen Flächenanteils, die durch die Spannungseinbrüche bei

/l I₂, Mt., fq/lO, Ii' ti

usw. verursacht wird, würde demnach zu einer Erhöhung der resultierenden Gleichspannung führen. Jedoch wird dies durch die erfindungsgemäße Zündeinrichtung völlig kompensiert, was sich aus nachfolgendem ergibt:

Während der Zeitspannen l\ bis (2, ti bis U usw. registriert der elektronische Integrator weder eine Zunoch Abnahme der durch die Kurve U,— Us — Uk in F i g. 4b mit der Zeitacnsc eingeschlossenen Fläche, wa^c durch den horizontalen Verlauf der Spannung U_1n, in F i g. 4 _■ i:i diesen Zeitintervallen zum Ausdruck kommt, während zu den Zeitpunkten h bis fe und ti bis /« usw. eine stärkere Änderung im Verlauf dieser Spannung zu beobachten ist. Aus dem Diagramm in Fig. 4c ist deutlich zu erkennen, daß infolge der Spannungseinbrüche die Zündunsr des Ventils 25 der stromübcrnehmcndcn Phase erst zum Zeitpunkt ti erfolgt (Schnittpunkt der Spannungen U_1n, mit Us,). also später als es bei ungestörtem Betrieb der Fall wäre. Diese verspätete Zündung hat eine Verringerung des positiven, schraffierten Flächcnantcils in Fi g. 4d zur Folge, derart, daß durch diese Verringerung die Reduzierung des negativen Flächcnanteils gerade kompensiert wird.

Dies steht im Einklang mit der bereits erwähnten Eigenart eines mit einer erfindungsgemkäßcn Zündein-

richtung betriebenen Stromrichters, wonach im nicht Kickenden Betrieb die resultierende Gleichspannung genau proportional ist dem Produkt aus Steuerspannung und Netzfrequenz.

Daraus erkennt man, daß die resultierende Gleichspannung in weiten Grenzen unabhängig ist von Schwankungen oder sonstigen Verzerrungen der speisenden Wechselspannung.

Pig. 5 zeigt eine Ergänzung der beschriebenen Zündeinrichtung, die besonders bei Zündeinrichtungen für halbgesteuerte Brücken vorteilhaft ist.

Ober eine Ladediode 9 wird der jeweilige Maximalwert der Spannung U_m, in den Speicherkondensator 10 eingespeist und in diesem bis zur nächsten Zündungsauslösting gespeichert.

|ede Störung der speisenden Spannung hat eine Änderung des Maximalwertes der Spannung (/„„ zur Folge. Damit die Spannung am Kondensator 10 diesen Änderungen folgen kann, wird der Kondensator 10 bei jedem Zündimpuls des Impulsgebers 6 von einer [Entladeschaltung It über die [Entladcdiodc 12 teilweise ■> entladen. Dabei kann die (Entladeschaltung Il vom Impulsgeber getriggert werden.

Die Spannung am Kondensator 10, die dem Maximalwert der Spannung ll,„, entspricht, wird in der Addierstufe B /u der veränderlichen Spannung U,„, in addiert.

Das Summcnsignal wird dann dem Vergleichcr 5 zugeführt, und der weitere Vorgang erfolgt in gleicher Weise wie bei der Zündeinrichtung nach F i g. 3.

Zur genauen Aufladung des Kondensators 10 für die i) Speicherung des Maximalwertes der Spannung H_1n,. kann die l.adediode 9 durch einen elektronischen Schalter ersetzt werden.

Hip.mi 1 Rlatt 7r.\chn\inocn

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Stromrichteranlage, die im Normalfall im Gleichrichterbetrieb arbeitet und gegebenenfalls in den Wechselrichterbetrieb umsteuerbar ist, deren 's steuerbare Ventile über einen Stromrichtertransformator an ein Ein- oder Mehrphasen-Wechselstromspeisesystem angeschlossen sind, wobei an einen wechselstromseitig angeschlossenen Spannungswandler eine Verarbeitungsstufe zur Bildung einer von der Phasenspannung oder der verketteten Spannung des Wechselstromspeisesystems abhängigen Vergleichsspannung angeschaltet ist, deren Ausgang an einen Eingang einer Vergleichsstufe geführt ist, an deren zweiten Eingang eine für den is Betrachtungszeitpunkt konstante Steuerspannung zur Festlegung des Zündzeitpunktes anliegt, wobei der Ausgang der Vergleichsstufe durch einen impulsgeber gebildet ist, der bei Übereinstimmung der Vergleichsspannungen ausgelöst wird und dieser Ausgang an die Steuerelektroden der zugehörigen steuerbaren Ventile der Stromrichteranlage geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Spannungswandlers (3) an eine Sekundärwicklung des Stromrichtertransformators (1) angeschlossen ist und die Verarbeitungsstufe als elektronischer Spannungsintegrator (7) zur fortlaufenden vorzeichenberücksichtigenden Integration ausgebildet ist (F i g. 2,3).

2. Stromrichteranlage nach Anspruch 1. dadurch jo gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Spannungsintegra^rs (7) über eine Diode (9) oder einen periodisch während jedsr Halbzelle der Speisespannung angesteuerten elektronischen Ladeschalter eine einen Speicherkondensatcr (10) aufweisende j5 Speichereinrichtung für den Maximalwert der Ausgangsspannung des Integrators (7) innerhalb einer Halbpcriode angeschaltet ist, daß der Speicherkondensator (10) nach jedem Zündimpuls über eine Entladediode (12) von einer Entladeschaltung (11) entladen wird, wobei der mit dem momentanen Integrierwert beaufschlagte Ausgang des Integrators (7) an den einen, der Ausgang dei Speichereinrichtung an den anderen Eingang einer zwischen Integrator (7) und Vergleicher (5) vorgesehenen Spannungsaddierschaltung (8) angeschlossen ist.