DE2159030A1

DE2159030A1 - Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2159030A1
Application number: DE19712159030
Authority: DE
Inventors: Joseph M Urish
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-29
Publication date: 1972-06-22
Also published as: JPS4711175A; FR2115401A1; DE2159030B2; FR2115401B1; US3657633A; DE2159030C3; JPS5328607B1

Description

26; MOV. 1971

WESTINGHOUSE ' Erlangen,

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str. 50

Pittsburgh, Pa., USA

Unser Zeichens

VPA 71/8531 Soe/Ant

StroHirichteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Strorarichteranordnung mit über einen Steuersatz steuerbaren Stromrichterventileii in Umrichterschaltung, die einen Wechselstromverbraucher versorgt.

Bekannt sind beispielsweise aus den USA-Patent 3 491 282 Stromrichter, mit denen eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt werden kann und bei denen Hochfrequenzbrücken mit Modulation der Attsgangsgrundschwingung benutzt werden. Bekannt sind auch Stromrichter mit sinusförmiger Ausgangsspamiung« bei denen die Oberschwingungen neutralisiert werden und die mehrere einzelne Stromrichterstufen benötigen. Nachteilig sind die hohen Kosten für die schnellen Schaltelemente, die in der Eochfrequenzbrücke benötigt werden imd. die Forderung, daß für Jede der Stromrichters'tuifen der Schaltung zur Unterdrückung der Oberwellen ein gesonderter Ausgangstransformator vorzusehen ist.

Es "besteht die Auf ga'be, einen den genannten Anforderungen genügenden Stromrichter zu schaffen, für den keine schnellen Schaltelemente bzw. StrOfnricliterventile benötigt werden und bei dem die · Anzahl der Ausgangstransformatoren auf ein vertretbares Maß reduziert ist.

Erfindungfjgemäß wird diese Aufgabe dadurcla. gelöst _s daß wenigstens «wert Umrichter vorgesehen sind, daß der Verbraucher zwischen den Ausgängen der Umrichter liegt und daß mit dem Steuersatz die Stromrichtorventile so steuerbar sind, daß eine Folge von Differenz-

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Spannungen am Verbraucher liegt, die eine Spannung vorgegebener Wellenform approximiert. Vorteilhaft ist es für einen Stromrichter mit einem mehrphasigen Wechselspannungsausgang für jede Phase der Wechselspannung einen Umrichter vorzusehen.

Vorzugsweise ist wenigstens einer der Umrichter eine Brückenschaltung, deren Ausgänge über einen Spartransformator verbunden sind, wobei der Spartransformator einen verstellbaren Abgriff aufweist, der mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist. Der Betrag und die Polarität der in zeitlicher Folge nacheinander am Verbraucher liegenden Differenzspannungen kann so gewählt sein, daß eine sinusförmige ein- oder mehrphasige Wechselspannung mit geringem Oberschwingungsanteil approximiert ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter können billige Schaltelemente, beispielsweise Leistungstransistoren mit einer relativ niedrigen Schaltfrequenz benützt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Stromrichteranordnung, 'bei der alle Umrichter in Brückenschaltung ausgeführt sind und jede Brückenschaltung mit einem Spartransformator bzw. einer Saugdrosselspule mit einstellbarem Abgriff versehen ist. Die AbgriffStellungen dieser Spartransformatoren können so gewählt werden, daß mit dem Schaltspiel der Stromrichterventile der Brücken Differenzen zwischen verschiedenen Spannungen gebildet werden können.* Dabei entsprechen die erhaltenen Differenzspannungen den verschiedenen Kombinationen, die mit den mittels der Abgriffe eingestellten Wicklungsabschnitten der Spartransformatoren möglich sind und mit den Differenzspannungen wird eine sinusförmige Ausgangsspannung zwischen den Abgriffen der Spartransformatoren treppenförmig angenähert, die nur einen geringfügigen Oberwellenanteil enthält. Heben dem bereits erwähnten Vorteil der Verwendung billiger Schaltelemente wird mit dieser Anordnung der weitere Vorteil erhalten, daß die Zeit begrenzt ist. _s in der die volle Spannung an den Spartransformatoren liegt. Dies verkleinert den Induktionsfluß der Transformatoren und ermöglicht die Benützung relativ kleiner Transformatoren.

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Im folgenden wird der erfindungsgemäße Stromrichter beispielhaft anhand der 3?ig. 1-4 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:

Pig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Stromrichters ;

Pig. 2a, 2b das Schema der Wirkungsweise eines Stromrichters und 2c nach Pig. 1;

Pig, 5 und 4 Schaltbilder von anderen Ausführungsformeη

des erfindungsgemäßen Stromrichters.

In Pig. 1 ist die Schaltung eines erfindungsgemäßen Stromrichters mit zwei Umrichtern bzw. Zerhackern dargestellt. Jeder Umrichter besteht aus steuerbaren Stromrichterventilen, beispielsweise Leistungstransistoren Q₁ bis Q. bzw. Q₁- - Qg in Brückenschaltung B1 und B2 und besitzt je einen Spartransformator T1 und T2. Die Spartransformatoren T1 und T2 sind mit einstellbaren Abgriffen TP1 und TP2 ausgerüstet, die mit dem Wechselstromverbraucher L verbunden sind. Die Leistungstransistoren werden von einem Steuersatz gesteuert, der aus einer programmierten Auswahlschaltung und einem Taktgenerator 30 besteht, der Taktimpulse an die Auswahlschaltung 20 abgibt.

Die Porm der an der Last L liegenden Spannung, die aus verschiedenen Differenz- bzw. Teilspannungen zusammengesetzt ist, wird durch das Zusammenwirken der Übersetzungsverhältnisse der Spartransformatoren T1 und T2 mit der Ansteuerung der Transistoren durch die Auswahlschaltung 20 bestimmt, wobei das Übersetzungsverhältnis mit der Stellung der Abgriffe TP1 und TP2 gegeben ist.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise des in Pig. 1 dargestellten Stromrichters sei angenommen, daß mit der Stellung des Abgriffes TP1 ein Übersetzungsverhältnis von 15:85 für den Transformator T1 und mit der Stellung des Abgriffes TP2 ein Übersetzungsvor-

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hältnis yon 35:65 für den Transformator T2 gegeben sei. Hierzu ist anzumerken, daß die angegebenen Stellungen lediglich eine der gegebenen Möglichkeiten repräsentieren und daß eine Vielzahl anderer Kombinationen für die Übersetzungsverhältnisse gewählt werden kann. Mit diesen Übersetzungsverhältnissen können Differenzspannungen an die Last L gelegt werden, die bezogen auf Erdpotential 15 9^, 35 #, 50 #, 65 ^, 85 $> und 100 $ der Speisespannung Έγ,ρ betragen. Eine mit den genannten Übersetzungsverhältnissen erhaltene zusammengesetzte treppenförmige Spannung . zeigt die Kurve 1 der Fig. 2a. Mit dieser treppenförmigen Kurve wird eine Sinuswelle 2 angenähert. Eine Spannung entsprechend der Kurve 1 der Pig. 2a kann mit einem Schaltspiel erhalten werden, das für die Brücken B1 und B2 in Pig. 2b tabelliert ist. Beispielsweise wird die Teilspannung der positiven Halbwelle der Kurve 1, die 15 f° der Speisespannung E^₀ beträgt, dadurch erhalten, daß die Transistoren Q1 und Q4 der Brücke B1 und die Transistoren Q5 und Q7 der Brücke B2 angesteuert werden. Bei dieser Aussteuerung liegen am Abgriff TP1 85 $ der Speisespannung E-pp und am Abgriff TP2 100 # der Eingangs spannung E^₀. Damit erhält man an der Last L eine Differenzspannung, die + 15 # der Speisespannung E™ entsprechend der in Fig. 1 angegebenen Spannungspolarität beträgt. Die Teilspannung der negativen Halbwelle, die 15 i° der Eingangs spannung Ej.-, beträgt, wird erhalten, wenn die Transistoren Q2 und Q3 der Brücke B1 und die Transistoren Q6 und Q8 der Brücke B2 leitfähig sind. Mit dieser Aussteuerung erhält man eine Spannung am Abgriff TP1, die 15 9» der Speisespannung E™ beträgt und Erdpotential am Abgriff TP2. Am Verbraucher L liegt damit eine negative Spannung, die 15 i* der Eingangsspannung E™ beträgt. Die restlichen Teilspannungen der Treppenkurve der Fig. 2a erhält man in gleicher Weise mit dem Schaltspiel, das in Fig. 2b angegeben ist.

Die Frequenz der Taktimpulse für die Auswahlschaltung 20 ist beim Ausführungsbeispiel 30mal größer als die Ausgangsfrequenz

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des Stromrichters, wie sich durch Abzählen der Schaltfolge in Pig. 2b leicht feststellen läßt. Man kann jedoch der Schaltfolge der Fig. 2b entnehmen, daß die Aussteuerung der einzelnen Transistoren der Brücken mit einer erheblich niedrigeren Tastfrequenz erfolgt, wodurch die Schaltverluste erheblich verkleinert werden.

Außerdem sind die einzelnen Transistoren niemals der vollen Belastung ausgesetzt, wie aus der folgenden Aufstellung zu entnehmen ist:

Die Transistoren Q1 und Q2 führen 85 fo des vollen Laststromes;

die Transistoren Q3 und Q4 führen 15 i° des vollen Laststromes;

die Transistoren Q5 und Q6 führen 65 # des vollen Laststromes und

die Transistoren Q7 und Q8 führen 35 $ das vollen Lastromes.

Damit kann ein hochbelastbarer Stromrichter aufgebaut werden ohne daß man die Kosten und die Schwierigkeiten von parallelgeschalteten Stromrichterventilen bzw. Schaltelementen in Kauf nehmen.muß. Aus der Schaltfolge für die Transistoren, wie sie in Fig. 2b angegeben ist, folgt weiterhin, daß die Transformatoren T1 und T2 der vollen Speisespannung von 100 fo Ε^_β lediglich für

48° einer gesamten Periode von 360 C ausgesetzt sind. So erhält man beispielsweise im Transformator T1 einen positiven Induktionsfluß, während der Aussteuerung der Transistoren Q1 und Q2, einen negativen Induktionsfluß während der Aussteuerung der Transistoren Q2 und Q3 und keinen magnetischen Fluß während der Aussteuerung der Transistoren Q1 und Q3 oder Q2 und Q4. Diese Durchflutungsverhältnisse sind in der Fig. 2c dargestellt, für die die erwähnten Schaltstellungen herausgegriffen sind. Da jede Periode entsprechend Fig. 2b 30 Schaltabschnitte aufweist, beträgt die Länge jedes Schaltabschnittes 12°. Die Tatsache, daß der Transformator T1 die volle Spannung lediglich während vier aufeinanderfolgenden Schaltabschnitten führt,bestätigt, daß am Transformator T1 die volle Spannung lediglich während einer Länge von 48° einer Periode von 360° liegt. Die gleichen Über-

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legungen lassen sich "bezüglich des Transformators T2 anstellen. Damit werden die Anforderungen an die Transformatorwindungen, verglichen mit einem Transformator,an dem laufend die volle Spannung liegt, beträchtlich verkleinert. Es zeigte sich, daß mit einem erfindunsgemäßen Stromrichter gemäß Pig. 1 eine Ausgangsspannung von 400 Hz erhalten werden kann, wenn der Stromrichter mit Spartransformatoren ausgerüstet ist, die normalerweise für 1,6 ZHz geeignet sind.

Mit dem in Pig. 1 gezeigten Stromrichter läßt sich eine sinusförmige Aus gang s spannung aufbauen, die einen sehr kleinen Oberschwingungsanteil enthält, wie die folgenden Angaben zeigen:

Scheitelwert/Gleichspannung Verhältnis von

Obe rs chwingung zu Grundschwingung χ 100 $

Grundschwingung 1,035 0

3.Oberschwingung 0 0

5.Oberschwingung 0 0

7. Obe rs chwingung 0,0243 2,35 f°

9.Oberschwingung 0 0

11.Oberschwingung 0,00176 0,17$

13.Oberschwingung 0,0086 0,83 $

Der Modulationsgrad der Schaltung nach Pig. 1 beträgt 1,035. Dieser Modulationsgrad repräsentiert das Verhältnis der Eingangsspannung Eyjp zum Scheitelwert der erzeugten, sinusförmigen Ausgang sspannung. Übliche Modulationsgrade erreichen selten den Wert 1,1. Je höher der Modulationsgrad ist, desto niedriger ist der Spannungswert der Speisespannung, die zur Erzeugung einer bestimmten, sinusförmigen Ausgangsspannung benötigt wird. Daher wird die Größe der Spannung, der die Halbleiterbauelemente, beispielsweise die Transistoren eines Schaltkreises ausgesetzt sind, mit einem hohen Modulationsgrad verkleinert.

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Ausgangafilter F kann zum Sieben der zusammengesetzten, sinusförmigen Ausgangsspannung der Fig. 2a benutzt werden. Man erhält _it einem solchen Filter eine Sinusspannung, wie sie in Kurve dargestellt ist.

Andere Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 3 und 4 Bchematisch gezeigt. .

ei Stromrichter 40 nach Fig. 3 enthält einen Umrichter, in dem Stromrichterventile in einer Brückenschaltung FD1 geschaltet sind und einen zweit · umrichter, mit Stromrichterventilen in Mittelpunkt schal mg i '< die Stromrichterventile sind Leistungstransistoren. Die Ausgänge der Brückenschaltung FB1 sind mit einem Spartransformator T3 verbunden, der einen einstellbaren Abgriff besitzt, der mit einem Anschluß der Last L verbunden ist. Der andere Anschluß des Verbrauchers L ist mit dem Ausgang der Mittelpunktschaltung HB verbunden. Die Anzahl der Differenz- bzw. Teilspannungen, aus denen die Ausgangsspannung des Stromrichters 40 treppenförmig zusammengesetzt ist, ist kleiner als die Anzahl der Teilspannungen, die man bei einem Stromrichter nach Fig. 1 enthält. Dies folgt aus der verkleinerten Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten im Schaltspiel der Transistoren Q des Stromrichters 40.

Als Beispiel für einen mehrphasigen Stromrichter ist in Fig. 4 ein Stromrichter 40 mit 3 Phasenausgang A, B und C dargestellt. Der Stromrichter 40 enthält für jede Phase einen Umrichter mit Stromrichterventilen Q in Brückenschaltungen FB2, FB3 und FB4. Jeder Bruckenschaltung ist ein Spartransformator T4, T5 und T6 zugeordnet. Treppenförmig zusammengesetzte,, sinusförmige Spannungen werden zwischen den Transformatorabgriffen A, B und C in" Abhängigkeit von der Stellung der Abgriffe A, B und C und der Schaltfolge für die Transistoren erhalten, wie es bereits beschrieben wurde . Wegen der zusätzlichen Phasenbeziehungen, - die

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"bei einem dreiphasigen Stromrichter "bestehen und wegen des
Spannungsbeitrages jeder Brücke zur Yfellenform der Spannung der anderen Brücken und damit der Ausgangsspannung muß die Stellung der Abgriffe der 3 Transformatoren T4, T5 und T6 die gleiche
sein.

Es ist zu erwähnen, daß der erfindungsgemäße Stromrichter nicht auf die beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise kann mit der Auswahlschaltung 20 ein Schaltspiel mit unterschiedlicher Impiilsdauer ausgelöst sein oder es kann anstelle einer vorprogrammierten Auswahlschaltung zur
Steuerung der Stromrichterventile eine Regeleinrichtung vorgesehen sein.

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Patentansprüche

ί 1.JStromrichteranordnung mit über einen Steuersatz steuerbaren Stromrichterventilen in Umric leerschaltung, die einen Wechselstromverbraucher versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Umrichter (B,FB,HB) vorgesehen sind, daß der Verbraucher (L) zwischen den Ausgängen der Umrichter liegt und daß mit dem Steuersatz (20,30) die Stromrichterventile (Q) so steuerbar sind, daß eine Folge von Differai zspannungen am Verbraucher liegt, die eine Spannung vorgegebener Wellenform approximiert.

2. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 mit einem mehrphasigen Wechselspannungsausgang, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase der Wechselspannung ein Umrichter (FB) vorgesehen ist.

3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Umrichter (B,FB,HB) eine Brückenschaltung (B,FB) ist, deren Ausgänge über einen Spartransformator (T) verbunden sind und daß der Spartransformator einen verstellbaren Abgriff (TP) aufweist, der mit einem "Anschluß des Verbrauchers (L) verbunden ist.

4. Stromrichteranordnung nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der an jedem Spartransformator (T) liegenden Spannung dem Betrag der Speisespannung entsxrricht.

5. Strornr leiteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem verstellbaren Abgriff (TP) der Spartransformator (T) in zwei Wicklungsabsohnitte unterteilt wird, an denen je eine Spannung vorgegebenen Betrages liegt.

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Claims

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6. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenform eine Sinuswelle mit positiver und negativer Halbwelle vorgegeben ist, und daß die Folge von Differenzspannungen am Verbraucher (L) die Sinuswel Ie mit geringem Oberschwingungsanteil approximiert.

7· Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag und die Polarität der
Differenzspannungen am Verbraucher (L) so gewählt ist, daß
eine mehrphasige Wechselspannung approximiert ist.

8. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß ein Filter (F) schaltungsmäßig
zwischen den Ausgängen der Umrichter (B) und den Anschlüssen des Verbrauchers (L) liegt.

9. Stromrichteranordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Abgriffes (TP) bei allen Spartransformatoren (S) die gleiche ist.

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