DE2159397A1

DE2159397A1 - Anordnung zur speisung eines gleichstrom- oder gleichspannungsverbrauchers

Info

Publication number: DE2159397A1
Application number: DE2159397A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Depenbrock
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1971-11-30
Filing date: 1971-11-30
Publication date: 1973-06-14
Also published as: DE2159397B2; CH543830A; AT322045B; DE2159397C3; SE380946B

Description

"Anordnung zur Speisung eines Gleichstrom-oder Gleichspannungsverbrauchers" Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Speisung eines Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers aus einem ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsnetz mit einem oberschwingungsfreien Strom, welcher in Phase mit der Netzspannung ist.
Zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern aus einem Wechselspannungsnetz werden bekanntlich gesteuerte Gleichrichter verwendet, denen Glättungseinrichtungen nachgeschaltet sind.
Die bekannten gesteuerten Gleichrichter haben indessen den Nachteil, daß die aus, dem Wechselspannungsnetz entnommenen Ströme gegenüber der Netzspannung phasenverschoben sind und-zudem Oberschwingungen aufgrund eines nicht-sinusförmigen Verlaufs aufweisen. Die dadurch verursachte Verschiebungs - und Verzerrungsblindleistung führt zu einer erhöhten Belastung des Wechselspannungsnetzes, was insbesondere bei leistungsschwachen einphasigen Bahnnetzen nachteilig ist. Außerdem treten durch die Oberschwingungen des dem Netz entnommenen Stroms Störungen von Signal- und Fernrneldeanlagen auf.
Zur Kompensation der Phasenverschiebung des Netzstroms ist es bekannt (Elektrische Bahnen, Heft 6j 197i,-S.130-135), vor dem gesteuerten Gleichrichter Phasenschieber (Kondensatoren) anzuordnen sowie zusätzliche Kombinationen aus Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände zur Verbesserung der Kurvenform des Netzstroms vorzusehen.
Obwohl durch diese Maßnahme die Belastung des Wechselspannungsnetzes verringert werden kann, ist der Leistungsfaktor des Netzes cos f stets kleiner als der gewünschte Wert 1.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, die eine Speisung eines Gleich-stromverbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz mit einem oberschwingungsfreien Strom ermöglicht, welcher in Phase mit der Netzspannung ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch.gelöst, daß die Anordnung einen Vollwellengleichrichter , eine Glättungseinrichtung einen Halbleitersteller und ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Filter enthält.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Filter ein parallel zu. dem Verbraucher angeordneter LC-Serienschwingkreis vorgesehen und der Halbleitersteller ist parallel zu dem Verbraucher angeordnet.
Bei einem weiteren,Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein in Serie zu dem Verbraucher angeordneter LC-Parallelschwingkreis vorgesehen und der Halbleitersteller ist in Serie zu dem Verbraucher angeordnet.
In bevorzugter Weise ist der Hälbleitersteller unmittelbar vor oder nach dem Vollwellengleichrichter angeordnet.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Filter unmittelbar vor dem Verbraucher angeordnet.
Eine Möglichkeit besteht darin, daß der iialbleitersteller und der Vollwellengleichrichter teilweise gemeinsame Ventilzweige aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung des Halbleiterstellers in der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß der Halbleitersteller im Fulsbetrieb getastet wird, wobei der Mittelwert der Ausgangsgröße (Spannung bzw.
Strom) aus einem Gleichanteil und- einem sinusförmigen Anteil mit der doppelten etzfrequenz zusammengesetzt ist.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt: Fig. la bis d Zeitdiagramme des Gleichstroms bzw. der Gleichspannung einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 2a bis d Zeitdiagramme des Gleichstroms bzw. der Gleichspannung einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild einer ersten er-,findungsgemäßen Anordnung, Fig. 4 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele der ersten erfindungsgemäßen Anordnung Fi£. 8 eine zweite erfindungsgemäße Anordnung u n d Fig. 9 bis 11 weit-erevAusSührungsbeispiele der zweiten erfindungsgemäßen Anordnung.
Im Idealfall der Iieistungsentnahme aus einem Wechselspannungsuets durch einen Verbraucher wird nur Grun ds chwingungs -\sirkleistung entnommen, so daß der Leistungsfaktor cos= = ist.
In diesem Falle ist dem zeitlich konstanten Mittelwert der Leistung eine Leistungspulation der doppelten Netzfrequenz überlagert, deren Amplitude gleich dem zeitlich konstanten Mittelwert ist. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus folgender Gleichung: wobei p die Grundschwingungswirkleistung, u die Netzspannung, t den Netzstrom und ci, die Netzfrequenz bedeuten.
Der Erfindungsgedanke besteht darin, diesen Idealfall zu verwirklichen. Es ergeben sich dabei zwei verschiedene Möglichkeiten: Einmal kann der aus dem Wechselspannungsnetz über einen Gleichrichter in den Gleichspannungsverbraucher fliessende Strom konstant gewählt werden und die Gleichspannung von einer Wechselspannung der doppelten Netzfrequenz überlagert sein; dann gilt: Pg - 1g (Ug - û . 005 2#t) (2) wobei pg die dem Netz entnommene Wirkleistung, 1g der in den Gleichstromverbraucher fließende Gleichstrom, Ug die am Gleichstromverbraucher anstehende Gleichspannung ,tdie Netzspannung und die Netzfrequenz darstellen.
Zum anderen kann die Gleichspannung an den Gleichstromverbraucher konstant gehalten erden und der Gleichstrom von einem Wechselstrom der doppelten Netzfrequenz überlagert sein; dann gilt Pg = Ug (Ig - i . cos 2#t) (3) Die-erste Möglichkeit zur Verwirklichung des-vorstehend genannten Idealfalles ist in den Zeitdiagrammen gemäß Fig. ia und' 1b dargestellt, während die zweite Möglichkeit-in den Zeitdiagrammen der Fig. 2a und 2b dargestellt ist.
Erfindungsgemäß werden die in den Zeitdiagrammen nach Fig. la, Ib sowie 2a, 2b dargestellten Möglichkeiten dadurch verwirklicht, daß aus den gleichgerichteten Netzstron- bzw. -spannungs halbwellen mittels eines nach einem Pulssteuerverfahren betriebenen Halbleiterstellers die-Spannung bzw. der Strom der doppelten Netzfrequenz herausgeschnitten wird. Dieser Erfindungsgedanke soll anhand von Fig. 1c und ld fUr die erste Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Ideal falles und anhand von Fig. 2c und 2d für die zweite Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Ideal falles erläutert werden.
In Fig. 1c ist der Verlauf einer gleichgerichteten Netzstromhalbwelle:; als Einhüllende einer Impulsfolge dargestellt, die am Ausgang eines im Pulsverfahren betriebenen Halbleiterstellerz , auftritt. Die Impulslängen und Impulspausen werden dabei so variiert, daß der mit gestrichelten Linien eingezeichnete Mittelwert der Stromimpulsfolge aus einem Gleichanteil und einem Anteil der doppelten Netzfrequenz besteht. Wie man aus einem Vergleich mit Fig. la erkennt, entspricht der gestrichelt eingezeichnete Gleichanteil dem Gleichstrom 1g und der gestrichelt eingezeichnete sinusförmige Anteil dem sinusförmigen Wechselstrom der doppelten Netzfrequenz ig = ig cos 2 w t. In Fig.1d ist die am Ausgang des Halbleiterstellers auftretende Spannung dargestellt, welche aus einer Folge von amplitudengleichen Impulsen besteht. Der Mittelwert dieser Spannungsimpuisfolge entspricht dabei der in Fig. ib dargestellten Gleichspannung U.
g In Fig. 2e ist eine gleichgerichtete Netzspannungshalbwelle als EinhUllende eines im Pulssteuerverfahren betriebenen Halbleiter stellers dargestellt. Analog zu der Darstellung nach Fig. 1c werden die Impuslängen und Impulspausen der einzelnen Ausgangsspannungsimpulse des Halbleiterstellers so variiert, daß der mit gestrichelten Linien eingezeichnete Spannungsmittelwert ebenfalls aus einem Gleichanteil und einem sinusförmigen Anteil der doppelten Netzfrequenz zusammengesetzt ist. Der Gleichanteil entspricht dabei der in Fig. 2a dargestellten Gleichspannung Ud und der sinusförmige Anteil der in Fig. 2a därgestellten Wechselspannung ug = Ug . cos 2 w t. In Fig. 2d ist der Verlauf des Ausgangsstroms des Halbleiterstellers dargestellt. Dieser Ausgangsstrom besteht aus einer Folge von amplitudengleichen Impulsen, deren Mittelwert dem in Fig. 2b dargestellten Gleichstrom Ig entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel für die erste Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten ldealfalles (Fig.1a bis d) ist in Fig. 3 dargestellt. Das einphasige Wechselspannungsnetz 1 speist über einen Netztransformator 2 und einen Vollwellengleichrichter 3 den Gleichstromverbraucher 14. Als Vollwellengleichrichter 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Diodenbrücke in Graetzschaltung gewählt. Der Gleichstromverbraucher 14 kann beispielsweise eine Gleichstrommaschine sein. Zwischen dem Gleichstromverbraucher 14 und dem Vollwellengleichrichter 3 ist ein Halbleitersteller 4 und ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Filter 5 angeordnet. Es-ist ferner eine Glättungseinrichtung vorhanden, die aus einer vor dem Gleichrichter 3 in Serie angeordneten Drossel 6 und einem hinter dem Halbleitersteller 4 parallel angeordneten Kondensator 7 besteht. Als Filter 5 ist ein Serienschwingkreis aus einer Spule 8 und einem Kondensator 9 gewählt. Der Halbleitersteller 4 besteht in dem dargestellten Beispiel aus einem parallelen Ventilzweig 10 mit einem steuerbaren Stromrichterventil wie einem Serienzweig 11 mit einem ungesteuerten Stromrichterventil. Als steuerbares Stromrichterventil kann beispielsweise ein Thyristor mit einem zugehörigen elektrischen Zünd- und Löschkreis vorgesehen werden. Die beiden in der Zeichnung dargestellten Steueranschlüsse des steuerbaren Stromrichterven'tils1, sollen symbolisieren, daß dieses Ventil eineh Zündkreis, und einen gesonderten Löschkreis aufweist.
Der Halbleitersteller 4 wird gemäß dem in Fig. lc und ld dargestellten Pulssteuerverfahren betrieben, welches beispielsweise in der Literaturstelle "Thyristoren" von Heumann/Stumpe, Teubner-Verlag, Stuttgart,1969, S.205 bis 207 beschrieben ist.
Zur Siebung der in Fig. 1c und 1d dargestellten Strom- und Spannungsimpulse dient die Glättungseinrichtung 6,7, welche aus den Strom- bzw. Spannungsimpulsen die in Fig. 1c und 1d gestrichelt eingezeichneten Strom- bzw. Spannungsmittelwerte aussiebt. Der Kondensator 7 dient neben der Stromimpuissiebung auch der Gleichspannungseinprägung; die Drossel 6 dient neben der Spannungspulssiebung auch der Einprägung des Gleichstroms.
Da es günstig ist, die Stromeinprägung unmittelbtr hinter dem Netztransformator 2 vorzunehmen, ist die Drossel 6'nicht hinter dem Halbleitersteller 4 sondern vor dem Gleichrichter 3 angeordnet. Das auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmte Filte 5 siebt den sinusförmigen Stromanteil gemäß Fig. ic aus, so daß dem Verbraucher 4 nur der Gleichstromanteil 1g sowie die Gleichspannung Ug zugeführt werden. Das in Fig. -3 dargestellte einphasige Wechselspannungsnetz 1 kann,auch mehrphasig, beispielsweise dreiphasig sein, wobei ein entsprechend mehrphasiger Netztransformator 2 und ein mehrphasiger Gleichrichter 3 vorgesehen werden müssen.
In den Fig. 4 bis 7 sind weitere Ausführungsbeispiele der ersten erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, wobei die der Anordnung nach Fig. 3 entsprechenden Schaltungsteile mit glei- 1 chen Bezugszeichen versehen sind. Bei der Anordnung nach Fig.4 sind gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 die Lage des Gleichrichters 3 und des Halbleiterstellers 4 vertauscht, so daß der Halbleitersteller 4 vor dem Gleichrichter 3 angeordnet ist.
Der Halbleitersteller 4 besitzt in gleicher Weise wie der Halbleitersteller 4 in Fig. 3 einen parallelen Ventilzweig 10 mit einem steuerbaren Stromrichterventil. An Stelle des Serien-Ventilzweiges 11 der Anordnung nach Fig. 3 ist bei dem Halbleitersteller nach Fig. 4 ein antiparalleler Ventilzweig 12 mit einem steuerbaren Stromrichterventil vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die von gleichen Strömen beaufschlagte Ventilzweige des Halbleiterstellers 4 und des Gleichrichters 3 zusammengefaßt. Wie man erkennt, sind* zu den Dioden der linken Brückenhälfte des Gleichrictters 3 je ein steuerbares und löschbares Halbleiterventil 13 bzw.
140 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind der Halbleitersteller 4 und der Gleichrichter 3 ebenfalls zusammengefaßt. Und zwar sind parallel zu den Dioden der linken Brückenhälfte je eine,Diode 15 bzw. 16 angeordnet und zwischen die Nittelpunkte der Brückenhälften ein steuerbares und löschbaren Stromrichterventil 17 in der eingezeichneten Polarität geschaltet, Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 weist ebenfalls eine Zusammenfassung des Halbleiterstellers 4 und des Gleichrichters 3 auf, bei welchem antiparallel zu den Dioden der unteren Brüdkenhälften des Gleichrichters 3 jeweils ein steuerbares und löschbares HalbleiterVentil 171 bzw. 18 antiparallel angeordnet ist.
In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel für die zweite Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Idealfalles gemäß Fig. 2c und 2d dargestellt. Die Reihenfolge der einzelnen Schaltungsgruppen (Netztransformator 2, Gleichrichter 3, fialbleiterstell9r 4, Filter- 5 und Gleicbstromverbraucher 14) ist dabei die gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 3. Die Glättungseinrichtung 6,7 besteht zwar ebenfalls aus einem Parallelkondensator 7 und einer Längsdrossel 6, doch ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 die Längs drossel 6 hinter dem iialbleitersteller 4 und der Parallelkondensator 7 vor dem Gleichrichter 3 angeordnet; d.h. Kondensator und I)ros£'el sind gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 vertauscht.
Da der llalbleitersteller 4 entsprechend dem Diagramm nach Fig. 2c eine Pulsung der Netzspannungshalbwellen vornirmt, int ein mit einem steuerbaren und löschbaren Stromrichterventil versehener Langs-Ventilzweig 19-sowie ein mit einem ungesteuerten Stromrichterventil versehener Parallel zweig 20 vorhanden. Das auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmte Filter 5 ist 'zur Aussiebung des in Fig. 20 gestrichelt eingezeichneten sinusförmigen Anteils de Spannungsmittelwertes vorgesehen und besteht aus einer in Serie vor dem Verbraucher 14 angeordneten Parallelschaltung einer Drossel 8 und eines Kondensators 9. Dem Gleichstromverbraucher 14 werden somit ebenfalls nur der Gleichspannungsmittelwert Ug und der Gleichstromittelwert Ig zugeführt. Die Drossel 6 der Glättungseinrichtung 6,7 dient in gleicher Weise wie die Drossel 6 der Anordnung nach Fig. 3zur Spannungspulssiebung und Stromeinprägung. Ebenso dient der Kondensator 7 auchbei der Anordnung nach Fig. 8 sur Stromimpulssiebung und Spannungseinpragung. Der iialbleitersteller 4 wird- in gleicher Weise wie der Halbleiterste-ller 4 in der Anordnung nach Fig. 3 mit einem lmpulssteuerverfahren 7, wobei am Ausgang des Halbleitersteller 4 die in Fig. 2c und 2d dargestellten Strom- bzw. Spannungsimpulse auftreten. Die Glättungseinrichtung 6,7 dient auch hier zur Aussiebung der in Fig. 2c und 2d mit gestrichelten Linien dargestellten Mittelwerte.
In Fig. 9 bis 11 sind weitere Ausführungsbeispiele der zweiten Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten tdealfalles dargestellt, wobei die mit der Anordnung nach Fig. 8 übereinstimmenden Schaltungsteile mit gleichen Bezugsseichen versehen sind.
Bei der Anordnung nach Fig. 9 ist die Lage des Halbl,eitersteller 5 4 gegenüber der Anordnung nach Fig. 8-vertauscht; und zwar ist -der Halbleitersteller 4 dem Gleichrichter 3 vorgeschaltet.
Der in Fig. 9 dargestellte Halbleitersteller 4 weist i,n gleicher Weise wie der Halbleitersteller 4 nach Fig. 8 einen mit einem steuerbaren Stromrichterventil versehenen Längszweig auf, dem ein steuerbares Stromrichterventil 21 parallel geschaltet ist.
i3ei.dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist der fIalbleitersteller 4 mit dem Gleichrichter 3 in der-Weise zusammengefaßt, 1 in dem oberen Ventilzweig der linken Brückenhälfte des Gleichridhters 3 anstelle einer-Diode ein steuerbares Stromrichterventil 22 angeordnet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 ist ebenfalls der-Halbleitersteller 4-mit dem Gleichrichter 3 zusammengefaßt, und zwar sind hier die Dioden der linken Brückenhälfte des Gleichrichters 3 durch steuerbare Stromrichterventile 23 bzw.
24 ersetzt und zwischen den Brückenmittelpunkten eine in der eingezeichneten Stromrichtung geschaltete Diode 25 angeordnet.

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Speisung eines Gleichstrom- oder Gleichspan--nungsverbrauchers aus einem ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsnetz,mit einem oberschwingungsfreien Strom, welcher' in Phase mit der Netzspannung -ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Vollwellengleichrichter (3), eine Glättungseinrichtung (6,7), einen Halbleitersteller (4) und ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Filter (5) enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter (5) ein parallel zu dem Verbraucher (14) angeordneter LC-Serienschwingkreis vorgesehen ist und der Halbleitersteller (4) parallel zu dem Verbraucher (74) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter ein in Serie zu dem Verbraucher (14) angeordne- 1 ter LC-Parallelschwingkreis vorgesehen ist und der Halbleitersteller (4) ein in Serie zu dem Verbraucher (14) angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitersteller (4) unmittelbar vor oder nach dem Vollwellengleichrichter (3) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (5) unmittelbar vor dem Verbraucher angeordnet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitersteller (4) und der Vollwellengleichrichter (3) teilweise gemeinsame Ventilzweige aufweisen.

7. Verfahren zur Steuerung des Halbleiterstellers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitersteller (4) im Pulsbetrieb getastet wird, wobei der'ittel- -wert der Ausgangssgröße (Spannung bzw. Strom) aus einem Gleichanteil und einem sinusförmigen Anteil der doppelten Netzfrequenz zusammengesetzt ist.

L e e r s e i t e