55
Die Erfindung bezieht sich auf eine Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechsel-Stromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher mit
veränderbarem Strom, welche einen Vollwellengleichrichter mit wenigstens zwei ungesteuerten Dioden,
einen aus mindestens einem zwangslöschbaren Halbleiterventil bestehenden Halbleitersteller, eine Drosselspule, einen Glättungskondensator sowie einen Filter
enthält. Sie kann z. B. Anwendung bei Traktionsantrieben finden.
Eine der wichtigsten Aufgaben der Leistungselektronik ist die Umwandlung von Wechsel- oder Drehstromenergie in Gleichstromenergie mit Hilfe von Stromrich
tern. In der Regel sollen Strom und Spannung auf der Gleichstromseite der Stromrichter möglichst keine
Wechselanteile enthalten; im Idealfall ist der Augenblickswert der gleichstromseitigen Leistung zeitlich
konstant Auf der Wechselstromscite ist anzustreben, daß die Stromrichter mit dem speisenden Netz nur
Wirkleistung austauschen. Bei einem Drehptromnetz ist
in diesem Fall der Zeitverlauf der Leistung bekanntlich konstant Da Gleichstrom- und Drehstromleistung im
Idealfall ständig übereinstimmen, ist es im Prinzip nicht notwendig, praktisch aber aus später erläuterten
Gründen erforderlich, daß Stromrichter, die Drehstromenergie in Gleichstromenergie umwandeln. Energiespeicher enthalten.
Anders liegen die Verhältnisse, wenn man einen Stromrichter aus einem einphasigen Wechselstromnetz
speist Bei reiner Wirkbelastung eines Einphasennetzes, dessen Spannung sinusförmig schwingt, ist dem zeitlich
konstanten Mittelwert der Leistung bekanntlich eine mit doppelter Netzfrequenz sinusförmig schwingende
Leistungskomponente überlagert, deren Amplitude genau so groß ist wie der zeitlich konstante Anteil. Um
die ideale Betriebsweise beim Umwandeln von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie erreichen zu
können, muß ein hierfür eingesetzter Stromrichter demnach unbedingt Energiespeicher enthalten, da
zugeführte und abgeführte Leistung zeitlich nicht dauernd übereinstimmen.
Bei einer bekannten Speiseschaltung der eingangs genannten Gattung zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern aus einem Wechselspannungsnetz (US-PS
33 36 524) werden in dem Halbleitersteller zwangslöschbare Thyristoren verwendet, denen ein Filter für
Oberschwingungen hoher Frequenz nachgeschaltet ist Der eingangsseitige Vollweggleichrichter und der daran
angeschlossene, auf die doppelte Netzfrequenz (dort 120 Hz) abzustimmende Kondensator, der abhängig von
der Höhe der eingangsseitigen Spannung auf- und entladen wird, stellen gleichsam ein unstabilisiertes
Eingangsnetz dar, während die die Störschwingungen des Gleichrichters ausgleichenden Thyristoren zusammen mit dem die durch die Thyristoren bedingten
Oberschwingungen (im bekannten Fall 5 kHz) beseitigenden Filter als Einrichtung zur Spannungsstabilisierung betrachtet werden können.
Der Schaltbetrieb der Thyristoren führt jedoch nicht nur zu Oberschwingungen, sondern auch dazu, daß die
aus dem Wechselspannungsnetz entnommenen Ströme gegenüber der Netzspannung aufgrund eines nichtsinusförmigen Verlaufs phasenverschoben sind. Im bekannten Fall weist der Stromfluß Lücken auf, weil sich die
Aufladevorgänge für den Kondensator nur ergeben, wenn die Netzspannung größer als die Kondensatorspannung ist, d. h, während der Netzspannungskuppen.
Es wird nach dem dortigen Ziel zwar Drosselaufwand gespart; aber es ist eine entsprechende Dimensionierung der Stromrichter erforderlich. Die Anwendung der
bekannten Anordnung ist auf den Bau kleiner Netzgeräte beschränkt, ansonsten würde die verursachte Verschiebungs- und Verzerrungsblindleistung zu
einer unvertretbar hohen Belastung des Wechselspannungsnetzes führen, was inbesondere bei leistungsschwachen einphasigen Bahnnetzen nachteilig ist.
Außerdem treten durch die Oberschwingungen des dem Netz entnommenen Stroms Störungen von Signal- und
Fernmeldeanlagen auf.
Zur Kompensation der Phasenverschiebung des Netzstromes ist es bekannt (DE-Zeitschrift »Elektrische
Bahnen«, Heft 6, 1971, S. 130 bis 135), vor einem
gesteuerten Gleichrichter Phasenschieber (Kondensatoren) anzuordnen sowie zusätzliche Kombinationen
aus Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen zur Verbesserung der Kurvenform des Netzstromes vorzusehen.
Obwohl durch diese Maßnahme die Belastung des Wechselspannungsnetzes verringert werden kann, ist
der Leistungstaktor des Netzes cos φ stets merklich
kleiner als der gewünschte Wert i.
Dip Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
Speiseschaltung anzugeben, die eine Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz mit einem oberschwingungsfreien Strom
ermöglicht, welcher in Phase mit der Netzspannung ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Ein im Pulsbetrieb getasteter Kompensations-Halbleitersteller hat den Vorteil, daß Oberschwingungen
niedrigerer Ordnungszahl vermieden werden. Die verbleibende Schwingung wird durch d?s auf die
doppelte Netzfrequenz abgestimmte Sperrfilter (Energiespeicher) gesperrt Die beiden Maßnahmen wirken
also kombinatorisch. Die Steuerung des Halbleiterstellers im Pulsbetrieb geschieht dabei derart, daß der
Mittelwert der Ausgangsgröße (Spannung bzw. Strom) aus einem Gleichanteil und einem sinusförmigen Anteil
mit der doppelten Netzfrequenz zusammengesetzt ist
Beide Maßnahmen sind an sich bekannt Das Pulssteuerverfahren ist aus dem Buch von Heumann/Stumpe, »Thyristoren«, 1969, S.207 bekannt Die Anwendung von Sperrfiltern bei Stromrichtern als solche ist aus der DE-Zeitschrift AEG-Mitt 55
(1965), H. 7, S. 558, bekannt Durch die bekannten Anordnungen ist es jedoch in keinem Falle möglich,
einen sinusförmigen Netzstrom zu erreichen. Die erfindungsgemäße Kombination bringt eine starke
Annäherung an den Idealfall der Leistungsentnahme aus einem Wechselspannungsnetz durch einen Gleichstromverbraucher, dh, daß im wesentlichen nur
Grundschwingungs-Wirkleistung entnommen wird, so daß der Leistungsfaktor cos φ » 1 ist Im Resultat
werden ein sinusförmiger Wechselstrom und gut geglättete Gleichgrößen erreicht
Die zur Erreichung dieses Resultates allein zweckmä
ßigen beiden Varianten der Speiseschaitung bestehen darin, daß
1.) die Drosselspule in Reihe zur Wechselstromquelle liegt, als Sperrfilter ein parallel zu dem Verbraucher angeordneter Reihenresonanzkreis vorgesehen ist und weiterhin sowohl der Kompensations-Halbleitersteller als auch der Glättungskondensator parallel zum Verbraucher angeordnet sind oder
2) der Glättungskondensator parallel zur Wechselstromquelle liegt, als Sperrfilter ein in Serie zum
Verbraucher angeordneter Parallelresonanzkreis vorgesehen ist und sowohl der Kompensations-Halbleitersteller als auch die Drosselspule in Serie
zu dem Verbraucher angeordnet sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielr näher erläutert Es
zeigen
F i g. la bis d Zeitdiagramme des Gleichstromes bzw. der Gleichspannung einer ersten Variante der Speiseschaltung,
F i g. 2a bis d Zeitdiagramme des Gleichstroms bzw.
der Gleichspannung einer zweiten Variante der Speiseschaltung,
F i g. 3 ein Schaltbild der ersten Speiseschaitung,
F i g. 4 bis 6 weitere Ausführungsbtispiele der ersten
Variante der Speiseschaltung,
F i g. 7 eine zweite Variante der Speiseschaltung und
Fig.8 und 9 weitere Ausführungsbeispiele der zweiten Variante.
Zum Verständnis der Schaltungen wenden zunächst die eingangs erwähnten Voraussetzungen uno 'e damit
zusammenhängende Problematik näher erläutert:
Im Idealfall der Leistungsentnahme aus einem Wechselspannungsnetz durch einen Verbraucher wird
nur Grundschwingungswirkleistung entnommen, so daß der Leistungsfaktor cos φ — 1 ist
in diesem Falle ist dem zeitlich konstanten Mittelwert
der Leistung eine Leistungspulsation der doppelten
Netzfrequenz überlagert, deren Amplitude gleich dem
zeitlich konstanten Mittelwert ist Dieser Zusammen
hang ergibt sich aus folgender Gleichung:
pK = u ■ sin tut ■ ι ■ sin mt =
(I — cos 2(-<f),
wobei pw die Grundschwingungswirkleistung, υ die so
Netzspannung, /den Netzstrom und ω 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:
P9=
- Ü ■ COS 2 in f) ,
(2)
wobei pg die dem Netz entnommene Wirkleistung, lg
der in den Gleichstromverbraucher fließende Gleichstrom, Ug die am GIcichstromverbraucher anstehende
Gleichspannung, υ die Netzspannung und ω die Netzfreauenz darstellen.
Zum anderen kann die Gleichspannung an den Gleichstromverbraucher konstant gehalten werden imd
der Gleichstrom von einem Wechselstrom der doppelten 1 Jetzfrequenz überlagert sein; dann gilt
= Ug (Ig ~ I " COS 2 Hit).
Die erste Möglichkeit zur Verwirklichung des vorstehend gekannten Idealfalles ist in den Zeitdiagrammen gemäß Fig. la und Ib dargestellt, während
die zweite Möglichkeit in den Zeitdiagrammen der F i g. 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
Netzstrom- bzw. -spannungshalbwellen mittels eines nach einem Pulssteuerverfahren betriebenen Halbleiterstellers die Spannung bzw. der Strom der
doppelten Netzfrequenz herausgeschnitten wird. Dieser
Erfindungsgedanke soll anhand von Fig. Ic und Id für
die erste Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Idealfalles und anhand von F i g. 2c und 2d für die zweite
Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Idealfalles erläutert werden.
In Fig. Ic ist der Verlauf einer gleichgerichteten
Netzstromhalbwelle als Einhüllende einer Impulsfolge dargestellt die am Ausgang eines im Pulsverfahren
betriebenen Halbleiterslellers 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 F i g. la erkennt, entspricht der
gestrichelt eingezeichnete Gleichanteil dem Gleichstrom Ig und der gestrichelt eingezeichnete sinusförmige
Anteil dem sinusförmigen Wechselstrom der doppelten
ig = ig ■ cos 2 ω £.
In Fig. Id ist die am Ausgang des Halbleiterstellers
auftretende Spannung dargestellt, welche aus einer Folge von amplitudengleichen Impulsen besteht Der
Mittelwert dieser Spannungsimpulsfolge entspricht dabei der in F i g. Ib dargestellten Gleichspannung Ug.
In Fig.2c ist eine gleichgerichtete Netzspannungshalbwelle
als Einhüllende eines im Pulssteuerverfahren betriebenen Halbleiterstellers dargestellt Analog zu der
Darstellung nach Fig. Ic werden die Imulslängen 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 F i g. 2a dargestellten Gleichspannung ΙΛ/und der
sinusförmige Anteil der in Fig.2a dargestellten Wechselspannung
Ug = Ug- cos 2 ω f.
In F i g. 2d ist der Verlauf des Ausgangsstromes des Halbleiterstellers dargestellt. Dieser Ausgangsstrom
besteht aus einer Folge von amplitudengleichen Impulsen, deren Mittelwert dem in Fig. 2b dargestellten
Gleichstrom /^entspricht
Ein Ausführungsbeispiel für die erste Möglichkeit zur Verwirklichung des genannten Idealfalles(F i g. la bis d)
ist in F i g. 3 dargestellt Ein einphasiges Wechselspannungsnetz 1 speist über einen Netztransformator als
Wechselspannungsquelle 2 und einen Vollwellengleichrichter 3 einen Gleichstro.nverbraucher 14. Als
Vollwellengleichrichter 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zweiweg-Brückenschaltung
von Dioden gewählt. Der Gleichstromverbraucher 14 kann beispielsweise eine Gleichstrommaschine sein.
Zwischen dem Gleichstromverbraucher 14 und dem Vollwellengleichrichter 3 ist ein Kompensations-Halbleitersteller
4 und ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Sperrfilter 5 angeordnet Es ist ferner
eine Glättungseinrichtung vorhanden, die aus einer vor dem Vollwellengleichrichter 3 in Serie angeordneten
Drosselspule 6 und einem hinter dem Kompensations-Halbleitersteller 4 parallel angeordneten Glättungskondensator
7 besteht Ais Sperrfilter 5 ist ein Reihenresonanzkreis aus einer Spule 8 und einem Kondensator 9
gewählt Der Kompensations-Halbieitersteller 4 besteht
in dem dargestellten Beispiel aus einem parallelen Ventilzweig 10 mit einem ersten steuerbaren Stromrichterventil
sowie einem Serienventilzweig 11 mit einem zweiten steuerbaren Stromrichterventil. Als
erstes steuerbares Stromrichterventil kann beispielsweise ein Thyristor mit einem aus der zitierten
Literaturstelle nach Heumann/Stumpe, bekannten elektrischen Zünd- und Löschkreis vorgesehen
werden. Die beiden in der Zeichnung dargestellten Steueranschlüsse des steuerbaren Stromrichterventils
sollen andeuten, daß dieses Ventil einen Zündkreis und einen gesonderten Löschkreis aufweist.
Der Kompensations-Halbleitersteller 4 wird gemäß dem in Fig. Ic und Id dargestellten Pulssteuerverfahren
betrieben, welches beispielsweise in der zitierten Literaturstelle nach Heumann/Stumpe, Seiten
205 bis 207, beschrieben ist. Zur Siebung der in F i g. Ic und Id dargestellten Strom- und Spannungsimpulse
di di ! k
dient die su£ r3ro£»!s«!e 5 und G!ättiinskop
7 bestehende Glättungseinrichtung, welche aus den Strom- bzw. Spannungsimpulsen die in Fig. Ic und Id
gestrichelt eingezeichneten Strom- bzw. Spannungsmittelwerte aussiebt. Der Glättungskondensator 7 dient
neben der Stromimpulssiebung auch der Gleichspannungseinprägung; die Drossel 6 dient neben der
Spannungsimpulssiebung auch der Einprägung des Gleichstromes. Da es günstig ist die Stromeinprägung
unmitteT:er hinter dem Netztransformator vorzunehmen,
ist die Drosselspule 6 nicht hinter dem Kompensations-Halbleitersteller
4 sondern vor dem Vollwellengleichrichter 3 angeordnet Das auf die doppelte
Netzfrequenz abgestimmte Sperrfilter 5 siebt den sinusförmigen Stromanteil gemäß Fig. Ic aus, so daß
dem Gleichstromverbraucher 14 nur der Gleichstromanteil Ig sowie die Gleichspannung Ue zugeführt werden.
Das in Fig.3 dargestellte einphasige Wechselspannungsnetz
1 kann auch mehrphasig, beispielsweise dreiphasig sein, wobei ein entsprechend mehrphasiger
Netztransformator und ein mehrphasiger Vollwellengleichrichter 3 vorgesehen werden müssen.
In den F i g. 4 bis 6 sind weitere Ausführungsbeispiele der ersten Variante der Speiseschaltung dargestellt
wobei die der Anordnung nach F i g. 3 entsprechenden Schaltungsteile mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Bei der Anordnung nach F i g. 4 sind gegenüber der Anordnung nach Fig.3 die Lage des Vollwellengleichrichters
3 und des Kompensations-Halbleiterstellers 4 vertauscht so daß der Kompensations-Halbleitersteller
4 vor dem Vollwellengleichrichter 3 angeordnet ist. Der Kompensations-Halbleitersteller 4 nach F i g. 4 besitzt
wie der Kompensations-Halbleitersteller 4 in F,g.3
einen parallelen Ventilzweig 10 mit einem steuerbaren Stromrichterventil. Anstelle des Serien-Ventilzweiges
11 der Anordnung nach F i g. 3 ist bei dem Kompensations-Halbleitersteller
nach Fig.4 ein antiparalleler Ventilzweig 12 mit einem steuerbaren Stromrichterventil
vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 sind die von gleichen Strömen beaufschlagten Ventilzweige des
Kompensations-Halbleiterstellers 4 und des Vollwellengleichrichters
3 zusammengefaßt Wie man erkennt sind antiparallel zu den Dioden der linken Brückenhälfte
des Vollwellengleichrichters 3 je ein Steuer- und löschbares Halbleiterventil 13 bzw. 140 angeordnet
Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 weist ebenfalls eine Zusammenfassung des Kompensations-Haibieiterstellers
4 und des Vollwellengleichrichters 3 auf, bei welchem antiparallel zu den Dioden der unteren
Biückenhälften des Vollwellengleichrichters 3 jeweils
ein Steuer- und löschbares Halbleiterventil 171 bzw. 18 antiparallel angeordnet ist.
In F i g. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die zweite
Variante zur Verwirklichung des genannten Idealfalles gemäß F i g. 2c und 2d dargestellt. Die Bezeichnung und
Reihenfolge der einzelnen Schaltungsgruppen: Netztransfor»ialor als Wechselspannungsquelle 2, Vollwellengleichrchter
3, Kompensations-Halbleitersteller 4. Sperrfilter 5 und Gleichstromverbraucher 14. Die
Reihenfolge ist dabei die gleiche wie bei der Anordnung nach F ig. 3. Die Glättungseinrichtung besteht /war
ebenfalls aus einem parallelen Glätlungskondcnsator 7 und einer Längs-Drosselspule 6, doch ist bei dem
Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 die LängsDrosselspu-Ie 6 hinter dem Kompcnsations-Halbleitersteller 4 und
der parallele Glättungskondensator 7 vor dem Vollwellengleichrichter
3 angeordnet; d. h. der Glättungskondensator 7 und die Drosselspule 6 sind gegenüber der
Anordnung nach F i g. 3 vertauscht. Da der Kompensations-Halbleiterstelli.-r
4 entsprechend dem Diagramm nach Fig. 2c eine Pulsung der Netzspannungshalbwellen
vornimmt, ist ein mit einem Steuer- und löschbaren Stromrichterventil versehener Längs-Ventilzweig 19
sowie ein mit einem ungesteuerten Stromrichterventil versehener Parallelzweig 20 vorhanden. Das auf die
doppelte Netzfrequenz abgestimmte Sperrfilter 5 ist zur Aussiebung des in Fig. 2c gestrichelt eingezeichneten
sinusförmigen Anteils des Spannungsmittelwerles vorgesehen und besteht aus einer in Serie vor dem
Gleichstromverbraucher 14 angeordneten Parallelschaltung der Drossel 8 und des Kondensators 9. Dem
Gleichstromverbraucher 14 werden somit ebenfalls nur der Gleichspannungsmittelwert Ug und der Gleichstrommittelwert
Ig zugeführt. Die Drosselspule 6 der Glättungseinrichtung aus Drosselspule 6 und Glättungskondensator
7 dient in gleicher Weise wie die Drosselspule 6 der Anordnung nach Fig. 3 zur
Spannungsimpulssiebung und Stromeinprägung. F.benso dient der Glättungskondensator 7 auch bei der
Anordnung nach F i g. 7 zur Stromimpulssiebung und Spannungseinprägung. Der Kompensations-Halbleiter-
"> steller 4 wird in gleicher Weise wie der Kompensations-Halbleitersteller
4 in der Anordnung nach Fig.3 im Impulssteuerverfahren betrieben, wobei am Ausgang
des Kompensations-Halbleiterstellers 4 in die in F i g. 2c und 2d dargestellten Strom- bzw. Spannungsimpulse
auftreten. Die Glättungseinrichtung aus Drosselspule 6 und Glättungskondensator 7 dient auch hier zur
Aussiebung der in Fig. 2c und 2d mit gestrichelten Linien dargestellten Mittelwerte.
In den F i g. 8 und 9 sind weitere Ausführungsbeispiele
1' der zweiten Möglichkeit zur Verwirklichung des
genannten Idealfalles dargestellt, wobei die gleichbleibenden
Schaltungsteile nicht weiter erläutert zu werden brauchen.
Bei der Anordnung nach F i g. 8 ist die Lage des
-'" Kompensations-Halbleiterstellers 4 gegenüber der Anordnung nach Fig. 7 vertauscht; und zwar ist der
Kompensatioris-Halblcitersteller 4 dem Vollwellengleichrichter 3 vorgeschaltet. Der in F i g. 8 dargestellte
Kompensatioris-Halbleitersteller 4 weist in gleicher
-'"■ Weise wie der Kompensations-Halbleitersteller 4 nach
Fig. 7 einen mit einem stern·.-- und löschbaren Stromrichterventil versehenen Längsventilzweig 19 auf,
dem ein Steuer- und löschbares Stromrichterventil 21 antiparallel geschaltet ist.
)" Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 ist ebenfalls
der Kompensations-Halbleitersteller 4 mit dem VoII-wellengleichrichter
3 zusammengefaßt, und zwar sind die Dioden der linken Brückenhälfte des Vollwellengleichrichters
3 durch Steuer- und löschbare Strom-
)"> richterventile 23 bzw. 24 ersetzt, und zwischen den
Brückenmittelpunkten ist eine in der eingezeichneten Stromrichtung geschaltete Diode 25 angeordnet.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen