DE2165959B2

DE2165959B2 - Steuereinrichtung fuer einen selbstgefuehrten gleichrichter mit zwangskommutierung

Info

Publication number: DE2165959B2
Application number: DE19712165959
Authority: DE
Inventors: Johannes Prof Dr -Ing Bezold Karl-Heinz Niehage Helmut 1000 Berlin Forster
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1977-08-25
Also published as: AT314659B; US3849718A; FR2170617A5; JPS5414749B2; CH547576A; DE2165959A1; SE381145B; JPS4873745A; DE2165959C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für einen selbstgeführten Gleichrichter in unsymmetrisch halbgesteuerter Brückenschaltung mit Zwangskommutierung, dessen Steuer- und löschbare Strom- richterventile bei einem beliebig'einstellbaren Zündwinkel gezündet und vor dem Nulldurchgang der Speisewechselspannung gelöscht werden. Eine derartige Steuereinrichtung für einen Gleichrichter ist aus der DT-OS 14 88 842 bekannt.

Die gleichgerichtete Ausgangsspannung selbstgeführter Gleichrichter ist durch die Dauer und Lage der Stromführung der steuerbaren Stromrichterventile bestimmt und veränderbar.

Die Stromflußdauer und Lage und damit die Höhe der gleichgerichteten Spannung wird im allgemeinen durch verzögertes Zünden der steuerbaren Stromrichterventile nach dem Anliegen positiver Spannung am entsprechenden Ventil verändert. Dadurch tritt neben der Kommutierungsblindleistung in erheblichem Maße auch Steuerblindleistung auf, die durch den Phasenunterschied zwischen der Spannung und dem nacheilenden Ventil- bzw. Phasenstrom bedingt ist und durch einen niedrigen Leistungsfaktor λ bzw. Verschiebungsfaktor cos φ einen erheblichen Blindleistungsbedarf des fto Gleichrichters bewirkt.

Zur Verringerung des induktiven Blindleistungsbedarfs des Gleichrichters bzw. zur Erhöhung des Leistungsfaktors werden Gleichrichter mit löschbaren Stromrichterventiilen angewendet, wobei z. B. gemäß fts der DT-OS 14 88 842 durch Verlegen des Zünd- und Löschzeitpunktes der steuerbaren Stromrichterventile die Flanken der gleichgerichteten Spannung während einer Halbperiode der am Gleichrichter anliegenden Wechselspannung verschoben und somit der arithmetische Mittelwert der gleichgerichteten Spannung wahlweise vergrößert oder verkleinert wird. Infolge der beim Löschen der steuerbaren Stromrichterventile auftretenden Ausschaltspannungen, die durch die magnetische Energie in dem zu unterbrechenden Kreis bedingt sind, können bei derartigen Stromrichteranordnungen zusätzliche Beanspruchungen der Schaltungselemente auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung anzugeben, mit der sichergestellt ist, daß keine unzulässigen Spannungserhöhungen an den Bauelementen des Gleichrichters infolge der Löschung auftreten.

Diese Aufgabe wird für eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung gelöst durch eine Löscheinrichtung, die den Löschbefehl nicht vor einem dem zu erwartenden Maximum des zu löschenden Stromes entsprechenden Zeitpunkt und in Abhängigkeit vom Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den zu löschenden Strom abgibt.

Der Löschbefehl wird mithin erst dann bei abfallendem Strom gegeben, wenn schädliche Spannungsspitzen mit Sicherheit vermieden werden, so daß die Bauelemente des Gleichrichters nicht durch Überspannungen infolge des Löschvorgangs gefährdet sind. Auch muß der Kommutierungskondensator nicht entsprechend dem Maximum des zu löschenden Stromes dimensioniert werden.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Steuereinrichtung nach der Erfindung für eine Löscheinrichtung, die aus Löschkondensatoren, Löschthyristoren und Ladedioden besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Löschthyristoren von je einem Impulsgeber angesteuert werden, die zur Ermittlung der frühestmöglichen Loschzeitpunkte eingangsseitig sowohl mit je einem mit der Speisewechselspannung synchronisierten Dreieckgenerator als auch mit einem ersten Gleichspannungsgeber verbunden sind, und daß die Impulsgeber über Kippstufen sperrbar sind, deren Eingängen sowohl die Spannung eines zweiten Gleichspannungsgebers als auch über einen Stromwandler und eine Istwertweiche die jeweiligen Halbwellen des Speisewechselstromes zugeführt sind.

Dabei ist es durch die DT-AS 12 61942 an sich bekannt, den Zündzeitpunkt von Thyristoren durch Vergleich einer Dreieckspannung mit einer veränderbaren Gleichspannung festzulegen.

Anhand der F i g. 1 bis 3 soll die Erfindung für ein Beispiel näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. I den Verlauf einer Halbperiode der Speisewechselspannung des Gleichrichters,

F i g. 2 das Prinzipschaltbild einer Gleichrichteranordnung mit einer Steuereinrichtung und

F i g. 3 Strom- und Spannungsverläufe an Schaltungselementen der Gleichrichteranordnung nach F i g. 2.

In F i g. 1 ist eine Halbperiode einer angenommenen, sinusförmigen Speisewechselspannung U- sowie der arithmetische Mittelwert Ud der gleichgerichteten Spannung, der sich aus der schraffiert dargestellten Spannungszeitfläche ergibt, dargestellt. Diese Spannungszeitfläche wird durch Zünden des jeweiligen steuerbaren Stromrichterventils bei a°el und Löschen bei j3°el erhalten. Es wird der Löschzeitpunkt bei ß"e\ festgehalten und nur in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Stromes, der durch das betreffende Stromrichterventil fließt, in geringen

Grenzen variiert, mit dem Ziel, die Spannungserhöhung infolge des Löschens unterhalb des Scheitelwertes der Speisewechselspannung zu halten. Zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Spannungszeitfläche und damit des arithmetischen Mittelwertes Ud der gleichgerichteten Spannung wird der Zündzeitpunkt zu kleineren bzw. größeren Werten für den Zündwinkel a°el verlegt. Auf diese Weise wird der Leistungsfaktor λ gegenüber dem Betrieb eines Gleichrichters mit Kommutierung des jeweilig stromführenden steuerbaren Stromrichterventils nach dem Nulldurchgang der Speisewechselspannung in erheblichem Maße vergrößert und damit die Netzbelastung verringert. Diese an sich bekannte Maßnahme zli- Verbesserung des Leistungsfaktors λ des Gleichrichters wird damit verbunden, daß das jeweilig stromführende steuerbare Stromrichterventil zu einem Zeitpunkt gelöscht wird, bei dem die Gefahr des Auftretens von Überspannungen an den Bauelementen des Stromrichters nicht besteht.

Das Auftreten von Überspannungen an den Sekundärklemmen des Stromrichtertransformators ist dadurch bedingt, daß im Augenblick des Löschens des zu diesem Zeitpunkt stromführenden steuerbaren Stromrichterventils der Wechselstrom im Stromrichtertransformator unterbrochen wird. Die in den Induktivitäten des Wechselstromkreises gespeicherte magnetische Energie beträgt:

E= ,Limit der resultierenden Induktivität /,des Wechselstromkreises (Transformatorwicklung, Zu- und Ableitungen) sowie dem Augenblickswert des Speisewechselstromes /. Diese Energie muß von den zur Löschung der steuerbaren Stromrichterventile erforderlichen Löschkondensatoren aufgenommen werden, so daß die Energiebilanz lautet:

E
=

r = τ CUr - ιι,~),

wobei C die Kapazität und Ul die Spannung an den Löschkondensatoren vor der Löschung und ü nach der Löschung ist.

Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung enthält einen Gleichrichter mit steuerbaren Stromi ichterventilen 3,4 und nichtsteuerbaren Stromrichterventilen 1, 2 in Brückenschaltung und einen in der Brückendiagonalen befindlichen Transformator 23, an dessen Primärwicklung die Speisewechselspannung LL angeschlossen ist, sowie je eine jedem steuerbaren Stromrichterventil 3,4 zugeordnete Löscheinrichtung, die aus der Reihenschaltung je eines Löschthyristors 5 bzw. 6 und je eines Löschkondensators 7 bzw. 8 besteht. Zur Aufladung der Löschkondensatoren 7, 8 sind Ladedioden 9, 10 vorgesehen. Die gleichstromseitige Last ist gegeben durch die Reihenschaltung einer Glättungsinduktivität H mit einem Gleichstrommotor 12. Während die steuerbaren Stromrichterventile 3, 4 ihre Zündimpulse von einem Steuergerät 24 erhalten, dienen Impulsgeber 17 und 18 zur Abgabe von Zündimpulsen an die Löschthyristoren 5, 6, die mit ihrem Zünden die Entladung des ihnen in Reihe geschalteten Löschkondensators 7 bzw. 8 und damit die Löschung des ihnen zugeordneten steuerbaren Stromrichterventils 3 bzw. 4 bewirken. Die Erzeugung der Zündimpulse für die Löschthyristoren 5, 6 geschieht in der Weise, daß eine netzsynchrone Dreieckspannung in an sich bekannter Weise mit einer Gleichspannung verglichen wird. Die netzsynchrone Dreieckspannung wird in je einem, jedem der beiden Impulsgeber 17, 18 vorgeschalteten Dreieckgenerator 14,15 erzeugt, wobei zur Synchronisierung mit der Speisewechselspannung U- den

Dreieckgeneratoren 14, 15 eine Synchi-onisierungseinrichtung 13, in deren Eingang die Speisewechselspannung U~ eingegeben wird, vorgeschaltet ist. Die Gleichspannung wird in dieser Anordnung vor einem ersten Gleichspannungsgeber 16 als einstellbarer Wert

ic vorgegeben, wobei der erste Gleichspannungsgeber 16 auch durch einen Regelkreis ersetzt werden kann. Den Impulsgebern 17,18 sind weiterhin zwei Kippstufen 20, 21 vorgeschaltet, die die Abgabe der Zündimpulse der Impulsgeber 17,18 an die Löschthyristoren 5,6 so lange blockieren, bis der von einer den Kippstufen 20, 21 vorgeschalteten Istwertweiche 19 erfaßte Speisewechselstrom einen Schwellwert unterschreitet. Der Ausgang des zweiten Gleichspannungsgebers 22 ist dabei ebenfalls direkt mit den Eingängen der beiden Kippstufen 20,21 verbunden.

Anhand der F i g. 3 soll nun die Wirkungsweise diese'· Anordnung näher erläutert werden. In Fig.3a ist ein angenommener zeitlicher Verlauf der Speisewechselspannung U-, in F i g. 3b der des Speisewechselstromes /,in Fi g. 3c der Verlauf der Dreieckspannung Ua am Ausgang des Dreieckgenerators 14 sowie in F i g. 3d der Verlauf der Spannung am Ausgang der Istwertweiche 19 dargestellt. Der Verlauf dieser Kurven legt zusammen mit dem von den beiden Gleichspannungsge-

τ,ο bern 16 und 22 abgegebenen Gleichspannungswert U\_b bzw. U?2 den Augenblick der Abgabe des Zündimpulses an den betreffenden Löschthyristor 5 bzw. 6 fest. Bei einem angenommenen, schwach induktiven Betrieb des Gleichrichters findet der Nulldurchgang des Speise-

V, Wechselstromes /bei einem Winkel «*i>180°el statt, während der Nulldurchgang der Speisewechselspannung auf 180°el festgelegt wird. Die mit der Speisewechselspannung U- synchronisierte Dreieckspannung Us bestimmt zusammen mit der vom ersten Gleichspannungsgeber 16 abgegebenen Gleichspannung t/ib die vordere Lage x*i des Zündwinkels für die Löschthyristoren 5, 6. Diese vordere Lage a*3 des Zündwinkels kann — wie dem Diagramm leicht zu entnehmen ist — durch Vergrößern bzw. Verringern der Gleichspannung U\b variiert werden. Wie der vorangegangenen Beschreibung der F i g. 2 zu entnehmen ist, wird eine Impulsbildung durch Impulsgeber Yl, 18 so lange durch die Kippstufen 20, 21 blockiert, bis der in der Istwertweiche 19 erfaßte und von ihr in zwei getrennte, dem Speisewechselstrom äquivalente Spannungen t/iq umgeformte Speisewechselstrom den durch den zweiten Gleichsapnnungsgeber 22 als Gleichspannungswert U22 vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Das ist bei einem elektrischen Winkel «*2 der Fall.

Da zu diesem Zeitpunkt auch die Bedingung erfüllt ist, daß die synchronisierte Dreieckspannung U\ den vom ersten Gleichspannungsgeber 16 vorgegebenen Spannungspegel U\_b überschritten hat, wird vom betreffenden Impulsgeber 17 bzw. 18 bei aVel ein Zündimpuls

do an den zugeordneten Löschthyristor 5 bzw. 6 abgegeben (Fig.3e).

Damit wird zusammenfassend folgendes erreicht:

a) Die Variation des arithmetischen Mittelwertes 6s erfolgt durch Verlegen des Zündwinkels «°el der steuerbaren Stromrichterventile.

b) Der Leistungsfaktor λ des Gleichrichterbetriebes wird durch Löschen der steuerbaren Stromrichter-

ventile vor dem Nulldurchgang der Speisewechselspannung bei einem Löschwinkel /J" el erhöht,
c) Die Löschung der steuerbaren Stromrichterventile erfolgt in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Ventilstromes, mit dem Ziel, daß die Spannungserhöhung unterhalb des Scheitelwertes der Speisewechselspannung liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

21 6δ Patentansprüche:

1. Steuereinrichtung für einen selbstgeführten Gleichrichter in unsymmetrisch halbgesteuerter Brückenschaltung mit Zwangskommutierung, dessen Steuer- und löschbare Stromrichterventile bei einem beliebig einstellbaren Zündwinkel gezündet und vor dem Nulldurchgang der Speisewechselspannung gelöscht werden, gekennzeichnet _!0 durch eine Löscheinrichtung, die den Löschbefehl nicht vor einem dem zu erwartenden Maximum des zu löschenden Stromes entsprechenden Zeitpunkt und in Abhängigkeit vom Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den zu löschenden Strom abgibt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 für eine Löscheinrichtung, die aus Löschkondensatoren, Löschthyristoren und Ladedioden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschthyristoren (5,6) von je einem Impulsgeber (17, 18) angesteuert werden, die zur Ermittlung der frühestmöglichen Löschzeitpunkte eingangsseitig sowohl mit je einem mit der Speisewechselspannung snychronisierten Dreieckgenerator (14, 15) als auch mit einem ersten Gleichspannungsgeber (16) verbunden sind, und daß die Impulsgeber (17, 18) über Kippstufen (20, 21) sperrbar sind, deren Eingängen sowohl die Spannung eines zweiten Gleichspannungsgebers (22) als auch über einen Stromwandler und eine Istwertweiehe (19) die jeweiligen Halbwellen des Speisewechselstromes zugeführt sind.