DE2217023B2 - Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher - Google Patents

Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher

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DE2217023B2 DE19722217023 DE2217023A DE2217023B2 DE 2217023 B2 DE2217023 B2 DE 2217023B2 DE 19722217023 DE19722217023 DE 19722217023 DE 2217023 A DE2217023 A DE 2217023A DE 2217023 B2 DE2217023 B2 DE 2217023B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Speiseschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art und ist ein Zusatz zum Patent 2159397.
Dem Gegenstand des Hauptpatentes liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Speiseschaltung anzugeben, die die Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz mit einem oberschwingungsfreien Strom ermöglicht, welcher in Phase mit der Netzspannung ist. Diese Aufgabe wird von der
M) Schaltung entsprechend dem Hauptpatent strenggenommen nur dann gelöst, wenn eine sehr hohe Taktfrequenz des Halbleiterstellers gewählt wird. Sobald beispielsweise aus wirtschaftlichen Gründen eine niedrige Taktfrequenz gewählt werden muß, muß
fi5 auch eine größere Netzdrossel vorgesehen werden. Der Netzstrom eilt dann der Netzspannung nach und besitzt zudem einen größeren Oberschwingungsgchalt. Durch Hinzufügen eines Reihen- oder Parallel-
kondensators zu der Netzdrossel muß ein Kompensations- und Filterkreis gebildet werden, mit dessen Hilfe die Phase des Netzstromes wieder in Übereinstimmung mit der der Netzspannung gebracht und die Welligkeit des Stroms verringert werde) ι kann.
In der DE-OS 1613583 ist eine Anordnung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einem ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsnetz mit einem oberschwingungsfreien Strom, welcher in Phase mit der Netzspannung ist, beschrieben, bei der eine Regelung des Gleichstromes in der Weise erfolgt, daß die steuerbaren Ventile innerhalb der Halbwelle der speisenden Netzspannung mehrmals gezündet und gelöscht werden, so daß der abgegebene Strom systematisch in Phase mit der Spannung folgegesteuert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltung nach dem Hauptpatent dahingehend zu erweitern, daß eine weitere Annäherung des Leistungsfaktors an den optimalen Wert und eine weitere Verringerung des Oberwellengeha/tes erreichbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Eine solche Anordnung soll in der weiteren Beschreibung als Vier-Quadranten-Steller bezeichnet werden.
Damit ergeben sich die Vorteile, daß die Speisung des Gleichspannungskreises aus dem Wechselspannungsnetz praktisch blindleistungsfrei erfolgt, daß die Oberschwingungsamplituden sehr klein sind und daß das Gewicht des Filterkreises, bestehend aus Schutzdrossel, Saugkreis und Stützkondensator, sehr gering gehalten werden kann, ohne daß die Welligkeit der Gleichspannung ansteigt. Außerdem ist eine Rückspeisung von der Gleichstromseite in das Wechselstromnetz möglich.
Vorteilhaft ist der Vollwellengleichrichter ais Mittelpunktschaltung ausgebildet. Vorzugsweise ist der Vollwellengleichrichter jedoch als Brückenschaltung ausgebildet. Hierbei, wie auch bei der Mittelpunktschaltung ist in der Verbindung der Ventile mit dem Netztransformator vorzugsweise jeweils eine Drossel vorgesehen. Die Drossel kann jedoch auch auf der dem Speisewechselspannungsnetz zugeordneten Stelle des Transformators angeordnet sein.
Nach einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der Transformator auch als Spartransformator ausgebildet sein.
Zum Ausbau der Leistungsfähigkeit können aber auch in vorteilhafter Weise an den Netztransformator zwei oder mehr Teilanordnungen angeschaltet sein, die auf der Gleichspannungsseite in Serie oder parallel, auf der Wechselspannungsseite aber parallel geschaltet sind. Dabei können alle Teilanordnungen auch an einen Transformator mit einer oder mehreren Sekundärwicklungen angeschaltet sein.
Wird die Zündung der Ventile der einzelnen Teilanordnungen versetzt zueinander durchgeführt, so ergibt sich eine besonders gute Annäherung des Istwertes des Netzstromes an den Stromsollwert. Die für das Wechselspannungsnetz 11 wirksame Taktfrequenz ist gegenüber der Schaltfrequenz der Einzelventile erhöht.
Ein Verfahren zur Steuerung der Speiseschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des durch die Drossel fließenden Wechselstroms einem Wechselstromsollwert angeglichen wird, der phasengleich mit der speisenden Wechselspannung ist und dessen Stromamplitude über einen Regelkreis in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung bzw. von der Höhe der Spannung des Gleichspannungskreises beeinflußt wird.
Dies wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Meß- oder Recheneinheit vorgesehen ist, durch welche der Verlauf der Speisewechselspannung gemessen und ein
in phasengleicher Wechselstromsollwert gebildet wird. Hierbei wird die Amplitude des Wechselstromsollwertes durch einen Regelkreis in Abhängigkeit von Meßwerten, beispielsweise der Gleichspannung des Gleichspannungskreises, vorgegeben.
is Das Verfahren zur Steuerung der Speiseschaltung läuft vorzugsweise so ab, daß in äquivalenten Zweigen befindliche steuerbare Ventile zeitlich versetzt zueinander gezündet und gelöscht werden. Außerdem können die steuerbaren Ventile der einen Teilanordnung phasenversetzt gegenüber den äquivalenten Ventilen der anderen Teilanordnungen gezündet und gelöscht werden. Hierdurch wird der Verlauf des Stromes noch feiner an die Sinusform angenähert, und die Oberwellen werden weiter verringert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung in Brückenschaltung,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung in
.κι Mittelpunktschaltung,
Fig. 3 einen möglichen Verlauf von Ist- und Sollwert des Speisewechselstroms in Abhängigkeit von der Zeit während einer Viertelperiode,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Anordnung in
.vs Brückenschaltung mit Spartransformator,
Fig. 5 einen vereinfacht dargestellten Regelkreis für den Betrieb der Anordnung.
Gleiche bzw. gleichwirkende Teile sind mit gleichen Zeichen versehen.
4(i In Fig. 1 sind die Klemmen 1, 2 eines Wechselspannungsnetzes 11, das die Netzspannung Un führt, über die Primärseite eines Netztransformators 3 und dessen Sekundärseite mit einer Drossel 4 und den Anschlüssen einer aus den zwangslöschbaren Ventilen 7Ί, 7\, Ti, T4 sowie den Dioden D1, D2, Di, D4 bestehenden Brückenanordnung verbunden. Die Ventile 7*|, 7*2, Ti, Ta sind über besondere nicht eingezeichnete Löscheinrichtungen zwangslöschbar, was in der Zeichnung nur symbolhaft angedeutet ist. An den An-
5(i Schlüssen S und 6 der Brückenanordnung ist ein Gleichspannungszwischenkreis 12 angeschlossen, wobei Anschluß 6 positive und Anschluß 5 negative Spannung führt; zwischen den Anschlüssen 5, 6 ist ferner ein Kondensator 7 und ein Saugkreis 8 sowie ein Gleichstromverbraucher 9 angeschlossen; es kann sich hierbei um einen passiven Verbraucher, einen Motor oder um einen Wechselrichter handeln. Transformator 3, Drossel 4 und die Brückenanordnung sind zu einem sogenannten Vier-Quadranten· Steller 10
mi zusammengefaßt.
Die Speiseschaltung nach Fig. 1 ist im Zusammenhang mit einem Regelkreis nach Fig. 5 zu sehen. Der Vier-Quadranten-Steller 10 wird von dem Wechselspaiiiiungsnetz 11 gespeist und versorgt den Gleiches Spannungskreis 12. Der Vicr-Quadranten-Steller 10 wird über einen Steuersatz 13 beeinflußt, über den die Ventile T1, T2, 7*,, T4 bzw. die Ventile 7",, 7*,, gezündet und gelöscht werde n. Der Steuersatz 13 wird
durch einen Spannungsregler 18 mit unterlagertem Stromregler 14 in der Weise beeinflußt, daß die Zwischenkreisgleichspannung Ugis, im Meßglied 19 gemessen und mit einem Gleichspannungssollwert Up„n verglichen wird. Über den Spannungsregler 18 wird aus der Differenz von Spannungssoll- und -istwert die Amplitude des Netzstromsollwertes //'v,„/// gebildet. Der sinusförmige Netzstromsollwert iNsi,u wird in einer Recheneinheit 16 aus dem im Spannungsmeßglied 17 erfaßten Verlauf von Frequenz und Phase der Netzspannung Un und aus dem vom Spannungsregler 18 gelieferten Stromamplituden Vorgabewert liNs„ul gebildet. Der errechnete Netzstromsollwert iNmU wird mit dem Netzstromistwert iNia verglichen. Die Differenz beeinflußt über den Strornregler 14 den Steuersatz 13, der seinerseits den Vier-Quadranten-Steller 10 beeinflußt. Der Netzstromistwert iNisl wird über einen Stromwandler 15 gemessen.
In Fig. 2 ist an Stelle der Brückenschaltung eine Mittelpunktschaltung dargestellt. Anstatt der Drossel 4 sind hier zwei miteinander magnetisch verkoppelte Teildrosseln 4a, Ab vorgesehen, die über die Dioden D5, D,, bzw. die Ventile T5, T6 mit Spannung von verschiedener Größe beaufschlagbar sind.
In Fig. 3 wird die Funktion der Anordnung nach den Fig. 1, 2 und Fig. 4 verdeutlicht. Hierbei stellt i\w/ den aus der Recheneinheit 16 (Fig. 5) errechneten Netzstromsollwert dar, dem der in den Eingang des Vier-Quadranten-Stellers 10 fließende Netzstromistwert iNia nachgeführt wird. Bei Vernachlässigung des Magnetisierungsstroms im Transformator haben Drosselstrom und Netzstrom den gleichen Verlauf. Außerdem wird ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 angenommen.
Während des Zeitbereichs I wird das Ventil T3 geöffnet und zuerst Ventil T2 gezündet, so daß die Gleichspannung Ug in Reihe mit dem Augenblickswert der Netzspannung Un als Drosselspannung UL an der Drossel 4 anliegt. Infolgedessen steigt der Netzstromistwert iNis, in der Drossel 4 stark an (Kurvenstück 20). Danach wird Ventil T2 gelöscht, so daß an Drossel 4 über die Diode Dx und Ventil T3 nur noch die Netzspannung Un anliegt. Dadurch steigt der Netzstromistwert iNist weniger schnell an (Kurvenstück 21) als der Netzstromsollwert iNsoU. Danach wird Ventil T2 wieder gezündet, und der beschriebene Vorgang beginnt von neuem.
Beim Übergang vom Zeitbereich I in den Zeitbereich II steigt der Netzstromistwert (Kurvenstück 22) beim Anschalten der Netzspannung Un an die Drossel 4 schneller als der Netzstromsollwert an. Es wird infolgedessen notwendig, die Gleichspannung U1. gegen den Augenblickswert der Netzspannung Ur. zu schalten, was dadurch geschieht, daß das noch leitende Ventil T3 gelöscht wird, so daß die Gleichspannung UK und die Netzspannung Un über die Dioden D4 und D1 gegeneinander geschaltet sind und der durch die
κι Drossel 4 fließende Netzstromistwert (Kurvenstück 23) stark abfällt.
Wird nun Ventil T2 gezündet, so fließt der Strom über die Diode D4 und Ventil T2, d. h. nur die Netzspannung Un liegt an der Drossel 4 und der Netz-
!S Stromistwert (Kurvenstück 24) steigt wieder an. Diese Vorgänge wiederholen sich bis zum Ende des Zeitbereichs H, d. h. bis zum Ende der Halbwelle.
Bei negativer Phase des Stromflusses durch die Drossel 4 übernehmen die Ventile Tx bzw. T4 die
2» Rollen der Ventile T3 bzw. T2 und die Dioden D2 bzw. Dj die Rollen der Dioden D4 bzw. D\, wobei sich die Vorgänge analog zu Zeitabschnitt I und II wiederholen.
Die Zünd- und Löschzeitpunkte für die Ventile T1, T2, T3, T4 werden entweder durch direkte Zeitpunktregelung des Stromes oder über einen Vergleich der Ausgangsspannung des Stromreglers 14 mit Hilfsspannungen ermittelt. Der Steuersatz 13 bildet aus den Zünd- und Löschzeitpunkten die Zündimpulse für
so die Hauptthyristoren und die zugehörigen Löschventile.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist der Netztransformator als Spartransformator 3a ausgeführt. Die Speiseschaltung nach Fig. 4 ist ebenso wie die Schaltung nach Fig. 1 eine Brückenschaltung und arbeitet in gleicher Weise.
Eine Erhöhung der für den Netzstrom wirksamen Taktfrequenz gegenüber der Schaltfrequenz der Einzelventile läßt sich dadurch erreichen, daß beim Vier-Quadranten-Steller nach Fig. 1 oder 4 nicht, wie in der obigen Beschreibung angegeben, nur die Ventile T2 bzw. T] geschaltet werden, während die Ventile T3 bzw. T4 in bestimmten Zeitbereichen dauernd geöffnet bleiben, sondern daß die Ventile T2 und T3 bzw. T1 und T4 jeweils abwechselnd in gleich lange Stromflußzeiten gesteuert werden. Dies hat außerdem den Vorteil, daß alle beteiligten Ventile gleich belastet sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle 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 ein Filter enthält, wobei als Halbleitersteller ein im Pulsbetrieb getakteter (getasteter) Kompensationshalbleitersteller vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße aus einem Gleichanteil und einem sinusförmigen Anteil der doppelten Netzfrequenz zusammengesetzt ist, und wobei das Filter als ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Sperrfilter ausgebildet ist, nach Patent 2159397, dadurch gekennzeichnet, daß jeder am Netztransformator (3, 3 β) liegenden Diode (D1, D2, D3, D4; D5, D6) des Vollwellengleichrichters wenigstens ein zwangslöschbares Ventil (Ti, T2, T3, T4; T5, T6) des Halbleiterstellers antiparallelgeschaltet ist, und daß Einrichtungen (13,14,15, 16,17, 18, 19) vorhanden sind, mittels derer die Zünd- und Löschzeitpunkte der Ventile (Ti, T2, T3, T4; T5, T6) in Abhängigkeit von Meßgrößen der Anordnung verstellbar sind (Fig. 1, 2, 4).
    2. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollwellengleichrichter (Dioden D5, D6) als Mittelpunktschaltung ausgebildet ist (Fig. 2).
    3. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollwellengleichrichter (Dioden D1, D2, D3, D4) als Brückenschaltung ausgebildet ist (Fig. 1, 4).
    4. Speiseschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung der Ventile (Τ,, T2, T1, T4; T5, T6) mit dem Netztransformator (3, 3a) wenigstens eine Drossel (4; Aa, Ab) vorgesehen ist (Fig. 1, 2, 4).
    5. Speiseschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem speisenden Wechselspannungsnetz (11) zugeordneten Stelle des Netztransformators (3; 3a) eine Drossel angeordnet ist.
    6. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Netztransformator als Spartransformator (3a) ausgebildet ist (Fig. 4).
    7. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den NeIztransformator (3, 3a) wenigstens zwei gleiche Teilanordnungen angeschlossen sind, die auf der Gleichspannungsseite in Serie oder parallel zueinander geschaltet sind.
    8. Speiseschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilanordnung jeweils eine eigene Wicklung auf der Primärseite und/ oder Sekundärseite des Netztransformators (3) zugeordnet ist.
    9. Speiseschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen des Netztransformators (3) untereinander parallelgeschaltet sind.
    K). Verfahren zur Steuerung der Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis u, dadurch
    gekennzeichnet, daß der Verlauf des durch die Drossel (4; Aa, Ab) fließenden Netzstromistwertes ('/«π) einem Netzstromsollweit (iNiou) angeglichen wird, der phasengleich mit der speisenden Netzspannung (Un) ist und dessen Stromamplitude üuer einen Regelkreis (16, 18, 19) in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung bzw. von der Höhe der Zwischenkreisgleichspannung (Uga,) beeinflußt wird (Fig. 3).
    11. Verfahren zur Steuerung der Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in äquivalenten Zweigen befindliche steuerbare Ventile (T1, T2; T3, T4; T5, T6) zeitlich versetzt zueinander gezündet und gelöscht werden.
    12. Verfahren zur Steuerung der Speiseschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Ventile einer Teilanordnung phasenversetzt gegenüber den äquivalenten Ventilen der anderen Teilanordnung gezündet und gelöscht werden.
    13. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinheit (16) und ein Spannungsmeßglied (17) vorgesehen sind, durch welche der Verlauf der Netzspannung ( Un) gemessen und ein ihr phasengleicher .Netzstromsollwert (ι,*,,«) gebildet wird.
    14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromregelkreis vorgesehen ist, welcher einen Stromwandler (15), der den Verlauf des Netzstromistwertes (iNisl) mißt, und einen Stromregler (14) besitzt, welcher aus der Abweichung des Netzstromistwertes (iNiu) vom Netzstromsollwert (iNs,,u) die Eingangsspannung für den Steuersatz (13) zur Erzeugung der Zünd- und Löschbefehle für die Ventile bildet.
    15. Schaltung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelkreis ein Meßglied (19), welches die Zwischenkreisgleichspannung (Ugia) mißt, und eine Recheneinheit (16) enthält, welche aus der Abweichung der Zwischenkreisgleichspannung (UgU1) von dem Gleichspannungssollwert (U^1) die Amplitude des Netzstromsollwertes (//n,,,«/) bildet.
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