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VENTIL-FREQUENZUMFORMER MIT DIREKTER KOPPLUNG UND NATÜRLICHER STROMKOMMUTIERUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Weohselstromfrequenzumformer, insbesondere
auf Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und naturlicher Stromkommutierung,
aie auch Zyklokonvertoren genannt werden und zur Frequenzminderung von Wechselstrom
vorgesehen sind.
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bei der Entwicklung eines Ventil-Frequenzumformers mit direkter Kopplung
und naturlicher Stromkommutierung ist es erforderlich, die Aufgabe der Formierung
der Ausgangswechselspannungskurve aus Elementar abschnitten der Sinuswellen der
Speisespannung zu lössen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventil-Frequenzumformer ausgenutzt,
der zwei antiparallel geschaltete stromabjede
nehmende Thyristorgruppen
für Phase der Ausgangsspannung und ein Steuersystem mit dffnungsimpuls-Ausgangsformern
( s.
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beispielsweise das Buch von W. Schilling "Gleichrichter-, Wechselrichter-
und Frequenzumformerschaltungen", Gosenergoizdat, 1950) enthält.
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Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Arbeit das Umformers sind
die genannten stromabnehmenden Gruppen mit der Ausgangsfrequenz abwechselnd zu offnen,
wozu meist eins der zwei Steuerverfahren für den Umformer - eine zyklische Steuerung
mit Überführung der auszuschaltenden stromabnehmenden Gruppe in Wechselrichterbetrieb
fur die ganze Halbwelle der Ausgangsspannung, wo diese Gruppe keine Energie aus
dem Speisenetz an die Belaaticg" abgibt, bzw. eine Steuerung mit Folgeregelung in
Bezug auf den Nullwert des Belastungsstromes - verwendet wird.
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Der Ventil-Frequenzumformer mit zyklischer Steuerung der stromabnehmenden
Gruppen weist einen Flachteil auf, darin bestehend, daß Kreisströme erzeugt werden,
zu deren Verminderung Strombegrenzungsdrosselspulen eingesetzt werden. Ein Ventil-Frequenzumformer
mit Strombegrenzungsdrosselspulen kann jedoch auf Grund der Leistungs- und Spannungsverluste
bei diesen sowie auf grund ihrer beträchtlicher Masse und Außenabmessungen in einer
Reihe von Fällennicht zur Anwendung gelangen, wo an den Wirkungsgrad sowie an Gewicht
und Abmessungen (s. beispielsweise J.P. Grigorjew und anaere "Probleme einer zentralen
Elektrizitatsversorgung von Personenzügen mit elektrischer
und
dieselelektrischer Zugförderung", "Elektritschestwo", 1971, N. 6) besondere Anforderungen
gestellt werden.
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In diesen Fällen werden meistenteils Ventil-Frequenzum former mit
Folgeregelung in Bezug-auf den Nullwert des Belastungsstromes eingesetzt, die für
jede seiner Phasr einen Nullstromgeber besitzen, auf dessen Signal die fällige stromabnehmende
Gruppe eingeschaltet wird. Die andere Gruppe bleibt hierbei ausgeschaltet, wodurch
der Kreisstrom eliminiert wird und folglich die Notwendigkeit an Strombegrenzungsdrosselspulen
entfallt. Der Wirkungsgrad eines derartigen Umformers beträgt meist 99 bis 99,8%,
wahrend die spezifische Leistung (bei Ventil-Frequenzumformern mit einer Leistung
über 500 kW'6 bis 9 kW/kg) ausmachen kann. Bei leistungsstarken Ventil-Frequenzumformern
wird daher die Steuerung mit Folgeregelung in Bezug auf den Nullwert des Belastungsstromes
(s. beispielsweise ein Buch von 1. J. Bernstein "Thyristor-Frequenzformer ohne Gleichstromzwischenkreis",
Verlag "Energia", 1968) bevorzugt0 Als Nullstromgeber wird in der Regel ein Fühlelement
auf der Basis eines Gleichstromverstarkers ausgenutzt, dessen ESngangswicklung im
Stromkreis der Belastungsphase (so beispielsweise einen UdSSR-Urheberschein N. 176627,
Kl. 21 d² 14) liegt.
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Jedoch erweist sich ein derartiger Geber bei einer großen Leistung
des Ventil-Frequenzumformers (uber 500 kW) als ubermäßig groß, weil dessen Eingangswicklung
für den gesamten Belastungsstrom bemessen werden muß. Darüber hinaus mussen bei
solch
einem Geber zwei widersprüchliche Forderungen berücksichtigt.
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werden, deren eine darauf hinausläuft, daß er den gesamten Belastungsstrom
durchlassen soll, und die andere darauf, daß er auf Ströme in der Größenordnung
von 50 bis 100 mA anspruchen soll, indem er bei einer Stromabnahme unter den genannten
Wert ein Nullstromsignal abgibt. Die beiden genannten Forderungen auf einmal zu
erfüllen ist praktisch äußerst schwer, weshalb bei der Entwicklung der leistungsfähigen
Umformer mit direkter Kopplung das Problem der Schafung eines wirksamen Nullstromgebers
zu lösen ist.
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Dieselben Nachteil haften auch Nullstromgebern an, bei denen als
Fühlelement ein Stromwandler auftritt, dessen Primärwicklung im Stromkreis der Belastungsphase
in Serie (s. beispielweise einen Beitrag von E. Eder, J.Henderson, C. Lentz "Heizumrichter"
für Diesellokomotiven", "Siemens-Zeitschrift", 1968, N. 4) schaltet ist.
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Außer den obengenannten Nachteilen weisen sämtliche Nullstromgeber
auf der Basis der Magnetverstärker oder Stromwandler eine unzureichende Störfestigkeit
gegenüber äußeren Magnetfeldern aut. Deshalb ist deren Anwendung unter den Verhältnissen
starker elektromagnetischer Felder unerwünscht.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile
der Ventil-Frequenzumformer mit dirökter Kopplung und natürlicher Stromkommutierung
zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventil-
Frequenzumformer
mit direktor Kopplung und natürlicher Stromkommutierung zu schafen, bei dem der
Nullstromgeber lediglich leistungschwache Elemente enthält, wobei sowohl deren Verbindungsschaltung
als auch deren Leistung von der Leistung ds Umformers unabhängig sind.
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Eine zusätzliche Forderung an den genannten Nullstromgeber besteht
darin, daß dessen Empfindlichkeit nicht unterhalb von 20 bis 50 ml liegen soll.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim vorliegenden
Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und natürlocher Stromkommut£erung
der Nullstromgeber pro Thyristor ein Flipflop enthält, deren Ausgänge mittels UND-Glieder
zusammengeschaltet und an deren "O" - "I"-Eingange je die Enden der Ausgangswicklung
eines Impulstransformators angeschaltet sind, bei dem der Mittelabgriff der Ausgangswicklung
geerdet ist, wobei die eine der Eingangswicklungen des genannten Impulstransformators
im Stromkreis der Steuerelektrode des entsprechenden Thyristors in Reihe geschaltet
und die andere Eingangswicklung des genannten Impulstransformators über eine Diode
und einen Begrenzerwiderstand an die Katode und Anode desselben Thyristors angeschlossen
ist.
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Bei einem vorgeschlagenen nach dem Prinzip der Folgeregelung in Bezug
auf den Nullwert des Belastungsstromes arbeitenden Ventil-Frequenzumformer mit direkter
Kopplung und natürlicher Stromkommutierung wird also als Nullstromgeber eine den
Zustand
der Thyristoren der stromabnehmenden Gruppen analysierende
logische Schaltung verwendet. Im Vergleich zu den bekannten Nullstromgebern auf
der Basis der Magnetverstärker bzw. Stromwandler gewährleistet solch eine Schaltung
einen höhsren Wirkungsgrad, eine bessere Empfindlichkeit gegenüber dem Nullstrom
und geringe Masse und Außenabmessungen. Dies gestattet es namlich, für eine Belastung
mit einer Leistung über 1000 kW einen Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung
und naturlicher Stromkommutierung aufzubauen, der eine spezifische Leistung um 8
bis 10 kW/kg besitzt, Eventuelle Anwendungsgebiete derartiger Umformer schließen
Vermischen von Schmelzgut durch ein elektromagnetisches Drehfeld, Überpumpen der
Metallschmelze mittels elektrischer Pumpen, Elektroantriebe für Walzwerke und Drehöfen,
Speisung von Wechselstrombordnetzen in Schiffen und in Flugzeugen durch Wellengeneratoren,
zentrale Elektrizitätsversorgung von Personenzügen durch Diesellokomotiven ein.
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Die Erfindung soll nachstehend ar Hand eines Ausfuhrungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden, die die elektrische
Prinzipschaltung des vorliegenden Ventil-Frequenzumformers mit direkter Kopplung
und natürlicher Stromkommutzerung für den Fall der Umformung eider Drehstromspannung
in eine Spannung biederer Frequenz zeigt.
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Beim vorliegenden Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und
naturlicher Strommutzerung wird von Prinzip
der Formierung der Ausgangswechselspannung
aus Elementarabschnitten der gleichgerichteten Sinuswellen der Primärspannung Gebrauch
gemacht. Hierbei erfolgt die Formierung der Ausgangs wechselspannung für jede Belastungsphase
durch zwei antiparallel geschaltete stromabnehmende Gruppen, deren eine die positive
Halbwelle des Belastungsphasenstroms und die andere die negative formt, wobei das
Prinzip einer getrennten Steuerung der genannten stromabnehmanden Gruppen mit Folgeregelung
in Bezug auf den Nullwert des Belastungsphasenstroms ausgenutzt worden ist.
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Das genannte Prinzip besteht darin, daß die fällige stromabnehmende
Gruppe erst dann eingeschaltet wird, wenn der durch die aus zuschaltende stromabmnehmende
formierte Belastungsphasenstrom auf den Nullwert absinkt. Dieser Zeitpunkt wird
durch den Phasenstrom-Nullgeber fixiert. Beim genannten Geber wird ein Prinzip zur
Analyse der Zustände der Thyristoren der stromabnehmenden Gruppen ausgenutzt, das
mit Hilfe einer logischen Schaltung aus Impulstransformatoren und Flipflops realisiert
wird.
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Wie aus Zeichnung ersichtlich, enthält der vorliegende Ventil-Frequenzumformer
mit direkter Kopplung und näturlicher Stromkommutierung drei Phaseneinheiten 1,
2 und 3. Deren Eingänge sind aus Phasen A, B, C, des Speisenetzes und die Ausgänge
an die Phasen A', B', C', der Belastung 4 angeschlossen. Da alle drei genannten
Phaseneinheiten 1, 2, 3 ganz gleiche Elemente
und deren Verbindungsschaltung
aufweisen, wird im weiteren die Schaltung nur einer Phaseneinheit 1 betrachtet.
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Die Phaseneinheit 1 besteht aus je einer stromabnehmenden Katoden-
und Anodengruppe, deren erste die Thyristoren 5 bis 7 und die zweite die Thyristoren
8 bis 10 anthält. In Bezug auf die Phasen A, 3, C des Speisenetzes und die Phasen
A; B , C' der Belastung 4 sind die Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe und die
Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe antiparallel geschaltet Wenn beispielsweise
der Thyristor 5 de Katodengruppe mit der Anode an die Phase A und mit der Katode
an die Phase A geschaltet ist, so ist der ihm entsprechende Thyristor 8 der Anodengruppe
mit der Katode an die Phase A und mit der Anode an die Phase A'geschaltet. Analog
sind bezüglich der Phasen B-B'und C-C' die Thyristoren 6, 9 bzw. 7, 10 geschaltet.
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Die Steuerelektrode und die Katode eines Jeden der genannten Thyristoren
5 bis 10 sind mit den Ausgängen der Steuerimpuls-Ausgangsformer 11 und 12 gekoppelt.
Hierbei sind die Thyristoren 5 bis 7 der stromabnehmenden Katodengruppe an den Steuerimpuls-Ausgangsformer
11 und dXz Thyristoren 8 bis 10 der stromabnehmenden Anodengr upp e an den Steuer
impuls-Ausgangsformer 12 angeschlossen Die genannten Steuerimpuls-Ausgangsformer
11, 42 stellen Ausgangseinheiten eines Steuersystems dar, das in der Zeichnung nicht
aufgezeigt ist und nach den bekannten Schaltungen unter Benutzung des Prinzips einer
getrennten Steuerung der stromabnehmenden Gruppen ausgeführt wird.
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Zur Analyse des Zustandes eines jeden der Thyristoren 5 bis 10 sind
Impulstransformatoren 13 vorgesehen, deren Jeder zwei Eingangswicklungen 14 und
15 und eine Ausgangswicklung 16 enthält. Die an den Impulstransformatoren 13 angebrachten
Eingangswicklungen 14 sind in die Stromkreise der Steuerelektroden der entsprechenden
Thyristoren 5 bis 10 in Serie geschaltet, wobei das Ende einer jeden von ihnen mit
der Steuerelektrode desentsprechenden Thyristors verbunden ist.
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Jede der Eingangswicklungen 15 der Impulstransformatoren 13 ist an
die Katode und die Anode des entsprechenden Thyristors 5 bis 10 uber einen Begrenzerwiderstand
17 und eine Diode 18 angreschlossen- wobei das Ende einer Jeden von ihnen mit der
Katode des entsprechenden Thyristors gekoppelt ist.
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Die Ausgangwicklungen 16 der Impulstrasformatoren 13 sind nach einer
Schaltung mit geerdetem Nullpunkt 19 verbunden Die Ausgangswicklung - 16 setzt sich
aus zwei Teilen 20 und 21 zusammen. Der gemeinsame Punkt dieser Teile stellt aen
Nullpunkt der Ausgangswicklung 16 dar.
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Der Anfang des Teiles 20 ist über eine Trenn diode 22 an den "O"-Eingang
des Flipflops 23 und das Ende des Teiles 21 uber eine Trenn diode 24 an den "1"-Eingang
desselben Flipflops 23 angeschlossen.
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Die Ausgänge der den Thyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe entsprechenden
Flipflops 23 sind mit den Eingängen der UND-Schaltung 25 und die Ausgänge der den
Thyristoren 8 * (an den diesen in den O-Zustand schaltenden Eingang)
bis
10 der Anodengruppe entsprechenden Flipflops 23 sind mit den Eingängen der UND-Schaltung
26 gekoppelt. Die Ausgange der genannten UND-Schaltungen 25 und 26 sind mittels
UND-Schaltung 27 vereinigt, deren Ausgang als Ausgang des Nullstromgebers der Phase
A'der Belastung 4 auftritt.
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Der Ventil-Frequenzumformer mit direkter Kopplung und nätürlicher
Stromkommutierung arbeitet wie folgt. Das in der Zeichnung nicht gezeigte Steuersystem
verwirklicht mit Hilfe der Steuerimpuls -Ausgangsformer 11 und 12 eine abwechselnde
Einschaltung der Stromabnehmenden Anoden- bzw. Katoden-Thyristorgruppe. Hierbei
erfolgt die Einschaltung der fälligen an die Reihe kommenden Gruppe erst dann, wenn
der Strom in de entsprechenden Phase A', B' oder C' der Belastung 4 auf den Nullwert
absinkt. Dieser Zeit punkt wird durch den Nullstromgeber fixiert, der Impulstransformatoren
13, Begrenzerwiderstände 17, Dioden 18, Begrenzerdioden 22 und 24, Flipflops 23
und UND-Schaltungen 25, 26 und 27 enthält.
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Die ballige stromabnehmende Gruppe darf erst dann eingeschaltet werden,
wenn der Nullstromwert der Phase A' der Belastung 4 fixiert worden ist. Dies ist
darauf zurückzuführen, daß die Thyristoren 5 bis 7 von der einen SeSte und die Thyristoren
8 bis 10 von der anderen antiparallelegeschaltet sind. Deshalb wurde , falls beispielsweise
irgendeiner der Thyristoren 5 bis 7 noch nicht abgeschaltet ist, während einer der
Thyristoren 8 bis 10 bereits eingeschaltet wird, ain Phasenkurzschluß im
eintreten
Speisenetz A, 3, C. Im betrachteten Prinzip der Steuerung eines Ventil-Frequenzumformers
ist daher eine Fixierung des Zeltmomentes des Absinkens des Stromes der Phase A'
der Belastung 4 auf den Nullwert erforderlich, was von der Ausschaltung der Thyristoren
5 bis 10 und folglich von der Möglichkeit der Einschaltung der fälligen stromabnehmenden
Gruppe zeugt.
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Diese Funktionen führt der Nullstromgeber folgenderweise aus.
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Zum Öffnen eines beliebigen der Thyristoren 5 bis 7 oder 8 bis 10
erzeugt der Ausgangsformer 11 bzw. 12 Steuerimpulse, die auf die Steuerlelektroden
der genannten Thyristoren 5 bis 7 bzw.
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8 bis 10 gelangen, indem sie die Wicklungen 14 der Impulatransformatoren
13 durchlaufen. Hierbei werden in den Ausgangswicklungen 16 dieser Impulstransformatoren
Impulse induziert.
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Ein durch den Teil 21 der Ausgangswicklung 16 erzeugter Spannungsimpuls
kann nicht auf ein Flipflop 23 einwirken, da dies durch die Trenndiode 24 verhindert
wird. Was aber den durch den Teil 20 der Ausgangswicklung 16 erzeugten Spannungsimpuls
anbetrifft, so gelangt nr über die Trenndiode 22 auf den "O"-Eingang des Flipflops
23 und versetzt dieses'in den "O"-Zustand.
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Infolgedessen erscheint am Ausgang der UND-Schaltung 25 oder 26 ae
nachdem, ob die Thyristoren 5 bis 7 bzw. 8 bis 10 durchschalten, ein Nullniveau
der Spannung, das vom Vorhnndensein eines Stromes in der stromabnehmenden Gruppe
der Phase A
der Belastung 4 zeugt. Gleichzeitig erscheint in einem
beliebigen der betrachteten Fälle ein Nullniveau der Spannung am Ausgang der UED-Schaltung
27, was vom Vorhandensein eines Stromes in der Phase A' der Belastung 4 zeugt.
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Wenn irgendeiner der Thyristoren 5 bis 10 unter der Wirkung einer
daran auftretenden Rückspannung sperrt, so beginnt unter der Wirkung dieser Spannung
uber die Eingangswicklung 15 des entsprechenden Impulstransformators 13 ein Strom
in einem aus der genannten Wicklung 15, dem Begrenzerwiderstand 17 und der Diode
18 bestehenden Stromkreis zu fließen. Der Kern des entsprechenden Impulstransformators
13 wird dabei ummagnetisiert, und in der Ausgangswicklung 16 wird ein Impuls erzeugt,
der über die entsprechende Trenndiode 24 auf den "1"-Eingang des entsprechenden
Flipflops 23 gelangt.
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Der 1 Zustand des Flipflops 23 zeugt also davon, daß der entsprechende
Thyristor 5 bis 10 hierbei spart. Der "O"-Zustand eines beliebigen der Flipflops
23 zeugt dagegen davon, daß der entsprechende Thyristor 5 bis 10 leitet und daruber
ein Strom fließt. Wenn alle Thyristoren 5 bis 10 gesperrt sind, befinden sich alle
Flipflops 23 in einem "1"-Zustand, so daß am Ausgang der UND-Schaltung 27 ejn "1"-Signal
anliegt Beim Öffnen eines beliebigen der Thyristoren 5 bis 10 durchläuft der Impuls
vom Ausgangs des Ausgangsformers 11 bzw.
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12 die Eingangswicklung 14 eines der ImpulstransSormatoren 13, worauf
sich im Teil 20 der Ausgangswicklung 16 dieses Transformators
13
ein Impuls ausbildet, der das entsprechende Flipflop 23 in einen "O"-Zustand umschaltet.
Hierbei erscheint am Ausgang der UND-Schaltung 27 ein Nullniveau der Spannung, das
vom Vorhandensein eines Stromes in der Phase A der Belastung 4 zeugt. Die UND-Schaltung
25 zeigt also den Zustand der Uhyristoren 5 bis 7 der Katodengruppe, die UND-Schaltung
26 - den Zustand der Thyristoren 8 bis 10 der Anodengruppe und die UND-Schaltung
27 - das Vorhandensein eines Stromes in der Belastungsphase A' an.