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Verfahren zum Löschen von Thyristoren Löschschaltungen mit Thyristoren
sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Sie unterscheiden sich zum größten
Teil nur in der Art des zur Löschung des im Lastkreis liegenden Thyristors erforderlichen
Hilfskreises. In der Regel wird ein vorher aufgeladener Löschkondensator mit Hilfe
eines zweiten Thyristors dem zu löschenden Lastthyristor in dem Augenblick parallel
geschaltet, in dem dieser gelöscht werden soll.
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Es ist auch bereits bekannt, daß an Stelle des Hilfsthyristors eine
Schaltdrossel oder ein Magnetverstärker verwendet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung nach Fig. I ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Löschkreis durch einen Transformator galvanisch vom Lastkreis getrennt ist
und die zwischen Last und Lastwicklung des Transformators liegenden Thyristoren
dadurch gelöscht werden, daß die Spannung wahrend des Löschvorganges in den negativen
Bereich umschwingt.
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Außerdem kann die gleiche Schaltanordnung durch Einspeisen von Gleichstrom
über die Lastthyristoren in die Lastwicklung als Wechselrichter verwendet werden,
wobei an der Primärwicklung WI eine dem übersetzungsverhältnis proportionale Wechselspannung
mit rechteckförmiger Kurvenform entsteht. Die Spannungszeitfläche der Ausgangswechselspannung
ist hierbei durch die zeitliche Verschiebung der Zündimpulse gegenüber den Löschimpulsen
von nahezu Null bis zum Größtwert regelbar.
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Erprobte Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen an Hand der Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Die Schaltanordnung nach Fig. I zeigt den Transformator Tr mit den
Wicklungen W 1, W 2, W 3. An die Wicklung W 2 ist der Löschkreis mit dem Thyristor
Th II, Löschkondensator C, Diode D I und Drossel L 1 für die Löschung des Stromflusses
z. B. in der positiven Halbwelle und Drossel L 1, Thyristor Th I, Löschkondensator
C, Diode D II zur Löschung des Stromflusses z. B.
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in der negativen Halbwelle, angeschlossen. An die Wicklung W 3
ist
über die Lastthyristoren Th III, Th IV die Last RL angeschlossen.
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Die hier angegebene Zweiweggleichrichterschaltung mit Itittelanzapfung
der Wicklung W 3 kann auch in halbgesteuerter Brückenschaltung ausgeführt werden.
Wird auf die galvanische Trennung zwischen Lösch- und Lastkreis verzichtet, so wird
nur eine Sekundärwicklung mit entsprechender Anzapfung benötigt. Im Folgenden soll
wegen der besseren Ubersicht nur auf die Schaltanordnung mit galvanisch getrennten
Lösch- und Lastkreis eingegangen werden.
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Wird die Wicklung W 1 mit Wechselspannung beaufschlagt und zur Einleitung
des Stromflusses nur der Lastthyristor Th IV für die positive - und Th III für die
negative - Halbwelle gezündet, so fließt der Laststrom bis zum Spannungs-Nulldurchgang
und die Thyristoren löschen durch die natürliche Kommutierung.
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Werden nun auch die Löschthyristoren, Th II für positive und Th I
für die negative Halbwelle, gezündet, so kann der eingeleitete Stromfluß zu jedem
beliebigen Zeitpunkt unterbrochen werden.
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Erfindungsgemäß tritt während des Kommutierungsvorganges folgender
Ablauf auf: Die in der Wicklung W 2 induzierte Spannung steht mit einer bestimmten
Amplitude an. Wird Thyristor Th I oder Th II entsprechend der positiven oder negativen
Halbwelle gezündet, fließt kurzzeitig über den Thyristor, Kondensator C und Diode
der der Spannungsamplitude entsprechende Kondensatorladestrom. Da der Ladestrom
nur durch die kleine Induktivität L 1 gedämpft ist, wird der Kondensator C sehr
rasch auteladen und sobald der absinkende Ladestrom den Haltestrom des Thyristors
Th I bzw Th II unterschreitet, wird dieser gelöscht. Durch den Kommutierungsvorgang
von Wicklung W 3 auf W 2 tritt in Wicklung W 3 kurzzeitig ein Umschwingen der Spannung
bis in den negativen Bereich auf, so daß der jeweils gezündete Lastthyristor Th
III bzw Th IV gelöscht wird. Der Verlauf der Kurvenform in den einzelnen Wicklungen
ist in Fig. VI dargestellt, wobei der gegenseitige Abstand der Zünd- und Löschimpulse
beliebig gewählt wurde.
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Die Umschwingdauer der Spannung in Wicklung W 3 ist von der Zeitkonstante
des Kreises abhängig und kann durch L 1 variiert werden.
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Die Erzeugung der Impulse für die Ansteuerung der Thyristoren erfolgt
in an sich bekannter Weise.
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Die Schaltanordnung nach Fig. II ist gleich aufgebaut wie die nach
Fig. I, nur soll hier gezeigt werden, daß die Anordnung
der Last-Thyristoren
h III, Th IV auch in Antiparallelschaltung für Wechselstronausgang möglich ist.
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In Fig. III ist eine zur Grundschaltung zusätzliche Schaltanordnung
dargestellt. Hierbei wird der Löschkondensator C über die Induktivität L 3 direkt
von der Eingangsspannung aufgeladen und begünstigt durch die zwangsbedingte Umladung
des Kondensators während des Löschvorganges das Umschwingen der Spannung in Wicklung
W 3, so daß die Lastthyristoren auch bei höherer Belastung sicher gelöscht werden-.
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Nach der in Fig. IV dargestellten zusätzlichen Schaltanordnung zur
Grundschaltung kann durch Erhöhung der Windungszahl und damit der Spannung im Löschkreis
das Umschwimgverhalten der Spannung in Wicklung W 3 bezüglich der sicheren Löschung
der Lasttthyristoren beeinflußt werden. Außerdem ist dadurch eine Variationsmöglichkeit
gegeben, die für die Auslegung des Kommutierungskondensators von wesentlicher Bedeutung
ist.
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Nach der bekannten Beziehung = = T ist die Größe des Kom-U mutierungskondensators
umgekehrt c proportional der Kondensatorspannung, d.h. bei höherer Spannung im Löschkreis
kann der Kondensator entsprechend verkleinert werden. Dieser Faktor ist insbesondere
bei tTraktionsantrieben von wesentlicher Bedeutung.
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Da die beiden zusätzlichen Schalt anordnungen zur Grundschaltung nach
Fig. III und IV auch gleichzeitig angewendet werden können, kann z.B. bei Traktionsantrieben
mit hoher Stronbelastung im Lastkreis während des Anfahrens eine laststromabhängige
Regelung geschaffen werden, die das Umschwingverhalten in Wicklung W 3 begünstigt.
Außerdem wird durch Erhöhung der Spannung im Löschkreis, wobei zur automatischen
Umschaltung z.B. zwei weitere Thyristor Th V, Th VI benötigt werden, quasi eine
Vergrößerung des Kommutierungskondensators erreicht.
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Die Schaltanordnung nach Fig. V zeigt die Grundschaltung für Wechselrichterbetrieb,
wobei die Gleichspannung in Wicklung W 7 über die Lastthyristoren Th III, Th IV
eingespeist wird.
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Durch Zünden der Thyristoren Th I, Th II, Th III, Th IV in der zeitlichen
Folge wie in Fig VII dargestellt für die
positive- und negative
Halbwelle, entsteht an der Wicklung i 1 eine dem tbersetzungsverhältnis der Wicklungen
proportionale Wechselspannung mit rechteckähnlicher Kurvenform. Entsprechend der
zeitlichen Zündimpulsverschiebung für die Thyristoren, kann die Spannungs-Zeitfläche
der Ausgangsspannung von nahezu Null bis zum Größtwert verändert werden. In Fig.
VII ist in zwei Beispielen A und B der Kurvenverlauf der Ausgangsspannung U Ausg.,
Kondensatorspannung Uc und Kondensatorstrom Jc des Löschkondensators über die beliebig
gewählte Zünd- und Löschimpulsfolge für die Thyristoren Th I, Th II, Th III, Th
IV dargestellt.
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Die Beispiele in Bild A und B unterscheiden sich nur durch die zeitliche
Verschiebung der Zünd- und Löschimpulse.
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Die Erzeugung der Steuerimpulse für die Thyristoren erfolgt in an
sich bekannter Weise.
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Die besonderen Vorteile der Erfindung sollen an Hand der in Fig. VIII
dargestellten Anordnung erläutert werden.
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Stromrichter mit Phasenanschnitt und natürlicher Kommutierung verursachen
bekanntlich induktive Blindleistung, die, äe nach Aussteuerungsgrad der Thyristoren,
erheblich sein kann. Deshalb lzurden Schaltungen entwickelt, die mit ensprechendem
Aufwand an Halbleiterbauteilen und Steuerungselektronik eine Ausschnittsteuerung
ernöglichen. Diese Schalt anordnungen haben sich wegen des hohen technischen Aufwandes
bisher nicht durchgesetzt.
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In der Schaltanordnung nach Fig. VIII ist der vereinfachte Hauptstromkreis
einer Wechselstrom-Lokomotive dargestellt. Die Fahrmotoren sind als ischstrommotore
ausgebildet und werden über drei löschbare unsymmetrisch halbgesteuerte Einphasenbrücken,
die gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind, gespeist. Die Gleichrichterbrücken
werden von drei Einzeltransformatoren gespeist, deren Primärwicklungen in Reihenschaltung
an Obersnannung liegen. Jeder Transformator ist mit der Löschwicklung für die Anwendung
der Erfindung ausgerüstet.
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Mit einer solchen Anordnung läßt sich die Kurvenform der an den Fahrmotoren
liegenden welligen Gleichspannung während einer Sinushalbschwingung auf verschiedene
Weise variieren, so daß das Netz nicht nur stromentlastet, sondern auch spannungsgestützt
und damit stabilisiert wird.
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In Fig. IX ist der Kurvenverlauf von Strom und Spannung während des
Anfahrvorganges der Lokomotive dargestellt. Abgesehen davon, daß die Schaltanordnung
auch in herkömmlicher Art mit Anschnittsteuerung und natürlicher Kommutierung arbeitet,
wenn die Löschthyristoren nicht gezündet werden, soll hier nur auf einen speziellen
Fall der Ausschnitt- bzw Sektorsteuerung eingegangen werden. Die einzelnen Möglichkeiten
der Sektorsteuerung sind in verschiedenen Veröffentlichungen ausführlich behandelt.
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Von technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgehend wird
z. B. die Motorspannung bei Lokomotiven mit Anschnittsteuerung mit ca 1 000 V bis
1 200 V gewählt. Mit Rücksicht auf die auftretende Blindleistung hat man bisher
bei Anschnittsteuerung mit natürlicher Kommutierung, von zwei galvanisch getrennten
Sekundärwicklungen am Haupttransformator zwei halbgesteuerte Einphasengleichrichterbrücken
gespeist und so die Möglichkeit der Spannungsteilung geschaffen, wobei für den Anfahrvorgang
die beiden Brücken nacheinander durchgesteuert werden.
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Wegen der natürlichen Kommutierung wird hierbei keine magnetische
Energie frei. Da bei der Sektorsteuerung der Stromfluß in der Halbwelle plötzlich
unterbrochen wird, wird durch die Leitungsinduktivität und die Streuinduktivität
des Transformators eine erhebliche magnetische Energie frei, die ohne größeren Aufwand
nur durch schaltungstechnische Maßnahmen abgebaut werdenkann.
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Deshalb sind in der Schaltanordnung nach Fig. VIII drei Einzeltransformatoren
vorgesehen, wobei die Primärwicklungen der Transformatoren wegen der kleineren Übersetzungen
zweckmäßigerweise in Reihe liegen. Werden, wie in Fig. IX dargestellt, die Thyristoren
der einzelnen Brücken zeitlich versetzt gezündet, und je nach Aussteuerungsgrad
wieder gelöscht, so entsteht
ein Stromfluß mit treppenförmiger sinusähnlicher
Kurvenform.
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Die durch die plötzliche Stromänderung auftretende magnetische Energie
wird daher jetzt stufenförnig abgebaut. Die pfeile an den Stromblöcken deuten deren
Verschiebemöglichkeit an, die unabhängig voneinander erfolgen kann, so daß die Gleichspannungsflächen
auch völlig unsymetrisch liegen können. Mit dieser Schaltanordnung wird deshalb
nicht nur die auftretende magnetische Energie systematisch abgebaut, sondern wie
aus Fig. IX ersichtlich, werden die auftretenden Oberschwingungen wesentlich reduziert,
die Netzrückwirkung wird verkleinert und der Leistungsfaktor kann durch Verschiebung
der Strom-Zeitfläche bis In den kapazitiven Bereich geändert werden.
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Nachstehend seien noch zusätzliche wesentliche Vorteile genalmt, die
die Erfindung kennzeichnen: 1. der von der Lastwicklung galvanisch getrennte Löschkreis,
wobei nur ein Kommutierungskondensator für die positive und negative Halbwelle erforderlich
Ist; 2. die Verwendung von billigen N-Thyristoren, da die Freiwerdezeit der Thyristoren
bei dieser Anordnung keInen Einfluß auf die Grö?e des Kommutierungskondensators
hat; 3. der Kommutierungskondensator kann von der Primärspannung oder einen stromabhängigen
Glied aufgeladen werden, so daß bei höherer Belastung der Lastthyristoren die sichere
Löschung gewährleistet ist. Durch Regelung der Spannung kann die notwendige Löschenergie
im Kondensator dem Laststrom angepaßt werden; 4. durch eine elektronische Umschaltung,
wobei über Thyristor paare verschiedene Anzapfungen der Löschwicklung an den ondersator
geschaltet werden, kann die Kondensatorspannung den tastverhältnissen angepaßt werden,
was in der Wirriing einer Vergrößerung des Kommutierungskondensators gleichkommt;
5. werden die Löschthyristoren z.B. bei Störungen u.. nicht gezündet, so arbeitet
die Schaltanordnung in herkömmlicher Art mit Anschnittsteuerung und näturlicher
Kommutierung.
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G. die Löschlricklung braucht wegen der geringen Belastung nicht für
die volle Leistung ausgelegt zu werden und ist Bestandteil des Transformators; 7.
da die Anordnung auch als Wechselrichter arbeitet, kann in der Schaltanordnung nach
Fig. VIII, bei Vollsteuerung der Einphasenbrücken und entsprechender Polung der
Stromrichtung, die beim Bremsen erzeugte Energie in das Netz zurückgespeist werden;
8. da bei dieser Schaltanordnung beim Löschen der Lastthyristoren am nnde jeder
Halbwelle kein Kommutierungskurzschluß auftritt, kann auf die bisher notwendige
Kommutierungsdrossel zur Kurzschlußstrombegrenzung verzichtet werden; 9. wird auf
die galvanische Trennung zwischen Lösch- und Lastkreis verzichtet, so wird nur eine
Sekundärwicklung mit entsprechender Anzapfung benötigt.