DE2233950C3 - Switching arrangement to improve the power factor with a network stabilizing effect in converters with phase control and preferably natural commutation - Google Patents

Switching arrangement to improve the power factor with a network stabilizing effect in converters with phase control and preferably natural commutation

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors mit über Stromrichter mit natürlicher Kommutierung gesteuerten Energieverbrauchern, bei der Kondensatoren über Halbleiterventile ladbar und/oder entladbar sind. Eine solche Schaltanordnung ist aus der DE-OS 16 38 451 bekannt.The invention relates to a switching arrangement for improving the power factor with a converter Energy consumers controlled with natural commutation, with capacitors via semiconductor valves are loadable and / or unloadable. Such a switching arrangement is known from DE-OS 16 38 451.

Herkömmliche Stromrichter mit Phasenanschnitt und natürlicher Kommutierung verursachen bekanntlich induktive Blindleistung, die sich aus Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung zusammensetzt und je nach Aussteuerungsgrad erheblich sein kann. Bisher wurde zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Stabilisierung des Netzes dem Verbraucher wechselstromseitig eine entsprechende Kondensatorbatterie parallel geschaltet und dadurch die Blindleistung unmittelbar am Verbraucher kompensiert.Conventional converters with phase control and natural commutation are known to cause inductive power Reactive power, which is composed of distortion and displacement reactive power and depending on The degree of modulation can be considerable. So far has been to improve the power factor and to Stabilization of the network to the consumer on the alternating current side a corresponding capacitor bank connected in parallel and thereby compensates the reactive power directly at the consumer.

Bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Anschnittsteuerung können die zur Kompensation der Blindleistung notwendigen Kondensatoren aus Gewichtsgründen nicht mehr im Fahrzeug untergebracht werden. Deshalb wurden teilweise in den Umspannwerken Kondensatorbatterien installiert. Durch diese zentrale Kompensation werden wenigstens die Energieerzeuger entlastet und das Netz stabilisiert. Da die bei dieser Methode zwischen Verbraucher (Blindleistungserzeuger) und Kompensationskondensator pendelnde Blindleistung nicht beeinflußt werden kann, tritt eine zusätzliche Belastung der (Fahr-) Leitung auf, die im ungünstigsten Falle höher als die Wirkleistung sein kann.In the case of electric traction vehicles with gate control, the can be used to compensate for the reactive power necessary capacitors can no longer be accommodated in the vehicle for reasons of weight. That's why Capacitor batteries were partially installed in the substations. Through this central compensation At least the energy producers are relieved and the grid is stabilized. Since the with this method Reactive power oscillating between the consumer (reactive power generator) and the compensation capacitor cannot be influenced, there is an additional load on the (overhead) line, which is the worst Trap higher than the real power can be.

Außerdem können die auftretenden Oberwellen hierbei ungehindert in das Netz gelangen und eine beträchtliche Kurvenformverzerrung verursachen, die sich bei anderen Verbrauchern sehr nachteilig auswirken kann. Die Möglichkeit der Beeinflussung frequenzabhängiger Signalkreise im Bahnbetrieb kann nicht ausgeschlossen werden.In addition, the harmonics that occur can get into the network unhindered and a cause considerable waveform distortion which is very detrimental to other consumers can. The possibility of influencing frequency-dependent signal circuits in rail operations cannot be excluded.

Es sind auch Schaltanordnungen bekannt, wo durch die Verwendung von zwei oder mehr steuerbaren Folgebrücken eine Verminderung der bei der Anschnittsteuerung mit natürlicher Kommutierung auftretenden Blindleistung erreicht wird. Außerdem sind Stromrichterschaltungen bekannt, wo durch Zwangslöschung der Thyristoren und unter gleichzeitiger Verwendung zwei oder mehrerer Folgebrücken die auftretende Blindleistung reduziert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in den Kondensatoren gespeicherte Energie zu beliebig wählbaren jeweils innerhalb einer Halbwelle liegenden Zeiten in den gleichstromseitigen Lastkreis abzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wechselstromseitig mindestens eine Brückeneinheit aus einem Stromrichter mit ihm jeweils für die positive und negative Halbwelle parallelliegender Reihenschaltung und Kondensatoren und Ladedioden und je einem Entladethyristor zwischen Kondensator und Ladediode einerseits und gleichstromseitigen Ausgang des Stromrichters andererseits geschaltet istSwitching arrangements are also known in which the use of two or more controllable sequential bridges achieves a reduction in the reactive power occurring during the gate control with natural commutation. In addition, converter circuits are known where the reactive power that occurs can be reduced by forcing the thyristors to be extinguished and by using two or more subsequent bridges at the same time.
The invention is based on the object of releasing the energy stored in the capacitors into the DC-side load circuit at any selectable times, each within a half-cycle. This object is achieved according to the invention in that at least one bridge unit consisting of a converter is connected on the AC side with it for the positive and negative half-wave parallel series circuit and capacitors and charging diodes and one discharge thyristor between the capacitor and charging diode on the one hand and the DC-side output of the converter on the other

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein Stromrichter mit mehr als zwei Kondensatoren, zwei Ladedioden und zwei Entladethyristoren versehen ist. Bei zeitlich versetzter Zündung der Entladethyristoren wird damit die Kompensationswirkung erhöht und der Oberwellenanteil im Primärstrom weiter verringert.
Außerdem kann die Erfindung durch die Verwendung bipolarer Elektrolytkondensatoren noch weiter ausgestaltet werden. Dadurch wird das Gewicht für die jeweils notwendige Kompensationskapazitäi wesentlich verringert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die gezielte Entladung die Stromzeitfläche der Grundwelle des Netzstromes in die kapazitive Richtung verschoben und dadurch eine Verbesserung des Leistungsfaktors erreicht wird. Gleichzeitig wird die dem Netz in jeder Halbwelle im kapazitiven Bereich entnommene Energie als Wirkenergie dem im Gleichstromkreis liegenden Verbraucher zugeführt.A further embodiment of the invention consists in that a converter is provided with more than two capacitors, two charging diodes and two discharge thyristors. If the discharge thyristors are ignited at different times, the compensation effect is increased and the harmonic content in the primary current is further reduced.
In addition, the invention can be further developed through the use of bipolar electrolytic capacitors. This significantly reduces the weight for the compensation capacity required in each case.
The advantages achieved by the invention are in particular that the targeted discharge shifts the current-time area of the fundamental wave of the mains current in the capacitive direction, thereby improving the power factor. At the same time, the energy withdrawn from the network in each half-wave in the capacitive range is fed as active energy to the consumer in the direct current circuit.

Es wird somit nicht nur die Verschiebungsblindleistung reduziert, sondern zusätzlich der Wirkstromanteil im Lastkreis vergrößert. Außerdem werden durch die eingeschalteten Kondensatoren die auftretenden Oberwellen gedämpft, so daß auch die Verzerrungsblindleistung wesentlich reduziert wird.
Da die Kompensationskondensatoren über die vorgeschalteten Dioden aufgeladen werden und somit nur bei gezündeten Hauptthyristoren des Stromrichters Energie dem Netz entnehmen, kann keine Überkompensation des Netzes auftreten.
Bei Kurzschlüssen oder plötzlichen Netzabschaltungen können sich die Kompensationskondensatoren durch die eingebauten Ladedioden nicht über die Transformatorwicklung entladen, was ohne diese Ladedioden bei großer Kondensatorleistung die Zerstörung der Wicklung zur Folge hätte.This not only reduces the reactive power shift, but also increases the active current component in the load circuit. In addition, the switched-on capacitors dampen the harmonics that occur, so that the distortion reactive power is also significantly reduced.
Since the compensation capacitors are charged via the upstream diodes and thus only draw energy from the network when the main thyristors of the converter are ignited, overcompensation of the network cannot occur.
In the event of short circuits or sudden mains disconnections, the built-in charging diodes prevent the compensation capacitors from discharging through the transformer winding, which without these charging diodes would destroy the winding if the capacitor output is high.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and described in more detail below. It shows

F i g. 1 eine Schaltanordnung eines Stromrichters mit zwei Kondensatoren, zwei Ladedioden und zwei Entladethyristoren undF i g. 1 shows a circuit arrangement of a converter with two capacitors, two charging diodes and two Discharge thyristors and

F i g. 2 eine erweiterte Schaltanordnung eines Stromrichters mit je vier Kondensatoren, Ladedioden und Entladethyristoren.
Die Schaltanordnung nach Fig. 1 zeigt einenF i g. 2 an expanded circuit arrangement of a converter with four capacitors, charging diodes and discharging thyristors each.
The circuit arrangement of FIG. 1 shows a

ns Transformator Trmit den Wicklungen Wi, W2. An die Sekundärwicklung W2 ist eine an sich bekannte unsymmetrische gesteuerte Einphasengleichrichterbrücke (Stromrichter) mit den Hauptthyristoren Tl undns transformer Tr with the windings Wi, W2. A known asymmetrical controlled single-phase rectifier bridge (converter) with the main thyristors Tl and is connected to the secondary winding W2

7*2 und den Freilaufdioden G1 und C 2 angeschlossen. Als Verbraucher ist hier ein Mischstrommotor M mit vorgeschalteter Glättungsdrossel L, der über den Stromrichter gespeist wird, vorgesehen.7 * 2 and the freewheeling diodes G 1 and C 2 connected. A mixed current motor M with an upstream smoothing choke L, which is fed via the converter, is provided as a consumer.

Gemäß der Erfindung wird dem an sich bekannten Stromrichter eine Reihenschaltung aus Kondensator Ci und Ladediode Dl sowie zur Entladung des Kondensators Cl ein Entladethyristoi Th 1 für die positive Halbwelle und eine Reihenschaltung aus Kondensator C2 und Ladediode D 2 sowie zur Entladung des Kondensators C2 ein Entladethyristor Th 2 für die negative Halbwelle parallel geschaltet.According to the invention, a series circuit of capacitor Ci and charging diode Dl and a discharge thyristor Th 1 for the positive half-wave and a series circuit of capacitor C2 and charging diode D 2 and a discharge thyristor Th for discharging the capacitor C2 are used in the converter, which is known per se 2 connected in parallel for the negative half-wave.

Wird die Primärwicklung Wi mit Spannung beaufschlagt und die Hauptthyristoren 7Ί und 7"2 des Stromrichters werden zunächst nicht gezündet, so wird der Kondensator Ci bei der positiven Halbwelle oder der Kondensator C2 bei der negativen Halbwelle auf den Scheitelwert der anstehenden Sekundärspannung aufgeladen (positive und negative Halbwelle sind jeweils auf die Primärspannung bezogen). Die Anordnung entnimmt dann dem Netz einmalig während zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen kapazitiven Blindstrom. If voltage is applied to the primary winding Wi and the main thyristors 7Ί and 7 "2 of the converter are initially not ignited, the capacitor Ci is charged to the peak value of the secondary voltage (positive and negative Half-waves are each related to the primary voltage.) The arrangement then draws capacitive reactive current from the network once during two successive half-waves.

Bei anstehender positiver Halbwelle kann z. B. die gespeicherte Energie aus dem Kondensator C2, der negativ aufgeladen ist, durch Zünden des Entladethyristors Th 2 zu jedem beliebig wählbaren Zeitpunkt in der Halbwelle über den Verbraucherkreis als Wirkenergie abgegeben werden. Der Kondensator C2 wird hierbei nicht nur entladen, sondern auch die anstehende Spannung der positiven Halbwelle auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen. Während des Umladevor ganges fließt Strom vom Kondensator C2 über die Sekundärwicklung W2, die Freilaufdiode G1, den Mischstrommotor M, die Glättungsdrossel L und den Entladethyristor ThX Der leitende Entladethyristor Th 2 wird gelöscht, sobald der Ladestrom des Kondensators C2 Null wird. Jetzt kann in herkömmlicher Art der Hauptthyristor Ti für die positive Halbwelle gezündet und der Stromfluß entsprechend dem gewählten Steuerwinkel A eingeleitet werden.If there is a positive half-wave, z. B. the stored energy from the capacitor C2, which is negatively charged, by igniting the discharge thyristor Th 2 at any freely selectable point in time in the half-wave through the consumer circuit as active energy. The capacitor C2 is not only discharged, but also the voltage of the positive half-wave that is present is charged to the opposite polarity. During the Umladevor gear current flows from the capacitor C2 via the secondary winding W2, the freewheeling diode G 1, the mixed current motor M, the smoothing choke L and the discharge thyristor ThX The conductive discharge thyristor Th 2 is deleted as soon as the charging current of the capacitor C2 is zero. The main thyristor Ti for the positive half-wave can now be ignited in the conventional manner and the current flow can be initiated according to the selected control angle A.

Durch die Ansteuerung des Entladethyristors Th 1 wird der gleiche Vorgang dann für die negative Halbwolle eingeleitetBy activating the discharge thyristor Th 1, the same process is then initiated for the negative half-wool

Da erfindungsgemäß die Zündzeitpunkte der Entladethyristoren während der Zeitdauer einer HalbwelleSince, according to the invention, the ignition times of the discharge thyristors during the period of a half-wave

ίο beliebig verschoben werden können und hierbei keine Beeinflussung zwischen Laststrom und Kompensationsstrom auftreten kann, gestattet die Anordnung eine Verschiebung der Stromzeitflächen und somit der Stromgrundwelle, so daß damit eine wesentlicheίο can be moved at will and none Influence between load current and compensation current can occur, the arrangement allows a Shift of the current time areas and thus the current fundamental wave, so that with it an essential

Verbesserung der Verschiebungsleistung erzielt und gleichzeitig die gespeicherte Energie als Wirkenergie ausgenutzt wird.Improvement of the displacement performance achieved and at the same time the stored energy as active energy is exploited.

Die Wirkung der Schaltanordnung wird erhöht, wenn mehr Kondensatoren, Ladedioden und Entladethyristoren verwendet werden (F i g. 2). Da sich Laststrom und Kompensationsstrom nicht beeinflussen, können die Entladethyristoren Th 2 und Th 4 (für die positive Halbwelle) sowie Th 1 und Th 3 (für die negative Halbwelle) zu jedem beliebigen Zeitpunkt in derThe effect of the switching arrangement is increased if more capacitors, charging diodes and discharging thyristors are used (FIG. 2). Since the load current and the compensation current do not influence each other, the discharge thyristors Th 2 and Th 4 (for the positive half-wave) as well as Th 1 and Th 3 (for the negative half-wave) can be used at any time in the

betreffenden Halbwelle gezündet werden. Bei entsprechender Plazierung der Stromzeitflächen aus den über die Ladedioden DI1 D 2, D 3 und D 4 aufgeladenen Kondensatoren CI1 C2, C3 und C4 wird ein Maximum an Kompensation erreicht.relevant half-wave are ignited. With appropriate placement of the current-time areas from the capacitors CI 1, C2, C3 and C4 charged via the charging diodes DI 1, D 2, D 3 and D 4, a maximum of compensation is achieved.

Die an sich bekannten Beschaltungsglieder für die Thyristoren, Entladewiderstände für die Kondensatoren und kleinen Induktivitäten zur Dämpfung der Stromsteilheit u. a. sind in den F i g. 1 und 2 zur besseren Übersicht nicht dargestellt.The circuit elements known per se for the thyristors, discharge resistors for the capacitors and small inductances to dampen the steepness of the current, among other things. are shown in FIGS. 1 and 2 for the better Overview not shown.

Die Erzeugung der Impulse für die Ansteuerung der Thyristoren erfolgt in an sich bekannter Weise.The pulses for driving the thyristors are generated in a manner known per se.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltanordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Stabilisierung von Wechselstromnetzen, insbesondere mit über Stromrichter mit natürlicher Kommutierung gesteuerten Energieverbrauchern, bei der Kondensatoren über Halbleiterventile ladbar und/oder entladbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß wechselstromseitig mindestens eine Brückeneinheit aus einem Stromrichter mit ihm jeweils für die positive und negative Halbwelle parallelliegender Reihenschaltung aus Kondensatoren (Ci, C2) und Ladedioden (D 1, D 2) und je einem Entladethyristor (Th 1, Th 2) zwischen Kondensator (Ci, C2) und Ladediode (D 1, D 2) einerseits und gleichstromseitigen Ausgang des Stromrichters andererseits geschaltet ist1. Switching arrangement to improve the power factor and to stabilize alternating current networks, in particular with energy consumers controlled by converters with natural commutation, in which capacitors can be charged and / or discharged via semiconductor valves, characterized in that on the alternating current side at least one bridge unit from a converter with it for each the positive and negative half-wave of parallel series connection of capacitors (Ci, C2) and charging diodes (D 1, D 2) and one discharge thyristor (Th 1, Th 2) between capacitor (Ci, C2) and charging diode (D 1, D 2) on the one hand and the DC-side output of the converter on the other hand is switched 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromrichter mit mehr als zwei Kondensatoren, zwei Ladedioden und zwei Entladethyristoren versehen ist.2. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that a converter with more than two capacitors, two charging diodes and two discharge thyristors is provided. 3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bipolarer Elektrolytkondensatoren. 3. Switching arrangement according to claim 1, characterized by the use of bipolar electrolytic capacitors.
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