DE2322924C2

DE2322924C2 - Schaltungsanordnung zur Stabilisierung eines Belastungsstroms

Info

Publication number: DE2322924C2
Application number: DE2322924A
Authority: DE
Inventors: Jurij Nikolaevi&ccaron; Moskva &Ccaron;erkasov; Vladimir Romanovi&ccaron; Lepp; Charis Malikovi&ccaron; Sibgatulin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-05-22
Filing date: 1973-05-07
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2185844B1; SE392534B; DE2322924A1; SU434393A1; FR2185844A1; CH553508A; US3845380A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Belastungsstroms eines aus steuerbaren Gleichrichtern aufgebauten ruhenden Umformers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 36 88 181 bekannt. Bei dieser bekannten Änderung wird der Laststrom im wesentlichen allein durch die steuerbaren Gleichrichter gesteuert und die Sättigungsdrossel bewirkt mit ihrer Spannungsarbeitswicklung nur die Steuerung der Zündung der steuerbaren Gleichrichter. Die Sättigungsdrossel steuert also nur kleine Ströme und kann deshalb klein und leicht sein. Weiterhin ist die Steuerwicklung mit der sie speisenden Gleichspannungsquelle galvanisch vom Laststromkreis getrennt. Diese Gleichspannungsquelle muß auch keine im Laststromkreis auftretenden Verluste decken und kann deshalb von verhältnismäßig kleiner Leistung sein.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Ausbildung allerdings, daß der Koeffizient der Belastungsstrompulsationen sich in weiten Bereichen ändert, und zwar sowohl bei einer Änderung des Widerstandes der Belastung oder der Spannung des speisenden Netzes, als auch bei einer Regelung des Belastungssiroms. Eine Abhilfe durch einfache Einschaltung einer zusätzlichen linearen Induktivität ist nicht möglich, weil dann der Effekt der Stromstabilisierung verlorengehen wurde.

Hieraus ergibt sich die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung eines Belastungsstroms der oben vorausgesetzten Bauart so auszubilden, daß die Konstanthaltung eines pulsationsfreien, also rechteckförmigen Laststroms bezüglich seiner Momentan-, Mittel- und Effektivwerte bei Änderungen der Belastung oder der Speisenetzspannung gelingt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Mitteln gelöst.

Bei einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung ergibt sich als Vorteil, daß der Momentan-, der Mittel- und der Effektivwert des Stromes in der Belastung konstant gehalten werden und auch nicht von Übergangsvorgängen bei Störungen von Seiten des Speisenetzes oder von Seiten der Belastung beeinflußt werden.

An sich ist aus der DE-OS 7 37 770 bekannt, in die Speiseschaltung einer Belastung eine lineare Induktivität mittels Gleichrichtern derart einzuschalten, daß deren Magnetfluß vom Belastungsstrom stets in gleicher Richtung erregt wird. Dadurch wird erreicht, daß die Wechselspannung der .Speisequelle geglättet wird und der Belastungsstrom eine eier rechteckigen Form nahekommende Form .innimmt. Wenn die Belastung eine Glühlampe isi, wird auf diese Weise cm Flackern derselben vermieden.

Demgegenüber hat bei der vorliegenden Erfindung

nicht schon die Einschaltung der erstön linearen Induktivität die Wirkung der Glättung des Belastungsstroms, sondern diese wird erst erzielt durch die gleichzeitige Einschaltung der zweiten linearen Induktivität in den Kreis der Steuerwicklungen der Sättigungsdrosseln.

Aus »Magnetic Amplifiers« von H. F. Storm, New York und London 1935, S. 63 in Verbindung mit S. 113, ist eine Schaltungsanordnung, z. B. zur Stabilisierung eines Belastungsstrornes, mit einer Sättigungsdrossel aus zw^i einphasigen Transformatoren bekannt, bei der die steuernden Vormagnetisierungswicklungen von einer Gleichspannungsquelle über eine in Reihe mit ihnen geschaltete lineare Induktivität gespeist werden. Diese lineare Induktivität dient zur Unterdrückung der geraden Harmonischen in den Steuerwicklungen.

Demgegenüber hat bei der vorliegenden Erfindung die Einschaltung der ersten und der zweiten linearen Induktivität die Wirkung, daß diese gemeinsam die Glättung des Laststroms unter Aufrechterhaltung seiner Rechteckform bewirken.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des vorliegenden Erfindungsvorschlags sind die steuerbaren Gleichrichter nach einer Antiparallelschaltung geschaltet und die Wicklung der ersten linearen Induktivität ist zwischen die Anode des einen und die Kathode des anderen der steuerbaren Gleichrichter geschaltet und weist eine Mittelanzapfung auf, die in Reihe mit der der Serienschaltung vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklungen geschaltet ist. Durch diese Weiterbildung der Erfindung wird eine Verringerung der Anzahl der steuerbaren Gleichrichter bei der Stabilisierung von Wechselstrom erreicht.

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, wenn die steuerbaren Gleichrichter nach einer einphasigen Brückenschaltung geschaltet sind und die erste lineare Induktivität in die Gleichstrom-Brückendiagonale geschaltet ist. Durch eine solche Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, daß sowohl ein Wechselstrom, als auch ein Gleichstrom in der Belastung stabilisiert und gesteuert werden kann, wenn diese entsprechend in den Wechsel- bzw. Gleichstromkreis geschaltet ist.

Bei der Verwendung einer dreiphasigen Wechselstrom liefernden Speisequelle ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn die steuerbaren Gleichrichter nach einer mehrphasigen Brückenschaltung geschaltet sind und die erste lineare Induktivität in den Gleichstromkreis der Brücke geschaltet ist, die Spannungsarbeitswicklungen in den Stromkreis Anode-Steuerelektrode der steuerbaren Gleichrichter untereinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und ihre Anzahl der Phasenanzahl gleich ist, dabei entspricht die Anzahl der Spannungsarbeitswicklungen an jedem Kern der Sättigungsdrossel, welche in die zusammenarbeitender. Bruckenzweige eingeschaltet sind, auch der Phasenanzahl.

Bei einer solchsn Weiterbildung der Erfindung ist eine Verkleinerung der ersten linearen Induktivität, eine gleichmäßige Belastung des Netzes sovie die Stabilisierung und Steuerung von Gleich- und dreiphasigem Wechselstrom erzielbar. Es entfällt auch die Notwendigkeit einer Anpassung des Anschaltungszeitpunkts an die Phasenlage des Netzes.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit antiparallelen steuerbaren Gleichrichtern zur Stabilisierung und Glättung eines Belastungswechselsiroms;

Fig.2 eine Schaltungsanordnung mit steuerbaren Gleichrichtern in einphasiger Brückenschaltung zur Stabilisierung und Glättung eines Belastungswechselstroms;

Fig.3 eine Schaltungsanordnung mit steuerbaren Gleichrichtern in mehrphasiger Brückenschaltung zur Stabilisierung eines Belastungsgleichstroms;

F i g. 4 den zeitlichen Verlauf der Speisenetzspannung der Schaltung gemäß F i g. 1

Fig.5 den zeitlichen Verlauf des Belastungsstroms gemäß F i g. 1

F i g. 5a den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Belastung gemäß F i g. 1

F i g. 6 den zeitlichen Verlauf der Spannung am linken Zweig der ersten linearen Induktivität gemäß F i g. 1;

Fig.6a den zeitlichen Verlauf der Spannung am rechten Zweig der ersten linearen Induktivität gemäß Fig.l;

F i g. 7 den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Spannungsarbeitswicklung der Sättigungsdrossel im linken Zweig der Antiparallelschaltung gemäß F i g. 1;

Fig.8 den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Spannungsarbeitswicklung der Sättigungsdrossel im rechten Zweig der Antiparallelschaltung gemäß Fig. 1;

F i g. 9 die Steuerimpulse an der Steuerelektrode des linken steuerbaren Gleichrichter der Antiparallelschaltung gemäß F i g. 1;

F i g. 10 die Steuerimpulse an der Steuerelektrode des rechten steuerbaren Gleichrichters der AntiparalielschaltunggemäßFig. 1.

Zur Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 gehört eine Wechselspannungsspeisequelle 1 und ein aus steuerbaren Gleichrichtern 2 und 3 aufgebauter ruhender Umformer. Zwischen Anode und Steuerelektrode jedes Gleichrichters 2, 3 ist über eine Diode 4 bzw. 5 eine Spannungsarbeitswicklung 6 bzw. 7 je einer Sättigungsdrossel geschaltet, deren Kerne mit 8 bzw. 9 bezeichnet sind.

Im Stromkreis einer Belastung 14 liegen in Gegenreihenschaltung vom Belastungsstrom durchflossene Wicklungen 12 bzw. 13 der Sättigungsdrosseln, wobei die Wicklungsanfänge durch Punkte markiert sind. Ebenfalls im Stromkreis der Belastung liegt eine erste lineare Induktivität aus zwei Sektionen 10 und 11, deren gemeinsamer Punkt mit den vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklungen 12, 13 Verbindung hat und deren andere Enden mit den steuerbaren Gleichrichtein 2,3 verbunden sind.

Zu jeder Sättigungsdrossel gehört schließlich eine Steuerwicklung 15 bzw. 16, wobei diese untereinander in Reihe geschaltet sind sowie in Reihe mit einer zweiten linearen Induktivität 17. Die steuernde Gleich spannung wird von einer Gleichspannungsquelle 18 geliefert.

Die in der F i g. 2 gezeigte Schaltungsanordnung ist nach einer einphasigen Brückenschaltung ausgeführt. Zu ihr gehört eine Wechselspannungsspeisequelle 19 und steuerbare Gleichrichter 20, 21,22,23, welche einen Umformer in Brückenschaltung bilden, in dessen Gleichstromdiagonale eine erste lineare Induktivität 24 geschaltet ist. Zwischen die Anode und die Steuerelektrode jedes steuerbaren Gleichrichters ist jeweils über eine Diode 29, 30,31, 32 eine Spannungsarbeitswicklung 75, 26, 27, 28 je einer Sättigungsdrossel!! geschaltet, deren Kerne mit 33 und 34 bezeichnet sind. Dabei befinden sich die Spannungsarbeitswicklungen 26, 27 auf dem Kern 33 und die Spannungsarbeitswicklungen 25 und 28 auf dem Kern 34.

Im Stromkreis einer Belastung 37 liegen vom Belastungsstrom durchflossene Wicklungen 35 und 36, wobei die Wicklung 35 auf den Kern 33 und die Wicklung 36 auf den Kern 34 gewickelt ist.

Zu jeder Sättigungsdrossel gehört schließlich eine ^r> Steuerwicklung 39 bzw. 40, wobei diese untereinander und mit einer zweiten linearen Induktivität 38 in Reihe geschaltet sind. Die steuernde Gleichspannung wird von einer Gleichspannungsquelle 41 geliefert.

In F i g. 3 ist die Speisequelle 42 eine Drehstromquel-Ie, und es sind sechs Sättigungsdrosseln mit Kernen 49 bis 54 vorhanden. Auf diese sind vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklungen 43 bis 48 verteilt.

Der Umformer besteht aus steuerbaren Gleichrichtern 55 bis 60 in dreiphasiger Gleichrichterbrückenschaltung. Zwischen Anode und Steuerelektrode jedes Gleichrichters sind über eine Diode 87 bis 92 je drei Spannungsarbeitswicklungen 69 bis 86 geschaltet.

Diese je drei Spannungsarbeitswicklungen 69,70, 71 bzw. 72, 73, 74 usw. befinden sich auf verschiedenen Kernen. Die Anschlußfolge wird durch die Folge der Einschaltung der belastungsstromdurchflossenen Wicklungen bestimmt und die Anzahl ist der Phasenanzahl gleich. Dieser Aufbau macht die Schaltungsanordnung für eine Änderung der Phasenfolge bei deren Anschluß 2> an das Netz unempfindlich.

Zu jeder Sättigungsdrossel gehört schließlich eine Steuerwicklung 61 bis 66, wobei diese untereinander und mit einer zweiten linearen Induktivität 68 in Reihe geschaltet sind und von einer Gleichspannungsquelle 67 so mit steuerndem Gleichstrom beaufschlagt werden.

In den Gleichstromkreis der Dreiphasenbrücke sind in Reihe eine erste lineare Induktivität 93 und eine Belastung 94 geschaltet.

Die Schaltungsanordnungen gemäß F i g. 2 und F i g. 3 ermöglichen es, in der Belastung sowohl Gleich-, als auch Wechselstrom konstant zu halten. Zu diesem Zweck ist die Belastung entweder in den Gleichstromkreis der Gleichrichterbrücke oder in die Phasenspeiseleitung(en) der Gleichrichterbrücke einzuschalten.

Der Betrieb der beschriebenen Schaltungsanordnungen verläuft wie folgt:

In der Anordnung gemäß Fig. 1 stellt sich bei eingeschalteter Gleichspannungsquelle 18 im Stromkreis der Steuerwicklungen 15 und 16 der Sättigungsdrosseln über die zweite lineare Induktivität 17 ein bestimmter Steuerstrom ein. Die Kerne 8 und 9 der Sättigungsdrosseln sind gesättigt.

Bei einer Spannungszufuhr von der Wechselspannungsquelle 1 schalten sich die steuerbaren Gleichrich- so ter 3 und 2 zum Anfang einer jeden Halbperiode der Netzspannung U_c (Fig.4) ein. Dabei nimmt der Belastungsstrom im Stromkreis der Wechselspannungsspeisequelle 1, Stromrichter 2 (bzw. 3), Sektion 10 (bzw. 11) der ersten linearen Induktivität, vom Belastungsstrom durchflossene Wicklungen 12 und 13, Belastung 14 einen Wert an von

die erste lineare Induktivität den Pegel der gespeicherten magnetischen Energie, deren Grenzwert

13(12)

Is

60

Hierin bedeuten Ji den Belastungsstrom, /, den Steuerstrom hn Stromkreis der Wicklungen 15 und 16 und W die Windungsanzahlen der entsprechenden Wicklungen 15 bzw. 16 und 13 bzw. 12,

Zunächst kommt es zu einem stetigen Anstieg des Laststroms aufgrund der ersten linearen Induktivität mit den Sektionen 10,11. Bei einer Stromzunahme steigert

^rr nt

beträgt. W_n, ist die gespeicherte magnetische Energie in der ersten linearen Induktivität und Li₀-n der Induktivitätswert. Während in der ersten linearen Induktivität der Vorrat an magnetischer Energie sich erhöht, erfolgt keine Blindenarbeitsrückspeisung ins Netz.

Im weiteren Betrieb werden die von der ersten linearen Induktivität während jedes Zyklus dem Netz entnommene und die in das Netz zurückgespeiste Energie gleich gehalten, wodurch der Strom im Belastungsstromkreis auf einem steuerungsseilig vorgegebenen Pegel konstantgehalten wird.

In der Zeitspanne to— U ist der Kern 9 gesättigt und der Gleichrichter 3 ist geöffnet. Über die zweite lineare Induktivität 17 und die Steuerwicklungen 15 und 16 fließt Steuerstrom von der Gleichspannungsquelle 18. Der Belastungsstrom In (F i g. 5) fließt von der Wechselspannungsquelle 1 über den Gleichrichter 3, die Sektion 11 der ersten linearen Induktivität, die Wicklungen 12 und 13 der Sättigungsdrosseln und die Belastung 14. Der Kern 8 wird ummagnetisiert und in die Spannungsarbeitswicklung 6 wird eine Spannung Ui (F i g. 7) induziert.

In dem Zeitpunkt fi wird der Kern 8 gesättigt und die Spannung Ui an der Spannungsarbeitswicklung wird gleich Null. Die Spannung Ul io (F i g. 6) an der ersten linearen Induktivität 10,11 erzeugt einen Steuerstromimpuls h (F i g. 9) in der Wicklung 6, der über die Diode 4 auf die Steuerelektrode des Gleichrichters 2 wirkt und diesen einschaltet, weil die Netzspannung L/_C(F i g. 4) für ihn zu diesem Zeitpunkt in Durchlaßrichtung anliegt. Die Spannungsarbeitswicklung 6 wird durch den nunmehr leitenden Gleichrichter 2 überbrückt und der Gleichrichter 3 schaltet sich aus.

Im Zeitraum ti bis & wird die Belastung durch den Belastungsstrom Ih (F i g. 5) entgegengesetzten Vorzeichens durchflossen. Während der Kern 8 gesättigt bleibt, wird der Kern 9 ummagnetisiert An der ersten linearen Induktivität 10, 11 fällt die Spannung Uno (F i g. 6) ab, die der Differenz zwischen dem jeweiligen Momentanwert der Netzspannung i/_cund dem mit dem Widerstandswert der Belastung 14 multiplizierten Belastungsstrom Ih (F i g. 5) gleich ist. Die an den vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklungen 12 und 13 auftretenden Spannungsabfälle können bei diesen Betrachtungen vernachlässigt werden, weil diese nur aus einigen Windungen bestehen und ihre Induktivität um einige Größenordnungen kleiner ist als die der Steuerwicklungen 15,16. An der Spannungsarbeitswicklung 7 entsteht die Spannung U₃ (F i g. 8).

Im Zeitpunkt <2 ändert sich das Vorzeichen der Netzspannung. Durch die in der ersten linearen Induktivität 10, 11 gespeicherte Energie behält der Belastungsstrom Ih jedoch seine Richtung und der Gleichrichter 2 bleibt eingeschaltet Der Kern 9 wird weiter ummagnetisiert

Im Zeitpunkt h gerät der Kern 9 in die Sättigung und in der Spannungsarbeitswicklung 7 wird Steuerstromimpuls h (F i g-10) erzeugt, welcher über die Diode 5 den Gleichrichter 3 einschaltet Der Belastungsstrom Ih kehrt sich um (Fig.5). An der ersten linearen Induktivität 10, 11 wird die Spannung I/t π wirksam

(Fig.6a). Der Kern 9 bleibt gesättigt und der Kern 8 wird ummagnetisiert. Vom Zeitpunkt U ab wiederholt sich der Vorgang.

Der Betrieb der Schaltung nach F i g. 2 verläuft auf die gleiche Weise mit dem Unterschied, daß vier Gleichrichter 20 bis 23 nach einer Brückenschaltung geschaltet sind, in deren Diagonale die erste lineare Induktivität 24 liegt.

Auch die Schaltung nach Fig.3 unterscheidet sich nicht prinzipiell von den betrachteten Schaltungen. Eine mehrphasige Spannungsquelle 42 macht lediglich eine größere Anzahl von Sättigungsdrosseln mit zugehörigen Wicklungen notwendig. Dadurch, daß die Steuerelektrode jedes Gleichrichters 55 bis 60 durch eine Reihenschaltung von drei der Spannungsarbeitswicklungen 69 bis 86 angesteuert wird, wird die Unempfindlichkeit der Schaltungsanordnung gegenüber der Phasenfolge erzielt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Belastungsstromes eines ruhenden Umformers, der aus steuerbaren Gleichrichtern aufgebaut ist, die Wechselspannungshalbwellen im Anschnitt steuern;

— für jede zu steuernde Spannungshalbwelle ist eine Sättigungsdrossel mit einer oder mehreren Spannungsarbeitswicklungen, einer Steuerwick- ι ο lung und einer Belastungsstromwicklung vorgesehen;

— jede Spannungsarbeitswicklung ist jeweils zwischen Anode und Steuerelektrode des zugehörigen Gleichrichters über eine Diode geschaltet;

— die Steuerwicklungen sind in Reihe an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen;

— die Belastungsstromwicklungen von je zwei Sättigungsdrossel!!, die einander entgegenge setzten Wechselspannungshalbwellen zugeord- net sind, werden vom zugehörigen Wechselstrom durchflossen und sind in Reihe geschaltet, wobei jeweils eine Belastungsstromwicklung gleichsinnig und die andere Belastungsstromwicklung gegensinnig zur Steuerwicklung durchflossen ist,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

— in den Belastungsstromkreis ist eine erste lineare Induktivität (10/11; 24; 93) derart jo eingeschaltet, daß ihr Magnetfluß vom Belastungsstrom stets in gleicher Richtung erregt wird;

— eine zweite lineare induktivität (17; 38; 68) ist

mit den SteuerwickJungen (15; 16; 39; 40; 61 —66) in Reihe geschaltet

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (2, 3) nach einer Antiparallelschaltung geschaltet sind und die Wicklung (10, 11) der ersten linearen Induktivität zwischen die Anode des einen und die Kathode des anderen der steuerbaren Gleichrichter (2, 3) geschaltet ist und eine Mittelanzapfung aufweist, die in Reihe mit den vom Belastungsstrom durchflossenen Wicklungen (13,12) geschaltet ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (20,21,22,23) nsch einer einphasigen Brückenschal tung geschaltet sind und die erste lineare Induktivität (24) in die Brückengleichstromdiagonale der Brücke geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Gleichrichter (55 bis 60) nach einer mehrphasigen Brückenschaltung geschaltet sind und die erste lineare Induktivität (93) in den Gleichstromkreis der Brücke geschaltet ist, die Spannungsarbeitswicklungen in den Stromkreis Anode-Steuerelektrode der steuerbaren Gleichrichter untereinander gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und ihre Anzahl der Phasenanzahl gleich ist, dabei entspricht die Anzahl der Spannungsarbeitswicklungen an jedem Kern (49 bis 54) der Sättigungsdrossel, welche in die zusammenarbeitenden Brückenzweige eingeschaltet sind, auch der Phasenanzahl.