DE2333570A1 - Schaltungsanordnung zur speisung eines gleichstromverbrauchers aus einer wechselstromquelle ueber einen gleichrichter - Google Patents

Schaltungsanordnung zur speisung eines gleichstromverbrauchers aus einer wechselstromquelle ueber einen gleichrichter

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Description

Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einer Wechselstromquelle über einen Gleichrichter
Bei der Verwendung von üblichen Stromrichterschaltungen ohne Zwangskommutierung zur Speisung von Gleichetromverbrauchern aus einer Wechselstromquelle besteht vor allem im Teilaussteuerungsbereich ein beträchtlicher Blindleistungsbedarf. Diese Blindleistung, die durch den Leistungsfaktor cos ϊΡ charakterisiert wird, ist wegen der Zusatzverluste, den zusätzlichen Investitionen bei Geräten und Anlagen und wegen der zusätzlichen Spannungsabsenkung und Spannungsverzerrung unerwünscht.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung für die Speisung, Steuerung und Regelung von Gleichstromverbrauchern größerer Leistung aus Wechselstromquellen bekannt, bei der eine Brückenschaltung mit unsymmetrischem Aufbau der Brückenzweige vorgesehen ist (DT-OS 1 563 240). Im einen Brückenzweig dieser bekannten Brückenschaltung sind zwei nicht steuerbare Stromrichterventile angeordnet, während im anderen Brückenzweig zwei tastbare Stromrichterventile liegen, die von einem Stromregler gezündet und gelöscht werden können. Mit dieser bekannten Schaltungsanordnung kann zwar ein günstigerer Leistungsfaktor erzielt werden als bei einer üblichen, anschnittgesteuerten Stromrichterschaltung, es ist jedoch nicht möglich, den Leistungsfaktor zu regeln und zu optimieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einer Wechselstromquelle über einen Gleichrichter vorzuschlagen, welche die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnung nicht mehr aufweist.
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Dies wird erfindungsgemaß dadurch erreicht, daß zwischen Gleichrichter und Gleichstromverbraucher ein Gleichstromsteller geschaltet ist, dessen Steuersatz mit der Wechselstromquelle synchronisiert ist. Der Gleichrichter kann vorzugsweise als ungesteuerte Gleichrichterbrücke ausgebildet sein, die den einfachen Aufbau eines netzgeführten Stromrichters mit natürlicher Kommutierung aufweist.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist übersichtlich in einen hai delsüblichen Gleichrichter und in einen ebenfalls handelsüblichen Gleichstromsteller gegliedert. Der Aufwand an Bauais
teilen ist insgesamt geringer/bei der eingangs beschriebenen bekannten Stromrichterschaltung mit unsymmetrisch aufgebauten, halbgesteuerten Brückenhälften. Me Steuerung des Gleichstromstellers ist mit der speisenden Wechselstromquelle synchronisiert. Hierzu ist dem Steuersatz des Gleichstromstellers vorzugsweise eine Stufe zur Erfassung der Nulldurchgänge der Spannung der Wechselstromquelle zugeordnet. In jeder Halbperiode der Wechselspannung erfolgt nur eine Zündung und eine Löschung. Sowohl die Zündung wie auch die Löschung des Gleichstromstellers können zu beliebigen Zeitpunkten während der Halbperiode der Wechselspannung erfolgen. Dadurch kann ein geeigneter Wert des Leistungsfaktors auf einfache Weise eingestellt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß dem Steuersatz des Gleichstromstellers zur Bestimmung der Pulsbreite ein Stromregler zugeordnet ist, dem eingangsseitig der Yerbraucherstrom als Istwert und ein entsprechender Sollwert zugeführt sind. Zur Bestimmung des Zündzeitpunktes kann dem Steuersatz ein Leistungsfaktor-Regler zugeordnet sein, dem eingangsseitig der Istwert des Leistungsfaktors der Wechselstromquelle und ein entsprechender Sollwert zugeführt sind. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall kann hierdurch der Leistungsfaktor entweder optiaiert werden (cos J= 1), oder
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es kann ein "beliebiger Wert eines induktiven oder sogar kapazitiven Leistungsfaktors eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann besonders vorteilhaft zur Speisung eines Stromrichtermotors verwendet werden, wenn dem Gleichstromsteller ein Wechselrichter nachgeschaltet ist, der seinerseits den Stromrichtermotor speist.
Die Erfindung und ihre Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm zur Definition des Leistungsfaktors, Fig. 2 den Strom- und Spannungsverlauf während einer HaIb-
perioae, eines Ausführungsbeispiels
Fig. 3 ein Blockschaltbild/einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 4 die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Speisung eines Stromrichtermotors, Fig. 5 und Fig. 6 Schaltungsbeispiele für erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen.
Im Diagramm der Fig. 1 stellt die Abszisse den Blindstrom I, und die Ordinate den Wirkstrom I dar. Dio Netzspannung U liegt in Phase mit den Wirkstrom I und ist daher ebenfalls an der Ordinate angeschrieben. Der Stromzeiger I läuft entgegen den Uhrzeigersinn um. Im dargestellten Beispiel eilt der Strom der Spannung um den Winkel j nach. Der Leistungsfaktor cos Cf* ist daher positiv, was einer induktiven Blindleistung entspricht.
In Fig. 2 ist der Verlauf von Strom und Spannung während einer Halbperiode über der Zeit t aufgetragen. Bei einer üblichen Stromrichterschaltung hat die Spannung U in den Zeitpunkten ti und t3 Nulldurchgänge, während der Strom I der Spannung U nacheilt und in den Zeitpunkten t2 und t4
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Nulldurchgänge aufweist. Dies entspricht einem positiven Leistungsfaktor und damit einer induktiven Blindleistung. Wenn dagegen der Strom zum Zeitpunkt t„ eingeschaltet und zum Zeitpunkt t, wieder ausgeschaltet wird, so entsteht ein Puls der Breite B. Durch geeignete Wahl der Zeitpunkte tz und tx innerhalb einer Halbperiode läßt sich die ^age des Pulses bestimmen und damit der Wert des Leistungsfaktors cos Zf einstellen.
Gemäß der Erfindung wird dies durch Verwendung eines Gleichstromstellers erzwungen, dessen Zündzeitpunkt t„ und dessen Löschzeitpunkt ty, bzw. dessen Pulsbreite B von einem Steuersatz bestimmt werden. Der Steuersatz ist mit der Wechselstromquelle synchronisiert, um sicherzustellen, daß Zündzeitpunkt und Löschzeitpunkt immer während einer Halbperiode liegen.
Im Blockschaltbild der Fig. 3 besteht die Wechselstromquelle aus dem Generator 2 mit dem ohmschen Widerstand 3 und dem induktiven Widerstand 4. In der Praxis kann eine derartige Wechselstromquelle durch die Sekundärseite eines an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichtertransformators gebildet sein, wobei der Widerstand 3 den Leitungswiderstand und der induktive Widerstand 4 die Leitungsinduktivität darstellt. Die an den Klemmen 5 und 6 auftretende Wechselspannung wird dem Gleichrichter 7 zugeführt,der die Dioden D1, D2, D3 und D4 in der üblichen Brückenschaltung enthält. An die Klemmen 8 und 9 ist ein Gleichstromsteller 10 angeschlossen, der schematisch durch einen zünd- und löschbaren Stromrichter 11 und eineirei laufdiode 12 dargestellt ist. Beim Gleichstromsteller 10 kann es sich um eine der bekannten handelsüblichen Ausführungen handeln, wie sie beispielsweise im "Silizium-Stromrichter-Handbuch", 1971, Seite 182 - 196, beschrieben sind. An den Ausgangsklemmen
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und 14 des Gleichstromstellers liegt der Gleichstromverbraucher 15, der einen ohmschen Widerstand 16 und eine Induktivität 17 enthält.
Dem Gleichstromsteller 10 ist ein Steuersatz 18 zur Bestimmung des Zündzeitpunkt es t„ und des Löschzeitpunktes t,-zugeordnet. Um den Steuersatz 18 mit der Wechselspannung zu synchronisieren, wird die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle 1 von der Spannungserfassung 20 erfaßt. Eine Stufe 21 bestimmt die Nulldurchgänge der Spannung der Wechselstromquelle und synchronisiert den Steuersatz 18.
Pur eine Optimierung -des Leistungsfaktors in Bezug auf den Generator wäre es erforderlich, den Steuersatz 18 nicht auf die Fulldurchgänge der Ausgangsspannung der Wechselstromquelle 1 zu synchroniseren, sondern unmittelbar auf
der Spannung
die Nulldurchgänge/des Generators 2. Wenn die Generatorspannung zugänglich ist, so wird man sie zweckmäßigerweise zur Synchronisierung des Steuersatzes 18 heranziehen. Bei der Verwendung eines Wechselstromnetzes als Wechselstromquelle wird im allgemeinen die Generatorspannung selbst nicht verfügbar sein und man wird auf die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle synchronisieren müssen.
Zur Bestimmung der Pulsbreite B ist dem Steuersatz 18 ein Stromregler 22 zugeordnet. Diesem werden der Verbraucherstrom I vom Stromwandler 23als Regelgröße und die Führungsgröße I* zugeführt.
Zur Bestimmung des Leistungsfaktors dient der Leistungsfaktor-Regler 24. Die Leistungsfaktor-Erfassungsstufe 25 bildet den Istwert des Leistungsfaktors cos χ aus den Augenblickswerten der Spannung der Wechselstromquelle 1, die von der Spannungserfassung 20 geliefert werden, und aus
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Augenblickswerten des Stromes vom Stromwandler 26. Oer ermittelte Wert des Leistungsfaktors cos ^f wird mit einem entsprechenden Sollwert (cosX)* verglichen und steuert den Leistungsfaktor-Regler 24 aus.
Der Steuersatz 18 bildet aus den Ausgangssignalen des Stromreglers 22 und des Leistungsfaktor-Reglers 24 den Zündzeitpunkt t„ und den Löschzeitpunkt tj.
Pig. 4 zeigt im Blockschaltbild die Anwendung der Erfindung für einen Stromrichtermotor 27. Dem Gleichstromsteller 10 ist wiederum ein Gleichrichter 7 mit der Wechselstromquelle vorgeschaltet. Im Ausgang des Gleichstromstellers 10 liegt der Wechselrichter 28, der seinerseits wiederum den Stromrichtermotor speist. Gegenüber der bekannten Speisung eines Stromrichtermotors mit einem Zwischenkreisumrichter mit Gleichstromzwischenkreis ergibt sich bei dieser Ausführung der große Vorteil, daß im Gleichstromkreis keine Glättungsglieder benötigt.werden. Dies ermöglicht einen Verzicht auf das sonst notwendige LC-Glättungsglied zwischen Gleichrichter und Gleichstromsteller.
In den Schaltbildern der Figuren 5 und 6 sind zur besseren Übersicht die Regeleinrichtungen für den Steuersatz 18 weggelacsen. In beiden Schaltungen ist ein Kondensator 30 zur Speicherung der magnetischen Energie des Wechselstromnetzes enthalten. Der Kondensator 30 muß so groß bemessen werden, daß die beim Löschvorgang auftretende Spannungsspitze nicht zu groß wird.
Zur Beschreibung der Pig. 5 wird eine positive Halbwelle der Spannung der Wechselstromquelle 1 betrachtet. Solange der Gleichstromsteller 10 nicht gezündet ist, kann kein Strom fließen. Wenn der Steller 10 gezündet wird und im Zündzeitpunkt tz die Spannung am Kondensator 30 höher ist als die
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Spannung der Weehselstromquelle 1, dann kann sich dsr Kondensator 30 über den Steller 10, die Last 15 und die Freilaufdiode F2 entladen. Sobald die Kondensatorspannung unter die Spannung der Wechselstromquelle 1 absinkt, übernehmen die Dioden D1 und D4 die Stromführung. Der Strom fließt über die Diode D1, den Steller 10, die Last 15 und zurück über die Diode D4. Wenn der Steller 10 gelöscht wird, erzwingt die Induktivität 4 der Wechselstromquelle 1 (Netzinduktivität) ein Weiterfließen des Stromes über die Diode D1, den Kondensator 30, die Freilaufdiode F1, die Last 15 und die Diode D4 solange, bis der Netzstrom abgeklungen ist und die Dioden D1 und D4 sperren. Die magnetische Energie des Netzes wird vom Kondensator 30 aufgenommen. Im Lastkreis erzwingt die Lastinduktivität 17 einen Strom über die beiden Freilaufdioden F2 und F1.
Zur Beschreibung der Fig. 6 wird wiederum die positive Halbperiode der Spannung der Wechselstromquelle 1 betrachtet. Wenn der Steller 10 gezündet wird und im Zündzeitpunkt t„ die Spannung am Kondensator 30 größer ist als die Spannung der Wechselstromquelle 1, dann entlädt sich der Kondensator über den Steller 10, die Last 15 und die Entkopplungsdiode E1. Sobald die Kondensatorspannung unter die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle 1 sinkt, übernehmen die Dioden D1 und D4 die Stromführung. Wenn der Steller 10 gelöscht wird, erzwingt die Induktivität 4 der Wechselstromquelle (Netzinduktivität) ein Weiterfließen des Stromes über die Diode D1, den Kondensator 30, die Entkopjplmngsdiode E2, die Last 15 und die Diode D4 solange, bis der Strom abgeklungen ist und die Dioden D1 und D4 sperren. Die Lastinduktivität 17 erzwingt einen Stromfluiä über die Freilauf diode F3.
Der Unterschied in der Schaltung nach Fig. 6 gegenüber der Schaltung nach Fig. 5 besteht darin, daß in der Schaltung nach Fig. 6 nur eine hoch belastbare Freilaufdiode F3er-
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forderlich ist, die den vollen laststrom aufnehmen muß. Die beiden Entkopplungsdioden E1-und E2 werden wesentlich niedriger belastet und können entsprechend kleiner dimensioniert werden. Man wird im jeweiligen Anwendungsfall hinsichtlich des Preises und des Platzbedarfs entscheiden müssen, welche der beiden Schaltungen vorzuziehen ist.
9 Patentansprüche
6 Figuren
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Claims (9)

  1. - 9 Patentansprüche
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    ( 1.J Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einer Wechselstromquelle über einen Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gleichrichter (7) und Gleichstromverbraucher (15) ein Gleichstromsteller (10) geschaltet ist, dessen Steuersatz (18) mit der Wechselstromquelle (1) synchronisiert ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (7) als ungesteuerte Gleichrichterbrücke ausgebildet ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuersatz (18) eine Stufe (21) zur Erfassung der Nulldurchgänge der Spannung der Wechselstromquelle (1) zugeordnet ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuersatz (18) zur Bestimmung der Pulsbreite (B) ein Stromregler (22) zugeordnet ist, dem eingangsseitig der Verbraucherstrom (I) als Istwert
    und ein entsprechender Sollwert (I*) zugeführt sind.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuersatz (18) zur Bestimmung des Zündzeitpunktes (t„) ein Leistungsfaktor-Regler (24) zugeordnet ist, dem eingangsseitig der Istwert des Leistungsfaktors der Wechselstromqüelle (1) und ein entsprechender Sollwert zugeführt sind.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kondensator (30) im Ausgang des Gleichrichters (7).
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  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromverbraucher (15) mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Freilaufdioden (F1, 12) überbrückt ist und daß der Kondensator (30) zwischen ihrem gemeinsamen Mittelpunkt und der Eingangsklemme (8) des Gleichstromstellers (10) liegt (Pig. 5).
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromverbraucher (15) durch eine Freilauf diode (13) überbrückt ist und daß zwischen den Ausgangsklemmen (8, 9) des Gleichrichters (7) die Reihenschaltung einer Entkopplungs-Diode (E1) und dem Kondensator (30) liegt, dessen einer Belag mit der Eingangsklemme (8) des Gleichstromstellers (10) und dessen zweiter Belag über eine weitere Entkopplungsdiode (E2) mit dem Ausgang (13) des Gleichstromstellers (10) verbunden ist (Pig. 6).
  9. 9. Anwendung der Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche für einen ..Stromrichtermotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromverbraucher als Wechselrichter (28) zur Speisung eines Stromrichtermotors (27) ausgebildet ist. (Pig. 4).
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