DE2348652C3 - Schaltungsanordnung für einen Gleichstromsteller - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Gleichstromsteller zur Impulssteuerung der Spannung eines Gleichstromverbrauchers mit einem steuerbaren Hauptventil, das zwischen dem Gleichstromverbraucher und einer Versorgungsgleichspannungsquelle angeordnet ist, mit einer Löscheinrichtung, tiie dem Hauptventil parallel geschaltet ist und aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators mit mindestens einem steuerbaren Löschventil besteht, mit einer Nachladeeinrichtung für den Löschkondensator, die mindestens ein steuerbares Nachladeventil enthält, mit einem Freilaufventil, das dem Gleichstromverbraucher zugeordnet ist, und mit einer Steuereinrichtung für die steuerbaren Ventile.

Eine Gleichstromstellerschaltung dieser Art ist beispielsweise aus der »Siemens-Zeitschrift«, 43 (1969), Heft 7, S. 616 bis 622, insbesondere Bild 12, bekannt. Das dort dargestellte Hauptventil der Gleichstromstellerschaltung ist mit einer Löscheinrichtung ausgerüstet, die eine Reihenschaltung eines Löschkondensators mit einem in Durchlaßrichtung des Hauptventils gepolten gesteuerten Löschventil enthält.

Dem Löschkondensator ist eine Reihenschaltung eines in Flußrichtung des Gleichstromes gepolten gesteuerten Umladeventils mit einer Umladedrossel parallel geschaltet. Dem Hauptventil ist zusätzlich die Reihenschaltung eines Rückschwingventils mit einer für die Rückschwingung der Kondensatorladung bemessenen Rückschwingdrossel gegenparallel geschaltet. Ein Freilaufventil, das dem Gleichstromverbraucher parallel geschaltet ist, übernimmt bei gesperrtem Hauptventil den Laststrom. Um die Löschfähigkeit des Löschkondensators durch ein vom Gleichstromverbraucher unabhängiges Nachladen zu gewährleisten, ist ein steuerbares Nachladeventil vorgesehen, das zwischen der Verbindung von Umladeventil und Umladedrossel einerseits und der negativen Klemme der Versorgungsgleichspannungsquelle andererseits angeschlossen ist Zur Nachladung wird somit die Versorgungsgleichspannungsquelle herangezogen.

Eine Gleichstromstellerschaltung dieser Art läßt sich auf verschiedene Weise abwandeln. Zum Beispiel läßt sich die Löscheinrichtung in anderer Weise ausbilden. Beispielsweise ist in dem Buch »Thyristoren« von Heumann/Stumpe, B.G.Teubner-Verlag, Stuttgart 1969, S. 154 bis 156, insbesondere Abb. 154.1g, eine Löscheinrichtung beschrieben, die eine Gegentaktschaltung von steuerbaren Löschventilen in Brückenschaltung enthält, in deren Diagonale der Löschkondensator angeordnet ist. Es läßt sich daran denken, daß an jedem

Belag des Löschkondensators ein eigenes Nachladeventil anzuschließen ist, um eine Nachladung des Löschkondensators in jeder Taktperiode zu gewährleisten. Eine andere Abwandlungsmöglichkeit der Löscheinrichtung besteht beispielsweise darin, daß an Stelle der dem Löschkondensator parallelgeschalteten Reihenschaltung aus Umladeventil und Umladedrossel (»Siemens-Zeitschrift« a.a.O., insbesondere Bild 12) in an sich bekannter Weise (»Siemens- Zeitschrift« a. a. O„ S. 620, Bild 6 und linke Spalte. Abs. 6, und S. 621, Bild 10) ein gegebenenfalls steuerbares Ladeventil antiparallel zum Löschventil angeordnet ist

Der Ladungszustand des Löschkondensators ist bei einer Gleichstromstellerschaltung der eingangs genannten Art abhängig von der Größe des Gleichstromverbrauchers und vom Einschaltverhältnis. Damit die Gleichstromstellerschaltung trotz Auftreten der Verluste funktionsfähig bleibt, muß der Löschkondensator über den Gleichstromverbraucher oder über die N achladeeinrichtung mit genügend kleiner Zeitkonstante nachgeladen werden.

Bei der durch die »Siemens-Zeitschrift«, a. a. (X insbesondere Bild 12, bekannten Gleichstromstellerschaltung wird unabhängig davon, ob es für den Löschkondensator erforderlich ist oder nicht, in jeder Taktperiode das Nachladeventil in der Nachladeeinrichtung gezündet Mit anderen Worten: Das Nachladeventil wird auch dann gezündet, wenn der Löschkovsdensator über den Gleichstromverbraucher nahezu auf die Höhe der Versorgungsgleichspannung oder sogar wenig oder auch beträchtlich über diesen Wert aufgeladen ist

Liegt die Spannung am Löschkondensator nur wenig unter der Versorgungsgleichspannung, so besteht die Gefahr, daß die Nachladeeinrichtung noch Strom fuhrt, d. h., daß das Nachladeventil noch leitend ist, wenn der nächste Zündimpuls für das in der Zündfolge nachfolgende Ventil, das die Umladung des Löschkondensator einleitet oder sogar noch dann, wenn der nächste Zündimpuls für das in der Zündfolge darauffolgende Ventil gegeben wird. Das nachfolgende Ventil ist bei einer Gleichstromstellerschaltung z. B. entsprechend der »Siemens-Zeitschrift« a.a.O., insbesondere Bild 12, das Utnladeventil. Bei einer Gleichstromstellerschaltung mit Ladeventil gemäß der »Siemens-Zeitschrift« a. a. (X insbesondere Bild 6 und 10, ist das nachfolgende Ventil das Hauptventil und, falls das Umladeventil steuerbar ist gleichzeitig auch dieses. Bei einer Gleichstromstellerschaltung mit vier Löschventilen in Brückenschaltung ist das nachfolgende Ventil das Hauptventil, und als das darauffolgende Ventil sind zwei diagonal angeordnete Löschventile anzusehen. Es handelt sich hierbei deshalb um eine Gefahr, weil das Nachladeventil in Reihe mit dem >n der Zündfolge nachfolgenden Ventil oder mit dem auf das letztgenannte Ventil folgenden Ventil einen Kurzschlußstromweg für die Versorgungsgleichspannung bilden kann.

Die Gefahr, daß die Nachladeeinrichtung zu lange Strom führt, liegt darin begründet, daß dann, wenn nur eine geringe Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung besteht, diese Differenz beim Nachladen des Löschkondensators wegen der Verluste nicht imstande ist, eine Überladung des Löschkondensators auf einen Wert, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt, herbeizuführen. Diese Überladung des nachgeladenen Löschkondensators ist aber nötig, da die Überladespannung als negative Sperrspannung am Nachladeventil für das Sperren dieses Nachladeventils soQt

Ist die negative Sperrspannung am Nachladeventil nicht ausreichend, dauert es sehr lange, bis der Strom im Nachladeventil auf Null abgeklungen ist und das Nachladeventil seine positive Sperrfähigkeit wiedererlangt hat Üblicherweise befinden sich über den Bauelementen einer Gleichstromstellerschaltung noch Widerstandsbeschaltungen, die auch einen Stromfluß über den Nachladekreis ermöglichen. Nur bei ausreichender negativer Sperrspannung am Nachladeventil kann dieser Stromfluß zu Null gemacht werden.

Es ist also festzuhalten, daß in den bekannten Gleichstromstellerschaltungen die Gefahr besteht daß das Nachladeventil noch leitend ist, wenn das nachfolgende Ventil (Hauptventil oder Umladeventil) oder sogar das darauffolgende Ventil (zwei diagonale Löschventile) gezündet wird. Diese Gefahr ist um so größer, je höher die Arbeitsfrequenz der Gleichstromstellerschaltung ist 1st das in der Zündfolge auf das Nachladeventil nachfolgende Ventil das Hauptventil (»Siemens-Zeitschrift« a. a. O„ insbesondere Bild 6 und 10), so kann dadurch die Versorgungsgleichspannungsquelle über die Reihenschaltung dieses Hauptventils mit dem Umladeventil und dem Nachladeventil kurzgeschlossen werden. 1st hingegen das in der Zündfolge nachfolgende Ventil das Umladeventil (»Siemens-Zeitschrift« a. a. C insbesondere Bild 12), so kann dadurch die Versorgungsgleichspannungsquelle über die Reihenschaltung dieses Umladeventils mit dem Nachladeventil kurzgeschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art für einen Gleichstromsteller dafür zu sorgen, daß bei allen Betriebsverhältnissen ein Kurzschluß der Versorgungsgleichspannungsquelle über das Nachladeventil sicher vermieden wird.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß es nicht zu jeder Taktperiode erforderlich ist, das N achlade ventil zu zünden, sondern nur dann, wenn am Löschkondensator ein ausreichend hohes Spannungsdefizit auftritt, wobei dann auch eine Zündung des Nachladeventils in kurzer Zeit eine ausreichende Überladung des Löschkondensators zur Folge hat.

Eine erste erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe besteht in einer derartigen Ausbildung der Steuereinrichtung, daß das Nachladeventil in jeder Taktperiode nur dann gezündet wird, wenn in einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem Zündzeitpunkt des Hauptventils die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung größer ist als ein vorgegebener Differenzgrenzwert, der seinerseits kleiner als die Versorgungsgleichspannung ist.

Diese Ausbildung der Steuereinrichtung stellt sicher, daß die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung unabhängig von der Höhe der Versorgungsgleichspannung und der Polarität der Kondensatorspannung schnell und zu genau bestimmten Zeitpunkten erfaßt wird und daß bei Vorliegen der angegebenen Bedingungen die fehlende Kondensatorladung über die Nachladeeinrichtung mit genügend kleiner Zeitkonstante nachgebracht wird, ohne daß dabei die Funktion des Gleichstromstellers beeinträchtigt wird. Durch die in bestimmten Abständen folgende Überwachung der Kondensatorladung wird die Nachladeeinrichtung, üblicherweise bestehend aus einem steuerbaren Nachladeventil in Reihe mit einer Nachladedrossel, nur dann eingeschaltet, wenn die

Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dadurch wird erreicht, daß die Nachladung immer zu einer Überladung des Löschkondensators führt, wobei die zur Sperrung des besagten Nachladeventils benötigte negative Anoden-Kathoden-Spannung auftritt.

Der Ladungszustand des Löschkondensators kann anstatt durch eine indirekte auch durch eine direkte Messung der Kondensatorspannung bestimmt werden.

Hierzu besteht eine zweite erfindungsgemäße Lösung der genannten Aufgabe darin, daß ein Spannungsvergleichsglied vorgesehen ist, das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Kondensatorspannung ist, gespeist ist und bei Überschreitung eines entgegengesetzt zur Löschrichtung gerichteten Spannungsgrenzwerts durch diese Eingangsspannung ein Ausgangssignal abgibt, das zur Freigabe eines Zündimpulses für das Nachladeventil herangezogen wird.

Der direkte Abgriff der Kondensatorspannung am Löschkondensator kann allerdings zu einem aufwendigeren Schaltungsaufbau führen. Weiterhin ist dadurch eine Beeinflussung und Belastung des Löschkondensators nicht ausgeschlossen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Lösung ist ein Spannungsvergleichsglied vorgesehen, das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung ist, beaufschlagt ist und bei Überschreitung des Differenzgrenzwerts durch die Eingangsspannung ein Ausgangssignal abgibt, das zur Bildung oder Freigabe eines Zündimpulses für das Nachladeventil herangezogen wird.

Gemäß einer weiteren, zu einem einfachen Aufbau führenden Ausgestaltung der ersten erfindungsgemäßen Lösung ist ein Spannungsvergleichsglied vorgesehen, das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung ist, beaufschlagt ist und bei Unterschreitung eines Differenzgrenzwerts durch die Eingangsspannung ein Ausgangssignal abgibt, das auf ein Sperrglied gegeben ist, welches zwischen einem auch Zündimpulse für das Nachladeventil bildenden Steuergerät und dem Nachladeventil angeordnet ist und die Weiterleitung des bereits gebildeten Zündimpulses an die Steuerelektrode des Nachladeventils sperrt.

Im Spannungsvergleichsglied kann insbesondere ein Grenzwertmelder vorgesehen sein. Bevorzugt wird das Ausgangssignal des Spannungsvergleichsgliedes über einen optischen Koppler weitergeleitet Auf diese Weise kann eine Potentialtrennung von Spannungsvergleichsglied und der nachfolgenden Steuereinrichtung und/oder dem nachfolgenden Sperrglied bewirkt werden. Dadurch ist eine einfache Stromversorgung des Spannungsvergleichsgliedes möglich.

Es ist bereits bei einer Gleichstromstellerschaltung mit steuerbaren Ventilen und einem Löschkondensator bekannt, die Ladespannung des Löschkondensators zu überwachen (DT-AS 11 49 107). Die Überwachungseinrichtung beeinflußt die Steuerung der Ventile in der Weise, daß die Zündung des Hauptventils nur bei voll ausreichender Spannung des Löschkondensators und die Zündung des Löschventils nur nach einer zur Umladung des Löschkondensators erforderlichen, fest vorgegebenen Zeitspanne möglich ist Auf das Problem einer sicheren Löschung des Nachladeventils wird bei dieser bekannten Anordnung nicht eingegangen.

Die Erfindung wird beispielhaft an Hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 drei beispielsweise herausgegriffene Gleichstromstellerschaltungen, deren Steuereinrichtung nach der ersten erfindungsgemäßen Lösung ausgebildet werden kann,

F i g. 4 Zündimpulse für das Hauptventil bei Vollaussteuerung in einem Impulsdiagramm,

Fig.5 Zündimpulse für das Löschventil in einem

ίο Impulsdiagramm,

Fig.6 den zeitlichen Verlauf der Spannung über dem Freilaufventil bei Vollaussteuerung,

F i g. 7 Zündimpulse für das Nachladeventil in einem Impulsdiagramm,

F i g. 8 die Zeit, in der bei den Gleichstellerschaltungen von F i g. 1 und 3 kein Zündimpuls für das Umschwingventil gebildet werden darf, wenn der Meßzeitpunkt des Spannungsvergleichsgliedes unmittelbar nach Ablauf des Löschvorganges liegt, und

F i g. 9 den Aufbau eines Spannungsvergleichsgliedes in ausführlicher Darstellung.

Nach Fig.l ist die positive Klemme a einer Versorgungsgleichspannungsquelle B, z. B. die Klemme einer Batterie, über ein steuerbares Hauptventil n\ an die eine Klemme c eines Gleichstromverbrauchers P angeschlossen. Die negative Klemme b der Versorgungsgleichspannungsquelle B ist direkt mit der anderen Klemme d des Gleichstromverbrauchers P verbunden. Der Gleichstromverbraucher P, der einen induktiven Lastanteil Pi und einen ohmschen Lastanteil Po besitzt, kann z. B. die Reihenschlußmaschine eines elektrischen Triebfahrzeugs sein. Der Gleichstromverbraucher Pkann aber auch ein Spannungszwischenkreis vor einem steuerbaren Wechselrichter sein. Als steuerbares Hauptventil nt kann insbesondere ein Thyristor vorgesehen sein. Die Versorgungsgleichspannung Ub der Versorgungsg'eichspannungsquelle B beträgt z.B. Ub= 300 Volt.

Das steuerbare Hauptventil nl ist Bestandteil einer Gleichstromstellerschaltung. Diese umfaßt auch eine Löscheinrichtung, die dem Hauptventil nl parallel geschaltet ist. Mit ihrer Hilfe kann das Hauptventil ni wieder gelöscht werden. Sie besteht nach Fig.l aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators A3 mit einem gesteuerten Löschventil /j9 und einer Kommutierungsdrossel JtI, die in der angegebenen Reihenfolge zwischen Anode und Kathode des Hauptventils ni geschaltet sind. Dem Löschventil /i9 ist ein steuerbare! Umschwingventil nlO gegenparallel geschaltet Derr Hauptventil ni ist weiterhin eine Reihenschaltung au; einer Rückschwingdrossel A4 mit einem in Sperrichtunj des Hauptventils ni gepolten ungesteuertei Rückschwingventil nil parallel geschaltet Ein unge steuertes Freilaufventil πβ, das den Verbraucherstron während der stromlosen Pause des Hauptventils n' übernimmt, ist dem Gleichstromverbraucher Pzugeord net Es ist im vorliegenden Fall an der Klemme 1 einerseits und an der Verbindung von Löschventil ti und Kommutierungsdrossel JtI andererseits angeschlos sen.

Um ein vom Gleichstromverbraucher P unabhängi ges Nachladen des Löschkondensators A3 zu ermögli chen, ist eine Nachladeeinrichtung vorgesehen. Dies besteht aus der Reihenschaltung eines steuerbare Nachladeventils nb mit einer Nachladedrossel A2. Sie is zwischen dem Löschkondensator A3 und dem steuerte ren Löschventil n9 einerseits und an der negative Klemme b der Versorgungsgleichspannungsquelle

andererseits angeschlossen. Die Induktivität der Nachladedrossel A2 ist klein gegenüber der Induktivität der Last P.

Zur Zündung der Ventile nl, rß und nlO mittels der Zündimpulse pt, p9 bzw. />10 ist ein Steuergerät Cl 5 vorgesehen. Dieses Steuergerät Cl bildet auch Zündimpulse p6 für das Nachladeventil /16. Es besitzt also — wie eingezeichnet — vier Ausgänge. Die Taktfrequenz, mit der das Hauptventil nt gezündet und wieder gelöscht wird, kann z. B. 200 Hz betragen.

Dem Steuergerät Cl ist ein Spannungsvergleichsglied Sl vorgeschaltet. Diesem Spannungsvergleichsglied Sl wird an seinen Klemmen e. f eine Eingangsspannung zugeführt, die bevorzugt als Spannung U(nS) direkt am Freilaufventil ηβ abgegriffen ist. Die Eingangsspannung U(i&) ist die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung Ub und der Kondensatorspannung Uc, wenn das Löschventil π9 Strom führt. Während der Messung der Spannung U(n&)\sl der Löschkondensator Jt3, wie in Fig.l dargestellt, an dem mit der Anode des Hauptventils nl verbundenen Belag positiv gegenüber dem anderen Belag aufgeladen. Es gilt also: U(n&) = (Ub- Uc).

Die Speisung des Spannungsvergleichsgliedes Sl mit der Spannung U(r&) des Freilaufventils ηβ hat den Vorteil, daß diese Spannung U(i&), die ein relatives Maß für den Ladungszustand des Löschkondensators A3 ist, stets als positive Spannung anfällt. Mit anderen Worten: Solange die Spannung U(n9) auftritt, ist die Spannung Uc des noch nicht umgeladenen Löschkondensators A3 kleiner als die Versorgurigsgleichspannung Ub. Ein Diskriminator, der entscheidet, ob die Kondensatorspannung Uc positiv oder negativ ist, wird dadurch überflüssig.

Stattdessen gibt es auch die Möglichkeit, die Eingangsspannung des Spannungsvergleichsgliedes am Nachladeventil abzugreifen. Dann liegt der Meßzeitpunkt vor dem Zündzeitpunkt des Nachladeventils. Der Meßzeitpunkt kann dabei auch nach dem Zündzeitpunkt des Hauptventils liegen.

Die Eingangsspannung U(r&) wird im Spannungsvergleichsglied St mit einem vorgegebenen Differenzgrenzwert Uc (vgl. Fig.9) verglichen. Die Höhe des Differenzgrenzwerts Uc richtet sich nach den Verlusten im Lade- und Umladekreis des Löschkondensators A3. Unterschreitet die Eingangsspannung U(r&) den Differenzgrenzwert Ug, so gibt das Spannungsvergleichsglied Sl ein Ausgangssignal g an das Steuergerät Cl ab. Dieses Steuergerät Cl enthält ein Sperrglied, z. B. ein elektronisches Gatter, das wirkungsmäßig in der Zündleitung zwischen dem Steuergerät Cl und der Steuerelektrode des Nachladeventils n6 angeordnet ist Dieses Gatter wird durch das Ausgangssignal g gesperrt. Dadurch wird die Weiterleitung des im Steuergerät Sl gebildeten Zündimpulses pS an die Steuerelektrode des Nachladeventils ηβ verhindert

Abweichend davon kann die Schaltungsanordnung auch so beschaffen sein, daß das Spannungsvergleichsglied Sl als Ausgangssignal g nicht ein Sperrsignal, sondern ein Freigabesignal für das Steuergerät Cl bildet Das Spannungsvergleichsglied Sl ist dann so aufgebaut, daß es das Ausgangssignal g nicht bei Unterschreitung, sondern bei Überschreitung des Differenzgrenzwerts Uc durch die Eingangsspannung U(nS) abgibt. Dieses Ausgangssignal g wird dann zur Bildung eines Zündimpulses p6 oder aber zur Freigabe eines Sperrgliedes und damit zur Freigabe eines bereits gebildeten Zündimpulses p6 für das Nachladeventil n6 herangezogen.

Die Funktion der Schaltungsanordnung in Fig.l ist folgende: Die dem Hauptventil nl zugewandte Elektrode des Löschkondensators A3 habe zunächst positives und die dem Löschventil n9 zugewandte Elektrode habe zunächst negatives Potential. Zur Löschung des Hauptventils nl ist aber eine Umkehrung des Potentials erforderlich. Die Umladung des Löschkondensators A3 wird in bekannter Weise durch die Zündung des Umschwingventils nlO eingeleitet, das gleichzeitig mit dem Hauptventil nl gezündet wird. Die Zündimpulse pt und plO werden gemeinsam gegeben. Der Löschkondensator A3 lädt sich auf dem Wege über das Hauptventil nl, die Kommutierungsdrossel A;l und das Umschwingventil nlO um. Der umgeladene Löschkondensator A3 steht nun zur Löschung des Hauptventils nl bereit. Soll der Strom im Hauptventil nl gelöscht werden, so wird das Löschventil n9 mittels eines Zündimpulses p9 gezündet. Die Kathode des Hauptventils nl erhält dadurch positives Potential, und der Strom im Hauptventil nl wird durch den in Sperrichtung über dieses Hauptventil nl fließenden Löschstrom gelöscht. Die im Löschkondensator A3 noch gespeicherte Energie schwingt über die Rückschwingdrossel A4 und das Rückschwingventil nil in den Löschkondensator A3 zurück. Der Löschkondensator A3 wird über das Löschventil n9, die Kommutierungsdrossel ArI und die Last P nahezu auf den Betrag der Versorgungsgleichspannung Ub aufgeladen.

In einem vorgegebenen Zeitabstand vor der nächsten Zündung des Hauptventils nl mißt das Spannungsvergleichsglied Sl die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung Ub und der Kondensatorspannung Uc Liegt diese Differenz über dem vorgegebenen Differenzgrenzwert Uc, so wird kein Ausgangssignal gegeben, und das Steuergerät Cl liefert einen Zündimpuls p6 an das Nachladeventil n6. Der Löschkondensator A3 wird dadurch auf direktem Wege über das Nachladeventil n6 und die Nachladedrossel k2 aus der Versorgungsgleichspannungsquelle B nachgeladen, bis am Löschkondensator A3 eine Überladespannung auftritt.

Der mit der eingezeichneten Polarität aufgeladene über das Nachladeventil n6 nachgeladene Löschkondensator A3 besitzt also eine Kondensatorspannung Uc die über dem Betrag der Versorgungsgleichspannung Ub liegt Das hat zur Folge, daß am Nachladeventil nt zwischen dessen Anode-Kathode-Strecke eine positive Sperrspannung liegt, die zum Erlöschen dieses Nachla deventils n6 führt Dadurch wird ein Kurzschluß dei Versorgungsgleichspannungsquelle B über die VentiW nl, nlO und n6 vermieden, der sonst beim nächster Zünden des Hauptventils nl auftreten würde.

Liegt die Eingangsspannung U(n%) des Spannungs Vergleichsgliedes Sl unter dem vorgegebenen Grenz wert Ug, so wird das Ausgangssignal # gegeben, das dei nächsten Zündimpuls für das Nachladeventil n6 sperrt

Anschließend werden wieder das Hauptventil nl um das Umschwingventil nlO gleichzeitig gezündet Ist de Löschkondensator A3 beim Erlöschen des Umschwing ventils nlO vollständig umgeladen, steht er zum Lösche: des Hauptventils nl bereit

Die in Fig.2 dargestellte Gleichstromstellerschal tung unterscheidet sich von derjenigen in Fig.l ir wesentlichen durch die Ausbildung der Löscheinrich tung und der Nachladeeinrichtung, so daß nur di Unterschiede im einzelnen erläutert zu werden brau chen. Nach F i g. 2 wird eine Löscheinrichtung verwen

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det, die aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators Jk3 wahlweise mit zwei Löschventijen n2, /τ5 oder mit zwei Löschventilen /j3, iA besteht. Der Löschkondensator A3 ist dabei innerhalb der Brückenschaltung der Löschventile ril, iß, iA und iß angeordnet. Die Nachladeeinrichtung für den Löschkondensator A3 besteht aus der Reihenschaltung eines Nachladeventils /26 mit einer Nachladedrossel A2, die zwischen dem einen Belag des Löschkondensators A3 und der negativen Klemme b der Versorgungsgleichspannungsquelle B angeordnet ist, und aus der Reihenschaltung eines weiteren Nachladeventils ril mit derselben Nachladedrossel kl, die zwischen dem anderen Belag des Löschkondensators A3 und der negativen Klemme b der Versorgungsgleichspannungsquelle B angeordnet ist. Die Induktivität der Nachladedrossel kl ist wiederum klein gegenüber der Induktivität der Last P gewählt.

Ein Umschwingventil wird nicht benötigt. Die dargestellte Gleichstromstellerschaltung kann beispielsweise mit einer Betriebsfrequenz von 1000 Hz arbeiten. Als induktive Last P kann wiederum die Reihenschlußmaschine eines elektrischen Triebfahrzeugs vorgesehen sein. Der Aufbau des Vergleichsgliedes 52 am Freilaufventil ηβ entspricht dem Aufbau des Spannungsvergleichsgliedes Sl in Fig. 1. Weiterhin stimmen das Steuergerät Cl in F i g. 1 und das Steuergerät Cl in F i g. 2 weitgehend überein. Die Löschventile nl bis iß können ebenso wie die Nachladeventile /16 und ril Thyristoren sein.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung in Fig.2 wird unter Zuhilfenahme der Fig.4 bis 7 erläutert. Sie ist folgende: Es wird davon ausgegangen, daß zunächst in einem Zeitpunkt π nach Fig.4 das Hauptventil nl mittels eines Zündimpulses p\ gezündet wird. Der Lösch kondensator A3 sei zu diesem Zeitpunkt ii mit der in Fig.2 eingezeichneten Polarität ausreichend aufgeladen. Nach einer vorgegebenen Einschaltzeit Te werden nach F i g. 5 in einem Zeitpunkt ß mittels der Zündimpulse p2 und p5 die Löschventile ril und ιό zum Löschen des Hauptventils nl gezündet Dann ergibt sich über dem ungesteuerien Freilaufventil /78 ein Spannungsverlauf U(i&), der in Fig.6 näher dargestellt ist Der in F i g. 6 zwischen den Zeitpunkten η und η ausgezogen eingezeichnete Verlauf vl der Spannung LJ(r&) in Abhängigkeit von der Zeit t ergibt sich bei normalem Umladevorgang des Löschkondensators A3. Der gestrichelt eingezeichnete Verlauf v2 ergibt sich, wenn eine Umladung auf dem Wege über die Kommutierungsdrossel ArI, die Last P und die Versorgungsgleichspannungsquelle B in der vorgesehenen Zeit bis zum Wiederzünden des Hauptventils nl zum Zeitpunkt N nicht möglich ist Bei Vollaussteuerung, also wenn die Einschaltzeit Te — (ö — n) groß ist, würde die Umladung durch das Zünden des Hauptventils nl im Zeitpunkt fc unterbrochen werden; der Löschkondensator A3 wäre nur ungenügend umgeladen und daher für den nächsten Löschvorgang im Zeitpunkt ö nicht vorbereitet Der zeitliche Abstand 7"= (ö — ti) ist die Periodendauer und kann fest vorgegeben sein.

In den Fig.6 und 7 sind die Zeitpunkte ö und te eingezeichnet, zu denen das Spannungsvergleichsgiied S2 durch das Steuergerät Cl abgefragt wird, wenn das Spannungsvergleichsglied Sl über dem Freilaufventil ηβ angeordnet ist Der zeitliche Abstand (ft-ö) und (f7-lB) bis zum Zünden des Hauptventils nl wird während der Steuerung des Einschaltverhältnisses TdT, auch bei einem Frequenzwechsel, konstant gehalten.

Wenn die Spannung U(M) über dem Freilaufventil ti zum Zeitpunkt η den Differenzgrenzwert Uc nich unterschritten hat, was dort im Verlauf Vl der Fall isl wird der Nachladevorgang eingeleitet. Zu diesen Zweck werden das Löschventil n2 und das Nachlade ventil /16 nach Fig. 7 gleichzeitig gezündet. Dei Löschkondensator A3 wird dabei über die Nachlade drossel A2 und diese beiden Ventile ril, /76 nachgelader und theoretisch um den vorherigen Oifferenzbetraj überladen. Dadurch ergibt sich eine negative Anoden Kathoden-Spannung über dem Nachladeventil in Dieses erlischt mit Sicherheit, ebenso das Löschventi n2. Eine Periodendauer Tspäter geschieht Entsprechen des mit der aus den Löschventilen iA und n3 gebildeter Löscheinrichtung und dem Nachladekreis, der aus den Löschventil iA, dem Löschkondensator A3, derr Nachladeventil ril und der Nachladedrossel kl gebildei wird. Wird also im Zeitpunkt te festgestellt, daß die Ladung des Löschkondensators A3 nicht ausreicht werden die Ventile iA und n7 nach Fi g. 7 mittels dei Zündimpulse p4 bzw. pl gleichzeitig gezündet. Die ^eitpunkte η und te bezeichnen somit den Beginn dei bei Bedarf einsetzenden Nachladung. Die Zündfolge bei der Schaltungsanordnung in F i g. 2 ist also folgende Hauptventil nl, Löschventile n2 und iß, gegebenenfalls Nachladeventil n6 und Löschventil n2, Hauptventil nl, Loschventile iA und n3, gegebenenfalls Nachiadeventil n7 und Löschventil iA, usw.

Wenn nur jede zweite Periode Γ überwacht werden soll kann einer der beiden Nachladekreise eingespart werden Das heißt also, daß beispielsweise das Nachladeventil ril entfallen kann.

Die Einstellung des Differenzgrenzwertes Uc richtet sich nach der unteren, für den einwandfreien Betrieb des Gleichstromsteller notwendigen Kondensatorspanv£ ν ^{agt die Versor}g"ngsgleichspannung Ub z. B. ow ν mit einer Toleranzbreite von +5OV und ist der Gleichstromsteller bei einer Kondensatorspannung von 400 V noch betriebsfähig, so wird man den Differenzgrenzwert Lfcauf (450 V - 400 V) = 50 V einsteilen.

uie Impulsdiagramme in den Fig.4 bis 7 gelten sinngemäß auch für die Gleichstromstellerschaltung in rig. 1. Hg.8 zeigt dann zusätzlich noch schraffiert « „in^geZec "^{et die S}P^errzeit für das Umschwingventil Π10 in Fi₈₁. Während der schraffiert eingezeichneten ^eitaauer darf also das Umschwingventil nlO nicht gezündet werden. Diese Zeitdauer beginnt etwa „7 ^ vor dem Zeitpunkt ti, zu dem das Löschventil «. 5.SfT!." *^{irdl und endet nach der} Nachladezeit des

Kernet ^ * ** ^{die vom Zeit}P^{unkt ö an} S T^{d Der} Zöndimpuls plO für das Umschw.ngvent.1 nlO muß also mindestens 300usec vor darf f!^ " ^ZündimP"'s für das Löschventil n9 und ge^agebÄⁿe^Sn.^naCh ^ ^ ^N^ladevorganges haltungsanordnung in Fig.3 unterscheidet α ^^naltung^sanordnungen in Fig. 1 und 2 durch eine andere Ausbildung der Löschein- '- ^{ln dlesen}? Fall sind ein Löschkondensator A3 il n9 miteinander in Reihe und dem ekt parallel geschaltet Dem Löschist. seinerseits eine Umladeeinrichtung geschaltet, welche aus einem steuerbaren —tu nl2 und einer Umladedrossel AS besteht Umladen™« ₁ ^V ₁ ^e ₅ ^rb.^indung von Umladeventil nl2 und HeT νί£ einerseits und die negative Klemme b

ist Pin! ρ T^ngS!^IeichsP^annung«l"elle B andererseits eme Reihenschaltung eines Nachladeventils n6 mit

einer Nachladedrossel kl geschaltet. Die Nachladedrossel kl kann auch fehlen. Die dargestellte Schaltungsanordnung ist bis auf das Spannungsvergleichsglied 53, das dem ungesteuerten Freilaufventil πβ parallel geschaltet ist, aus der »Siemens-Zeitschrift«, 43 (1969), Heft 7, S. 616 bis 622, insbesondere Bild 12, bekannt. Das Spannungsvergleichsglied 53 kann denselben Aufbau haben wie die Vergleichsglieder 51 und 52, die bei den F i g. 1 und 2 erläutert werden.

Das Nachladeventil da wird auch bei dieser Gleichstromstellerschaltung in jeder Taktperiode nur dann gezündet, wenn in einem vorgegebenen Zeitpunkt vor dem Zündzeitpunkt des Hauptventils die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung und der Kondensatorspannung Uc einen vorgegebenen Differenzgrenzwert Uc überschreitet.

Die Zündfolge bei dieser Schaltungsanordnung ist folgende: Hauptventil nl, Löschventil n9, bei Bedarf Nachladeventil /)6, Umladeventil n\2, wieder Hauptventil nl, usw. Die Umladung des Löschkondensators k3 über das Umladeventil nl2 und die Umladedrossel k5 erfolgt dabei so lange, bis der Löschkondensator k3 zum Löschen des Hauptventils nl fertig ist, d.h., die i^;"jezeichnete Polarität aufweist. Die lmpulsdiagramnv; in den Fig.4 bis 8 gelten sinngemäß auch für die Gleichstromstellerschaltung in F i g. 3.

Dadurch, daß das Nachladeventil n6 in jeder Taktperiode T nur dann gezündet wird, wenn in dem vorgegebenen Zeitpunkt die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung Ub und der Kondensatorspannung Uc den vorgegebenen Differenzgrenzwert Uc überschreitet, ist sichergestellt, daß ein Kurzschluß auf dem Wege über das Umladeventil nl2 und das Nachladeventil /j6 beim Zünden des Umladeventils nl2 vermieden wird.

F i g. 9 zeigt den Aufbau eines Spannungsvergleichsgliedes 5 in ausführlicher Darstellung. Das dargestellte Spannungsvergleichsglied 5 wurde unter dem Gesichtspunkt entwickelt, daß es mit einer möglichst geringen Zeitverzögerung ein Ausgangssignal g an das nachgeschaltete Steuergerät abgibt, wenn der Spannungsgrenzwert Ug von der Eingangsspannung erreicht ist.

An den Klemmen e, /des Spannungsvergleichsgliedes S liegt als Eingangsspannung die Spannung U(r&) des Freilaufventils /j8. Ein vorgegebener Teil ρ dieser Spannung U(nS) gelangt von einem Potentiometer ή in einen Grenzwertmelder G. Diesem wird außerdem ein Differenzgrenzwert Uc zugeführt, der an der Verbindung einer Serienschaltung eines Widerstands Λ mit einer Zenerdiode ζ abgenommen wird. Das im Falle ρ ■ U(r&) > Uc auftretende Ausgangssignal des Grenzwertmelders G wird über einen optischen Koppler K, der zur Potentialtrennung vorgesehen ist, an die Basis eines Transistors 71 übertragen, dessen Emitter-Kollektor-Strecke mit einem Widerstand /3 in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung /3, 7Ί wird von einer Gleichspannungsquelle mit der Versorgungsspannung Uv gespeist. Eine Versorgungsspannung UJ liegt an der Serienschaltung /2, z. Die Basis des Transistors 7Ί wird durchgesteuert, sobald der Grenzwertmelder G ein Signal abgibt. Das zwischen dem Transistor 71 und dem Widerstand r3 abgegriffene Ausgangssignal g nimmt dann den Wert Null an. Als Vorteil des dargestellten Spannungsvergleichsgliedes S wird angesehen, daß seine Versorgungsspannung Uv aus der Versorgungsgleichspannungsquelle B der Gleichstromstellerschaltung abgegriffen sein kann und daC dann die Eingangsklemme /mit einer der Klemmen a, I der Versorgungsgleichspannungsquelle B und einerr Potential der zu messenden Spannung U(rä) verbunder ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen Gleichstromsteller zur Impulssteuerung der Spannung eines. Gleichstromverbrauchers mit einem steuerbaren Hauptventil, das zwischen dem Gleichstromverbraucher und einer Versorgungsgleichspannungsquelle angeordnet ist, mit einer Löscheinrichtung, die dem Hauptventil parallel geschaltet ist und aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators mit mindestens einem steuerbaren Löschventil besteht, mit einer Nachladeeinrichtung für den Löschkondensator, die mindestens ein steuerbares Nachladeventil enthält, mit einem FreilaufvmtiL das dem deichstromverbraucher zugeordnet ist, und mit einer Steuereinrichtung für die steuerbaren Ventile, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Steuereinrichtung, daß das Nachladeventil (/161 /i7) in jeder Taktperiode (T) nur dann gezündet wird, wenn in einem vorgegebenen Zeitpunkt (ö, te) vor dem Zündzeitpunkt (ft, ft) des Hauptventils (n\) die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung (Ub) und der Kondensatorspannung (Uc) größer ist als ein vorgegebener Differenzgrenzwert (Uc), der seinerseits kleiner als die Versorgungsgleichspannung (Ub) ist.

2. Schaltungsanordnung für einen Gleichstromsteller zur Impulssteuerung der Spannung eines Gleichstromverbrauchers mit einem steuerbaren Hauptventil, das zwischen dem Gleichstromverbraucher und einer Versorgungsgleichspannungsquelle angeordnet ist, mit einer Löscheinrichtung, die dem Hauptventil parallel geschaltet ist und aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators mit mindestens einem steuerbaren Löschventil besteht, mit einer Nachladeeinrichtung für den Löschkondensator, die mindestens ein steuerbares Nachladeventil enthält, mit einem Freilaufventil, das dem Gleichstromverbraucher zugeordnet ist, und mit einer Steuereinrichtung für die steuerbaren Ventile, gekennzeichnet durch ein Spannungsvergleichsglied, das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Kondensatorspannung (υ<ή ist, gespeist

ist und bei Überschreitung eines entgegengesetzt zur Löschrichtung gerichteten Spannungsgrenzwerts (Ub- Ug) durch diese Eingangsspannung ein Ausgangssignal abgibt, das zur Freigabe eines Zündimpulses für das Nachladeventil (n6, ril) herangezogen wird. so

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Spannungsvergleichsglied (51,52, 53), das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung (Ub) und der Kondensatorspannung ss (Uc) ist, beaufschlagt ist und bei Überschreitung des Differenzgrenzwerts (Ud) durch die Eingangsspannung ein Ausgangssignal (g) abgibt, das zur Bildung oder Freigabe eines Zündimpulses (ph, pl) für das Nachladeventil (n6, ril) herangezogen wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Spannungsvergleichsglied (51,52, 53), das mit einer Eingangsspannung, welche ein Maß für die Differenz zwischen der Versorgungsgleichspannung (Ub) und der Kondensatorspannung (Ud) ist, beaufschlagt ist und bei Unterschreitung des Differenzgrenzwerts (Uc) durch die Eingangsspannung ein Ausgangssignal (g) abgibt, das auf ein Sperrglied gegeben ist, welches zwischen einem auch Zündimpulse für das Nachladeventil (/*, ril) bildenden Steuergerät (Cl, Cl, O) und dem Nachladeventil (/16, ril) angeordnet ist und die Weiterleitung des bereits gebildeten Zündimpulses (p6, pl) an die Steuerelektrode des Nachladeventils (rib, ril) sperrt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung des Spannungsvergleichsgliedes (51) am Freilaufventil (ηβ) abgegriffen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung des Spannungsvergleichsgliedes (51) am Nachladeventil (/*, ril) abgegriffen ist.