DE2362375C2

DE2362375C2 - Aus einem Wechselstromnetz gespeister steuer- und löschbarer Stromrichter für hohe Gleichstromwerte

Info

Publication number: DE2362375C2
Application number: DE2362375A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 1000 Berlin Bezold; Johannes Prof. Dr.-Ing. Förster
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1973-12-12
Publication date: 1982-12-16
Also published as: AT337830B; US3953781A; SE7415270L; ATA986974A; DE2362375A1; CH576718A5; SE397032B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Stromrichter ist aus dem AEG-Sonderdruck »Sektorsteuerung mit löschbaren Stromrichterbrücken«, Druckvermerk 44.8.44/04.73, Seiten 3 bis 15, aus der Technischen Rundschau Bern 65 (1973), Heft 3, Seiten 25 bis 29 bekannt.

Danach kann der steuerbare Stromrichter in bezug auf seine insbesondere durch Blindstromaufnahme bedingten Netzrückwirkungen wesentlich verbessert werden, wenn er selbstkommutiert mit Hilfe einer Löscheinrichtung betrieben wird. Durch einen derartigen Steuer- und löschbaren Stromrichter wird der Leistungsfaktor X = PZS, also das Verhältnis aus netzseitiger Wirkleistung P und Scheinleistung S verbessert, weil sowohl die induktive Steuer- als auch die Kommutierungsblindleistung konventioneller Schaltungen reduziert oder ganz vermieden werden kann. Die Löscheinrichtung besteht im wesentlichen aus Löschkondensatoren, Löschthyristoren und zur Aufladung der Löschkondensatoren dienenden Ladedioden. Die Löschkondensatoren sind nach einer ausreichend großen Schonzeit für die zu löschenden Thyristoren des Stromrichters zu dimensionieren, die größer sein muß als die Freiwerdezeit der zu löschenden Thyristoren. Neben der Sicherstellung einer ausreichenden Schonzeit ist die Vermeidung von Überspannungen beim oder nach dem Löschen ein entscheidender Gesichtspunkt für die Beanspruchung des Stromrichters oder der Anlagenteile und somit auch für den gesamten Aufwand. In der eingangs genannten Literaturstelle sind steuerbare Stromrichteranordnungen angegeben, bei denen diese Löschspannungsspitzen durch die Verwendung von Lösch- und Zusatzkondensatoren, die als Spannungsbegrenzungskondensatoren wirken, niedrig gehalten werden können.

Da der Strom durch die Thyristoren des Stromrichters bekanntermaßen die Höhe der positiven Scheitel-Sperrspannung beeinflußt (Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, 43. Jg. [1972], Heft 1, Seiten 13 bis 19, insbesondere Formel 4) und neben der einzuhaltenden Schonzeit in erster Linie für die Bemessung des Löschkondensators maßgeblich ist (AEG-Sonderdruck a.a.O., insbesondere Formel 1), wird die Stromlöschung in Stromrichteranordnungen, die hohe Ströme mit Werten über ca. 1000 A führen, trotz der Spannungsbegrenzungskondensatoren problematisch. Der Aufwand für die Kondensatoren wächst nämlich quadratisch mit dem Strom. Auch tritt bei hohen Scheitel-Sperrspannungen eine starke Abweichung des Stromes von der Sinusform auf, d.h. die Oberschwingungen und damit der Blindleistungsbedarf des Stromrichters sind beachtlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Steuer- und löschbaren Stromrichter für große Ströme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem die beim Löschen auftretenden Spannungsspitzen auf niedrige Werte begrenzt werden, und der erforderliche Kondensatoraufwand klein ist, so auszubilden, daß der Oberschwingungsgehalt und damit der Blindleistungsbedarf des Stromrichters verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Erfindung wird nur in der Gesamtheit dieser Anspruchsmerkmale gesehen.

Durch die DE-OS 14 88 326 ist eine mehrphasige Stromrichteranordnung mit einer Parallelschaltung von steuerbaren Thyristoren bekannt. Dabei ist jede Parallelschaltung in mehrere Gruppen unterteilt, denen mindestens je ein (Beschaltungs-) Kondensator parallelgeschaltet ist. In Reihe mit je einer Gruppe der Thyristoren der verschiedenen Phasen liegt eine gemeinsame Drosselspule. Die der Beherrschung des Trägerstaueffekts der Thyristoren dienenden Beschaltungskondensatoren bei diesem netzkommutierten, anschnittgesteuerten Stromrichter sind jedoch mit den Kondensatoren des Löschkreises des eingangs genannten selbstkommutierten Stromrichters nicht vergleichbar, denn die von den Kondensatoren aufzunehmenden Energien unterscheiden sich um eine Größenordnung. Außerdem dient die Aufteilung in Gruppen nicht der Verringerung des Kcndensatoraufwands und der Annäherung des Stromes an die Sinusform.

Beim Stromrichter nach der Erfindung wird dagegen trotz der höheren Zahl der Kondensatoren deren einzelne Baugröße und damit der Gesamtaufwand wegen des quadratisch eingehenden Teilstromes gering gehalten. Die Kommutierungsenergie muß nicht in voller Höhe von den Kondensatoren zwischengespeichert werden, weil die auf die zuerst gelöschten Teilstromrichter entfallende Energie schon während des Löschvorgangs der nachfolgend gelöschten Teilstromrichter dem Verbraucher zugeführt werden kann. Die beim Löschen auftretenden Spannungsspitzen werden damit begrenzt. Zusätzlich wird der Strom infolge der abgestuften Löschung der Sinusform angenähert, so daß auch der Blindleistungsbedarf des Stromrichters infolge des verringerten Oberschwingungsgehalts niedrig gehalten wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke erläutert.

F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromrichter und

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Sperrspannungen an den Steuer- und löschbaren Thyristoren der einzelnen Teilstromrichter.

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbcispiel e'nes Stromrichters enthält erfindungsgemäß drei parallelge- iü schaltete, 5teuer- und löschbare unsymmetrische Einphasenstromrichterbrücken 1, 2, 3 als Teiistromrichter, die über Sammelschienen 8, 9 einen Gleichstrom 7 mit vorgeschalteter Glättungsdrossel 6 als Last speisen. Die Stromrichterbrücken 1,2,3 weisen jeweils zwei Dioden 11,12 bzw. 21,22 bzw. 31,32 und zwei Thyristoren 13,14 bzw. 23, 24 bzw. 33, 34, denen (nicht gezeigte) Löscheinrichtungen zugeordnet sind, auf und werden vun einer gemeinsamen Wechselstromquelle, der Transformatorwicklung 4 gespeist. Die des. Thyristoren der Teilsfromrichter 1, 2, 3 zugeordneten Löscheinrichtungen können in üblicher Weise aus einem Löschkondensator, einem Löschthyrisior, dem Steuerimpulse zur Löschung der Thyristoren der Teilstromrichter 1, 2, 3 zugeführt werden, und einer Ladediode aufgebaut werden. Die Teilstromrichter 1, 2,3 sind wechselstromseitig starr und impedanzarm parallelgeschaltet, d. h. sie weisen wechselstromseitig nur eine gemeinsame Induktivität auf, die für alle Teiistromrichter gleiche Größe besitzt. Diese Streu- und Leitungsinduktivität 5 der

Größe L speichert eine Energie- Li², wobei / den

Transformatorstrom darstellt, und verursacht beim Löschen der Thyristoren 13, 14; 23, 24 und 33, 34 eine induzierte Spannung, die sich der Wechselspannung des speisenden Wechselstromnetzes additiv überlagert und von der Steilheit des abklingenden Stromes /abhängt.

Damit der beim Löschen der jeweiligen Thyristoren abgeschaltete Stromanteil der einzelnen Teiistromrichter 1,2,3 nicht auf die leitenden Teilstromrichter 1, 2,3 kommutiert, sondern über die jeweiligen Diodenzweige der gelöschten Teilstromrichter 1, 2, 3 freilaufen kann, sind für jeden Teilstromrichter 1, 2, 3 je zwei Drosselspulen 15, 16; 25, 26; 35, 36 als zusätzliche Impedanzen vorgesehen, die wesentlich kleiner als die gemeinsame, dem Gleichstrommotor 7 vorgeschaltete Glättungsdrossel 6 dimensioniert werden können, da sie nur die Differenz der Spannungszeitflächep zwischen erster und letzte; Löschung aufnehmen müssen.

Anhand des in F i g. 2 dargestellten zeitlichen Verlaufs der Sperrspannungen Ut\, Uti und Utz an den steuer- und löschbaren Thyristoren der Teilstromrichter 1, 2,3, des Verlaufs der Netzwechselspannung Un und des Stromes / in der Transformatorwicklung 4 soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Stromrichters näher erläutert werden. Die Löschung der einzelnen Thyristoren 13,14; 23,24 bzw. 33,34 der Teiistromrichter 1,2,3 soll zeitlich abgestaffelt zu den Zeiten iti, fj.2 bzw. ti. 3 erfolgen. Eine ausreichende Schonzeit t_s für die löschbaren Thyristoren der Teiistromrichter ist gewährleistet, wenn die negative Sperrspannung durch Entladung des Löschkondensators auf einen Spitzen-Spannungswert ΰ ( —) gebracht wird und durch ausreichende Kapazität des Löschkondensators genügend lange negativ bleibt. Bei den dargestellten Sperrspannungsverläufen Un bis U₁₃ ist angenommen, daß nach dem Nulldurchgang der Sperrspannungen parallel zu den Löschkondensatoren Begrenzungskondensatoren zugeschaltet werden, wodurch die Spannungssteilheit du/dt kleiner wird und der Knick im Sperrspannungsverlauf entsteht.

Kritisch für die Spannungsbeanspruchung, insbesondere der Thyristoren der Stromrichter, sind die positiven Scheitelwerte ΰ (+) der Sperrspannungen, die zu den Zeitpunkten fi, /2 und r₃ auftreten. Die Scheitelwerte lassen sich aus der Kondensatorkapazität, der insgesamt wirksamen Induktivität L und dem Strom i bzw. der Steilheit seines Abfalls ermitteln. Im wesentlichen geht es um die Umwandlung und Beherrschung der in den Induktivitäten L gespeicherten

magnetischen Energie — L i⁷. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Stromrichters in Teilstromrichter und die abgestufte Löschung der löschbaren Thyristoren der Teilstromrichter wird erreicht, daß keine zu hohen positiven Scheitelwerte ΰ ( + ) infolge hohen Kondensatorstromstoßes zur Lösung eines Stromrichters, der den gesamten Strom führen muß, auftreten und daß die jeweils noch stromführenden Teilstromrichter auch die gleichgerichteten Spannungsspitzen der gelöschten Teilstromrichter dem Verbraucher zuführen und somit auch einen entsprechenden Anteil der damit verbundenen Energie. Auf diese Weise ist es möglich, die kapazitiven Speicher insgesamt klein zu halten und die magnetische Energie dem Verbraucher weitgehend zuzuführen. Bei dem im Beispiel gewählten Stromrichter ist es daher auch möglich, bei den ersten beiden Löschungen der drei parallelgeschalteten Teiistromrichter auf Zusatzkondensatoren zur Spannungsbegrenzung zu verzichten. Infolge der abgestuften Stromlöschung der Thyristoren der einzelnen Teilstromrichter wird der Stromverlauf — wie aus der F i g. 2 ersichtlich — mehr der Sinusform angenähert, was gleichbedeutend ist mit einer Verringerung des Oberschwingungsgehaltes und damit des Blindleistungsbedarfs des Stromrichters.

Um zu gewährleisten, daß die positiven Sperrspannungsspitzen ΰ ( + ) zeitlich nicht zusammentreffen, ist die zeitliche Abstaffelung bei der Löschung der Thyristoren ausreichend groß und ein Mehrfaches der Schonzeit f_s der löschbaren Thyristoren der Teiistromrichter. Die Zahl der Teilstromrichter und die Zeitunterschiede bei der Löschung der Thyristoren sind im wesentlichen von der Höhe des Gesamtstromes abhängig.

Um die Strombelastung der Teilstromrichter über mehrere Netzperioden hinweg auszugleichen, ändert sich die Löschfolge der einzelnen Teilstromrichter zyklisch.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus einem Wechselstromnetz gespeister steuer- und löschbarer Stromrichter für hohe Gleichstromwerte, dessen steuerbaren Thyristoren zur Verringerung der Netzrückwirkungen Kondensatoren aufweisende Löscheinrichtungen zugeordnet sind, mit Mitteln zur Begrenzung der beim Löschen auftretenden Spannungsspitzen und zur Begrenzung des Kondensatoraufwands, gekennzeichnet

durch die Unterteilung in mehrere Steuer- und löschbare Teilstromrichter (1, 2, 3), die auf der Wechselstromseite starr und impedanzarm parallelgeschaltet und auf der Gleichstromseite über Drosselspulen (15, 16, 25, 26, 35, 36) an zwei einen Verbraucher (6, 7) speisende Sammelschienen (8, 9) angeschlossen sind und deren jeweils stromführende Thyristoren (13,23,33 bzw. 14, 24,34) nacheinander derart abgestuft gelöscht werden, daß die zeitlichen Abstände der Löschungen ein Mehrfaches der Schonzeit der Thyristoren (13, 14; 23, 24; 33, 34) betragen.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Abstände der Löschungen der Thyristoren (13, 14; 23, 24; 33, 34) proportional der Höhe des zu löschenden Gesamtstromes sind.

3. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschfolge der Teilstromrichter (1,2,3) zyklisch veränderbar ist.