-
Verfahren zur Steuerung eines Gleich- oder Wechseistromstellern für
induktive Lasten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines
Gleich- oder Wechselstromstellers für induktive Lasten, welcher eine voll- oder
eine halbgesteuerte Brückenschaltung aufweist.
-
Bei einem bekannten Gleichstromsteller mit einer halbgegesteuerten
Brückenschaltung für eine induktive Last werden die beiden gesteuerten Brückenventile
(Transistoren oder Thyristoren) gleichzeitig in einer bestimmten Taktfolge durchgeschaltet
und gesperrt. Der Laststrom fließt bei einem solchen Steuerverfahren während des
leitenden Zustandes der gesteuerten Drückenventile von der Gleichspannungsquelle
huber das erste gesteuerte Brückenventil in die induktive Last und von dort über
das zweite gesteuerte Brükkenventil in die Gleichspannungsquello zurück. Da die
induktive Last auch nach Sperrung der beiden gesteuerten Brückenventile den Last
strom in der bisherigen Stromrichtung weiterzutreiben versucht, wird während des
nichtleitenden Zustandes der gesteuerten Brückenventile der Laststrom in Form eines
Entmagnetisierungsstroms von der induktiven Last über das erste ungesteuerte Brückenventil
zu
der Gleichspannungsquelle und von dort über das zweite ungesteuerte
Brückenventil zu der induktiven Last zurück geführt. Dieser, von der induktiven
Last getriebene Entmagnetisierungstrom durchfließt die Gl ei chspannungsquelle in
umgekehrter Richtung wie der während des Leitzustandes der gesteuerten Brückenventile
von der Gleichspannungsquelle getriebene Strom. Somit wird die Gleichspannungsquelle
mit einem etwa rechteckförmigon Wechselstrom beaufschlagt, dessen Wechseistromanteil
den Gleichstrommittelwert weit übersteigt. Da üblicherweise die Gleichspannungaquelle,
wenn überhaupt, nur einen sehr geringen Wechselatromanteil aufnehmen kann, ist es
bei dem bekannten Steuerverfahren erforderlich, parallel zu der Gleichspannungsquelle
einen Kondensator mit verhältnismäßig großer Kapazität anzuordnen. Die Bemessung
des Kondensators richtet sich dabei nach dessen Wechselstrombelastbarkeit sowie
nach der zulässigen Welligkeit des Quellenstroms. Eine weitere Zwangsläufigkeit
bei dem bekannten Steuerverfahren liegt darin, daß die Taktzeiten der steuerbaren
Brükkenventile nicht beliebig gewählt werden können, da bei zu großen Pausen der
aufeinanderfolgenden Steuerimpulse die Gefahr besteht, daß der Laststrom zu Null
wird und damit Stromlücken an der induktiven Last auftreten (LUckbetrieb) Um diesen
Lückbetrieb zu vermeiden, muß spätestens vor dem Absinken der Magnetisierungsspannung
an der sich entmagnetisierenden Last unter den Wert der Quellenspannung eine Wiedereinschaltung
der steuerbaren Brükkenventile erfolgen.
-
Di. Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
der eingangs erwähnten Art zi schaffen, bei welchem die Wechselstrombelastung der
Versorgungs spannungsquelle und damit die Kapazität des Glättungskondensators verringert
werden kann und bei dem gleichzeitig die Gefahr eines lückenden Laststroms vermieden
wird.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Lösungsgedankens sind in den Patentansprechen 2 bis 4 gekennzeichnet.
-
Durch die erfindungsgemäße Steuerung eines Stromstollers ergeben sich
neben der Lösung der Aufgabe noch weitere Vorteile, Durch die Ausbildung eines Kurzschlußstromkreis
es während des Stromflußintervalls des Entmagnetisierungsstroms ist in dem Entmagnetisierungsstromkreis
keine Gegenspannung vorhanden, welche den Entmagnetisierungsstrom begrenzen könnte.
Somit ist es ausgeschlossen, daß Stromlücken des Laststroms während des genannten
Intervalls auftreten, woraus weitere Vorteile resultieren. Und zwar besteht infolge
der Vermeidung eines Lückbetriebes stets ein definierter Zusammenhang zwischen der
Lastspannung und der Steuerspannung für die gesteuerten
BrUckenventlle,
wodurch das Steuerverhalten des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten
Stroiistellers erheblich verbessert wird. Das Steuerverhalten wird weiterhin dadurch
verbessert, daß der Stellbereich des Steuerwinkels (beispielsweise der Zündwinkel
bei Verwendung von Thyristoren als Brückenventile) voll zwischen 0 % und 100 % ausgenutzt
werden kann, d. h., es ergibt sich gegenüber dem Stellbereich bei dem bekannten
Steuerverfahren eine Verdoppelung des Stellbereichs. Bei Verwendung eines Gleichstromstellers
als Stromsteller ist die Wechselstrombelastung des Glättungskondensators parallel
zur Gleichspannungsquelle um ein Vielfaches geringer während bei Verwendung eines
Wechselatromstellere mit einer Wechselspannungsquelle als Versorgungsquelle die
Blindleistung der Wechselspannungsquelle wesentlich verringert werden kann. Weiterhin
treten durch die geringere Wechselspannungsbelastung der Last geringere Ummagnetisierungsverluste
sowie eine geringere Geräuschentwicklung auf Die Erfindung wird anhand der in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt: Fig. 1
das Schaltbild eines bekannten Gleichstromstellers mit einer halbgesteuerten BrUckenschaltung,
bei dem die Stromflußpfeile bei Steuerung gemäß einem bekannten Verfahren eingezeichnet
sind;
Fig. 2 das gleich Schaltbild wie in Fig. 1, wobei Jedoch die
Stromflußpfeile bei Steuerung gemäß dem Verfahren nach der Erfindung eingezeichnet
sind; Fig. 3 das Schaltbild eines bekannten Wechselstroms tellers und Fig. 4a bis
4i Zeitdiagra=me von Spannungen und Strömen innerhalb des Wechselstromstellers nach
Fig. 3 bei Steuerung gemäß einem bekannten Verfahren und dem Verfahren nach der
Erfindung.
-
Die in Fig. 1 dargestellte, halbgesteuerto, einphasige Brückenschaltung
weist eine Gleichspannungsquelle 1 auf, an deren Ausgangsanschlüsse 2 und 3 die
beiden Brückenhälften 4 und 5 angeschlossen sind. Die Brückenhälfte 4 enthält ein
gesteuertes Ventil 6, beispielsweise einen Thyristor oder einen Transistor, sowie
ein ungesteuertes Ventil 7, beispielsweise eine Halbleiterdiode. In gleicher Weise
enthält die Brückenhälfte 5 ein gesteuertes Ventil 8 sowie ein ungesteuertes Ventil
9. Zwischen den Verbindungsstellen 10 und 11 der beiden Brückenhälften 4, 5 ist
eine induktive Last 12, beispielsweise ein Trag-und Fuhrungsmagnet eines Magnetschwebefahrzeuges,
angeordnet. Zur Steuerung des Laststroms durch die induktive Last 12 werden die
gesteuerten Brückenventile 6 und 8 in einer von der Amplitude des gewünschten Laststroms
abhängigen Taktfolge durchgesteuert und gesperrt. Während des
durchgesteuerten
Zustandes der gesteuerten Ventile 6, 8 fließt ein von der Gleichapannungsquelle
1 getriebander Laststrom in dem Strompfad 1, 2, 6, ii, 12, 10, 8, 3. Während dieser
Periode des Laststroms mzgnetisiert sich die induktive Last 12 auf. Werden nunmehr
die gesteuerten Ventile 6 und 8 gesperrt (beispielsweise durch Bdktigen einer nicht
dargestellten Löscheinrichtung in Falle der Verwendung von Thyristoren als Ventile
6, 8), so wird der Strompfad 1, 2, 6, 11, 12, 10, 8, 3 unterbrochen, so daß die
Gleichspannungsquelle 1 keinen Laststrom mehr liefern kann. Da Jedoch die induktive
Last 12 bestrebt ist, den Stromfluß des Laststroms weiter aufrecht zu halten, wirkt
nunmehr die induktive Last 12 als Stromquelle, die be die ungesteuerten Brückenventile
7 und 9 einen Laststrom in Form eines Entmagnetisierungsstroms in dom Strompfad
12, 7, 2, 1, 3, 9 treibt.
-
Zur besseren Anschaulichkeit ist in Fig. 1 der von der Gleichspannungsquelle
1 getriebene Laststrom mit durchgehend gezeichneten Strompfeilen und der von der
induktiven Last 12 getriebene Last- bzw. Entmagnetisierungsstrom mit gestrichelt
gezeichneten Strompfeilen angedeutet Hieraus ist erkennbar, daß die Gleichspannungsquelle
1 an ihren Anschlüssen 2, 3 mit einem Wechselstrom belastet wird, der während seiner
einen Periode von der Gleichspannungsquelle 1 und während seiner anderen Periode
von der induktiven Last 12 erzeugt wird. Der genannte
Wechselatrem
an den Anschlßasen R. 3 der Gleichspannungsquelle 1 weist einen ztwa rechteckförmigen
Zeitverlauf auf, wobei der Wechselstromanteil dieaes rechteckförmigen Wechselatroms
wesentlich größer ist als dessen Gleichstrommittelwert. Da als Gleichspannungsquelle
1 in der Regel keine Batterie. sondern ein Notzgleichrichter vorgeschen ist, ist
die Quelle 1 nicht in der Lage, eine Wechseletrombelastung aufzunehmen. Zu diesem
Zweck ist daher parallel zu den Anschlüssen 2 und 3 der Qualle 1 ein Kondensator
13 angeordnet, dessen Kapenität auf Grund des hohen Wochseletromamtells des rechteckförmigen
Stroms durch die Quelle 1 verhältnismäßig groß geneesen werden muß In Fig. 2 ist
der Gleichstromsteller nach Fig. 1 bei Steuerung gemäß dem Verfahren nach der Erfindung
veranschaulicht. Solange die steuerbaren Brückenventile 6 und 8 durchgeschaltet
sind, besteht kein Unterschied im Laststromverlauf zwischen dem erfindungsgemäßen
Verfahren und dem anhand von Fig. 1 erläuterten bekannten Verfahren. Die Erfindung
setzt erst dann ein, wenn der Laststrom unterbrochen werden soll. Hierzu wird lediglich
das steuerbare Brückenventil 8 gesperrt, während das steuerbare Brückenventil 6
durchgeschaltet bleibt.
-
Dadurch eröffnet sich für den nunmehr von der induktiven Last 12 getriebenen
Last- bzw. Entmagnetisierungsstrom ein Freilaufstromkreis, welcher von dem Strompfad
12, 10,
7, 6, ii gebildet wird. Der in Fig. 1 mit gestrichelten
Strompfeilen eingezeichnet. Lastsromopfad wäre bei der in Fig. 2 veranschaulichten
erfindungsgemäßen Steuerung zwar auch möglich, Jedoch ist in diesem Strompfad die
Quellenspannung der Gleichspannungsquelle 1 der treibenden Entiiagnetisierungsspannung
entgegerichtet. während innerhalb des in Fig. 2 mit gestrichelten Pfeilen eingezeichneten
Freilaufstromkreises keine derartige Gegonspannung ansteht. Daher fließt der gesamte
Laststrom in dem Freilaufstromkreis nach Fig. 2, wobei dieser Strom infolge der
geringen Impedanzen innerhalb des Freilaufstromkreises verhältnismäßig lange aufrecht
gehalten werden könnte. Diesem Umstand ist es zu verdanken daß ein Stromlücken des
Laststroms bei Steuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Sicherheit vermieden
wird.
-
Aus den in Fig. 2 angedeuteten StrompfeSlen ist ferner ersichtlich,
daß die Gleichspannungsquelle 1 nicht, wie in Fig. 1 mit einem Wechselstrom beaufschlagt
wird, sondern lediglich einen impulsförmigen Anteil an dem Laststrom durch die induktive
Last 12 liefert. Der Glättungskondensator 13 wäre daher entbehrlich; wernl dennoch
auf den Glättungskondensator 13 nicht gänzlich verzichtet werden kann, so liegt
dies u. a. auch daran, daß bei Verwendung eines Trag- und Führungsmagneten als induktive
Last 12 eine Schnellentregung des Magneten möglich sein muß, wozu beide gesteuerten
Ventile 6 und 8 gleichzeitig
gesperrt werden. Damit fließt wie
im Falle des anhand von Fig. 1 veranschaulichten bekannten Steuerverfahrens oin
von der Last 12 getriebener Entmagnetisierungsstrom in dem Strompfad 7, 2, 1, 3,
9, 11, 12 zurück in die Gleichepannungaquelle 1.
-
ln Fig. 3 ist ein Wechselstromsteller mit einer vollgesteuerten, einphasigen
Brückenschaltung dargestellt. Bei dieser Schaltung sind anstelle der ungesteuerten
Brückenventile 7, 9 nach Fig. 1 und 2 gesteuerte Brückenventile 14, 15 vorgesehen.
Die Brückenhälften 4 und 5 des Wechselstromstellers nach Fig. 3 sind mit einer Wechselspans
nungsquelle 16 verbunden. Die Wechselspannungsquelle 16 erzeugt eine in Fig. 4a
dargestellte sinusförmige Quellenspannung. Durch abwechselndes Zünden und Löschen
der diagonalen Brückenventilpaare 6, 8 bzw. 14, 15 werden bei einem bekannten Steuerverfahren
der induktiven Last 12 aufeinanderfolgende Spannungshalbwellen zugeführt. Zur Steuerung
der Amplitude des Laststroms werden der Last 12 bei dem bekannten Verfahren von
Jeder Spannungshalbwelle der Quellenspannung nur bestimmte, in Fig. 4b veranschaulichte
Ausschnitte zugeführt. Diese sogenannte Anschnittsteuerung erzielt man durch Verzögerung
der Zündung des für die Laststromübernahme vorgesehenen Brückonventilpaa res 6,
8 bzw. 14 und 15 um einen Steuerwinkel ( bezogen auf den Nulldurchgang der betreffenden
Ilalbwelle der Quellenspannung. Der Quellenstrom bei der bekannten Steuerung
ist
in Fig. 4c dargestellt ; wie hieraus hervorgeht, besitzt der Quellenstrom die Form
eines Wechselstroms mit rechteckörmigen StroShalbwellen, welche sich Jeweils aus
zwei Stromanteilen zusammensetzen. und zwar aus dem Strom i1 von der Quelle in die
Last (m bis 1800) und aus dem Entmagnetisierungsstrom i2 von der Last ip die Quelle
(00 bis ok). Da die Last im Gegensatz zu der Quelle stets nur in einer Stromrichtung
baufschlagt ist ist der in Fig. 4d dargestellte Laststromverlauf gleichstremförmig.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird deZgegenüber der Entmagnetisierungsstrom
i2 nicht der Quelle zugeführt* sondern wiederum in einem Kurzschlußstromkreis geführt.
Dementsprechend besteht der Quellenstrom bei Steuerung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren nicht aus alternierenden Wechselstromhalbwellen (Fig. 4c), sondern nur
aus den Stromimpulsen i20 wobei die Pulslängen und Pulspausen den Längen bzw. Pausen
zwischen den aus der Quellenspannung ausgeschnittenen Spannungsimpulsen entsprechen.
Der Laststromverlauf entspricht bei Steuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
dem Gleichstrom nach Fig. 4d.
-
Die vorstehend erläuterten Stromverläufe werden dadurch ermöglicht,
daß erfindungsgemäß zur Kom=utierung des Laststroms von einem Ventilpaar, z. B.
14 und 15, auf das
für die Laststremubernahme vergeschone andere
Ventil paer. se B. 6 und 8F zunächst nur das eins dor beiden Vemtile des gerade
stremführenden Ventilpaares gelöscht wird. Glsichzeitig mit der Löschung des oinon
Ventile wird ein Ventil des für die Lastetromübernahme vorgeschenen anderen Ventilpaares
gezündet, wobei dieses gezündete Ventil in der gleichen Brückenhälfte liegt wie
das durchgesteuert geblieben. Ventil des abgelösten Ventilpaares. Somit fließt während
den Impulspausen des Quellenstroms (Fig. 4i) der Last- bzw. Entmagnetisierungsstroii
in einem Kurzschlußstromkreis, welcher von den beiden leitenden Ventilen der betreffonden
Brückenhälfte und der induktiven Last 12 geführt wird. Der Stromfluß in dem genannten
Kurzschlußstromkrois wird dadurch beendet, daß das zweite, bicher noch nicht leitende
Ventil des für die Stromübernahme vorgeschenen Ventilpaares gezündet und das bis
dahin leitende Ventil des abgelösten Ventilpaares golöscht wird.
-
Die Stromflußrhältnisse durch die einzelnen Ventile 6, 8, 14, 15 der
Brückenschaltung nach Fig. 3 sind in den Diagrammen nach Fig. 4e bis 4h veranschaulichtl.
Man erkennt hieraus, daß der impulsförmige Strom durch die Ventile 8 und 15 die
doppelte Impulsfolgefrequenz und die gleiche Impulslänge wie der Quellenstrom aufweist9
wobei die Ströme durch die Ventile 8 und 15 gegeneinander um eine halbe Impulspause
phasenverschoben sind.
-
Die Ströme durch die Ventile 6 und 14 (Fig. 4f bzw. 4h) sind ebenfalls
impulsförmig, wobei Jedoch deren Impulslängen den Impulspausen der Ströme durch
die Ventile 8, 15 und deren Impulspausen den Impuislängen der Ströme durch die Ventile
8, 15 eiiaprechen. Und zwar ist das Ventil 6 gesperrt, wenn das Ventil 15 stromführend
ist, während das Ventil 14 gesperrt ist, wenn das Ventil 8 stromführend ist.
-
Betrachtet man die Ventilstromverläufe nach Fig. 4e bis 4h anhand
des Schaltbildes des Wechselstromstellers nach Fig. 3, so ergibt sich folgender
Funktionszusammenhang Fiir den Fall, daß die Ventile 14 und 15 gerade stromführend
sind, erkennt man aus den Ventilstromverläufen nach Fig. 4e bis 4h, daß nach Erlöschen
des Ventile 15 die Ventile 14 und 6 weiterhin durchgezündet sind, so daß ein Kreisstrom
in dem Strompfad 12, 14, 6 fließen kann.
-
Dieser Kreisstrom fließt solange, bis gleichzeitig das Ventil 8 gezündet
und das Ventil 14 gelöscht wird, womit die Kommutierung des Laststroms von dem Ventilpaar
14, 15 auf das Ventilpaar 6, 8 abgeschlossen ist. Wird das Ventil 8 wiederum gesperrt,
so erkennt man aus den Ventilstromdiagrammen nach Fig. 4e bis kh ferner, daß gleichzeitig
mit dem Erlöschen des Ventils 8 das Ventil 14 gezündet wird, wodurch die Ventile
6 und 14 gleichzeitig
leitend sind und wiederum einen Kreisstromfluß
in dem Strompfad 12 14. 6,er.öglichen. Dieser Kreisstrom fließt solange, bis das
Ventil 15 gezündet und das Ventil 6 gelöscht wird, womit die Kommutierung von dem
Ventilpaar 6. 8 auf das Ventilpaar 14, 15 abgeschlossen ist.
-
Anstelle des in Fig. 3 dargestellten einphasigen Wechaelstromstellers
ist es ohne weiteres möglich, einen dreiphasigen Wechselstromsteller mit einer bekannten
Drehstrombrückenschaltung und einer dreiphasigen induktiven Last 12 vorzusehen.
Das anhand der einphasigen Brückenschaltung nach Fig. 3 erläuterte erfindungsgemäße
Steuerverfahren ist bei einem derartigen dreiphasigen lfechselstromsteller entsprechend
anzuwenden.
-
Wie sich ohne weiteres aus einem Vergleich des Stromverlaufs nach
Fig. 4c mit dem Stromverlauf nach Fig. 4i ergibt, kann durch das erfindungsgemäße
Verfahren in vorteilhafter Weise der Blindstromanteil des Quellenstroms stark verringert
werden.
-
Infolge der fehlenden Belastung der Quelle mit dem Entmagnetisierungsstrom
während jeder Halbwelle der Quellenspannung ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ferner möglich, den Steuerwinkel @ von 0° bis 18° beliebig zu veretellen und damit
die Steuereigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuerten Stromstellers
entscheidend zu verbessern.