DE2424369C3 - Gleichstromsteller - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromsteller für Zwei-Quadranten-Betrieb mit Stromumkehr, bei dem eine Reihenschaltung zweier Gegenparallelschaltungen mit je einem steuerbaren Ventil und einem Rückschwingventil mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei die steuerbaren Ventile in bezug auf die Gleichspannungsquelle in Durchlaßrichtung gepolt sind, bei dem ferner die Last parallel zu einer der beiden Gegenparallelschaltungen liegt und bei dem eine Reihenschaltung aus einer Kommutierungsdrossel und einem Kommutierungskondensator vorgesehen ist.

Der Zwei-Quadranten-Betrieb mit Slromumkehr ist für viele Anwendungsfälle eines Gleichstromstellers erwünscht, beispielsweise bei einer drehzahlsteuerbaren Gleichstrommaschine als Fahrantrieb in einem Fahrzeug. Bei einem solchen Fahrantrieb wird Motorbetrieb und Bremsbetrieb sowie ein möglichst schneller und kontinuierlicher Obergang zwischen diesen beiden Betriebsarten verlangt

Ein Gleichstromsteller der eingangs genannten Art ist aus der DT-OS 14 63 876 bekannt. Bei diesem bekannten Gleichstromsteller ist zwischen den beiden Gegenparallelschaltungen mit je einem steuerbaren Ventil und einem Rückschwingventil eine Spule mit Mittelanzapfung vorgesehen, wobei die Reihenschaltung aus Kommutierungsdrossel und Kommutierungskondensator zwischen dieser Mittelanzapfung und dem der Spule abgewandten Anschluß einer Gegenparallelschaltung liegt. Die Last ist ebenfalls zwischen der Mittelanzapfung dieser Spule und dem der Spule gegenüberliegenden Anschluß einer Gegenparallelschaltung angeschlossen. Die Reihenschaltung aus Kommutierungsdrossel und Kommutierungskondensator wird zu Beginn eines Kommutierungsvorganges von einem Strom durchflossen, dessen Stromstärke vom jeweiligen Lastslrom abhängig ist. Damit ist insbesondere die Dauer eines Kommutierungsvorganges vom jeweiligen Laststrom abhängig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstromsteller der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der gesamte Ablauf eines Kommutierungsvorganges unabhängig vom jeweiligen Laststrom erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reihenschaltung aus Kommutierungsdrossel und Kommutierungskondensator parallel zu der Reihenschaltung der beiden Gegenparallelschaltungen angeordnet ist, und daß der eine Anschluß der beiden vorgenannten parallel geschalteten Reihenschaltungen über die Primärwicklung eines Transformators an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einer Sperrdiode zur Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist.

Bei dem erfinclungsgemäßen Gleichstromsteller erfolgt die Löschung eines der beiden steuerbaren Ventile in den Gegenparallelschaltungen durch Zünden des jeweiligen anderen steuerbaren Ventils. Der Kommutierungskondensator schwingt dabei über beide steuerbare Ventile um und löscht beim Zurückschwingen das strömführende steuerbare Ventil. Während des Kommutierungsvorganges liegt die volle Gleichspannung der Gleichspannungsquelle an der Primärwicklung des Transformators. Dessen Hauptfeldinduktivität verhindert einen starken Stromanstieg des aus der Gleichspannungsquelle fließenden Gleichstroms. Nach Abschluß eines Kommutierungsvorganges ist der Kommutierungskondensator auf seine anfängliche Polarität rückgeladen. Durch die Sekundärwicklung des Transformators wird beim Abbau des aus der Gleichspannungsquelle fließenden Gleichstromes die Spannung an der Primärwicklung des Transformators nicht zu groß. Beim erfindungsgemäßen Gleichstromsteller erfolgt somit eine direkte Kommutierung, bei der zu keinem Zeitpunkt ein Strom über die Reihenschaltung aus Kommutierungsdrossel und Kommutierungskondensator fließt, dessen Stromstärke vom Laststrom abhängig ist. Hierdurch ist die gesamte Dauer eines Kommutierungsvorganges bis zum Erreichen des Ausgangszustandes durch eine Schwingungsdauer eines Umschwingvorganges der genannten Reihenschaltung festgelegt.

Aus der US-PS 36 21 366 ist es an sich bereits bekannt, am Eingang eines Gleichstromstellers einen Transformator anzuordnen, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einer Sperrdiode parallel zur speisenden

Gleichspannungsquelle liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den ynteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen werden im folgenden an Hand von zwei Figuren näher erläutert Es zeigen:

Fi gl einen erfindungsgemäßen Gleichstromsteller für den Zwei-Quadranten-Betrieb bei Motorbetrieb der Last, und

F i g. 2 den Gleichstromsteller nach F i g. 1 bei Getieratorbetrieb der Last. _]0

Nach F i g. i ist eine Gleichspannungsquelle 2 mit der Gleichspannung Uo, z. B. ein ungesteuerter Gleichrichter oder eine Batterie, über eine positive Verbindungsleitung 3 und eine negative Verbindungsleitung 4 mit einer Last 5 verbunden. Als Last 5 ist eine einzelne oder eine Anzahl von drehzahlsteuerbaren Gleichstrommaschinen eines Fahrzeuges vorgesehen.

Der dargestellte Gleichstromsteller umfaßt eine Reihenschaltung zweier Gegenparallelschaltui.gen mit je einem steuerbaren Ventil und einem Rückschwingventil. Die eine Gegenparallelschaltung enthält ein steuerbares Ventil 6, insbesondere einen Thyristor, und ein ungesteuertes Rückschwingventil 13. In Reihe zum steuerbaren Ventil 6 ist eine Begrenzungsdrossel 7 zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im steuerbaren Ventil 6 geschaltet. Die Begrenzungsdrossel 7 kann entfallen, wenn die Stromanstiegsgeschwindigkeit auf Grund der Induktivitäten der Schaltung und der Last den für das Ventil 6 zulässigen Wert nicht übersteigt. Dem ungesteuerten Rückschwingventil 13 ist eine Rückschwingdrossel 14 in Reihe geschaltet. Das Rückschwingventil 13 wirkt bei Generatorbetrieb der Last als Freilaufventil.

Die weitere Gegenparallelschaltung enthält ein steuerbares Ventil 11, insbesondere einen Thyristor, und ein Rückschwingventil 15. Das Rückschwingventil 15 wirkt bei Motorantrieb der Last als Freilaufventil. In Reihe zum steuerbaren Ventil 11 ist eine Begrenzungsdrossel 12 zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit vorgesehen. Die Begrenzungsdrossel 12 kann gegebenenfalls entfallen. Dem Rückschwingventil 15 ist pine Umschwingdrossel 16 in Reihe geschaltet.

Parallel zur Reihenschaltung der einen Gegenparallelschaltung mit den Ventilen 6 und 13 und den Drosselspulen 7 und 14, und der anderen Gegenparallelschaltung mit den Vent'len 11 und 15 und den Drosselspulen 12 und 16 liegt die Reihenschaltung einer Kommutierungsdrossel 8 mit einem Kommutierungskondensator 9. Zur Nachladung des Kommutierungskondensators 9 ist ein Nachladezweig vorgesehen, der aus einem hochohmigen Nachladewiderstand 10 besteht, der direkt zwischen dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 2 einerseits und der Verbindung von Kommutierungsdrossel 8 und Kommuüerungskondensator 9 andererseits angeordnet ist. Somit ist die Reihenschaltung aus dem Kommutierungskondensator 9 und dem Nachladewiderstand 10 direkt parallel zur Gleichspannungsquelle 2 angeordnet. Die Nachladung des Kommutierungskondensators 9 könnte prinzipiell auch aus einer anderen Gleichspannungsquelle erfolgen.

Die Last 5 ist zusammen mit einer ihr in Reihe geschalteten Glättungsdrossel 17 über der Gegenparallelschaltung mit den Ventilen 11, 15 und den Drosselspulen 12,16 angeschlossen.

Am Eingang des Gleichstromstellers befindet sich ein Transformator 18, dessen Primärwicklung 19 in der positiven Verbindungsleitung 3 zwischen dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 2 und der Anode des Ventils 6 liegt. Seine Sekundärwicklung 20, die eine wesentlich größere Anzahl von Windungen besitzt als die Primärwicklung 19, ist in Reihe zu einer Sperrdiode 21 geschaltet. Diese Reihenschaltung 20, 21 ist direkt parallel zur GleichspannungsqueHe 2 angeordnet. Die Anode der Sperrdiode 21 liegt hierbei an der negativen Verbindungsleitung 4. Diese negative Verbindungsieitung 4 kann geerdet sein.

Der dargestellte Gleichstromsteller ist so aufgebaut, daß sowohl in einer der beiden Verbindungsleitungen 3 bzw. 4 zwischen der Gleichspannungsquelle 2 und der Last 5 als auch parallel zur Last 5 jeweils ein steuerbares Ventil 6 bzw. 11 angeordnet und daß zu jedem dieser steuerbaren Ventile 6, 11 ein ungesteuertes Ventil 14 bzw. 15 mit umgekehrter Polarität parallel geschaltet ibt.

Dadurch kann der Laststrom Im zwischen der GleichspannungsqueHe 2 und der Last j in beiden Stromrichtungen fließen. Die Löschung des jeweils stromführenden Ventils 6 oder 11 erfolgt durch Zünden des anderen Ventils 11 bzw. 6, wobei der Kommulierungskondensalor 9 über beide Ventile 6 und 11 umschwingi und beim Zurückschwingen das zunächst stromführende Ventil löscht. Während dieses Kommutierungsvorganges wird die Zwische.ikreisspannung Ud, die an der Reihenschaltung der Kommutierungsdrossel 8 und des Kommutierungskondensators 9 liegt, zu Null. Die Gleichspannung Uo liegt dann direkt an der Primärwicklung 19. Nach Beendigung des Kommutierungsvorganges ist der Kommutierungskondensator 9 auf die anfängliche Polarität aufgeladen. Infolge der weiteren Aufladung des Kommutierungskondensators 9 aus der GleichspannungsqueHe 2 fließt ein Strom über die Sekundärwicklung 20. Dadurch wird erreicht, daß die Spannung an der Primärwicklung 19 bei abnehmendem Ladestrom keinen unzulässig hohen Wert erreicht.

Zunächst wird die Wirkungsweise des Gleichstromstellers nach F i g. 1 bei Motorbetrieb der Last 5 betrachtet. Bei Motorbetrieb wird Energie von der Gleichspannungsquelle 2 an die Last 5 geliefert.

Der Ausgangszustand sei bei gezündetem Ventil 6 gegeben. Hierbei fließt der Laststrom Im auf dem in F i g. 1 mit dicker Strichstärke hervorgehobenen Weg vom positiven Pol der GleichspannungsqueHe 2 über die Primärwicklung 19, das Hauptventil 6, die Begrenzungsdrossel 7, die Glättungsdrossel 17 und die Last 5 zurück zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 2. Der Kommutierungskondensator 9 wird über den Nachladewiderstand 10 mit der eingezeichneten Polarität auf die Höhe der Gleichspannung U, aufgeladen.

Soll nun der Gleichstromsteller gesperrt werden, so wird das Ventil 11 gezündet. Dadurch ergibt sich ein Umschwingvorgang. an dessen Ende sich der Kommutierungskondensator 9 mit der in Klammern eingezeichneten Polarität auf die Höhe der Gbichspannung Uo umgeladen hat. Der llmsrhwingweg ist in F i g. 1 gestrichelt eingezeichnet. Er führt vom oberen Belag des Kommutierungskondensators 9 über die Kommutierungsdrossel 8. das Ventil 6. die Begrenzungsdrossel 7, J:e Begrenzungsdrossel 12 und das Ventil 11 zum unteren Belag des Kommutierungskondensators 9.

Nach diesem Umschwingvorgang schließt sich sofort ein Rückschwingvorgang an. Der Rückschwingweg ist in F i g. 1 strichpunktiert eingezeichnet. Er führt vom unteren Belag des Kommutierungskondensators 9 über das Freilaufventil 15, die Umschwingdrossel 16, die Rückschwingdrossel 14, das Rückschwingventil 13 und die Kommutierungsdrossel 8 zum oberen Belag des

Kommutierungskondensators 9. Dadurch wird das Ventil 6 gelöscht. Es erlangt seine Sperrfähigkeit wieder. Dieser Rückschwingvorgang ist beendet, nachdem der Strom im Rückschwingventil 13 zu Null geworden ist.

Nach Ende des Rückschwingvorganges wird der Kommutierungskondensator 9 mit der anfänglichen Polarität auf dem Wege 2, 3,19,8,9, 4 und 2 nachgeladen. Nach Ansteigen der Kondensatorspannung auf einen Grenzwert, der durch das Windungsverhältnis bestimmt ist, ergibt sich das in F i g. 1 doppelstrichpunktiert eingezeichnete Zustandsbild des Gleichstromstellers. Danach ist der Laststrom Im jetzt vom Ventil 6 auf das Freilaufventil 15 abkommutiert. Trotz eines weiterhin anliegenden Zündimpulses am Ventil 11 führt dieses Ventil 11 keinen Strom, da die Glättungsdrossel 17 den Laststrom Iw auf dem doppelstrichpunktierten Weg in der eingezeichneten Richtung durch das Freilaufventil 15 treibt. Weiterhin fließt ein Strom vom negativen Pol der Gleichspannungsquelle 2 über die Sperrdiode 21 und die Sekundärwicklung 20 zum positiven Pol der Gleichspannungsquelle 2. Dieser Stromweg ist ebenfalls doppelstrich-punktiert in F i g. 1 eingezeichnet. Der Ladestrom des Kommutierungskondensators 9 verringert sich hierbei. Da die Sekundärwicklung 20 Strom führt, wird der Abbau des Ladestroms nun im wesentlichen durch die Streureaktanzen des Transformators 18 bestimmt. Diese sind kleiner als die Hauptfeldreaktanz, so daß ein schneller Abbau des Ladestroms, aber keine wesentliche Spannungsüberhöhung am Kommutierungskondensator 9 zustande kommt.

Aus der erläuterten Art der Kommutierung ergibt sich auch die Notwendigkeit der Anordnung des Transformators 18 am Eingang des Gleichstromstellers. Da während des Kommutierungsvorgangs die Zwischenkreisspannung Ud zwischen der Verbindung der Primärwicklung 19 und dem Ventil 6 einerseits und der negativen Verbindungsleitung 4 andererseits kurzgeschlossen wird, muß zwischen den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 2 und das Ventil 6 ein Glättungsglied mit nennenswerter Induktivität eingeschaltet werden. Eine einfache Drosselspule würde dieser Notwendigkeit nicht genügen, da an dieser Drosselspule beim Abbau des von der Gleichspannungsquelle 2 ausgehenden Eingangsstromes eine zu große Spannungsspitze auftreten würde, welche die Ventile 13 und 6 des Gleichstromstellers zerstören könnte. Durch den Einsatz des Transformators 18 ist gewährleistet, daß während des Kommutierungsvorganges die Gleichspannung Uo an die Primärwicklung 19 gelegt ist. Dadurch wird in der Sekundärwicklung 20 eine Spannung induziert, die den erwähnten Strom über die Sperrdiode 21 in der doppelstrich-punktierten Richtung treibt Nach dem Nullwerden des Stroms im Rückschwingventil 12 kann die Zwischenkreisspannung Ud dadurch nicht auf beliebig hohe Werte ansteigen. Die Zwischenkreisspannung W ist durch das Verhältnis der Windungszahl der Sekundärwicklung 20 zur Windungszahl der Primärwicklung 19 begrenzt Dieses Verhältnis ist um einiges größer als 1 und kann z. B. 3 bis 6 betragen.

Der Transformator 18 braucht nur für eine relativ kleine Spannungszeitfläche, die sich aus dem Produkt der Gleichspannung U« mit der Kommutierungszeit berechnet, ausgelegt zu werden. Die Baugröße des Transformators 18 kann daher kleiner ausfallen als die Baugröße der Glättungsdrossel 17.
Soll der Gleichstromsteller wieder durchgeschaltel werden, so wird wiederum das Ventil 6 gezündet. Dadurch gehl der Laststrom Im sehr rasch vom Freilaufventil 15 auf das Ventil 6 über, und der Ausgangszustand ist wieder hergestellt.
s Durch abwechselndes Zünden der beiden Ventile 6,

11 läßt sich Energie von der Gleichspannungsquelle 2 gesteuert in die Last 5 einspeisen. Bei einer Gleichstrommaschine als Last 5 wird diese dabei beschleunigt. Das Antriebsmoment wird durch das Verhältnis der

ίο Zündzeitpunkte der Ventile 6, 11 gesteuert oder geregelt.

Als nächstes wird an Hand von F i g. 2 die Wirkungsweise des Gleichstromstellers bei Generatorbetrieb der Last 5 betrachtet. Bei Generatorbetrieb wird Energie von der Last 5 zur Gleichspannungsquelle 2 übertragen. Generatorbetrieb tritt auf, wenn die Spannung Um an der Last 5 größer ist als der Mittelwert der Spannung an der Reihenschaltung 11,12.
Der Ausgangszustand sei hier bei gezündetem Ventil 11 gegeben. Der Gleichstromsteller ist dann gesperrt. Es fließt der Laststrom Im auf dem in F i g. 2 doppelstrich-punktiert eingezeichneten Weg von der Last 5 über die Glättungsdrossel 17, die Begrenzungsdrossel

12 und das Ventil 11 zurück zur Last 5. Einige Zeit zuvor war ein abklingender Strom vom negativen Pol der Gleichspannungsquelle 2 über die Sperrdiode 21 und die Sekundärwicklung 20 zum positiven Pol der Gleichspannungsquelle 2 geflossen. Dieser Weg ist gleichfalls doppelstrich-punktiert in F i g. 2 eingezeichnet. Der Kommutierungskondensator 9 wird über den Nachladewiderstand 10 mit der eingezeichneten Polarität aufgeladen.

Soll der Gleichstromsteller durchgeschaltet werden, so wird das Ventil 6 gezündet Es bildet sich ein Umschwingvorgang aus, bei dem der Kommutierungskondensator 9 umgeladen wird. Die Umladung erfolgt auf dem gestrichelt eingezeichneten Weg von dem oberen Belag des Kommutierungskondensators 9 über die Kommutierungsdrossel 8, das Ventil 6, die Begrenzungsdrossel 7, die Begrenzungsdrossel 12 und das Ventil 11 zum unteren Belag des Kommutierungskondensators 9. Dieser Umschwingvorgang ist beendet, sobald der über das Ventil 6 fließende Strom zu Null geworden ist.

Sofort anschließend erfolgt ein Rückschwingvorgang, dessen Rückschwingweg in F i g. 2 strichpunktiert eingezeichnet ist Dieser Weg führt vom unteren Belag des Kommutierungskondensators 9 über das FreilaufventiJ 15, die Umschwingdrossel 16, die Rück schwingdrossel 14, das Rückschwingventil 13 und die Kommutierungsdrossel 8 zum oberen Belag des Korn mutierungskondensators 9. Hierbei wird das Ventil 11 gelöscht Dieser Rückschwingvorgang ist beendet so bald der Strom im Freilaufventil 15 zu Null gewordei »st

Für die im Transformator 18 entstehenden Ström« gilt entsprechend das bei der Erläuterung des Motorbe triebs Gesagte. Nach Ende des Kommutierungsvor gangs fließt ein Ladestrom von der Last 5 auf den Wege 17,14,13.8.9.4 zur Last 5 zurück. Hat die Kon densatorspannung den Grenzwert überschritten, win die Sperrdiode 21 stromleitend Dadurch geht der La destrom vom angegebenen Weg schnell auf den Weg! 17.14.13.19,3. 2, 4.5 über.

Nach Beendigung des Rückschwingvorgangs ergit sich ein Betriebszustand, der in F i g. 2 mit dicke Strichstärke hervorgehoben ist. Hierbei fließt der Las strom Im von der Last 5 über die Glättungsdrossel Γ

die Rückschwingdrossel 14, das Rückschwingventil 13, die Primärwicklung 19, die Gleichspannungsquelle 2 und die negative Verbindungsleitung 4 zurück zur Last 5.

Soll anschließend der Gleichstromsteller wieder gesperrt werden, so wird das Ventil 11 gezündet. Der Lasistrom Im geht vom Rückschwingventil 13 auf das Ventil 11 über. Dadurch wird der Ausgangszustand

wieder hergestellt.

Durch abwechselndes Zünden der beiden Ventile 6 11 läßt sich F.nergie von der Last 5 in die Gleichspan nungsquelle 2 gesteuert zurückspeisen. Bei eine Gleichstrommaschine ais Last 5 wird diese dabei abge bremst. Das Bremsmoment wird durch das Verhältni der Zündzeitpunkte der Ventile 6,11 eingestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 607

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gleichstromsteller für Zwei-Quadranten-Betrieb mit Stromurnkehr, bei dem eine Reihenschaltung zweier Gegenparallelschaltungen mit je einem steuerbaren Ventil und einem Rückschwingventil mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei die steuerbaren Ventile in bezug auf die Gleichspannungsquelle in Durchlaßrichiung gepolt sind, bei dem ferner die Last parallel zu einer der beiden Gegenparallelschaltungen liegt und bei dem eine Reihenschaltung aus einer Kommutierungsdrossel und einem Kommutierungskondensator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschahung aus Kommutierungsdrossel (8) und Kommutierungskondensator (9) parallel zu der Reihenschaltung der beiden Gegenparallelschaltungen angeordnet ist, und daß der eine Anschluß der beiden vorgenannten parallel geschalteten Reihen-Schaltungen über die Primärwicklung (19) eines Transformators (18) an die Gleichspannungsquelle (2) angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung (20) in Reihe mit einer Sperrdiode (21) zur Gleichspannungsquelle (2) parallel geschaltet ist.

2. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der beiden Gegenparallelschaltungen dem steuerbaren Ventil (6, 11) eine Drosselspule (7, 12) in Reihe geschaltet ist.

3. Gleichstromsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der beiden Gegenparallelschaltungen dem Rückschwingventil (13, 15) eine Drosselspule (14, 16) in Reihe geschaltet ist.

4. Gleichstromsteller nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachladezweig für den Kommutierungskondensator (9) vorgesehen ist.

5. Gleichstromsteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichspannungsquelle (2) und dem Kommutierungskondensator (9) ein hochohmiger Nachladewiderstand (10) derart angeordnet ist, daß die Reihenschaltung aus dem Kommutierungskondensator (9) mit chm Nachladewiderstand (10) parallel zur Gleichspannungsquelle (2) liegt.