DE2451641A1

DE2451641A1 - Elektrische ventilschaltung

Info

Publication number: DE2451641A1
Application number: DE19742451641
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1975-05-07
Also published as: DE2451641C2; CA1012206A; JPS5535950B2; US3984752A; JPS5072129A

Description

ME-198 (-F-1279)
1A-746

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo , Japan

Elektrische Ventilschaltung

Die Erfindung "betrifft eine elektrische Ventilschaltung für ein Wechselstromschaltungssystem mit variabler Spannung.

Pur Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler für den Antrieb eines Synchronmotors oder für Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler zur . Sekundärerregung von Induktionsmotoren mit gewickeltem Rotor benötigt man eine elektrische Ventilschaltung zur Gleichstrom-Wecheselstrom-Wandlung, welche mit dem Wechselstromschaltungssystem mit variabler Spannung verbunden ist. Bei herkömmlichen elektrischen Ventilschaltungen besteht das Problem der Kommutation zwischen den elektrischen Ventilen, wenn die Spannung des Wechselspannungsschaltungssystems gering ist. Es wurde bisher vorgeschlagen, eine erzwungene Kommutierung anzuwenden, ■ wobei Kommutationskondensatoren verwendet werden oder eine unterbrochene Kommutierung unter Verwendung einer weiteren elektrischen Ventilschaltung, welche gegensinnig gepolt ist. Die erstere Methode bei der die Kommutierung als erzwungene Kommutierung ausgebildet ist, ist jedoch zu kompliziert. Wenn diese Art der Wandlung bei einer hohen Spannung angewandt werden soll, so muß die für die erzwungene Kommutierung erforderliche Spannung hoch sein und die elektrischen Ventile sind in diesem Pail teuer.

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Bei der zweiten Methode wird der Strom des Gleichstromschaltungesystems unterbrochen, so daß auch der zum Wechselstromschaltungssystem fließende Strom unterbrochen wird. Demgemäß sinkt der Effektivstrom und das Drehmoment des Motors verringert sich. Darüber hinaus verstärken sich Vibrationen und Geräuschbildungen aufgrund der durch die Stromunterbrechung hervorgerufenen Änderung des Drehmoments.' Somit beobachtet man insliesondere bei Geräten mit großer Kapazität Störungen.

Es iet daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung,eine elektrische Ventilschaltung zu schaffen, welche eine zuverlässige
Kolmatierung ermöglicht, ohne daß eine elektrische Unterbrechung erforderlich ist, welche einen einfachen Aufbau aufweist und sich für Wechselstromschaltungssysteme mit niedriger Spannung und mit relativ hoher Spannung unä großer Kapazität eignet. .

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine elektrische Ventilschaltung gelöst, welche e'ine Vielzahl von elektrischen Hauptsteuerventilen aufweist, welche funktionell zwischen
dem Hauptgleichstromsystem und dem Hauptwechselstromsystem
liegen, sowie mindestens ein Paar Kommuta.tionszweige, welche aus uindestens zwei der elektrischen Hauptsteuerventilen zur sequentiellen Kommutierung des Stroms bestehen, wobei mindestens ein Zweig der Gruppe der Kommutierungszweige ein Hilfs«- gleiehstromsystem ist und wobei ein elektrisches Hilfsventil funktionell zwischen dem Hilfsgleichstromsystem und einer
Hilfsstromquelle liegt.

Als Hilfsstromquelle kommt ein Dreiphasen-Transformator oder ein Einphasentransformator in Frage. Als elektrische Hilfsventilschaltung kommt eine Briickenschaltung unter Verwendung von Thyristoren oder eine Halbwellenschaltung unter Verwendung einer Kombination eines Thyristors und einer Diode in Frage!

Der leutralpunkt der Sekundärwicklung des Dreiphasen-Transformatoars ist mit einem'Ende des Hauptgleichstromsystems verbunden und jedes elektrische Hilfsventil, wie z'. B. ein Ende des

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Thyristors ist in Reihe zum anderen Ende der Sekundärwicklung geschaltet. Die anderen Enden der Thyristoren sind gemeinsam verbunden. Diese Enden sind in Reihe zum elektrischen Hauptsteuerventil geschaltet. Bei einer Vereinfachung der Hilfsstromquelle und der elektrischen Hilfsventilschaltung genügt ein Einphasentransformator als Hilfsstromquelle, sowie eine einphasige Halbwellenschaltung, "bestehend aus einer Diode und einem Thyristor als elektrische .Hilfsventilschaltung. Die Erfindung eignet sich für einphasige elektrische Ventilschaltungen vom Typ des Mittelabgriffs mit einer kleinst möglichen Zahl von Zweigen als elektrische Ventilschaltung. In letzterem Falle sind die elektrische Hilfsventilschaltung und die Hilfsstromquelle nur mit einer Seite des elektrischen Hauptsteuerventilzweigs verbunden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung;

Fig. 2 und 3 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung; und

Fig. 4 a, b und c Schaltbilder weiterer Ausführungsformen von elektrischen Ventileinheiten der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder sich entsprechende Bauteile.

Fig. 1 zeigt ein Sehaltdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung. Die elektrische Ventilschaltung besteht aus elektrischen Hauptsteuerventilen 101 — 106, z. B. aus Thyristoren, welche funktionell zwischen den Gleichstromanschlüssen P, N eines Hauptgleichstromsystems 300 und den Anschlüssen U, V, V/ eines Haupt-

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Wechselstromsystems liegen. Die elektrischen Hauptventile bilden eine Gruppe von positiven Kommutierungszweigen 101, 102, 103 und eine Gruppe von negativen Kommutierungszweigen 104, 105, 106.

Darüber hinaus sind elektrische Hilfsventilschaltungen mit einem positiven gemeinsamen Hilfswechselstromsystem 402 und einem gemeinsamen negativen Hilfswechselstromsystem 403 verbunden (Vereinfachung). Das Hilfswechselstromsystem bildet die Sekundärwicklung eines Transformators 400. Die Neutralpunkte der Sekundärwicklungen sind mit Gleichstromanschlüssen P, N verbunden und die Primärwicklung 401 ist mit einer Wechselstromquelle verbunden.

Im folgenden soll der KommutierungsVorgang bei niedriger Frequenz und niedriger Spannung des Hauptwechselstromsystems 500 erläutert werden. Hierbei ist die Kommutierung besonders wichtig.

Wenn die elektrischen Hauptsteuerventile 101, 106 eingeschaltet sind, so fließt der Strom durch das Hauptgleichstromsystem 300, die elektrische Hilfsventilschaltung 201, das elektrische Hauptsteuerventil 101, das Hauptwechselstromsystem 500, das elektrische Hauptsteuerventil 106 und die elektrische Hilfsventilsehaltung 206. In der elektrischen Hilfsventilschaltung 201 werden eine Vielzahl von elektrischen Hilfsventilen 201a - 201c der Reihe nach eingeschaltet, je nach der Frequenz des Hilfswechselstromsystems. Änliches gilt für die elektrische Hilfsventilschaltung 206. In diesem Falle erhält man die der Hauptwechselstromschaltung 500 zugeführte Leistung durch algebraische Addition der Leistung des Hauptgleichstromsystems 300 und der Leistung der elektrischen Hilfsventilschaltung 201, 206. Wenn nun der Strom vom elektrischen Hauptsteuerventil zum elektrischen Hauptsteuerventil 102 kommutiert wird, so wird das elektrische Hauptsteuerventil 102 mit dem Einschaltsignal beaufschlagt und die Einschaltphase der elektrischen

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Hilfsventilschaltung 201 wird verzögert, während die Einschaltphase der elektrischen Hilfsventilschaltung 202 einen Vorsprung erhält. Hierdurch wird der durch die elektrische Hilfsventilschaltung 201 und die elektrische Hauptsteuerschaltung 101 fließende Strom auf Null gesenkt. Andererseits ist der durch die elektrische Hilfsventilschaltung 202 und das elektrische Hauptsteuerventil 102 fließende Strom erhöht, so daß schließlich der gesamte Strom des Hauptgleichstromsystems 300 durch diese fließt. Während der Kommutierung kann die Potentialdifferenz zur Überwindung der Startspannung oder Startkraft (starting force) oder der KurζSchlußspannung im Stadium niedriger Spannung des Hauptwechselstromsystems mittels der Einschaltphasendifferenz zwischen den elektrischen Hilfsventilschaltungen 201 und 202 aufrechterhalten werden. Die Kommutierung wird nachfolgend stets in gleicher Weise durchgeführt, so daß der Reihe nach Steuerspannungen angelegt werden. Auf diese Weise wird die Gleichstrom-Wechselstrom- . Wandlung durchgeführt. Wenn die Spannung des Hauptwechselstromsystems 500 groß genug ist (z. B. um 5 -. 10 % über der Nennspannung liegt), so können die elektrischen Hauptsteuerventile 101 - 106 selbst aufgrund der Startspannung des Hauptwechselstromsystems 500 kommutiert werden. Demgemäß kann die Spannung der Hilfswechseistromsysteme 402, 403 zur Beaufschlagung der elektrischen Hilfsventilschaltungen etwa 2,5 - 5 i° betragen. Somit kann die Stehspannung des elektrischen Ventils mehrere Prozent der Stehspannung des elektrischen Hauptventils betragen. Daher kann die Kapazität der elektrischen Hilfsventilschaltung einige Prozent der Hauptwandlungsleistung betragen.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung, wobei die elektrische Hilfsventilschaltung eine Schaltung vom einphasigen Halbwellentyp ist. Eine solche Schaltung ist wesentlich" vereinfacht. Bei dieser Ausführungsform besteht die elektrische Hilfsventilschaltung 201 aus einem Einphasen-Hilfswechselstromsystem 402, einem elektrischen Steuerventil 201a, z. B. einem Thyristor, und einem nicht-steuerbaren elektrischen Ventil 201b,

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ζ. B. einer Diode. Die anderen elektrischen Hilfsventilschaltungen haben ähnlichen Aufbau. Diese Ausführungsform wird insbesondere dann angewandt, wenn die Frequenz des Hauptwechselstromsystems 500 relativ niedriger ist als die Frequenz des Hilfswechselstromsystems 410. Wenn z. B. die Nennfrequenz des Hauptwechsel'stromsystems 20 - 30 Hz beträgt, so kann die Frequenz des Hilfswechselstromsystems der elektrischen Hilfsventilschaltung für die Kommutierung einer Spannung von mehreren Prozent der Spannung des Hauptwechselstromsystems und einer Frequenz von mehreren Prozent der Frequenz des Hauptwechselstromsystems 50 - 60 Hz betragen. Wenn andererseits die Nennfrequenz des Hauptwechselstromsystems hoch ist, so kann die Frequenz des Hilfswechselstromsystems 401 jerach der Nennfrequenz erhöht werden. Zum Beispiel kann ein Hochfrequenz-Einphasen-Wechselrichter als Hilfsstromquelle vorgesehen sein, oder die Spannung kann nur während der Kommutierung angelegt werden. Somit kann als Hilfswechselstromsystern eine Impulsstromquelle dienen.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Ventilschaltung für eine Phase mit Mittelabgriff, mit der kleinsten Anzahl von Zweigen. Wenn gemäß Fig» 3 die Kommutierung von dem elektrischen Hauptsteuerventil 102 zum elektrischen Hauptsteuerventil 101 erfolgt, so erhält die Einschaltphase der elektrischen Hilfsventilschaltung 201 einen Vorsprung und bildet einen Vorwärtsumformbereich. Nach der Kommutierung ist die Einschalt phase die mittlere Einschaltphase 90 ° für die Wandlerkommutierung. Wenn die Kommutierung von dem elektrischen Hauptsteuerventil 101 zum elektrischen Hauptsteuerventil 102 erfolgt, so wird die Einsehaltphase der elektrischen Hilfsventilschaltung 201 verzögert und bildet einen Rückwärtsumformbereich, so daß der Strom im elektrischen Hauptsteuerventil 101 sinkt und der Strom im elektrischen Hauptsteuerventil 102 steigt bis das elektrische Hauptsteuerventil 101 gesperrt ist und so die Kommutierung beendet ist. Bei dieser Ausführungsform gelingt die Kommutierung in beiden Richtungen mit nur einer elektrischen

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Hilfsventilschaltung auf einer Seite des elektrischen Hauptventilzweigs.

Die Figuren 4a bis 4c zeigen verschiedene Ausführungsformen zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der elektrischen Hilf svent ils chaltung und dem elektrischen Haupt steuerventil.

Die elektrischen Hilfsventil schaltungen 20On liegen in Reihe zum Gleichstromsystem. Der elektrische Hauptventilzweig der elektrischen Hauptsteuerventile 10On wird als Hilfsgleichstromsystem "bezeichnet.

Gemäß Fig. 4a kann eine elektrische Hilfsventilschaltung vom Brückentyp vorgesehen sein. Gemäß Fig. 4b kann eine elektrische Hilfsventilschaltung vom Doppelsterntyp vorgesehen sein und gemäß Fig. 4c kann eine elektrische Hilfsventilschaltung vom dreiphasigen Halbwellentyp mit Schwungraddiode vorgesehen sein. Die elektrischen Hilfsventilschaltungen mit einer Vielzahl von Wandlerphasen (Kommutationszweigen) gemäß den Fig. 4a, b eignen sich für Hochfrequenz. Die elektrische Hilfsventilschaltung mit Schwungraddiode gemäß Fig. 4c erlaubt eine Senkung der Kapazität des elektrischen Hilfssteuerventils und des Hilfswechselstromsystems, da der Strom nur während der Kommutierungsperiode durch das elektrische Hilfssteuerventil fließen kann, während der Strom durch die Schwungraddiode, d. h. durch ein nicht zur Steuerung dienendes elektrisches Hilfsventil, im Normalzustand (außerhalb der Kommutierungsperiode) fließen kann. Ein Paar bestehend aus einem elektrischen Hauptsteuerventil und einer elektrischen Hilfsventilschaltung gemäß Fig. bilden eine Zweigeinheit. Somit können verschiedene G-leichstrom-Y/echselstrom-Wandler mit einer beliebigen Anzahl von Zweigen und Zweigverbindungsarten gebildet werden. Bei Geräten mit hoher Spannung und großer Kapazität kann ein Hochspannungs-· element oder ein Hochspannungsventil (Reihenschaltung) als elektrisches Hauptsteuerventil dienen, während ein Niederspannungselement oder ein Nichtreihenelement als elektrisches Hilfsventil dienen kann. Erfindungsgemäß ist ein Kommutierungs-

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kondensator nicht erforderlich, so daß auch keine Schwingungen aufgrund eines solchen Kondensators auftreten. Ferner kann die Bildung einer hohen Spannung verhindert werden. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere für Hochspannungsgeräte. Die Ausgangsleistungen der elektrischen Hilfsventilschaltungen ergeben sich durch algebraische Addition der einzelnen Leistungen. Wenn das Hauptwechselstromsystem 500 ein Hochspannungssystem ist, so ist eine Kommutierung der elektrischen Hilfsventilschaltung nicht erforderlich und die Spannung des Hilfswechselstromsystems wird abgeschaltet und die elektrische Hilfsventilschaltung wird gleichzeitig mit dem Einschalten des elektrischen Hauptsteuerventils gesteuert, so daß der Transformator als einfache Gleichstromdrossel wirkt und das elektrische Hilfsventil als Teil des elektrischen Hauptsteuerventils an der angelegten Spannung teil hat. Somit kann das elektrische Hilfsventil in wirksamer Weise als Teil des elektrischen Hauptsteuerventils verwendet werden. Erfindungs- _w~ gemäß ist der Nutzungsgrad der Bauteile hoch und der Betrieb ist einfach. Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich somit hervorragend für Geräte mit großer Kapazität. Darüber hinaus wird die Kommutierung bei niedriger Spannung als Leistungskommutierung mit Außenerregung durchgeführt, so daß die Kommutierung zuverlässig erfolgt und die Überlastbarkeit erhöht wird. Somit kann das Start-Drehmoment des Motors leicht erhöht werden. Darüber hinaus wird der Strom nicht unterbrochen, so daß keinerlei Schwingungen und Geräusche auftreten. Somit zeigt die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen.

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Claims

-. ο _ PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrische Ventilschaltung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von elektrischen Hauptsteuerventilen (100), welche funktionell zwischen einem Hauptgleichstromsystem (300) und einem Hauptwechselstromsystem (500) liegen und durch mindestens ein Paar von Kommutierungszweigen , bestehend aus mindestens zwei elektrischen Hauptsteuerventilen zur sequentiellen Kommutierung des Stroms, wobei mindestens ein Zweig aus der Gruppe der Kommutierungszweige als Hilfsgleichstromsystem ausgebildet ist und wobei eine elektrische Hilfsventilschaltung und eine Hilfsstromquelle in Reihe zum Hilf sgleich-r stromsystem geschaltet sind.

2. Elektrische Ventilschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstromquelle einen Dreiphasen-Transformator (400) umfaßt und daß der Neutralpunkt der Sekundärwicklung (402) des Transformators (400) mit einem Ende des Hauptgleichstromsystems (200) verbunden ist und daß jedes Ende eines jeden Hilfsventils mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung (402) verbunden ist und daß die anderen Enden der elektrischen Hilfsventile miteinander verbunden sind und in Reihe zum Hilfsgleiehstromsystem liegen.

3. Elektrische Ventilschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Hilfsventilschaltung (200) aus elektrischen Steuerventilen besteht, welche in einer Dreiphasenbrlicke verbunden sind und daß jede der Sekundärwicklungen (402) des Dreiphasen-Transformators (401) mit jeweils einem der wechselstromseitigen Anschlüsse des elektrischen Steuerventils in der Brlicke verbunden ist.

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4. Elektrische Ventileehaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Hilfsventilschaltung aus einem elektrischen Steuerventil und einem nicht zur Steuerung dienenden elektrischen Ventil besteht und daß die Hilfsstromquelle einen Einphasentransformator umfaßt, und daß das nicht aur Steuerung dienende elektrische Ventil in Reihe zum Hauptgleichstromsystem liegt und das elektrische.Steuerventil in Reihe zur Sekundärwicklung des Einph&stn-Tr&nsformators liegt und daß diese Reihenschaltungen parallel zum nicht steuerbaren elektrischen Ventil liegen.

5. Elektrische Ventilschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Einphasen-Transformators einen Mittelabgriff aufweist und als Hauptwechselstromsystem dient und daß der Mittelabgriff der Sekundärseite mit einem End© des Hauptgleichstromsystems verbunden ist und daß ^id«^i^at^i^*.*4!B3? ^*kvu*däiviäkljunei^iber t^eweile -. < ·. ein elektrisches Hauptsteuerventil (101,102) mit dem anderen Ende des Hauptgleichstromsystems verbunden sind und daß ein elektrisches Hilfsventil (201) und eine Hilfswechselstromquelle (4-00) in Reihe zu mindestens einem der elektrischen Hauptsteuerventile (101 oder 102) geschaltet sind.

6. Elektrisehe Ventilschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dl© Hilfsweehselstromquelle einen Transformator umfaßt, dessen Sekundärwicklung in Reihe zum elektrischen Hilfsventil liegt.

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