DE2451960A1 - Wechselstromseitig zwangskommutierter stromrichter - Google Patents
Wechselstromseitig zwangskommutierter stromrichterInfo
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1
Ninnemann/se . B I 74/29
Wechselstromseitig zwangskommutxerter Stromrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines ein Gleichstromnetz veränderlicher Spannung und ein
Wechsel- oder Drehstromnetz konstanter oder veränderlicher Spannung verbindenden, wechselstromseitig kornmutierenden
Stromrichters mit löschbaren Ventilzweigen.
Stromrichter können nach ihrer äußeren Wirkungsweise als Gleichrichter, Wechselrichter, Gleichstrom- oder Wechselstromumrichter
oder nach ihrer inneren Wirkungsweise, das ist die Art der Kommutierung und die Herkunft der Taktfrequenz,
unterschieden werden.
Die innere Wirkungsweise von Stromrichtern kann außer nach den Merkmalen der natürlichen Kommutierung und der
Zwangskommutierung auch nach einem weiteren Funktions»
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merkmal unterschieden werden= Danach lassen sich die
Stromrichter in solche mit Kommutierung auf der Wechsel-
und solche mit Kommutierung auf der Gleichstromseite unterteilen,.
Beim Stromrichtertyp mit gleiehstromseitigerfKommutierung
wird Gleichspannung in Wechselspannung umgeschaltet oder - bei Energielieferung von der Wechselstrom-= zur Gleichstromseite
- Wechselspannung in Gleichspannungs wobei der
Strom in beiden Fällen auf der Gleichstromseite kommutierto Dies setzt voraus, daß auf der Gleichstromseite nur eine
mäßige Reaktanz vorhanden ist (Die Wirkung zu großer Induktivitäten läßt sich durch Glättungskondensatoren kompensieren)» Auf der Wechselstromseite ist zur Begrenzung von
Stromoberschwingungen eine Reaktanz erforderliche Die Halbleiterschalter
für diesen Stromrichtertyp sind für zwei Stromrichtungen vorgesehen« Stromrichter mit gleichstrom-=
seitiger Kommutierung arbeiten in der Regel mit Zwangskommutierung,=
Die Wechselspannungsquelle wird mit kapasi·=
tiver Blindleistung belastet«, Im Bereich induktiver Be=
lastung der Wechselspannungsquelle ist natürliche Kommutierung möglich» Dieser Betriebsbereich wird beim Stromrichter
mit gleichstromseitiger Kommutierung nur in Sonderfällen angewendete
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Beim Stromrichtertyp mit wechselstromseitiger Kommutierung wird Wechselstrom in Gleichstrom umgeschaltet oder - bei
Energielieferung von der Gleichstrom- zur Wechselstromseite Gleichstrom
in Wechselstrom, wobei der Strom in beiden
Fällen auf der Wechselstromseite kommutiert. Diese Eigenschaft setzt mehrere Bedingungen voraus. Auf der Wechselstromseite
ist wegen der dort stattfindenden Kommutierungsvorgänge nur eine mäßige Reaktanz zulässig. Auf der Gleichstromseite
kann dagegen eine beliebig große Glättungsinduktivität vorhanden sein. Die Halbleiterschalter für diesen
Stromrichtertyp sind nur für eine Stromrichtung vorzusehen.
Im Bereich natürlicher Kommutierung wird die Wechselspannungsquelle mit induktiver Blindleistung belastet, im Bereich der
Zwangskommutierung mit kapazitiver Blindleistung.
Eine der wesentlichsten Forderungen bei der Verbindung eines Wechsel- oder Drehstromnetzes mit einem Gleichstromnetz
über Stromrichter ist die, daß Strom und Spannung auf der Gleichstromseite der Stromrichter möglichst keine Wechselanteile
enthalten, so daß im Idealfall die Augenblickswerte der gleichstromseitigen Leistung zeitlich konstant
sind. Auf der Wechselstromseite ist anzustreben, daß die Stromrichter mit dem speisenden oder gespeisten Netz nur
Wirkleistung austauschen.
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Elektrische Energieversorgungsnetze enthalten Wechselspannungsquellen,
deren eingeprägte Spannungen u(t) sich zeitlich sinusförmig ändern. Erwünscht ist, daß diese mit
möglichst sinusförmigen Strömen i(t) belastet werden, wobei zur Vermeidung von überflüssigem Blindstrom der Phasenverschiebungswinkel
ψ klein sein soll. Bei sinusförmigem Spannungs- und Stromverlauf pulsiert die Leistung p(t)
in den Wechselspannungsquellen sinusförmig mit doppelter Netzfrequenz:
p(t) = u(t) 'i(t) = ü -t sino>t'Sin(üc>t-p) =U I»cos f f"l - cos(2<ut -ψΠ
. L cos f J
Der Strom in Gleichspannungsquellen bzw. Gleichstromverbrauchern soll möglichst geglättet, d.h. zeitlich konstant
sein. Unter dieser Voraussetzung ist der zeitliche Verlauf der Leistung Pd(t) auf der Gleichstromseite konstant:
Bei der Kupplung eines einphasigen Wechselstromnetzes mit einem Gleichstromnetz wären unter den gemachten Voraussetzungen
Abweichungen im zeitlichen Verlauf der in den beiden Quellen umgesetzten Leistung vorhanden. Die Abweichung
beträgt:
p(t) -pd(t) =-tM.cos(2<ot-Y>). ·.
Es sind also magnetische und elektrische Speicher zur Aufrechterhai
tung des Leistungsgleichgewichtes notwendig. Bei
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mehrphasigen, symmetrisch belasteten Wechselstromsystemen
würde bei sinusförmigem Stromverlauf die Summenleistung aller Phasen zeitlich konstant und damit das Leistungsgleichgewicht
zwischen Drehstrom- und Gleichstromseite erfüllt sein. Bei unsymmetrischer Belastung von Mehrphasensystemen
gilt diese Bedingung nur für das Mitsystem der Ströme. Für das durch die Unsymmetrie hervorgerufene Gegensystem ergeben
sich wieder Leistungspulsationen mit doppelter Netzfrequenz.
Wegen der nichtlinearen Halbleiterschalter ohne Speicherwirkung läßt sich bei der Energieumformung mit Stromrichtern
die Voraussetzung sinusförmiger Ströme auf der Wechselbzw. Drehstromseite nicht ohne weiteres erfüllen. Vielmehr
werden durch die periodischen Schaltvorgänge Oberschwingungsströme hervorgerufen, die sich nur durch Hinzunahme von
magnetischen und.'elektrischen Speichern unterdrücken lassen.
Praktisch werden bisher Oberschwingungsströme im Wechselbzw.
Drehstromnetz bis zu einem gewissen Grad in Kauf genommen. Bei der Kupplung von Wechsel- bzw. Drehstromnetzen
mit Gleichstromnetzen bzw. Gleichstromverbrauchern wird im allgemeinen durch einen magnetischen Speicher auf der Gleichstromseite
der Gleichstrom für den Anwendungsfall- ausreichend geglättet. Auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite treten dann
die für Stromrichterbelastung typischen rechteck- bzw. treppenförmige
Ströme auf.
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Prinzipiell lassen sich magnetische und elektrische Speicher zu Filtern kombinieren,, welche in der Lage sindy Energiependelungen
doppelter Netzfrequens und die übrigen höherfrequenten
Energiependelungen aufzunehmen,, und damit im
Wechsel- bzw» Drehstromnetz sinusförmigen und·im Gleichstromnetz
konstanten Stromverlauf sicherzustelleno In solchen
aus Spannungsquellen5 Transformatoren, linearen Energieumsetzern (Widerständen)9 linearen Energiespeichern und nichtlinearen Halbleiterschaltern ohne Energieaufnahmevermögen
aufgebauten Netzwerken lassen sich die beiden gemachten Voraussetzungen erfüllen9 nämlich daß die Leistungsbilans
in jedem Zeitpunkt·ausgeglichen ist (notwendige Bedingung)
und daß die Ströme sinusförmig bzwo konstant sind (erwünschte
Bedingung)o
Aus der ETZ-A Bdo 94 (1973) Heft 8„ Seite 466 bis 471 sind
Maßnahmen zur näherungsweisen Verwirklichung des idealen Betriebsverhaltens eines Einphasenstromrichters bekannte
Es 'wird darin aufgezeigt^ daß die ideale Betriebsweise
beim Umwandeln von Wechselstromenergie in Gleichstrom= energie verwirklicht werden kann9 wenn verlustlose Über=
trager ohne Energiespeicher sur Verfügung stehen v deren
Übersetzungsverhältnis sich synchron mit der Wechselspannung stetig änderte Da derartige Übertrager nach dem
heutigen Stand der Technik nicht realisierbar sind?
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Übertrager verwendet, deren Übersetzungsverhältnis in endlich großen Stufen sprunghaft geändert werden kann-·-
Bei Verwendung eines Übertragers mit zwei Übersetzungsstufen wird jede Übersetzungsstufe während einer Viertelschwingung
oftmals benutzt und die Annäherung des gewünschten Zeitverlaufs der Übersetzung geschieht durch
Breitenmodulation der Benutzungsintervalle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines ein Gleichstromnetz mit einem Wechsel—
oder Drehstromnetz verbindenden Stromrichters anzugeben, bei dem das ideale Betriebsverhalten des Stromrichters,
eine glatte Gleichspannung und einen glatten Gleichstrom auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters und einen
Wechselstrom mit gewünschter Kurvenform auf der Wechsel— stromseite zu erzielen, bei gleichzeitiger Verringerung .
des Filteraufwandes und unter Vermeidung transformatorveränderlicher Übersetzungsverhältnisse näherungsweise
verwirklicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
löschbaren Vehtilzweige durch mehrfaches Ein- und Ausschalten während einer Periode des Wechsel— oder Dreh—
Stromnetzes im Pulsbetrieb arbeiten.
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Die löschbaren Ventilzweige sind dabei derart ein- und auszuschalten, daß der Stromverlauf durch die löschbaren
Ventilzweige auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite einen gewünschten, vorzugsweise sinusförmigen, Stromverlauf
hervorruft.
Mit Hilfe des Pulsbetriebes lassen sich die Spannungsund Stromoberschwingungen auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite
und auf der Gleichstromseite des Stromrichters und damit der Aufwand für die Filter verringern.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die löschbaren Ventilzweige in einphasiger-
bzw. Drehstrom-Brückenschaltung und auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite Stützkondensatoren angeordnet
sind.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine einphasige Brückenschaltung und
Fig. 2a bis 2c eine zeitliche Darstellung der Ströme und Spannungen unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei verschiedenen Phasenverschiebungswinkeln
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Fig. 3 zeigt als Anwendungsbeispiel eine Antriebsanordnung
für eine Asynchron- oder Synchronmaschine.
Der in Figur 1 dargestellte Stromrichter in einphasiger Brückenschaltung mit den Ventilzweigen -1,1I' und 2,2'
verbindet ein Wechselstromnetz 3 der Spannung u(t) mit einem Gleichstromnetz 4, das eine variable Gleichspannung
U. aufweist.
Durch die symbolische Darstellung der zwei Steueranschlüsse an den Thyristorschaltzeichen der Ventilzweige
1,1' und 2,2' soll festgelegt sein, daß die Ventilzweige 1,1' und 2,2' zu beliebigen Zeitpunkten sowohl gezündet
als auch gelöscht werden können. Für die löschbaren Ventilzweige können sowohl Transistoren als auch Thyristoren
mit Löschzweigen oder abschaltbare Thyristoren verwendet werden.
Auf der Wechselstromseite des Stromrichters ist in Reihe zur WechselSpannungsquelle eine Induktivität 5 dargestellt,
die durch die unvermeidlichen Induktivitäten der Zu- und Ableitungen, des Transformators usw. hervorgerufen wird.
Parallel zu den Wechselspannungsklemmen des Stromrichters
ist ein Stützkondensator 6 geschaltet, der die für den
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Pulsbetrieb des Stromrichters erforderlichen mittelfrequenten
Wechselströme liefert,sofern die Wechselspannungsquelle
diese mittelfrequenten Wechselströme infolge der
unvermeidlichen Induktivitäten nicht liefern kann. Sind die wechselspannungsseitig vorhandenen Induktivitäten
sehr klein bzw. werden die den Ventilzweigen parallelgeschalteten Löscheinrichtungen so dimensioniert, daß
sie diesen mittelfrequenten Wechselstromanteil bereitstellen, so kann der Stützkondensator 6 entfallen.
Auf der Gleichspannungsseite ist in Reihe zum Verbraucher ein aus der Parallelschaltung einer Drossel und eines Kondensators
bestehender Sperrkreis 7 für die zweite Harmonische und eine Glättungsinduktivität 8 geschaltet. Aus der auf
der Wechselstromseite des Stromrichters um einen Mittelwert mit doppelter Netzfrequenz schwankenden Leistung
und dem erforderlichen Leistungsgleichgewicht zwischen Wechsel- und Gleichstromseite folgt, daß bei konstantem
Gleichstrom eine um einen Mittelwert mit doppelter Netzfrequenz schwankende Gleichspannung am gleichstromseitigen
Ausgang des Stromrichters auftritt. Damit am Gleichstromverbraucher 4 aber nur eine konstante Spannung auftritt,
muß bei Einphasenschaltungen ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmter Sperrkreis 7 vorgesehen werden, der
den Wechselspannungsanteil der gleichgerichteten Spannung aufnimmt. Ein derartiger Sperrkreis entfällt aufgrund der
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eingangs genannten Voraussetzungen bei Mehrphasennetzen.
Anhand der zeitlichen Darstellung der Ströme und Spannungen in den Figuren 2a bis 2c bei verschiedenen Phasenverschiebungswinkeln
ψ soll die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Unter der Annahme
einer sinusförmigen Wechselspannung ergeben sich nach den einzelnen Figuren folgende Verhältnisse:
In'Figur 2a ist über der Zeit- bzw. Winkelachse tot der
Verlauf der am Stützkondensator 6 anliegenden Spannung U , bezogen auf den Scheitelwert u der Netzwechselspannung u
und ihr um den Phasenwinkel γ nacheilend der auf seinen
Scheitelwert i bezogene Wechselstrom i dargestellt.
Wird der Stromrichter mit konstanter Pulsfrequenz aber veränderlichem Einschaltverhältnis betrieben, so folgt
für die Erzeugung einer sinusförmigen Größe auf der Wechselstromseite ein mit der Netzfrequenz zeitlich
sinusförmig veränderliches Einschaltverhältnis.
In der Figur 2b ist neben dem Netzwechselstrom i der über die Wechselspannungsklemmen des Stromrichters ·
fließende Strom j, bezogen auf den Scheitelwert i des
Netzwechselstromes dargestellt. Um einen sinusförmigen
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. . 809819/0195
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Strom i auf der Wechselstromseite zu erzielen wird das Einschaltverhältnis während der Sinushalbwelle der gewünschten
Kurvenform angepaßt. In den Einschaltpausen wird der gleichstromseitige Freilauf durch Nichtlöschen
jeweils eines der beiden an der Stromführung beteiligten Ventilzweiges und Zünden des ihm in Reihe geschalteten
Ventilzweiges sichergestellt.
In der Figur 2c ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung \x an den Gleichspannungsklemmen des Stromric-hters,
der Mittelwert U, der Gleichspannung und die am Sperrkreis anliegende, mit doppelter Netzfrequenz um
den Mittelwert U, der Spannung schwankende Spannung u«
dargestellt.
Es ist zu erkennen, daß die geforderte, in diesem Falle sinusförmige, Stromkurve auf der Wechselstromseite erreicht
wird. Eventuell verbleibende Oberschwingungen werden durch die wechselstromseitig unvermeidlichen ;
Induktivitäten bestimmt.
Anhand der Figuren 1 und 2 ist zu erkennen, daß es sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
im wesentlichen um drei verschiedene Schaltzustände des Stromrichters handelt:
1. Stromfluß über die gezündeten Ventilzweige 1 und I1
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2. Stromfluß über die gezündeten Ventilzweige 2 und 2'
3. Freilauf über die Ventilzweige 1' und 2 bzw. 1 und 21
nach vorangegangener Löschung des entsprechenden Ventilzweiges.
Daraus folgt, daß bei einer einphasigen Brückenschaltung z.B. die Ventilzweige 1 und 2 oder lr und 2' löschbar
und die jeweils anderen beiden Ventilzweige nur steuerbar ausgeführt werden, so daß sich für diesen speziellen
Fall eine symmetrische, halbgelöschte Stromrichter-Brückenschaltung ergibt. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geforderten drei verschiedenen Schaltzustände lassen sich analog zum vorgenannten Beispiel
durch verschiedenartige Schaltungskombinationen löschbarer, gesteuerter und ungesteuerter Ventilzweige realisieren.
Die am Beispiel einer einphasigen Brückenschaltung geschilderten
Verhältnisse sind ohne weiteres auf ein Mehrphasensystem übertragbar, wobei der zur Aussiebung
der mit doppelter Netzfrequenz schwingenden Spannung auf der Gleichstromseite erforderliche Sperrkreis entfällt.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in den spannungs- und frequenzverän-
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derlichen Speisung von Synchron- oder Asynchronmaschinen
über Stromrichter aus einem Drehstromnetz mit konstanter
Spannung und Frequenz. Ein derartiges Antriebskonzept ist in der Figur 3 dargestellt.
Ein mit einem Drehstromnetz 10 konstanter Spannung und Frequenz verbundener steuerbarer Stromrichter 11 speist
einen Gleichstromzwischenkreis 12 mit variabler Zwischen— kreisspannung U . Ein in Drehstrom-Brückenschaltung
geschalteter, Steuer, und löschbarer Stromrichter 13 ist einerseits mit dem Gleichstromzwischenkreis 12 und
andererseits über Stützkondensatoren 14 mit einer Asynchron- oder Synchronmaschine 15 verbunden. Entsprechend
den voranstehenden Ausführungen gibt der Steuer— und löschbare Stromrichter 13 eine variable Spannung und
Frequenz ab, wobei die Stromkurvenform durch die Variation des Einschaltverhältnisses der Ventilzweige des Stromrichters
13 beliebig vorgebbar ist. Mit Hilfe eines derartigen Antriebskonzeptes läßt sich mit einfachen
Mitteln jeder gewünschte Drehmomenten-Drehzahlverlauf realisieren.
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Claims (1)
- Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1Ninnemann/se B I 74/29Patentansprüche{ 1. Verfahren zum Betrieb eines ein Gleichstromnetz veränderlicher Spannung und ein Wechsel— oder Drehstromnetz konstanter oder veränderlicher Spannung verbindenden, wechsel· stromseitig kommutierenden Stromrichters mit löschbaren Ventilzweigen,
dadurch gekennzeichnet,daß die löschbaren Ventilzweige durch mehrfaches Eiri- und Ausschalten während einer Periode des Wechsel- oder Dreh-Stromnetzes im Pulsbetrieb arbeiten.2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die löschbaren Ventilzweige derart ein- und ausgeschaltet werden, daß der Stromverlauf durch die löschbaren Ventilzweige auf der Wechsel— bzw. Drehstromseite einen gewünschten, vorzugsweise sinusförmigen, Strom— verlauf hervorruft.609819/0195- I - B I 74/293. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 und 2,dadurch gekennzeichnet,daß die löschbaren Ventilzweige in einphasiger- bzw. Drehstrom-Brückenschaltung und auf der Wechsel- bzw. Drehstromseite Stützkondensatoren angeordnet sind.4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,daß ein Teil der in einphasiger-bzw. Drehstrom-Brückenschaltung geschalteten Ventilzweige löschbar und ein Teil nur steuerbar ausgeführt ist.6098 19/0195•4.Le e rs e it e
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742451960 DE2451960A1 (de) | 1974-10-29 | 1974-10-29 | Wechselstromseitig zwangskommutierter stromrichter |
SE7511566A SE7511566L (sv) | 1974-10-29 | 1975-10-15 | Vexelstromssidigt tvangskommuterad stromriktare |
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DE2451960A1 true DE2451960A1 (de) | 1976-05-06 |
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FR (1) | FR2290084A1 (de) |
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- 1974-10-29 DE DE19742451960 patent/DE2451960A1/de active Pending
-
1975
- 1975-10-15 SE SE7511566A patent/SE7511566L/xx unknown
- 1975-10-28 FR FR7532959A patent/FR2290084A1/fr active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR2290084B1 (de) | 1978-06-23 |
SE7511566L (sv) | 1976-04-30 |
FR2290084A1 (fr) | 1976-05-28 |
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