DE2510357B2

DE2510357B2 - Umrichter mit gleichspannungszwischenkreis

Info

Publication number: DE2510357B2
Application number: DE19752510357
Authority: DE
Inventors: Hans-Hermann Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Zander
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-10
Filing date: 1975-03-10
Publication date: 1977-05-26
Also published as: FR2304207A1; JPS51114631A; SE419594B; SE7601190L; FR2304207B1; US4056766A; DE2510357A1; ATA939975A; DK83676A; GB1541696A; AT346979B; DK142008B; IN145157B; DK142008C; CH593584A5; JPS5736827B2

Description

nip PrfinHung hetrifft einen Umrichter mit Gleichtpannungszwischenkreis, einem gesteuerten Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, zu der Freilaufdioden in Brücken-Khaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mit einem Löschthyrisior und einem Kommutierungskondensator parallel gekhaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungsstromkreisen Kommutierungsdt osseln angeordnet sind.

Solche Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung sind aus dem Buch von M. Meyer, »Sslbstgeführte Thyristor-Stromrichter« Siemens AG 1974, 3. Aufl, S. 162 bis 168, und aus der DT-PS 12 46 861 bekannt Sie werden wegen ihres einfachen Konzeptes vielfach angewendet, beispielsweise zur Speisung von Brehstrommaschinen. Bei diesen Umrichtern wird der

ίο Kommutierungskondensator zur Deckung der Kommutierungsverluste nach jeder erzwungenen Kommutierung mit der vom Laststrom her in der Kommutierungsinduktivität gespeicherten Energie und aus der Energie des Zwischenkreises nachgeladen, damit bleibt die Kommutierfähigkeit bei kleiner Zwischenkreisspannung sichergestellt Bei großen Lastströmen, insbesondere bei Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung zu einem großen Anstieg der Spannung am Kommutierungskondensator, d. h. der Kommutierungsspannung und damit zu einer unzulässigen Beanspruchung der Thyristoren, Dioden und Kondensatoren führen. Diese Gefahr besteht besonders bei hohen Leistungen, beispielsweise bei Leistungen von 100 kVA und mehr.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unzulässig hohe Kommutierungsspannungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß wenigstens ein Dämpfungskondensator vorgesehen ist der zu einem Brückenzweig parallel geschaltet ist

Beim erfindungsgemäßen Umrichter wird bei jeder Kommutierung die Zeit in der eine lasistroniabhängige Nachladung des Kommutierungskondensators erfolgt, um eine Zeitspanne verkleinert in der sich die am Kommutierungskondensator beteiligten Dämpfungskondensatoren ent und umladen. Dadurch wird beieits das Entstehen einer Überhöhung der Kommuiierungsspannung nahezu verlustlos verhindert Dies geschieht völlig unabhängig von der Umrichterfrequenz. Die Dämpfungswirkung bei null Volt Zwischenkreisspannung ist gleich Null und nimmt mit steigender Zwischenkreisspannur·.- zu. Damit bleibt die durch die laststromabhängige Nachladung bedingte Kommutierfähigkeit voll erhalten.

Die Größe der für alle Dämpfungskonden3atoren vorzugsweise gleich großen Kapazitäten der Dämpfiingskondensaioreii und damit die DSiwirkung ist nur durch bei leerlaufendem Umrichter auftretende Kreisströme begrenzt Vorzugsweise können die Dämpfungskondensatoren abschaltbar sein, oder es kann mit dem Ausgang des Wechselrichters eine induktive Grundlast verbunden sein. Diese induktive Grundlast bewirkt einen induktiven Grundlasistrcin, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert Vorteilhaft ist es, als induktive Grundlast in jede Ausgangsleitung des Umrichters eine Drossel mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen zu schalten, wobei eine Wicklung jtder Drossel mit dem Wechselrichterausgang, der Verbindungspunkt der beiden Wicklungen jeder Drossel mü der Last und die anders Wicklung

aller Drosseln miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform wird der Grundlaststrom mit steigendem Laststrom geringer und bei entsprechender Auslegung bei Nennstrom zu Null. Im Nennbetrieb

fw irden daher die Konmutierungseinrichtung und die Hauptthyristoren vom Grundlaststrom nicht meh. belastet

! Im folgenden wird der erfindungsgemöße Umrichter

beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 9 näher erläutert In

r den Figuren sind einige Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen Umrichters dargestellt Dabei sind

gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt eine Drehstrommmaschine 1, die eine Drehstromsynchronmaschine oder -asynchronmaschine sein kanu und die aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, Tüber einen fremdgesteuerten, netzgeführten Gleichrichter 2, einen Gleichspannungszwischenkreis 3 mit Glättungsdrosseln 4 und Zwischenkreiskondensator 5 und einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter 6 gespeist wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 2 &i . chs steuerbaren Thyristoren 2a bis 2/in Urtnstrci jrückenschaltung aufgebaut Der Wechselrichter 6 besteht aus Hauptthyristoren 7a bis 7/ in Dre^'fombrückenschaltung 7 und Freilaufbzw. Rüc-festr-, ...sfkKien Ss bis S/in Drehstrombrückenschaltui'g ... woDei die beiden Brückenschaltungen 7 und 8 antiparsiiei zueinander geschaltet sind, so daß zu jedem Hauptthyrisior 7a bis 7/ eine Diode 8a bis 8/ antiparallel liegt

Der Wechselrichter ist mit einer Zwangskommutierungseinrichtung 9 für die Hauptthyristoren 7a bis Tf versehen, in der jedem Hauptthyristor 7a bis 7/ ein Löschkreis bestehend aus der Reihenschalturj von einem der Löschthyristoren 10a bis 10/ und einem der Kommuticrungskondensatoren Ha bis iic parallel geschaltet ist. Dabei ist jeweils ein gemeinsamer Kommutierungskondensator Ua bis lic für jeweils zwei Erückenzweige mit den Hauptthyristoren 7a und Td bis 7c und Tf vorgesehen, die einen gemeinsamen Hauptanschluß 14a bis 14c besitzen. Solche Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß 14a bis 14c werden auch als Brückenstrang bezeichnet Im Kommutierungsstromkreis liegen außerdem noch Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/und Begrenzungsdrosseln 13a bis 13i Im Ausführungsbeispiel sind die Begrenzungsdrosseln zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7/und die zugehörigen Löschthyristoren 10a bis 10/ und die Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/ zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7/ und die zugehörigen Freilaufdioden 8a bis 8/ geschaltet. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Kommutierungsdrossein i2a bis 12/unterteilt und jedem Hauptthyristor Ta bis 7/ist eine der Kommutierungsdrosseln i2a bis 12/gesondert zugeordnet. Diese Anordnung der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/ bewirkt eine Entkopplung der K-omnutierungsstrcmkreise, mit der die zulässige Spei rspannung der verwendeten Thyristoren besser ausgenutzt werden kann. Für die Wirkung des erfindungsgemäßen Umrichters ist die sptzielle Anordnung der Kommutierungs- und der Begrenzu.igsdrossem nach Fig.'· unwesentlich, K.O5!«n»»*«enines- und Begrenzungsdrosseln können auch an anderen Stellen der Kommutierungsstromkreise angeordnet se:n.

Es wurde bereits erwähnt daß die stromabhängig" Nachladung der Kommutierungskondensatoren Ua bis ilcbei der Zwangskpmmutierung zu einem unzulässig hohen Anstieg der Kommutierungsspannung bei Überlastung führen kann. Um einen solchen unzulässig hohen Anstieg der Kommutierungsspannung von vornherein zu verhindern, sind Dämpfungskondensatoren vorgesehen, wobei im Ausführungsbeispiel nach Fig.! jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 je einer der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/parallel geschaltet ist und alle Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/ gleich große Kapazität besitzen. Das Verhältnis der Kapazitäten der Kommutierungskondensatoren zu denen der Dämpfungskondensatoren beträgt ungefähr 5:1, und die Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren verhalten sich zur Kapazität das Zwischenkreiskondensators 5 ungefähr wie 1 :1000.

ίο Bei der beschriebenen Einrichtung wird durch Steuerung des Gleichrichters 2 die Zwischenkreisspannung im Gleichspannungszwischenkreis 3 und damit die Größe der Spannung gesteuert die der Drehstrommaschine 1 zugeführt wird. Die Frequenz der Maschinenspannung wird durch die Taktfrequenz der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 und die Drehrichtung der Drehstrommaschine durch die Reihenfolge der Stromführung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 bestimmt. Dabei werden zur Steuerung der Thyristoren

ίο des Gleichrichters 2 an sich bekannte Steuersätze benutzt. Der Wechselrichter 6 und die Löschthyristoren 10a bis 10/ werden mit einem Steuersatz angesteuert, der einen Impulsgeber mii nachgeschaltetem Ringzähler enthält. D^;e Steuersätze und die Steuerleitungen zu den Zündelekfcvien der Thyristoren wurden in den Figuren nicht dargestellt, um die Übersichtlichke t zu wahren.

Zur Inbetriebnahme dei Anordnung sind die Kommutierungskondensatoren 11a bis lic auf die zur Kommutierung des Anlaßstromes notwendige Spannung aufzuladen. Zur Aufladung kön :n die Hauptthyristoren 7a bis 7/und die entsprechenden Löschthyristoren 10a bis 10/gezündet werden, oder es kann für jeden Kommuiierungskc ndensator eine übliche Ladeeinrichtung vorgesehen sein, die in der F i g. 1 nicht dargestellt ist und beispielsweise eine Reihenschaltung eines Ladewiderstandes mit einem Schalter enthält, über die der zugehörige Kommutierungskondensator mit einer Gleichspannungsquelle zu verbinden ist. Nach Beendigung der Aufladung werden die Schalter wieder geöffnet. Falls genügend große Widerstände, beispielsweise 10OkQ und mehr vorgesehen sind, können die Schalter entfallen.
Für die Beschreibung der Zwangskommutierung wird die Fig.2 herangezogen, in deren Diagrammen der Strom ic im Kommutierungsstromkreis, der Laststrom ib, den der zwangszulCschende Thyristor führt, und die Köndensatorsp^nnung U_c über der Zeit t aufgetragen sind. Dabei sind mit der gestrichelt eingezeichneten Kurvenzügen 16 und 17 die Beim Kommutierungsvorgang des bekannten Umrichters auftretenden Ströme und Spannungen und mit den ausgezogenen Kurvenzügen der Zustand gezeigt, der sich bei einer mit DärnpfungskcndcüsatGren 15 ausgerüsteten Einrichtung einstellt. Es wird vorausgesetzt, daß die Kommutierungskondensatoren Ha bis Hc mit der gezeigten Polarität und der Spannung ίΛο aufgeladen sind, daß die Hauptthyristoren 7a, Tb und 7/ Strom führen und daß der Laststrom vost» Haupnnyrisior 7a auf den Hauptthyristor Td kommutiert werden soll. Bei der· angegebenen Ladung der Kommutierungskondensatoren Wa bis lic können die Haufytthyristoren 7a und Tb der iinken Brückenhälfte und der Hauptthyristor 7/der rechten Brückenhälfte zwangskommutiert werderiiZur

Löschung des slromf^hrsntfeii-'-H^ptthyristqrsHii.ä^wiiiä' im Zeitpunkt t\ das zugehörige Loschventil JÖä gezündet. Der Entiadestrom des Kommutierungskondensators Ha fließt nun über den Löschthyristor 10a, die

Begrenzungsdrossel 13a und den Hauptthyristor 7a und baut den Laststrom im Hauptthyristor 7a ab. Erreicht der Entladestrom den Laststrom im Hauptthyristor 7a, so erlischt im Zeitpunkt fe der Hauptthyristor 7a, und der an der Kommutierungsdrossel 12a abfallende Teil s der Spannung U_c\ des Kommutierungskondensators Wa liegt als negative Sperrspannung am Hauptthyristor 7a. Der Laststrom fließt über den Kommutierungskondensator Ha, den Löschthyristor 10a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Kommutierungsdrossel 12a weiter. Der |₀ Kommutierungskondensator Ha lädt sich nun über den kommutierungsstromkreis, d.h. über die Kommutierungsdrossel 12a, die Begrenzungsdrossel 13a und-die Freilaufdiode 8a um. In diesem Schwingkreis steigt der Umschwingstrom i_c des Kömmutierungskondensators lla sinusförmig'auf seinen Maximalwert an* den er im ' Nulldurchgang der Kondensatorspannung U_c erreicht Anschließend nimmt der jeiz» durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a getriebene Umschwingstrom wieder ab. Sobald der Umschwingstrom die Größe des Laststroms /0 im Zeitpunkt h erreicht hai. wird der Strom durch die Freilaufdiode 8a zu Null, und der Laststrom geginnt auf die Freilaufdiode Sd zu kommutieren, die nun leitend wird. Das bedeutet, daß das Potential des Hauptan-Schlusses 14a von minus nach plus wechselt In diesem Zeitpunkt beginnt ein weiterer Schwingungsvorgang unter Einbeziehung der Zwischenkreisspannung U₁ und mit der Spannung U_a am Kommutierungskondensator 11a und dem Stromwert /b im Umschwingkreis als Anfangsbedingung. Es fließt daher während der Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd ein ebenfalls von der Kommutierungsdrossel 12a und der Begr nzungsdrossel 13a getriebener Strom, der einen zeitlichen Verlauf entsprechend der gestrichelten Kurve 16 der Fig.2 besitzt und zu einem Spannungsverlauf am Kommutierungskondensator Wa entsprechend der gestrichelten Kurve 17 führt Die Spannung am Kommutierungskondensator steigt daher von Ua auf U'ca entsprechend der Stromzeitfläche

■_cdt

die Freilaufdiode Sd, die Kommutierungsdrossel 124 die stromführenden Hauptthyristoren und die Wicklungen der Drehstrommaschine 1. Nun wird der Hauptthyristor Tdgezündet, Übernimmt den Strom, und die Kommutierung ist beendet

Um zu vermeiden, daß die stromabhängige Nachladung bei großem Laststrom, insbesondere bei Überlastung des Umrichters, zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führt, sind beim erfindungsgemäßen Umrichter die Dämpfungskondensatoren vorgesehen, die gleich große Kapazität besitzen und von denen beim Ausführungsbeispiel nach Fi g. 1 je ein Dämpfungskondensator 15a bis 15/parailel zu jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 geschaltet ist. Während des Umschwingens im Kbmmutierungsstromkreis, dih, bei leitender Freilaufdiode 8a besitzt den Hauptanschluß 14a das Potential - Uz. Daraus folgt, daß die Spannung am Dämpfungskondensator 15a null Volt und am Kondensator \Sd -U₂ Volt beträgt, wenn der Umschwingstrom i_c im Zeitpunkt h wieder die Größe des Laststromes /n erreicht Dabei besitzt der Dämpfungskondensator 15</ die angegebene Polarität fm Zeitpunkt h wird die Freilaufdiode 8a stromlos. Das Potential des Hauptanschlusses 14a kann aber wegen der Spannung am Dämpfungskondensator \5d sein Potential nicht von minus nach plus wechseln, bis die Dämpfungskondensatoren 15a und 15c/umgeladen sind. Die Ladung des Dämpfungskondensators 15a und die Entladung des Dämpfungskondensators 15-/und damit der Potentialwechsel erfolgt mit begrenzter Geschwindigkeit und ist im Zeitpunkt U beendet Nun wird die Freilaufdiode Sd leitend, und die Kommutierung auf diese Freilaufdiode beginnt In der Zeitspanne i₃ bis U ist jedoch der Umschwingstrom /<■ von /₀ auf /_ri abgeklungen, und die Kommutierungsspannung hat sich geringfügig von Ua auf U_a erhöht Der zweite Schwingungsvorgang, der während der Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd wie bei dem bekannten Umrichter einsetzt und damit die stromabJiängige Nachladung einleitet, erfolgt daher unter geänderten Bedingungen. Für diesen zweiten Schwingungsvorgang gelten die Anfangsbedingungen /*<*, und U&> U_a. Damit wird die Stromzeiifläche, d. h.

45

an, wobei t₃ der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist, was einer stromabhängigen Nachladung des Kömmutierungskondensators Wa durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossei 13a entspricht Im stationären Fall gilt U'<* = ίΛο. Mit dieser stromabhängigen Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11 wird der Umrichterbetrieb bei kleinen Zwischenkrsisspannungen U_z und damit auch bei kleinen Frequenzen sichergestellt Allerdings wird bei großen Lastströmen die Kommutierungsspannung größer als bei kleinen Lastströmen. Bei einer Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung somit zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führen, wie bereits erwähnt wurde. Ist die Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd beendet so erlischt der Löschthyristör 10a, und der Kommutierungskondensator Ha besitzt die richtige Polarität und Spannung zur Zwangslöschung des Hauptthyristors Td, wobei die Polarität umgekehrt zu der in F i g. 1 gezeigten ist Durch die Kommutierung des Laststromes auf die Freilaufdiode Sd, die unter der Wirkung der Induktivität der Wicklungen der Drehstrommaschine 1 erfolgt wird ein Freilaufkreis geschlossen, und der Strom fließt über kleiner als beim bekannten Umrichter ohne Dämpfungsschaltung, was gleichbedeutend mit einer Absenkung der Kommutierungsspannung auf i/_ri ist, wobei i/rt<i/rf gilt und <4 wieder der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist Der Unterschied in den Stromzeitflächen beim Umrichter mit Dämpfungsschaltung und beim bekannten Umrichter ist aus den gestrichelten Kurven 16 und 17 und den ausgezogenen Kurven der F i g. 2 direkt ersichtlich.

Mit den Dämpfungskondensatoren, die verhindern, daß der Laststrom unmittelbar von der Freilaufdiode 8a auf die Freilaufdiode Sd kommutieren kann, wird das Entstehen einer Überspannung an den Kommutierungskondensatoren unmittelbar verhindert Dabei bleibt wie ohne weiteres einzusehen ist, die Dämpfungsschaltung bei null Volt Zwischenkreisspannung ohne Wirkung, da der Strom ungehindert auf die Freilaufdiode Sd kommutieren kann. Diese Kommutierung wird um so mehr verzögert und damit die Nachladungszeit und die Kommutierungsspannung relativ verringert je höher

die Zv/ischenkreisspannung ist, da dann die Umladung der Dämpfungskondensatoren länger dauert, die am Kommutierungsyorgang beteiligt sind. Damit erhält man eine mit steigender Zwischenkreisspannung verringerte Stromabhängigkeit der Kommutierungsspannung. Mit diesem Verhalten ist eine nahezu verlustlose, von der Umrichterfrequenz völligjünabhängige.Ärbeitswel· sn der Kommutierungseinrichtung und;der,Dämpfungseinrichtüng gegeben. Anzuführen ist außerdem noch, :äaß bei FfemdaUfladung _;der kommutierungskondensatoren die Zwischenkreisspannung nicht durch die Hilfsspannung erhöht wird.

FÜridie Kennlinien Ua^f(Uz, k) erhält man bei dem bekannten Umrichter ohne Dämpfungsschaltungnäherungsweise die Beziehung'

U, „ = U. 4 /„ - Z',

wobei der Stromabhängigkeitsfaktor Z ein modifizierter Wellenwiderstand des Umschwingkreises ist. Für den erfindungsgemäßen Umrichter mit Dämpfungsschaltung ergibt sich näherungsweise:

₁₁, * V,

wobei der Faktor Zo bei gegebener Dämpfungseinrichtung von der Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren abhängt, die am Kommutierungsvorgang beteiligt sind. Die Kennlinien gemäß den Beziehungen (1) bzw. (2) und (3) zeigt Fig.3 bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen Uzt bis Uz* als Parameter. Dabei sind wieder als gestrichelte Kurven die Kennlinien des bekannten Umrichters gemäß der Beziehung (1) und mit ausgezogenen Kurven die Kennlinien des erfindungsgemäßen Umrichters gemäß den Beziehungen (2) und (3) angegeben. Für die Winkel α und β gilt dabei tana=Z' und tan ß=Zc Den Kennlinien ist zu entnehmen, daß für den Umrichter mit Dämpfungsschaltung bei einer vorgegebenen Zwischenkreisspannung Uj und bei vorgegebener maximal zulässiger Kommutierungsspannung Uas,_ai wesentlich höhere Oberlastströme /(,„zulässig sind.

F i g. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Anstelle der sechs Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur drei Dämpfungskondensatoren 15'abis 15'c vorgesehen, wobei ieweils einer der Dlmpfurtgskondensatoren tS's bis 15'c einem Brückenzweig eines Brückenstranges des Wechselrichters 6 parallel geschaltet ist Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich diese Schaltung in der Wirkungsweise vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nicht unterscheidet Um jedoch die gleiche Dämpfung wie beim Ausführungsbeispiel nach Fi g. 1 zu erhalten, muß die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15'a bis 15'c doppelt so groß sein, wie die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/"des Ausführungsbeispiels nach F i g. I.

Die Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels ist in Fig.5 dargestellt Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Zwischenkreiskondensatoren 5a und 5b angeordnet, und es ist wiederum nur ein Dämpfungskondensator 15'a bis il5'c für jeden Brückenstrang vorgesehen, wobei jeder Dämpfungskondensator zwischen den Hauptanschluß 14a bis 14c des zugehörigen Brückenstrangs und die Mittelanzapfung 5c der Zwischenkreiskondensatoren geschaltet ist. Auch diesn Schaltung unterscheidet sich in der.Wirkungsweise nicht von derjenigen nach-,Fig. 1. Im Gegensatz zu den Schaltungsbeispielen nach Fig. 1 und ;F ig, 4, bei denen die Dämpfungskondensatoren der, maximalen Spannungsbeanspruchung von + Uz ausgesetzt sind, müssen "die Dämpfungskondensatoren 15'abis 15'c des Ausführungsbeispiels nach Fig.5 nur die Spannung,±Uz/2 aufnehmen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, Fig.4 und F i g. 5 ist die Größe der Dämpfungskondensatoren und damit die Dämpfungswirkung nur durch die bei leerlaufendem Umrichter auftretenden Kreisströme begrenzt Die Entstehung dieser Kreisströme sei anhand der in Verbindung mit Fig.4 gegebenen Erläuterung des Kommutierungsvorgangs und der F i g. 6 beschrieben, wobei ein leerlaufender Umrichter angenommen wird; d. h„ es wird angenommen, daß kein Laststrom fließt Ohne Laststrom kann dann der Dämpfungskondensator 15a nach Umschwingen des Kommutierungskondensators Ua nicht aufgeladen werden. W<rd nun im Zeitpunkt k der Hauptthyristor 7dgezündet, so setzt ein

jo Schwingungsvorgang über die Kommutierungsdrossel 12c/, den Hauptthyristor 7</und den Dämpfungskondensator 15a ein. Der dabei über den Dämpfungskondensator 15a fließende Strom ia der über den Hauptthyristor Td fließende Strom /V und der über die Freilaufdiode 8c/ fließende Strom If sind in Fig.6 über der Zeit t aufgetragen. Erreicht die Spannung am Dämpfungskondensator 15a im Zeitpunkt 4 null Volt, so kommutiert der in der Kommutierungsdrossel 12c/ fließende Strom der Größe 4 auf die Freilaufdiode Sd. Anschließend

₄c klingt der Kreisstrom ab. Für den Fall, daß der Kreisstrom innerhalb der Zündperiode des stromführenden Hauptthyristors abgeklungen ist, beträgt die Verlustenergie

P=

worin Ci 5 die Kapazität des beteiligten Dämpfungskondensators und ftimr die Umrichterfrequenz ist. Diese Verluste und damit die Grenze für die Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren können dadurch vermieden werden, daß man die Dämpfungskondensatoren bei Unterschreiten eines Mindestlaststromes abschaltet oder daß man den Umrichterausgang mit einer induktiven Grundlast beaufschlagt
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dämpf-T.gskondensatoren abschaltbar sind, zeigt F i g. 7. Als Schalter sind im Ausführungsbeispiel Thyristoren eingesetzt Es können auch mechanische Schalter benutzt werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es sind lediglich die Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/Ober jeweils einen Thyristor 18a bis 18cmitdem Hauptanschluß 14a bis 14c des zugehörigen Brückenstranges verbunden. Jedem der Thyristoren 18a bis 18c ist eine Diode 19a bis 19c antiparallel geschaltet Mit den Thyristoren 18a bis 18c

ί,ί werden die Dämpfungskondensatoren beim Unterschreiten eines Mindestlaststromes abgeschaltet, um das Entstehen von Kreisströmen und die damit verbundenen Verluste zu vermeiden.

709 52t/273

= ΪΛ-

U_n

getrieben wird. Für	*U_P >*	Ii	*'U₀*
	«1
(F i g. 9a) ist /^induktiv, für
rj	Ii "l
*(F i g. ?b) ist ig=* O und für**
*Up<*	«2 «1

ro

15'-

Fig.8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer !induktiven Grundlast 20, mit der der Umrichterausgang 21 beaufschlagt ist. Diese induktive Crundlast 20 bewirkt einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren ISa bis 15/ zwischen Umschwingvorgang und Zündung des nächsten Hauptthyristors im Wechselrichter 6 umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Der Umrichter und die Anordnung der Dämpfüngskondensatoren 15a bis 15/ entspricht dem Ausfuhrungsbeispiel nach F i g. 1. Als Grundlast 20 ist zwischen den Umrichterausgang 21 und die Drehstrommaschine 1 in jede Phase des 'Jmrichterausgangs eine Drossel 20a bis 20c geschaltet. Jede der Drosseln 20a bis 20c besitzt zwei magnetisch gekoppelte - Wicklungen 22a und 226, wobei die "'Windungszahl jeder Wicklung 22a nt und die Windungszahl jeder Wicklung 22b m beträgt und /J₂ > n, ist. Durch die Punkte an den Wicklungen 22a und 22b sind die Wicklungsanfänge bezeichnet. Bei jeder Drossel 20a bis 20c ist der Wicklungsanfang der Wicklung 22a mit dem Umrichterausgang 21 und der Verbindungspunkt 23a bis 23c des Wicklungsendes der Wicklung 22a und des Wicklungsanfangs der Wicklung 226 mit der Drehstrommaschine S verbunden. Die Wicklungen 22a aller Drosseln 20a bis 20c sind also vom Laststrom durchflossen. Die Wicklungsenden aller Wicklungen 226 der Drosseln 20a bis 20c sind im Verbindungspunkt 24 miteinander verknüpft. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 ist die Grundlast 20 durch eine Drehstromdrossel realisiert, deren Schenkel je mit den zwei Wicklungen 22a und 22b bewickelt sind, und der Verbindungspunkt 24 liegt an der Sternspannung des Umrichterausgangs.

Zur Erklärung der Wirkungsweise der Grundlast 20 ist in Fig.8a die Drossel 20a mit den auftretenden Spannungen und Strömen im Detail dargestellt Bei laufendem Umrichter fließt nur der Grundlaststrom i_g. Wird ein Laststrom k eingeprägt, der durch die Umrichterlast gegeben ist, so verursacht dieser Laststrom den Spannungsabfall U₀ in der Wicklung 22a. In der Wicklung 226 wird damit eine Spannung -^- · U₀ induziert. Bei induktivem Laststrom ist die Spannung -^- · i/o der Umrichier-Sternnpannung Uk entgegengerichtet, so daß ein Grundlaststrom i_g von der resultierenden Spannung

(F i g. 9c) wird /^kapazitiv.

50

55

60 Diese Darstellung ist stark vereinfacht, gilt jedoch, wenn h>i_g ist, was man für den Anwendungsfall annehmen kann (/,»0,1 i₀). In den Fig.9a bis 9c sind unter der Annahme sinusförmiger Spannungen und Ströme die drei obengenannten Fälle als Zeigerdiagrammedargestellt.

Wie bereits erwähnt, bewirkt die Drosselanordnung einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Wesentlich ist dabei, daß der Grundlaststrom mit steigendem Umrichter-Laststrom kleiner und mit einer entsprechenden Auslegung der Drosseln 20a bis 20c bei Nennstrom zu Null gemacht werden kann, im Nennbetrieb belastet daher Grundlast 20 die Kommutierungseinrichtung und die Hauptthyristoren nicht mehr. Dies gilt für den Fall, daß der Umr.chterstrom induktiv ist. was in einem Großteil der Anwendungsfälle zutrifft. Mit größer werdendem Wirkanteil des Laststromes bleibt ein immer größerer Anteil des induktiven Grundlaststromes erhalten, so daß im Extremfall bei rein ohmscher Umrichterbelastung der Grundlast«;'ronr. die Dämpfungskondensatoren umladen kann. Zu oetonen ist noch, daß durch die induktive Grundlast die Betriebssicherheit des Umrichters in keiner Weise eingeschränkt wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter vermieden wird, daß eine Überhöhung der Spannung am Kommutierungs kondensator entsteht. Dabei ist wesentlich, daß die uampfungswirkung bei kleinen Zwischenkreisspannungen klein ist und mit steigender Zwischenkreisspannung zunimmt Damit bleibt noch so viel Stromabhängigkeit der Nachladung erhalten, daß die nötige Kommutierfähigkeit gewahrt bleibt Damit ist eine von der Umrichterfrequenz völlig una¹ nängige Arbeitsweise erreicht. Beim bekannten Umr hter geht die Höhe der Komrnutierspannung sehr sta^ in die Umrichterverluste ein. Die Verluste in der Kommutierungseinrichtung betragen 80 bis 90% der GcsamtverJuste. Mit steigender frequenz steigen auch diese Verluste. Beim erfindungsgemauen Umrichter arbeitet die Dämpfungsschaltung nahezu verlustlos. Sie verringert durch Absenkung der nur zu einem kleinen Teil nutzbaren hohen Kommutierspannungen bei hohen Zwischenkreisspannungen die Belastung der Kommutierungseinnchtung spürbar. Dadurch wird auch der Gesam» wirkungsgrad des Umrichters erheblich verbessert. Verluste, die durch Kreisstrome bei leerlaufendem Umrichter auftreten, können durch Abschalten der Dampfungsschaltung bei kleinen Zwischenkreisspannungen oder vorzugsweise durch e.ne .nduktive Grundlast praktisch völlig vermieden werden.

Abschließend ist noch anzuführen, daß die angegebene Dampfungsschaltung sich auch zur Nachrüstung Anf T ^Umnchter eignet, weil der konstruktive Aufwand unerheblich ist. Eine Erhöhung der Leistungsausbeute ist damit gegeben

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Umrichter mit Gleichspannungszwischenkr* · einem gesteuerten Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenscnaltung, zu der Freilaufdioden in Brückenschaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mii einem Löschthyristor und einem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungsstromkreisen Kommutierungsdrosseln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß (14a bis Hc) wenigstens ein Dämpfungskondensator (15a bis 15/ bzw. 15'a bis \5'c) vorgesehen ist, der 7U einem Brückenzweig parallel geschaltet ist

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Brückenzweig ein Dämpfungskondensator (15a bis 15/? parallel geschaltet ist (Fig. 1,7,8).

X Umrichter nach Anspruch 1, daHurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenzweige t gemeinsamem Hauptanschluß (14a bis 14ς> je ein Dämpfungskondensator (15'a bis iS'c) zugeordnet ist, der zwischen den Hauptanschluß (14a bis Mc) und einer Mittelanzapfung (5c) des Zwischenkreiskondensators (5a und 5O^geschaltet ist (F i g. 5).

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aller Dämpfungskondensatoren wenigstens angenähert "leich groß ist

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den Hauptanschluß (14a bis i4c) zweier Brückenzweige und zugehörige D„mnfungskondensatoren (15a bis 15/?ein Schalter (18a Lis 18ς)geschaltet ist (F i g. 7).

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (21) des Umrichters mit einer induktiven Grundlast (20) verbunden ist (F i g. 8).

7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Ausgangsleitung (21) eine Drossel (20a bis 2OcJ mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen (222,22b)geschaltet ist und daß eine Wicklung (22a; jeder Drossel mit dem Wechseirichterausgang (21), der Verbindungspunkt (23a) der beiden Wicklungen (22a, 22b) jeder Drossel mit der Last (Drehstrommaschine 1) und die anderen Wicklungen (22b) aller Drosseln miteinander verbunden sind (F i g. 8).