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Betriebsverfahren für eine Stromrichteranordnung (Priorität: Japan,
13.11.1974, Sho 49-130589) Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung
mit wenigstens zwei Stromrichtern, insbesondere Direktumrichtern, die zur Bildung
einer zusammengesetzten Ausgangsspannung ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind.
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Bei einer derartigen Stromrichteranordnung soll die zusammengesetzte
Ausgangsspannung veränderbar sein.
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hls Direktumrichter wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einem
speisenden Wechsel- oder Drehspannungsnetz mit fest vorgegebener Frequenz ohne eine
Zwischenkreis-Gleichspannung eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung mit einstellbarer
Frequenz erzeugt, die im allgemeinen kleiner ist als die Frequenz des speisenden
Wechsel- oder Drehspannungsnetzes. Ein Direktumrichter besteht im wesentlichen aus
einer Gruppe von elektrischen Ventilen für die positiven und einer weiteren Gruppe
von elektrischen Ventilen für die negativen Halbwellen seiner Ausgangsspannung.
Als elektrische Ventile werden beispielsweise Thyristoren verwendet. Die Frequenz
und die Phasenlage der Ausgangsspannung in Bezug auf die Eingangsspannung kann bei
einem Direktumrichter durch den Zündwinkel der Zündimpulse bestimmt werden, mit
denen die elektrischen Ventile der beiden Ventilgruppen alternierend angesteuert
werden.
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Eine Änderung der Wellenform, bzw. der Phasenlage und der Amplitude
der Ausgangsspannung eines Direktumrichters in Bezug auf seine Eingangsspannung
ist in weder Halbwelle seiner Ausgangsspannung durch eine Zündwinkelverschiebung
für die elektrischen Ventile einer Ventilgruppe möglich. Ein vorverlegter oder
ein
verzögerter Zündzeitpunkt in Bezug auf die Eingangsspannung verursacht jedoch unerwünschte
Rückwirkungen auf das speisende Netz durch Oberwellen und Blindleistung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,bei einer Stromrichteranordnung
der eingangs genannten Art eine wenigstens annähernd gleichbleibende geringe Netzrückwirkung
bei einer Veränderung der Ausgangsspannung zu ermöglichen, Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Amplitude der zusammengesetzten Ausgangs spannung
durch Veränderung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der einzelnen
Stromrichter geregelt wird. Die Amplituden der Ausgangsspannungen der einzelnen
Stromrichter können vorzugsweise fest vorgegeben werden.
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Bei der Erfindung kann die Ausgangs spannung eines jeden Stromrichters
so groß wie möglich fest eingestellt werden. Die dem.
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speisenden Netz entnommene Blindleistung und die auf das speisende
Netz rückwirkenden Verzerrungen und Oberwellen bleiben dementsprechend klein.
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Zur Erläuterung werden die beigefügten Zeichnungen betrachtet: Fig.
1 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung eines Direktumrichters
mit zwei dreiphasigen vollgesteuerten Brückenschattungen mit Thyristoren, wobei
eine Verschiebung des Zündzeitpunkts vorgenommen wird. Ein derartiger Direktumrichter
ist beispielsweise beschrieben in nFuji Journal, Heft 2, 10. Februar 1974, Seite
247 - 252, insbesondere Fig. la auf Seite 247.
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In den Darstellungen der Fig. 1 wird vorausgesetzt, daß die Frequenz
der Eingangsspannung des Direktumrichters 50 Hz und die Frequenz seiner Ausgangsspannung
5 Hz beträgt. Der Phasenwinkel der Last beträgt y = 600 und der Leistungsfaktor
damit 0,5.
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Bezeichnet man mit K das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung
V des Direktumrichters zu seiner theoretisch maximal möglichen AusGangsspannung
Vmax d.h.
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K = V/VmaX (1) so zeigt Fig. 1a den Verlauf der Ausgangsspannung
mit einem Faktor K = 0,9 und Fig. ib zeigt einen entsprechenden Verlauf der Ausgangsspannung
mit einem Faktor K = 0,5.
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Fig. 2a zeigt die Abhängigkeit des Oberwellengehaltes d (wave fori
distortion) der Ausgangs spannung eines Direktumrichters vom Faktor K von K = 0
% bis K = 100 ,.
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Fige 2b zeigt den Verlauf der Wirkleistung P und den Verlauf der Blindleistung
Q in Bezug auf das speisende Netz in Abhängigkeit vom Faktor K von K = O , bis K
= 100 96.
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Bei einer Änderung der Amplitude der Ausgangs spannung eines Direktumrichters
durch eine Verschiebung des Zündzeitpunktes bringt der Oberwellengehalt d und die
den speisenden Netz entnommene Blindleistung oft Schwierigkeiten. Fig. 2 zeigt,
daß bei einer Änderung des Faktors K von 0 % auf 100 % der OberweIlengehalt d und
die Blindleistung Q verringert werden.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen bei einer Änderung des Faktors
K von 0% auf 100 % der Oberwellengehalt d und die Blindleistung Q wenigstens annähernd
gleich gering bleiben. Dies gesæhieht dadurch, daß eine Stromrichteranordnung mit
wenigstens zwei ausgangsseitig in Reihe geschalteten Stromrichtern, insbesondere
Direktumrichtern, verwendet wird, wobei die Amplitude der zusammengesetzten Ausgangsspannung
durch Veränderung der Phasenlage zwischen den Ausgangs spannungen der einzelnen
Stromrichter geregelt wird.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine einphasige
Wechselspannung VAk mit der gewünschten Frequenz zur Speisung einer einphasigen
Last L aus einem Drehspannungsnetz N durch zwei Direktumrichter A und B gebildet
wird. Der Direktumrichter A enthält zwei antiparallel geschaltete dreiphasige Thyristorbrücken
Al und A2, wobei die Wechselspannungsanschlüsse der beiden Thyristorbrücken über
einen Stromrichtertransformator TA an ein Drehspannungsnetz N angeschlossen sind,
dessen Frequenz beispielsweise 50 Hz beträgt. Der Direktumrichter B enthält ebenfalls
zwei antiparallel geschaltete dreiphasige Thyristorbrücken 31 und B2, deren Wechselspannungsanschlüsse
über einen Stromrichtertransformator T3 an das Drehspannungsnetz N angeschlossen
sind. Die beiden Direktumrichter A und B sind ausgangsseitig in Reihe geschaltet.
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Es ist vorteilhaft, die Phasen der dreiphasigen Eingangsspannungen
für beide Direktumrichter A und B voneinander zu entkoppeln. Diese Entkopplung kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der eine Stromrichter TA eine Dreieck-Stern-Schaltung
und der andere Stromrichtertransformator TB eine Dreieck-Dreieck-Schaltung aufweist,
wie in der Zeichnung dargestellt ist.
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Die zusammengesetzte Ausgangsspannung vAB stellt die Summe der Ausgangsspannungen
VA und VB der Direktumrichter A und B dar: VAB =VA +VB (2) Die Amplitude der zusammengesetzten
Ausgangs spannung vAB wird erfindungsgemäß durch Veränderung der Phasendifferenz
Yc zwischen den Ausgangsspannungen VA und VB geregelt. Die Amplitudenregelung kann
beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß der eine Direktumrichter A mit einem
fest eingestellten ZUndzeitpunkt betrieben wird, während der andere Direktumrichter
B mit einem verzögerten Zündzeitpunkt betrieben wird. In diesem Fall ergeben sich
die Grundwellen der Amplituden vA und VB nach den Gleichungen:
Die zusammengesetzte Ausgangsspannung lautet somit:
In den Gleichungen(2) (4) bedeutenwt,wdie Kreisfrequenz der Grundwelle der Ausgangsspannung
und t die Zeit. EA und EB sind die Effektivwerte der Grundwelle der Ausgangsspannung.
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Mit EA --EB = E0 ergibt sich die zusammengesetzte Ausgangsspannung
vAB zu:
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Amplitude
der Grundschwingung jeder Teil-Ausgangsspannung fest vorgegeben, insbesondere auf
den höchstmöglichen Wert, während der Phasenwinkel #c zwischen den Teil-Ausgangsspannungen
veränderbar ist. Dementsprechend ist die Amplitude 2#2 Eo s #c/2 der zusammengesetzten
Ausgangsspannung vAB zwischen 0 und2t? Eo regelbar.
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Fig. 4 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Teil-Ausgangsspannungen
vA und v3 und der Grundschwingung der zusammengesetzten Ausgangsspannung.
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Fig. 5 ist eine vektorielle Darstellung zur Veranschaulichung der
Beziehungen zwischen den Ausgangsspannungen.
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Fig. 6 zeigt die Amplitude2{P EO-cos92' der zusammengesetzten Ausgangsspannung
bei einer Änderung der Verzögerung #c des Zündwinkels von 0 bis 1800, wobei fc den
Phasenwinkel zwischen den Teil-Ausgangsspannungen vA und v3 darstellt. Es sei angenommen,
daß der Direktumrichter A mit einem fest eingestellten Zündzeitpunkt und damit fest
vorgegebener Phasenlage betrieben wird, während der andere Direktumrichter B mit
einem hierzu veränderlichen Zündzeitpunkt und damit veränderlicher Phase betrieben
wird.
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Wie bereits erläutert, wird die Amplitude der zusammengesetzten Ausgangsspannung
erfindungsgemäß durch Veränderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Teil-Ausgangsspannungen
geregelt, wobei die Amplituden der Ausgangsspannungen der einzelnen Stromrichter
jeweils auf ein Maximum eingestellt sind. Hierdurch wird die Blindleistung in Bezug
auf das speisende Netz und der Oberwellengehalt der zusammengesetzten Ausgangsspannung
kleiner gehalten.
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Die vorliegende Erfindung läßt sich bei einer Stromrichteranordnung
mit zwei Stromrichtern durchführen. Für bestimmte Anwendungsfälle können jedoch
auch drei oder mehr Stromrichter vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Phasenlage
der Ausgangsspannung wenigstens einer dieser Stromrichter veränderlich sein.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind zwei Thyristorgruppen in jedem
Stromrichter als dreiphasige Thyristorbrücken vorgesehen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Direktumrichters beschränkt, vielmehr können die verschiedensten bekannten
Stromri chterschaltungen verwendet werden.
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Anstelle des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispieles können insbesondere
auch drei Stromrichter vorgesehen sein, deren Ausgangsspannungen jeweils um 1200
phasenverschoben sind um ein dreiphasiges System von Ausgangsspannungen zu bilden.
Die Ausgangsspannungen können uber Transformatoren o.ä. zusammengesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung ist für Anwendungsfälle
geeignet, bei denen eine Stromversorgung mit großer Leistung bei veränderlicher
Frequenz und veränderlicher Amplitude erforderlich ist, beispielsweise für elektrische
Antriebe in Fahrzeugen.
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6 Figuren 2 Patentansprüche