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"Stromrichteranordnung zum Umformen einer Spannung mit
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niedriger Frequenz in eine andere Die Erfindung bezieht sich auf eine
Stromrichteranordnung zum Umformen einer Spannung mit niedriger Frequenz in eine
Gleichspannung. Sie kann Anwendung finden für stromrichtergespeiste Antriebe, insbesondere
Traktionsantriebe.
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Spannungen mit niedriger Frequenz, insbesondere mit 16 2/3 Hz, haben
bei Vollbahnen weite Verbreitung gefunden. Die Umformung derartiger niederfrequenter
Spannungen in eine Gleichspannung bekommt wegen neuer Antriebstechniken - Wellenstrommotoren
mit gesteuerten Gleichrichtern, Drehstrommotoren mit Umrichtern und Gleichspannungszwischenkreis
- eine steigende Bedeutung.
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Für die Umformung ergeben sich eine Reihe von Anforderungen, deren
Beherrschung mit den bekannten technischen Mitteln nur unvollkommen oder nur mit
erheblichem Aufwand realisierbar ist.
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Die wesentlichen Forderungen sind: Der Leistungsfaktor im Versorgungsnetz
soll möglichst groß sein, d.h. nahe bei 1 liegen, die Glättung der Gleichspannung
soll möglichst vollkommen, aber wenig aufwendig sein, der Transformator zur Spannungsanpassung
soll möglichst klein sein (ETZ-A, Bd. 94 (1973), H. 8, Seiten 466 bis 471; ZEV-Glas
Anm.
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97 (1973), teilen 87 bis 96).
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Zur Verbesserung des Leistungsfaktors sind verschiedene spezielle
Gleichrichterschaltungen bekannt, z.B. Mehrfach-Brückenschaltungen oder löschbare
Schaltungen, (s.o. und Zeitschrift "Elektrische Bahnen", H. 1 (43.Jg. 1972), S.
13 bis 19).
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Die Verbesserung des Beistungsfaktors bei diesen Schaltungen ist aber
begren t, außerdem werden als Glättungsmittel im Gleichstromkreis Drosselspulen
benötigt, die im Vergleich zu Kondensatoren schwerer und teuerer sind.
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Ein wesentlich verbesserter Leistungsfaktor wird mit dem Vierquadrantensteller
erzielt, bei dem außerdem Kondensatoren als Glättungsmittel eingesetzt werden können
(IFAC-Symposium 1974, Proceedings Volume 2, Seiten 357 bis 372). Bei Anwendung für
Bahnen wird der schwere Transformator mit 16 2/3 Hz Betriebsfrequenz auch bei diesem
Umformsystem benötigt.
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Es wäre möglich, den Transformator dadurch zu verkleinern, daß auf
der Primärseite ein Gleichrichter und ein Wechselrichter mit hoher Frequenz vorgeschaltet
werden. Ein derartiges System ist aber sehr aufwendig, kann keine Energie zurückspeisen
und die technische Ausführung eines selbstgeführten Wechselrichters auf der Hochspannungsseite
ist nur schwer zu realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen,
mit der eine Wechselspannung mit niedriger Frequenz in eine konstante oder eine
veränderliche Gleichspannung umgewandelt werden kann. Die Schaltung soll so beschaffen
sein, daß der leistungsfaktor nahe bei 1 liegt und die Glättung der Gleichspannung
mit geringem Aufwand durchführbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß auf der Frimärseite
des Transformators ein fremdgeführter Direktumrichter und auf seiner Sekundärseite
ein selbstgeführter,
über seine Gleichspannungsseite kommutierender
Gleich- und Wechselrichter angeschlossen ist, an dessen Gleichspannungsseite eine
Glättungseinrichtung liegt, daß durch Ansteuerung der Ventile des selbstgeführten
Gleich- und Wechselrichters die höhere E'requenz der führenden Sekundärspannung
am Transformator einstellbar ist und daß der Gleis und Wechselrichter den eingangsseitigen
Direktumrichter führt.
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Durch die Erfindung läßt sich, ähnlich wie beim Vierquudrantensteller,
ein sehr guter Leistungsfaktor im Versorgungsnetz erzielen. Als Glättungsmittel
können Kondensatoren verwendet werden. Außertlem kann der Transformator wegen seiner
höheren Betriebsfrequenz - z.B. 200 Hz - wesentiich kleiner ausgeführt werden. Auf
der Primärseite, der Hochspannungsseite, wird nur ein fremdgeführter Direktumrichter
benötigt, der wesentlich einfacher zu realisieren ist als ein selbstgeführter Stromrichter
für Hochspannungen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet vielfältige Möglichkeiten zur
weiteren Umformung für die Hauptleistung oder für Hilfsbetriebe, weil am Transformator
eine Spannung höherer Frequenz zur Verfügung steht. Die Stromrichteranordnung läßt
sich einsetzen zur Bildung einer zusätzlichen, veränderbaren Gleichspannung oder
einer Wechselspannung anderer Frequenz cder auch anderer Phasenzahl, als sie die
Eingangsspannung besitzt. Im einen Fall wird sekundärseitig des Transformators zweckmäßig
ein steuerbarer Gleichrichter, im anderen Fall ein zusätzlicher Direktumrichter,
angeschlossen. Der zusätzliche Direktumrichter kann ausgangsseitig mit Wechsel-
oder Drehstrommaschinen sowie mit Energiespeichern, d.h. Kondensatoren oder Drosselspulen,
verbunden sein. Der zusätzliche Gleich-und Wechselrichter kann erfindungsgemäß auch
an eine dritte Wicklung des Transformators angeschlossen sein, ebenso der
Direktumrichter.
Derartige Zusatzwicklungen an einem Transformator sind bei Stromversorgungseinrichtungen
für Bordnetze an sich bekannt (DT-AS 2 128 078). Es handelt sich Jedoch dort um
den Anschluß von Verbrauchern kleiner Leistung über entsprechende Gleichstromsteller.
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Um eine veränderliche Ausgangsfrequenz zu erzeugen,kann die Frequenz
des selbstgeführten Gleich- und Wechselrichters auf ein ganzzahliges Vielfaches
der Frequenz des Direktumrichters am Ausgang eingestellt und mit dieser synchronisiert
werden so daß sich bei Frequenzänderung am Ausgang die Frequenz des selbstgeführten
Gleich- und Wechselrichters ebenfalls ändert. Durch diese Art der Synchronisation
werden beim Steuerumrichter die sonst so schwer zu beherrschenden Unterschwingungen
vermieden. Zur Erweiterung des Frequenzbereiches am Ausgang kann erfindungsgemäß
auch zwischen verschiedenen ganzzahligen Frequenzverhältnissen umgeschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltung wird nachfolgend anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 die erfindungsgemäße'Stromrichteranordnung, Fig.
2 eine Erweiterung der Anordnung nach Fig.1, Fig. 3 eine andere Erweiterung der
Anordnung nach Fig.1 und Fig. 4 eine Ladeschaltung für den Glättungskondensator
in der Anordnung nach Fig. 1.
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Die Stromrichteranordnung 1st im wesentlicheius einem fremdgeführten
Direktumrichter 1, einem selbstgeführten Gleich-und Wechselrichter 2 und einem Transformator
3 aufgebaut (Fig. 1). Sie ist gegebenenfalls ergänzbar durch einen HilSstransformator
4 und einen ungesteuerten Vollweg-Gleichrichter 5 (Fig. 4) sowie ferner ggf. durch
einen gesteuerten Gleichrichter 6 (Fig. 2). Die Primärwicklung 7 des Transformators
3 ist an den Ausgang des fremdgeführten Direktumrichters 1 angeschlossen, dessen
Eingang mit der Wechselspannungsquelle 8 niedriger Frequenz in Verbindung steht.
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Der Direktumrichter 1 ist in diesem Beispiel in allgemein schaltung
bekannter Weise als Brücken/mit Thyristoren 9 und 10, 11 und 12, 13 und 14, 15 und
16 in den Brückenzweigen aufgebaut.
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Die Nittelabzweige von Je zwei antiparallel zueinander angeordneten
Brückenzweigen stehen mit dem ersten bzw. dem zweiten Anschluß der Primärwicklung
7 des Transformators 3 in Verbindung. Ein Wechselspannungspol steht über eine Entkopplungsdrossel
17 mit dem Direktumrichter 1 in Verbindung.
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Der andere ist direkt an den Direktumrichter 1 angeschlossen.
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Dd Entkopplungsdrossel 17 dient zur Begrenzung der Oberschwingungen,
die durch Unterschiede des Spannungsverlaufes zwischen der an der Wechselspannungsquelle
8 anliegenden Versorgungsspannung U1 und der Eingangsspannung UN1 des Direktumrichters
1 auftreten.
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Die Anschlüsse 18a und 18b der Sekundärwicklung 18 des Transformators
3 sind mit einem Gleich- und Wechselrichter 2 verbunden. Der Gleich- und Wechselrichter
2 ist als einphasige Brückenschaltung mit vier löschbaren Ventilen 19 und 20 bzw.
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21 und 22 mit antiparallelen Rtickspeisedioden 23 und 24 bzw.
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25 und 26 aufgebaut. Die löschbaren Ventile 19, 20, 21 und 22 können
in bekannter Weise (Buch von Heumann/Stumpe) mit Löschkondensatoren und Hilfsventilen
beschaltet sein.
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Sie liegen in gleicher Durchlaßrichtung zwischen den ausgangsseitigen
Gleichstrompolen; ihre Verbindungspunkte sind in bekannter Weise mit den Anschlüssen
18a,18b der Sekundärwicklung des Transformators 3 verbunden.
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Zwischen den Gleichstrompolen liegt ein GlättungskondensatorS7 Die
Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 stellt eine Gleichspannungsquelle
28 dar, an der die Gleichspannung Ud3 abgegriffen werden kann.
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Zur Anfangs aufladung des Glättungskondensators kann die Gleichspannungsseite
des Gleich- und Wechselrichters 2 über den ungesteuerten Gleichrichter 5 und einen
Transformator 4 mit der Wechselspannungsquelle 8 in Verbindung stehen (Fig. 4).
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Dabei ist die Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters
2 mit der Gleichspannungsseite des ungesteuerten Gleichrichters 6 verbunden. Der
ungesteuerte Gleichrichter 6 ist als Vollweggleichrichter mit Dioden 29, 30, 31
und 32 ausgebildet. Die Mittelabzweige der beiden Brückenzweige sind an den ersten
bzw. zweiten Anschluß der Sekundärwicklung 33 des Transformators 4 angeschlossen.
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An iie Sekundärwicklung id des Transformators 3 kann zusätzlich der
gesteuerte Gleichrichter c angeschlossen sein(Fig.2).
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Der Gleichrichter 6 ist als Beispiel in bekannter Weise (Buch von
Heumann/Stumpe) als unsymmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung mit zwei in Serie
geschalteten Thyristoren 35 und 36, und zwei in Serie geschalteten Dioden 37 und
38 ausgebildet. Die Mittelabzweige der beiden Brückenzweige sind an den ersten bzw
zweiten Anschlu2 18a bzw. 18b der Sekundärwicklung 18 des Transformators 3 angeschlossen.
In einer Gleichstromausgangsleitung befindet sich eine Glättungsdrossel 39. An der
durch den gesteuerten Gleichrichter D gebildet--n Gleichspannungsquelle @@ kann
eine @@@@derliche Gleich spannung Ud4 abteg e. r--!
Die erfindungsgemäße
Schaltung hat folgende Wirkungsweise: Es soll beispielsweise eine Wechselspannung
mit einer Frequenz von 16 2/3 Hz in eine konstante oder eine veränderliche Gleichspannung
umgewandelt werden. Hierzu muß zunächst einmal die Schaltung in Betrieb gesetzt
werden, d.h.
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zunächstuß der Kondensator 27 auf der Gleichspannungsseite des Gleich-
und Wechselrichters 2 aufgeladen werden. Dies geschieht bei Iruetriebnahme der Schaltung
über den Transformator 4 und den ungesteuerten Gleichrichter 5. Damit wird bewirkt,
daß unmittelbar nach dem Einschalten der Versorgungsspannung U1 an der Wechselspannungsquelle
8 eine Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters
2 erzeugt wird. Im Betrieb erfolgt die Aufladung des Kondensators 27 über den Direktumrichter
1 und den Gleich- und Wechselrichter 2.
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Ist der Kondensator 27 aufgeladen, können der Direktumrichter 1 und
der Gleich- und Wechselrichter 2 in Betrieb gesetzt werden, wobei durch geeignete
Steuerung oder Regelung die Gleichspannung Ud3 an der Gleichspannungsquelle 28 auf
einen höheren Wert eingestellt werden kann, was die Hilfsaufladeeinrichtung, die
zur Aufladung des Kondensators 27 bei Inbetriebnahme benutzt wird, vollständig von
der eigentlichen Energieübertragung befreit. Die Hilfsaufladeeinrichtung beansprucht
folglich nur'einen geringen Bruchteil der gesamten Durchgangsleistung. Der Kondensator
27 wirkt nicht nur als Energiespeicher für die verschiedenen Kommutierungsvorgänge
in der Schaltung, sondern er muß auch Energieschwankungen, insbesondere die bei
einphasiger Einspeisung mit niedriger Frequenz auftretende große Energiependelung
ausgleichen. Es kann deswegen vorteilhaft sein, daß auf der Gleichstromseite des
selbtgeführter Gleich- und Wechselrichters 2 zusätzlicheFiltermittel, beispielsweise
Saugkreis@
angeordnet sind.
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Wie schon oben erwähnt ist die Erfindung nicht auf einphasige Anordnungen
beschränkt. Der selbstgeführte Gleich-und Wechselrichter 2, der Transformator 3
und der Direktumrichter 1 können auch mehrphasig, insbesondere dreipasig, ausgeführt
sein. Die Wirkungsweise der Schaltung ändert sich dadurch nicht. Der fremdgeführte
Direktumrichter 1 arbeitet an der führenden Spannung UF1 die zwischen den Anschlossen
40 und 41 der Primärwicklung 7 des Transformators 4 anliegt. Im Normalbetrieb wird
die Energie der an der Wechselspannungsquelle 8 anliegenden Versorgungsspannung
U zur Spannung UFl übertragen.
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Es besteht auch die Möglichkeit, den als antiparallele Brückenschaltung
aufgebauten Direktumrichter 1 durch eine Mittelpunktschaltung zu ersetzen. Jedes
der steuerbaren Ventile 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 16 kann weiterhin aus einer
Reihenschaltung mehrerer Bauelemente, z.B. Thyristoren bestehen.
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Der fremdgeführte Direktumrichter 1 wird von dem Gleich-und Wechselrichter
2 geführt. Durch Zünden und Löschen der steuerbaren Ventile 19, 20, 21 und 22 des
Gleich- und Wechselrichters 2 läßt sich erreichen, daß an den Anschlüssen 18a und
18b des Transformators 3 eine Wechselspannung UF2 vorgebbarer Frequenz,z.B. 200
Hzerzeugt wird. Die Amplitude der Wechselspannung UF2 wird dadurch bestimmt, daß
aufgrund der Steuerung des Direktumrichters 1 und der Belastung auf der Gleichspannungsseite
des Gleich- und Wechselrichters 2 sich eine Spannung Ud3 am Kondensator 27 einstellt,
welche die Amplitude der Wechselspannung UF2 bestimmt. Die führende Wechselspannung
UF2 bewirkt auch die Kommutierung für den fremdgeführten Direktumrichter 1.
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Für Vorgänge in dem Frequenzbereich, der bei der Kommutierung auftritt,
muß die führende Spannung UF2 - als Spannungsquelle betrachtet - eine kleine innere
Impedanz aufweisen, um die notwendigen Stromänderung bei der Kommutierung zu ermöglichen.
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Diese kleine innere Impedanz wird erreicht, indem der selbstgeführte
Gleich- und Wechselrichter 2 in an sich bekannter Weise auf der Gleichspannungsseite
kommutiert und einen Stromrichter mit auf der Gleichspannungsseite eingeprägter
Spannung darstellt (ETZ-A, Bd. 87 (1966) H. 18, Seiten 649 bis 658).
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Die Umschaltfrequenz des Gleich- und Wechselrichters 2 und damit die
Frequenz der Wechselspannung UF2 an den Anschlüssen 18a und 18b der Sekundärwicklung
18 des Transformators 3 kann im Prinzip beliebig eingestellt werden. Für viele Anwendungen
wird es besonders günstig sein, wenn diese Zwischenfrequenz konstant gehalten wird.
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Durch die Steuerung des Direktumrichters 1 wird der Energiefluß bestimmt.
Durch geeignete Steuerung des Direktumrichters 1 läßt sich erstens erreichen, daß
im Versorgungsnetz ein optimaler Leistungsfaktor vorhanden ist und daß sich zweitens
die Größe der Gleichspannung Ud3 an der Gleichspannungsquelle 28 steuern und regeln
läßt. Die Schaltung wird günstig genutzt bei einer Steuerung oder Regelung auf einen
konstanten Wert der Gleichspannung Ud3.
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Soll die an der Wechselspannungsquelle 8 anliegende Versorgungsspannung
U1 in eine veränderliche Gleichspannung umgewandelt werden, so wird die Schaltung
gemäß Fig. 2 angeschlossen und die veränderliche Gleichspannung Ud4 kann an der
Gleichspannungsquelle 40 des Gleichrichters 6 abgegriffen werden. Die Gesamtschaltung
gestattet es, daß Uber einen derartigen parallelgeschalteten Zusatzstrom ichter
die gesamte Energie fließt. Am eigentlichen Energietransport ist der führende Gleich-
und Wechselrichter 2 den gar nicht mehr beteiligt, er wirkt nur noch als FUhrungsstromrichter
und in Verbindung mit dem Kondensator 27 als Kurzzeitenenergiespeicher.
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Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt es auch die an der Wechselspannungsquelle
8 anliegende Versorgungsspannung U1 in eine Wechselspannung U5 anderer Frequenz,
Amplitude und Phasenzahl umzuwandeln (Fig. 3). Zu diesem Zweck kann anstelle des
Gleichrichters 6 an die Anschlüsse 18a und 18b der Sekundärwicklung 18 des Transformators
3 ein Direktumrichter 45 vngeschlossen werden. Der Direktumrichter 45 hier beispielsweise
ist' in bekannter Weise dreiphasig in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung ausgeführt
mi Thyristoren 46 bis 59 (Buch von Heumann/Stumpe, Seite 127).
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Am Ausgang des Direktumrichters 45 kann eine dreiphasige Wechselspannung
abgegriffen werden. Die dreiphasige Ausgangsspannung U5 des Direktumrichters 45
kann zusätzlich durch geeignete Steuerung des Direktumrichters 45 in Amplitude und
Frequenz eingestellt werden. Der Direktumrichter 45 läßt sich in der Weise steuern,
daß an seinem Ausgang eine Drehstrommaschine mit veränderlicher Drehzahl betrieben
werden kann. Soll die Ausgangsfrequenz des Direktumrichters 45 bis nahe an die Frequenz
der zwischen den Anschlüssen 18a und 18b der Sekundärwicklung 18 des Transformators
3 liegenden Spannung UF2 heranreichen, so ist es vorteilhaft, die Frequenz der Spannung
UF2 auf ein ganzzahliges Vielfaches der tRsgangssnannung UM einzustellen. wobei
eine Frequenz der Änderung der Ausgangsspannung U5 aucn eine Frequenzänderung in
der Spannung UF2 herbeiführt. Auf diese Weise werden die bei dem Direktumrichter
45 andernfalls auftretenden und äußerst schwer zu beherrschenden Unterschwingungen
von vornherein vermieden. Das ganzzahlige Verhältnis zwischen den Frequenzen der
Spannung UF2 und U5 kann ggf. umgeschaltet werden, wenn eq großer Frequenzbereich
der Spannung U5 benötigt wird.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Figuren 1 und 2
gezeigten Beispiele. Insbesondere sind vielfältige Kombinationen der aufgeführten
Erweiterungen möglich.