DE2614445C2 - Converter arrangement for converting a specified AC line voltage - Google Patents
Converter arrangement for converting a specified AC line voltageInfo
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Description
— daß der selbstgeführte Gleich- und Wechselrichter (2) über seine Gleichspannungsseite kommutiert,- That the self-commutated rectifier and inverter (2) via its DC voltage side commutes,
— daß der Direktumrichter (1) fremdgeführt ist- That the direct converter (1) is externally controlled
— daß durch Ansteuerung der Ventile des selbstgeführten Gleich- und Wechselrichters (2) die höher ? Frequenz der führenden Sekundärspannung (UFi) am Transformator (3) einstellbar ist.- that by activating the valves of the self-commutated rectifier and inverter (2) the higher? Frequency of the leading secondary voltage (UFi) on the transformer (3) is adjustable.
— daß der Gleich- und Wechselrichter (2) den eingangsseitigen Direktumrichter (1) führt,- that the rectifier and inverter (2) leads the input-side direct converter (1),
— daß bei Verwendung einer kapazitiven Glättungseinrichtung (27) diese unabhängig vom Betrieb des Direktumrichters (1) und des selbstgeführten Gleich- und Wechselrichters (2) aufladbar ist- That when using a capacitive smoothing device (27) this independent of the operation of the direct converter (1) and the self-commutated rectifier and inverter (2) is chargeable
2. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 zur 'Bildung einer zusätzlichen veränderbaren Gleichspannung, gekennzeichnet durch den Anschluß eines zusätzlichen steuerbaren Gteic-nrrhters (6) an den Transformator (3).2. Converter arrangement according to claim 1 for the 'formation of an additional variable direct voltage, characterized by the connection of an additional controllable Gteic-nrhters (6) to the Transformer (3).
3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 zur Bildung einer zusätzlichen Wechselspannung anderer Frequenz. Amplitude und/oder Phasenzahl, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Anschluß eines Direktumrichters (45) auf der Sekundärseite des Transformators (3).3. Converter arrangement according to claim 1 for forming an additional alternating voltage of others Frequency. Amplitude and / or number of phases, characterized by the additional connection a direct converter (45) on the secondary side of the transformer (3).
4. Stromrichteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine dritte Transformatorwicklung für den Anschluß des zusätzlichen steuerbaren Gleichrichters (6) oder des Direktumrichters (45).4. converter arrangement according to claim 2 or 3, characterized by a third transformer winding for connecting the additional controllable rectifier (6) or the direct converter (45).
5. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet daß die kapazitive Glättungseinrichtung (27) von der Netzwechselspannung (Ui) niederer Frequenz über einen Hiifsiransformator (4) und einen ungesteuerten Gleichrichter (5) aufladbar ist5. Converter arrangement according to Claim 1 to 4, characterized in that the capacitive smoothing device (27) can be charged by the AC mains voltage (Ui) of lower frequency via a Hiifsiransformator (4) and an uncontrolled rectifier (5)
6. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gleichspannungsseite des selbstgetunrten Uleicn- und Wechselrichters (2) als zusätzliche Glättungseinrichtung Saugkreise dienen.6. converter arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that on the DC voltage side of the self-tuned Uleicn and inverter (2) Serve as an additional smoothing device suction circuits.
7. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 bis 6. gekennzeichnet durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung, der ein konstanter Sollwert (Udnoii) für die Gleichspannung (UdJ) am Ausgang des selbstgeführten Gleich- und Wechselrichters (2) vorgesehen wird und die die Ventile des eingangsseitigen Direktumrichters (1) entsprechend steuert.7. Converter arrangement according to claim 1 to 6, characterized by a control or regulating device which provides a constant setpoint value (Udnoii) for the direct voltage (UdJ) at the output of the self-commutated rectifier and inverter (2) and which controls the valves of the input-side direct converter (1) controls accordingly.
8. Stromrichteranoi'dnung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuerung oder Regelung des eingangsseitigen Direktumrichters (1) auf8. Stromrichteranoi'dnung according to claim 1 to 7, characterized by a control or regulation of the input-side direct converter (1)
Leistungsfaktoroptimierung im Versorgungsnetz.Power factor optimization in the supply network.
9. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Steuerung oder Regelung auf eine konstante Frequenz des selbstgeführten Gleich- und Wechselrichters (2) und damit Frequenz der Transformatorspannung (Un)- 9. converter arrangement according to claim 1 to 8, characterized by a control or regulation to a constant frequency of the self-commutated rectifier and inverter (2) and thus frequency of the transformer voltage (Un) -
10. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstgeführte Gleich- und Wechselrichter (2) in seiner Frequenz auf ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des zusätzlich angeschlossenen Direktumrichters (45) einstellbar und mit letzterer Frequenz synchronisierbar ist10. converter arrangement according to claim 1, 3 or 4, characterized in that the self-commutated Rectifier and inverter (2) in its frequency to an integer multiple of Frequency of the additionally connected direct converter (45) adjustable and with the latter frequency is synchronizable
11. Stromrichteranordnung nach Anspruch 10. gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung für verschiedene ganzzahlige Frequenzverhältnisse.11. Converter arrangement according to Claim 10. characterized by a switching device for various integer frequency ratios.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung zur Umformung einer vorgegebenen Netzwechselspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.Sie kann Anwendung finden für stromrichtergespeiste Antriebe, insbesondere Traktionsantriebe.The invention relates to a power converter arrangement for converting a predetermined AC mains voltage according to the preamble of the claim I. It can be used for converter-fed drives, especially traction drives.
Eine solche Stromrichteranordnung zur Umformung einer vorgegebenen Netzwechselspannucg ist aus der
DE-OS 22 24 830 bekannt
Spannungen mit niedriger Frequenz, insbesondere mit 162/j Hz, haben bei Vollbahnen weite Verbreitung
gefunden. Die Umformung derartiger niederfrequenter Spannungen in eine Gleichspannung bekommt wegen
neuer Antriebstechniken — Weüenstrommotoren mit
gesteuerten Gleichrichtern, Drehstrommotoren mit Umrichtern und Gleichspannungszwischenkreis — eine
steigende Bedeutung. Für die Umformung ergeben sich eine Reihe von Anforderungen, deren Beherrschung mit
den bekannten technischen Mitteln nur unvollkommen oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar istSuch a converter arrangement for converting a given AC voltage is known from DE-OS 22 24 830
Tensions with a low frequency, in particular with 16 2 / j Hz, have found widespread use in main railways. The conversion of such low-frequency voltages into a direct voltage is becoming increasingly important because of new drive technologies - Weüenstromm motors with controlled rectifiers, three-phase motors with converters and a DC link. There are a number of requirements for the forming process, the control of which with the known technical means can only be implemented imperfectly or only with considerable effort
Die wesentlichen Forderungen sind:The main requirements are:
Der Leistungsfaktor im Versorgungsnetz soll möglichst groß sein, d.h. nahe bei 1 liegen, die Giättung 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-Gias Anm.97 (1973), Seiten 87 bis 96).The power factor in the supply network should be as large as possible, i.e. close to 1, the smoothing of the DC voltage should be as complete as possible, but not very complex, the transformer for voltage adjustment should be as small as possible (ETZ-A. Vol. 94 (1973), no. 8, pages 466 to 471; ZEV-Gias note 97 (1973), Pages 87 to 96).
Zur Verbesserung des Leistungsfaktors sind verschiedene spezielle Gleichrichterschaltungen bekannt z. B.To improve the power factor, various special rectifier circuits are known, e.g. B.
Mehrfach-Brückenschaltungen oder löschbare Schaltungen, (s. o. und Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, H. i (13. Jg. 1972). S. 13 bis 19). Die Verbesserung des Leistungsfaktors bei diesen Schaltungen ist aber begrenzt, außerdem werden als Glättungsmittel im Gleichstromkreis Drosselspulen benötigt die im Vergleich zu Kondensatoren schwerer und teuerer sind.Multiple bridge circuits or erasable circuits, (See above and the magazine "Elektro Bahnen", volume i (13th year 1972). pp. 13 to 19). The improvement of the The power factor in these circuits is limited DC circuit inductors are required which are heavier and more expensive compared to capacitors.
Ein wesentlich verbesserter Leistungsfaktor wird mit dem Vierquadrantensteller erzielt, bei dem außerdem Kondensatoren als Glättungsmittel eingesetzt werden können (iFAC-Symposium J 974, Proceedings Volume 2, Seiten 357 bis 372). Bei Anwendung für Bahnen wird der schwere Transformator mit I6V3HZ Betriebsfrequenz auch bei diesem Umformsystem benötigtA significantly improved power factor is achieved with the four-quadrant controller, in which capacitors can also be used as smoothing agents (iFAC Symposium J 974, Proceedings Volume 2, pages 357 to 372). When used for railways, the heavy transformer with I6V3HZ operating frequency is also required for this conversion system
Es ist möglich, den Transformator dadurch zu verkleinern, daß auf der Primärseite ein Gleichrichter und ein Wechselrichter mit hoher Frequenz vorgeschaltet werden, wie es beispielsweise in der DE-OS 16 38 905 vorgesehen wird. Dort wird eine Schaltungs-It is possible to reduce the size of the transformer by having a rectifier on the primary side and an inverter with a high frequency can be connected upstream, as for example in the DE-OS 16 38 905 is provided. There is a circuit
anordnung zur Umwandlung von Wechselspannung, insbesondere von Netzfrequenz, in eine Gleichspannung beschrieben, wobei anstelle eines direkt mit der Netzfrequenz beaufschlagten Transformators eine Gleichnchteranordniing mit Glättungsmitteln und eine Wandlereinrichtung zur Umwandlung der gleichgerichteten Wechselspannung in eine Wechselspannung mit einer gegenüber der Netzfiequenz wesentlich höheren Frequenz einen Transformator beaufschlagen, der die höherfrequente Wechselspannung in eine geeignete Arbeitsspannung transformiert, welche durch eine weitere Gleichrichteranordnung in eine Gleichspannung gleichgerichtet wird.Arrangement for converting alternating voltage, in particular the mains frequency, into a direct voltage described, whereby instead of a transformer directly applied to the mains frequency, a Matching arrangement with smoothing agents and one Converter device for converting the rectified AC voltage into an AC voltage with a frequency that is significantly higher than that of the mains frequency is applied to a transformer, which the higher-frequency alternating voltage is transformed into a suitable working voltage, which is generated by a further rectifier arrangement is rectified into a DC voltage.
Eine weitere Stromrichteranordnung mi> '<*■ kleinertem Transformator ist aus der .rinc-uigs --mannten DE-OS 22 24 830 bekannt Dort wild c'.r. vielseitig verwendbarer Leitungskonverter m:t einer Hochfrequenzverbindung beschrieben, dt. *.ur Wandlung und Regelung von Spannung, Fre uenz und Phase dient Die ausgangsseitige Wellenform vird dabei aus der Eingangsseite gebildet Der primärseitige Stromrichter ist selbstgeführtAnother converter arrangement with a smaller transformer is known from the .rinc-uigs --mannt DE-OS 22 24 830. There wild c'.r. versatile line converter m: t a radio frequency link described, dt * .ur conversion and control of voltage, Fre uence and phase is used on the output side waveform vird this case from the input side formed The primary-side power converter is self-guided.
Derartige Systeme sind sehr aufwendig, könr ;n keine Energie zurückspeisen und die technische Ausführung eines selbstgeführten Wechselrichters auf der Kochspannungsseite ist nur schwer zu realisieren.Such systems are very complex and cannot do any Feed back energy and the technical design of a self-commutated inverter on the cooking voltage side is difficult to realize.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichteranordnung zur Umformung einer vorgegebenen Netzwechselspannung der eingangs genannten Art anzugeben, die wenig aufwendig ist und eine Energierückspeisung ermöglichtOn this basis, the invention is based on the object of a converter arrangement for conversion specify a predetermined AC voltage of the type mentioned, which is not very expensive and enables energy recovery
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch Ί gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features characterized in claim Ί.
Durch die Erfindung läßt sich, ähnlich wie beim Vierquadrantensteller. ein sehr guter Leistungsfaktor im Versorgungsnetz erzielen. Als Glättungsmittel können Kondensatoren verwendet werden. Außerdem kann der Transformator wegen seiner höheren Betriebsfrequenz — z. B. 200 Hz — wesentlich kleiner ausgeführt werden. Auf der Priinärseite, der Hochspannungsseite, wird nur ein fremdgefühlter Direktumrichter benötigt, der wesentlich einfacher zu realisieren ist als ein selbstgeführter Stromrichter für Hochspannungen.The invention makes it possible, similar to the four-quadrant controller. a very good power factor in the Achieve supply network. As a smoothing agent you can use Capacitors are used. In addition, because of its higher operating frequency, the transformer can - e.g. B. 200 Hz - are made much smaller. On the primary side, the high voltage side, only A direct converter that feels strange is required, which is much easier to implement than a self-commutated one Converters for high voltages.
Die erfindungsgemäße Anordnung bietet vielfältige Mögliciikeiten zur weiteren Umformung für die Hauptleistung oder für Hilfsbetriebe. weil am Transformator eine Spannung höherer Frequenz zur Verfügung steht Die Stromrichtera.iordnung läßt sich einsetzen zur Bildung einer zusätzlichen, veränderbaren Gleichspannung oder einer Wechselspannung anderer Frequenz oder auch anderer Phasenzahi, 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 Direktumricnter kann ausgangsseitig mit wecnsei- oder Urehstrommaschinen sowie mit Energiespeicher^ 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 Qirektumrichter. Derartige Zusatzwicklungen an einem Transformator sind bei Stromversorgungseinrichtungen für Bordnetze an sich bekannt (DE-AS 21 28 078). Es handelt sich jedoch dort um den Anschluß von Verbrauchern kleiner Leistung über entsprechende Gleichstromsteller.The arrangement according to the invention offers a variety of possibilities for further reshaping for the main service or for auxiliary operations. because a voltage of higher frequency is available on the transformer.The Stromrichtera.iordnung can be used to create an additional, variable direct voltage or an alternating voltage with a different frequency or a different number of phases than the input voltage , in the other case an additional direct converter is connected. The additional Direktumricnter can be connected on the output side with AC machines or AC machines as well as with energy storage devices, ie capacitors or inductors. According to the invention, the additional rectifier and inverter can also be connected to a third winding of the transformer, as can the direct converter. Such additional windings on a transformer are known per se in power supply devices for vehicle electrical systems (DE-AS 21 28 078). However, it is about the connection of consumers of low power via corresponding DC choppers.
Um eine veränderliche Ausgangsfrequenz zu erzeugen, kann die Frequenz des selbstgeführten G;eich- 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 Erweitern rung des Frequenzbereiches am Ausgang kann erfindungsgemäß auch zwischen verschiedenen ganzzahligen Frequenzverhältnissen umgeschaltet werden.In order to generate a variable output frequency, the frequency of the self-commutated G; calibrated and Inverter set to an integer multiple of the frequency of the direct converter at the output and are synchronized with this, so that when the frequency changes at the output, the frequency of the Self-commutated rectifiers and inverters also change by this type of synchronization in the case of the control converter, the otherwise difficult to control undershoots are avoided. To expand tion of the frequency range at the output can, according to the invention, also be between different integer Frequency ratios can be switched.
Die erfindungsgemäße Schaltung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh- -, ruiigsbeispieles näher erläutert Es zeigtThe circuit according to the invention is described below with reference to an embodiment shown in the drawings. -, ruiigsbeispieles explained in more detail It shows
F i g. 1 die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung, F i g. 1 the converter arrangement according to the invention,
Fig.2 eine Erweiterung der Anordnung nach Fig. 1, F i g. 3 eine andere Erweiterung der Anordnung nach F i g. 1 undFIG. 2 an extension of the arrangement according to FIG. 1, F i g. 3 another extension of the arrangement according to FIG. 1 and
F i g. 4 eine Ladeschaltung für den Glättungskondensator in der Anordnung nach F i g. 1.F i g. 4 a charging circuit for the smoothing capacitor in the arrangement according to FIG. 1.
Die Stromrichteranordnung ist im wesentlichen aus einem fremdgeführten Direktumrichter 1, einen: selbstgeführten Gleich- und Wechselrichter 2 und einem Transiormator 3 aufgebaut (F i g. 1). Sie ist gegebenenfalls ergüiizbar durch einen Hilfstransformator 4 und einen ungesteuerten Vollweg-Gleichrichter 5 (Fig.4) sowie ferner ggf. durch einen gesteuerten Gleichrichter 6 (F i g. 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.The converter arrangement is essentially composed of an externally guided direct converter 1, a self-commutated one Rectifier and inverter 2 and a Transiormator 3 built (Fig. 1). She is possibly can be supplemented by an auxiliary transformer 4 and an uncontrolled full wave rectifier 5 (Fig. 4) and also, if necessary, by a controlled rectifier 6 (FIG. 2). The primary winding 7 of the transformer 3 is connected to the output of externally driven direct converter 1, whose input is connected to the AC voltage source 8 low frequency communicates.
Der Direktumrichter l ist in diesem Beispiel in allgemein bekannter Weise als Brückenschaltung mit Thyristoren 9 und 30,11 und 12,13 und 14,15 und 16 in den Brückenzweigen aufgebaut. Die Mittelabzweige von je zwei antiparalle! zueinander angeordneten Brückenzweigen stehen mit dem ersten bzw. dem zv- ?iten Anschluß der Primärwicklung 7 des Transformators 3 in Verbindung. Ein Wechselspannungspol steht über eine Entkopplungsdrossel 17 mit dem Direktumrichter 1 in Verbindung. Der andere ist direkt an den Dirckiurnnchirr ί angeschlossen. Die Enikoppiungsdrossel 17 dient zur Begrenzung der Oberschwir.gungen, die durch Unterschiede des Spannungsverlaufes zwischen der an der Wechselspannungsquelle 8 anliegenden Versorgungsspannung U\ und der Eingangsspannung Un \ des Direktumrichters 1 auftreten.In this example, the direct converter 1 is constructed in a generally known manner as a bridge circuit with thyristors 9 and 30, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16 in the bridge branches. The middle branches of two antiparalle each! Bridge branches arranged with respect to one another are connected to the first or the second connection of the primary winding 7 of the transformer 3. An alternating voltage pole is connected to the direct converter 1 via a decoupling choke 17. The other is directly connected to the directional chain ί. The coupling throttle 17 serves to limit the overthrusts which occur due to differences in the voltage curve between the supply voltage U \ applied to the AC voltage source 8 and the input voltage U n \ of the direct converter 1.
Die Anschlüsse 18.7 und 18i>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. 21 und 22 mit Ηΐιιψαι aiicicii Rüvk^iJ^iscuiuucii 23 unu 24 uzv». 23 uii'i 26 aufgebaut Die löschbaren Ventile 19, 20, 21 und 22 können in bekannter Weise (Buch von Heumann/Stumpe »Thyristoren... 1974, Teubner-Verlag Stuttgart, Seite 139, Bild 139.1), mit Löschkondensatoren und Hilfsventilen beschaltet sein. Sie liegen in gleicher Durchlaßrichtung zwischen den ausgangsseitigen Gleichstrompölen; ihre VerbindungspunHe sind in bekannter Weise mit den Anschlüssen 18a, 186 der Sekundärwicklung des Transformators verbunden.The connections 18.7 and 18i> of the secondary winding 18 of the transformer 3 are connected to a rectifier and inverter 2. The rectifier and inverter 2 is a single-phase bridge circuit with four erasable valves 19 and 20 or 21 and 22 with Ηΐιιψαι aiicicii Rüvk ^ iJ ^ iscuiuucii 23 unu 24 uzv ». 23 uii'i 26 built The erasable valves 19, 20, 21 and 22 can be connected in a known manner (book by Heumann / Stumpe »Thyristors ... 1974, Teubner-Verlag Stuttgart, page 139, Fig. 139.1), with quenching capacitors and auxiliary valves be. They lie in the same forward direction between the direct current oils on the output side; their connection points are connected in a known manner to the connections 18a, 186 of the secondary winding of the transformer.
Zwischen den Gieichstrompolen üegt ein Glättungskondensator 27. Die Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 stellt eine GleichspannungsquelleA smoothing capacitor is placed between the DC poles 27. The DC voltage side of the rectifier and inverter 2 provides a DC voltage source
28 dar, an der die Gleichspannung Ua ι abgegriffen werden kann.28, at which the direct voltage Ua ι can be tapped.
Zur Anfangsaufladung des Glättungskondensators kann die Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 über den ungesteuerten Gleichrichter S und einen Transformator 4 mit der Wechselspannungsquelle 8 in Verbindung stehen (F i g. 4). Dabei ist die Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 mit der Gleichspannungsseite des ungesteuerten Gleichrichters 5 verbunden. Der üngesteueftc Gleichrichter 5 ist als Voiiwteggieicnrichtcr mit Dioden 29, 30, 31 und 32 ausgebildet. Die Mittelabzweige der beiden Brückenzweige sind an den ersten bzw. zweiten Anschluß der Sekundärwicklung des Transformators 4 angeschlossen.For the initial charging of the smoothing capacitor, the DC voltage side of the rectifier and inverter 2 can be connected to the AC voltage source 8 via the uncontrolled rectifier S and a transformer 4 (FIG. 4). The DC voltage side of the rectifier and inverter 2 is connected to the DC voltage side of the uncontrolled rectifier 5. The variable rectifier 5 is designed as a voltage converter with diodes 29, 30, 31 and 32. The center branches of the two bridge branches are connected to the first and second connection of the secondary winding of the transformer 4.
An die Sekundärwicklung 18 des Transformators 3 kann zusätzlich der gesteuerte Gleichrit ;er 6 angeschlossen sein (F i g. 2). Der Gleichrichter 6 ist als Beispiel in bekannter Weise (Buch von Heumann/Siumpe »Thyristoren«. 1974. Teubner-Verlag Stuttgart. Seite 112. Bild 112.1). 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 Anschluß 18a bzw. ISb der Sekundärwicklung 18 des Transformators 3 angeschlossen. In ».irier Gleichstromausgangsleitung befindet sich eine Glättungsdrossel 39. An der durch den gesteuerten Gleichrichter 6 gebildeten Gleichspannungsquelle 40 kann eine veränderliche Gleichspannung Ud* abgegriffen werden.The controlled DC link 6 can also be connected to the secondary winding 18 of the transformer 3 (FIG. 2). The rectifier 6 is an example in a known manner (book by Heumann / Siumpe "Thyristors". 1974. Teubner-Verlag Stuttgart. Page 112. Fig. 112.1). designed as an asymmetrical, half-controlled bridge circuit with two thyristors 35 and 36 connected in series and two diodes 37 and 38 connected in series. The center branches of the two bridge branches are connected to the first and second connection 18a and ISb of the secondary winding 18 of the transformer 3. A smoothing choke 39 is located in the direct current output line. A variable direct voltage Ud * can be tapped from the direct voltage source 40 formed by the controlled rectifier 6.
Die erfindungsgemäße Schaltung hat folgende Wirkungsweise: The circuit according to the invention has the following mode of operation:
Es soll beispielsweise eine Wechselspannung mit einer Frequenz von !62Z1 Hz in eine konstante oder eine veränderliche Gleichspannung umgewandelt wetden Hierzu muß zunächst einmal die Schaltung in Betrieb geset/t werden, d. h. zunächst muß der Kondensator 27 auf der Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 aufgeladen werden. Dies geschieht bei Inbetriebnahme der Schaltung über den Transformator 4 und den ungesteuerten Gleichrichter 5. Damit wird bewirkt, daß unmittelbar nach dem Einschalten der Versorgungsspannung l/, 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 Direktumnchter 1 und den Gleich- und Wechselrichter ZFor example, an alternating voltage with a frequency of! 6 2 Z 1 Hz is to be converted into a constant or a variable direct voltage Inverter 2 are charged. This is done at start-up of the circuit via the transformer 4 and the uncontrolled rectifier 5. In order that is generated immediately after the supply voltage is l / to the AC power source 8 is a DC voltage on the DC side of the rectifier and the inverter 2 is effected. During operation, the capacitor 27 is charged via the direct converter 1 and the rectifier and inverter Z.
Ist der Kondensator 27 aufgeladen, können der Direktumrichter 1 u.-j der Gleich- und Wechselrichter 2 in Betrieb gesetzt werden, wobei durch geeignete Steuerung oder Regelung die Gleichspannung Uj s an der Gleichspannungsquelle 28 auf einen höheren Wert eir.ges'illt 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 v/irkt 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 Selbstgefühlen Gleich- und Wechselrichters 2 zusätzliche Filtermittel, beispielsweise Saugkreise angeordnet sindIf the capacitor 27 is charged, the direct converter 1 and the rectifier and inverter 2 can be put into operation, whereby the direct voltage Uj s at the direct voltage source 28 can be increased to a higher value by suitable control or regulation what the auxiliary charger. which is used to charge the capacitor 27 during commissioning, completely freed from the actual energy transfer. The auxiliary charger consequently only takes up a small fraction of the total throughput. The capacitor 27 not only acts as an energy store for the various commutation processes in the circuit, but it must also compensate for energy fluctuations, in particular the large energy pendulum that occurs with single-phase feed at a low frequency. It can therefore be advantageous that the rectifier and inverter 2 additional filter means, for example suction circuits, are arranged on the direct current side of the sense of self
Wie schon oben erwähnt, ist die Erfindung nicht auf einphasige Anordnungen beschränkt. Der selbstgeführte Gleich- und Wechselrichter 2, der Transformator 3 s und der Direktumrichter 1 können auch mehrphasig, irisbesondere dreiphasig, ausgeführt sein. Die Wirkungsweise der Schaltung ändert sich dadurch nicht. Der fremdgeführte Direktumnchter 1 arbeitet an der führenden Spannung Uf \ die zwischen den AnschlüssenAs already mentioned above, the invention is not limited to single-phase arrangements. The self-commutated rectifier and inverter 2, the transformer 3 s and the direct converter 1 can also be multi-phase, in particular three-phase. This does not change the mode of operation of the circuit. The externally controlled direct downstream 1 works on the leading voltage Uf \ that between the connections
!θ ·§0 uiicjM der Primärwicklung 7 des Transformators 4 anliegt Im NormalbetrieB wird die Energie der an der Wechselspannungsquelle 8 anliegenden Versorgungsspannung Uy zur Spannung Ui ι übertragen. ! θ · §0 uiicj M is applied to the primary winding 7 of the transformer 4 In normal operation, the energy of the supply voltage Uy applied to the AC voltage source 8 is transferred to the voltage Ui ι.
Es besteht auch die Möglichkeit, den als antiparallele Brückenschaltung aufgebauten Direktumnchter 1 durch eine Mittelpunktschaltung zu ersetzen. Jedes der steu rbaren Ventile 9,10,11,12,13,14,15 und 16 kann weiterhin aus einer Reihenschaltung mehrerer Bauelemente, z. B. Thyristoren h> lehen.There is also the possibility of replacing the direct reverse 1, which is constructed as an anti-parallel bridge circuit, with a midpoint circuit. Each of the controllable valves 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16 can also consist of a series connection of several components, eg. B. Thyristors h> lehen.
Der fremdgefuhrte Direktumnchter 1 wird von dem Gleich- und Wechselrichter 2 geführt. Durch Zünden und Lo der steuerbaren Ventile 19, 20, 2! und 22The externally controlled direct converter 1 is controlled by the rectifier and inverter 2. By igniting and Lo of the controllable valves 19, 20, 2! and 22
des Glesch- und Wechselrichters 2 läßt sich erreichen, daß an den Anschlüssen 18a und 18* des Transformators 3 eine Wechselspannung Un vorgebbarer Frequenz, z. B. 200 Hz. erzeugt wird. Die Amplitude der Wechselspannung Uf 2 wird dadurch bestimmt, daß aufgrund der Steuerung les Direktumrichters 1 und der Belastung auf der Gleichspannungsseite des Gleich- und Wechselrichters 2 sich eine Spannung Uds am Kondensator 27 einstellt, welche die Amplitude eier Wechselspannung Ufi bestimmt Die führende Wechselspannung Ur ? bewirkt auch die Kommutierung für den fremdgeführten Direktumnchter 1.of the converter and inverter 2 can be achieved that at the connections 18a and 18 * of the transformer 3 an alternating voltage Un predetermined frequency, z. B. 200 Hz. Is generated. The amplitude of the alternating voltage Uf 2 is determined by the fact that due to the control les direct converter 1 and the load on the direct voltage side of the rectifier and inverter 2, a voltage U d s is set on the capacitor 27, which determines the amplitude of the alternating voltage Ufi Ur ? also causes the commutation for the externally controlled direct changeover 1.
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.For processes in the frequency range that occurs during commutation, the leading voltage Uf2 - viewed as a voltage source - must have a small internal impedance in order to enable the necessary current change during commutation.
Diese kleine innere Impedanz wird erreicht, indem der selbstgeführle Gleich- und Wechselrichter 2 in an sich bekannter Weise auf der Gleichspannungsseite kommutiert und einen Stromrichter mit auf der Gleichspannungsseite eingeprägter Spannung dnrstellt (ETZ-A.This small internal impedance is achieved by the self-commutated rectifier and inverter 2 in itself known way commutated on the DC voltage side and a converter on the DC voltage side applied voltage (ETZ-A.
« Bd. 87 (1966). H. 18. Seiten 649 bis 658). Die Umschaltfrequenz des Gleich- und Wechselrichters 2 und damit die Frequenz der Wechselspannung Ufi an den Anschlüssen 18a und 186 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."Vol. 87 (1966). H. 18. Pages 649 to 658). The switching frequency of the rectifier and inverter 2 and thus the frequency of the alternating voltage Ufi at the connections 18a and 186 of the secondary winding 18 of the transformer 3 can in principle be set as desired. For many applications it will be particularly beneficial if this intermediate frequency is kept constant.
Durch die Steuerung des Direktumrichters 1 wird der Energiefluß bestimmL 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 Udi an der Gleichspannungsquelle 28 steuern und regeln läßt. Die Schaltung wird günstig genutzt bei einer Steuerung oder Regelung auf einen konstanten Wert der Gleichspannung Ud* By controlling the direct converter 1, the energy flow is determined. By suitable control of the direct converter 1, it can firstly be achieved that there is an optimal power factor in the supply network and, secondly, the magnitude of the direct voltage Udi at the direct voltage source 28 can be controlled and regulated. The circuit is used favorably with a control or regulation to a constant value of the direct voltage Ud *
Soll die an der Wechselspannungsquelle 8 anliegende Versorgungsspannung U\ in eine veränderliche Gleichspannung umgewandelt werden, so wird die Schaltung gemäß Fig.2 angeschlossen und die veränderliche Gleichspannung Ua* kann an der Gleichspannungsquel-Ie 40 des Gleichrichters 6 abgegriffen werden. Die Gesamtschaltung gestattet es, daß über einen derartigen If the supply voltage U \ applied to the AC voltage source 8 is to be converted into a variable DC voltage, the circuit according to FIG. 2 is connected and the variable DC voltage Ua * can be tapped at the DC voltage source 40 of the rectifier 6. The overall circuit allows that over such
parallelgeschalteten Zusatzstromrichter die gesamte Energie fließt. Am eigentlichen Energietransport ist der führende Gleich- und Wechselrichter 2 dann gar nicht mehr beteiligt, er wirkt nur noch als Führüngsstromrichter und in Verbindung mit dem Kondensator 27 als Kurzzeitenenergiespeicher.additional power converter connected in parallel, the entire energy flows. The actual energy transport is where the leading rectifier and inverter 2 then no longer involved, it only acts as a leading converter and in connection with the capacitor 27 as a short-term energy store.
Die erfindungsgemäße Schaltung erlaubt es auch, die an der '> echSelspannüngsqUelle 8 anliegende Versorgungsspannung U\ in eine Wechselspannung Us anderer Frequenz, Amplitude und Phasenzahl umzuwandeln (Fig. 3). Zu diesem Zweck kann anstelle des GleJchrich- «ers 6 an die Anschlüsse i&s und 186 der Sekundärwicklung 18 des Transformators 3 ein Direktumrichter 45 angeschlossen werden. Der Direktumrichler 45 ist hier beispielsweise in bekannter Weise dreiphasig in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung ausgeführt mit Thyristoren 46 bis 59 (Buch von Heumann/Stumpe, »Thyristoren«, 1974, Teubner-Verlag Stuttgart. Seite 127.BiId 127-2).The circuit according to the invention also allows the voltage applied to the '> 8 echSelspannüngsqUelle supply voltage U \ into an AC voltage Us convert other frequency, amplitude and phase number (Fig. 3). For this purpose, instead of the rectifier 6, a direct converter 45 can be connected to the connections i & s and 186 of the secondary winding 18 of the transformer 3. The direct converter 45 is designed here, for example, in a known manner, three-phase in a counter-parallel circuit with no circulating current, with thyristors 46 to 59 (book by Heumann / Stumpe, "Thyristors", 1974, Teubner-Verlag Stuttgart. Page 127.BiId 127-2).
Am Ausgang des Direkttimrichters 45 kann eine dreiphasige Wechselspannung abgegriffen werden. Die dreiphasige Ausgangsspannung Us 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 iSb der Sekundärwicklung 13 deS Transformators 3 liegenden SpannungA three-phase alternating voltage can be tapped off at the output of the direct timer 45. The three-phase output voltage Us of the direct converter 45 can also be adjusted in amplitude and frequency by suitable control of the direct converter 45. The direct converter 45 can be controlled in such a way that a three-phase machine can be operated with a variable speed at its output. Should the output frequency of the direct converter 45 be close to the frequency of the voltage lying between the connections 18a and iSb of the secondary winding 13 of the transformer 3
ίο Ufz heranreichen, so ist es vorteilhaft, die Frequenz der Spannung Un auf ein ganzzahliges Vielfache_s der Ausgangsspannung Us einzustellen, wobei eine Änderung der Frequenz der Ausgangsspannung Us auch eine Frequenzänderung in der Spannung i/« herbeiführt.If Ufz reach, it is advantageous to set the frequency of the voltage Un to an integer multiple of the output voltage Us , a change in the frequency of the output voltage Us also causing a frequency change in the voltage i / «.
Auf diese Weise werden die bei dem Direktümrichter 45 andernfalls auftretenden und äußerst schwer zu beherrschenden Unterschwingungen von vornherein vermieden. Das ganzzahlige Verhältnis zwischen den Frequenzen der Spannung Ui 2 und U', kann ggf.In this way, the undershoots which would otherwise occur with the direct converter 45 and which are extremely difficult to control are avoided from the outset. The integer ratio between the frequencies of the voltage Ui 2 and U ' can possibly be
umgeschaltet werden, v.enn ein großer Frequenzbereich der Spannung U--, benötigt wird.be switched, especially if a large frequency range of the voltage U-- is required.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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| DE19762614445 DE2614445C2 (en) | 1976-04-03 | 1976-04-03 | Converter arrangement for converting a specified AC line voltage |
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1977
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| CH600667A5 (en) | 1978-06-30 |
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