DE2627913A1

DE2627913A1 - Gleichstrom-unterbrecher

Info

Publication number: DE2627913A1
Application number: DE19762627913
Authority: DE
Inventors: Bogdan Dr Ing Fijalkowski; Stanislaw Dr Ing Staruch; Janusz Dipl Ing Zawilinski
Original assignee: Politechnika Krakowska
Current assignee: Politechnika Krakowska
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1976-06-22
Publication date: 1976-12-30
Also published as: JPS523131A; FR2315795A1; BE843290A; CA1068338A; SE7607089L; PL113027B1; NL171113B; CH620070A5; NL171113C; AT357640B; FR2315795B1; DK284876A; ATA449776A; US4068293A; NL7606810A

Description

Politechnika Krakowska 22. Juni 1976

Krakow / Polen

PL 2397

Gleichstrom-Unterbrecher

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Unterbrecher mit mehreren Thyristoren.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrphasigen Thyristor-Gleichstrom-Unterbrecher, welcher zur Steuerung der aufgenommenen
oder abgegebenen elektrischen Leistung dient, die insbesondere

bei von einer Gleichstromquelle gespeisten Elektromotoren auftritt.

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Es sind bereits mehrphasige Thyristor-Gleichstrom-Unterbrecher bekannt, welche jedoch die Anwendung komplizierter, das Gewicht und die Kosten des Unterbrechers erhöhender Steuerschaltungen und zusätzlicher Stromwender-Thyristoren erfordern.

Es sind auch Gleichstron-Unterbrecher ohne Stromwender-Thyristoren bekannt, wie z.B. Einphasen-Unterbrecher^ letztere arbeiten als Modulatoren für die Impulswiederholungsfrequenz und weisen einen Thyristor sowie einen parallel geschalteten, eine Drosselspule bzw. eine Induktivität, einen Kondensator oder einen die Funktion eines Autotransformators erfüllenden Stromtransformator und einen Kondensator enthaltenden Resonanzzweig auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Unterbrecher zu schaffen, der an seinem Ausgang eine nur durch den Spannungsabfall im Thyristor und an der Diode verminderte volle Spannung der Gleichstromquelle liefert und sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine Herabsetzung der Harmonischen im Ausgangsstrom auszeichnet.

Das Wesen des erfindungsgemäßenGleichstrom-Unterbrechers beruht darauf, daß er aus einer beliebigen Zahl gleicher, parallel geschalteter, autonomer Phasen besteht, von welchen jede eine

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gleiche Reihenschaltung der entsprechenden Thyristoren und Dioden bildet, wobei die sterngeschalteten Resonanzzweige reihengeschaltete Kondensatoren und Drosselspulen besitzen und durch die Sternscheitel entsprechend mit den Thyristor-Kathoden und den Dioden-Anoden, durch den Sternpunkt bzw. den Nullpunkt mit dem positiven oder negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden sind. Die durch die Kathoden sterngeschalteten Dioden sind mit dem Sternscheitel, d.h. mit den entsprechenden Anoden zwischen die Kondensatoren und die Drosseln geschaltet, durch den Sternpunkt, d.h. durch die Kathoden Über den Widerstand und das Schutz mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle, sowie mit der Kathode der einen und der Anode der zweiten Diode der reihengeschalteten Dioden verbunden. Die Anode einer der reihengeschalteten Dioden ist mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden, wobei ihre Kathode zusammen mit der Anode der zweiten Diode zwischen die Ankerwicklung und die Erregerwicklung und die Kathode der zweiten Diode zwischen die Erregerwicklung und die Kathoden der «it den Thyristoren reihengeschalteten Dioden geschaltet sind. Zwischen dem Gleichstrommotor und dem mit der Anode einer der reihengeschalteten Dioden verbundenen negativen Pol der Gleichstromquelle liegt das Hauptschutz, zwischen dem positiven Pol der

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Gleichstromquelle und dem Gleichstrommotor diejenige Diode, deren Anode zwischen dem Gleichstrommotor und dem Hauptschütz angeordnet ist, während die Kathode letzterer Diode mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden ist. Die Erregerwicklung wird durch den Widerstand nebengeschlossen und die Thyristoren werden in bestimmter Reihenfolge mit einer Phasenverschiebung von 2J?/m ausgelöst bzw. in den Leitzustand geschaltet.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert.

Der Unterbrecher ist zwischen eine Gleichstromquelle BA und einen Gleichstrommotor M geschaltet und setzt sich aus einer beliebigen Zahl m gleicher, parallel geschalteter, autonomer Phasen bzw. Zweige zusammen, von welchen jeder eine gleiche Reihenschaltung eines von Thyristoren Th. bis Th und einer von Dioden D. bis D bildet, wobei die sterngeschalteten Resonanzzweige reihengeschaltete Kondensatoren c. bis c und

Drosselspulen L₁ bis L besitzen und durch die Sternscheitel ^r 1 m

mit den entsprechenden Kathoden der Thyristoren Th. bis Th und den Anoden der Dioden D₁ bis D sowie durch den Sternpunkt bzw. durch den Nullpunkt mit dem positiven oder ne-

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gativen Pol der Gleichstromquelle BA verbunden sind. Der Unterbrecher enthält kathodengesteuerte Dioden d, bis d , welche durch die Sternscheitel oder entsprechende Anoden zwischen die Kondensatoren c, bis c und die Drosselspulen L, bis L geschaltet, durch den Sternpunkt oder die Kathoden dagegen über den Widerstand R und das Schütz AC mit dem negativen Pol der Gleichstrom-Energiequelle BA, sowie mit der

Kathode einer Diode D und der Anode einer Diode D. ver-

a f

bunden sind. Der Unterbrecher weist die in Reihe geschalteten

Dioden D bis D_P auf. wobei die Anode der Diode D mit dem a f a

negativen Pol der Gleichstromquelle BA verbunden ist, die

Kathode der Diode D und die Anode der Diode D- dagegen zwi-

a f

sehen der Ankerwicklung AB und der Erregerwicklung EF, die Kathode der Diode D_ zwischen der Erregerwicklung EF und der Kathode der Dioden D. bis D liegen. Zwischen der Anode

1 m

der Diode D_f und dem positiven Pol der Gleichstromquelle BA ist ein zum Kurzschliessen des Unterbrechers dienendes Schütz SC angeordnet, Zwischen dem Gleichstrommotor M und dem mit der Anode der Diode D verbundenen negativen Pol der

Gleichstromquelle BA befindet sich ein Hauptschütz MC. Zwischen den Gleichstrommotor M und die Gleichstromquelle BA ist die Diode D, geschaltet, wobei die Anode der Diode D,

D D

zwischen dem Gleichstrommotor M und dem Hauptschütz MC liegt,

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die Kathode der Diode D, dagegen mit dem positiven Pol der

Gleichstromquelle BA verbunden ist. Die Erregerwicklung EF ist durch einen Widerstand R nebengeschlossen· Die Gleichstromquelle BA besteht aus einer Akkumulatorenbatterie und einem

Filter-Kondensator C .

Der erfindungsgemäße ,Thyristoren enthaltende Unterbrecher arbeitet folgendermaßen. Während der Gleichstrommotor M angelassen wird, werden die Thyristoren Th. bis Th durch Impulse an ihren Steuerelektroden geöffnet. Im Stromkreis des Motors M beginnt ein schnell ansteigender Strom zu fHessen, wobei sich gleichzeitig an den Stromwender-Konden-

en

sator C_n bis C die in der Zeichnung an dem Kondensator C Ira m

gezeigte Polarität einstellt und die Umladung der Kondensatoren C. bis C beginnt. Der Strom der OszillationsUberlastung soll grosser als der durch die Thyristoren Th. bis Th bis zum Ausschaltzeitpunkt fliessende Strom sein, was durch die Wahl der Kapazität der Kondensatoren C₁ bis C gewährleistet wird. Während der Umladung der Kondensatoren erfolgt eine Änderung der Polarität an den Thyristoren Th₁ bis Th , was deren Umschaltung in den nicht leitenden Zustand zur Folge hat. Der Ausgangsstrom i des Unterbrechers hört auf zu fHessen, der Strom im Kreislauf des Motors M fließt jedoch aufgrund der in

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seinen Wicklungen gespeicherten elektromagnetischen Energie weiter und fließt durch die Diode D . Auf diese Weise nimmt während

des Nichtleitens der Thyristoren Th. bis Th der Strom des Motors M sukzessiv ab. Gleichzeitig erfolgt die Umladung der Kondensatoren C- bis C_m, an welchen sich die in der Zeichnung am Kondensator C gezeigte Polarität einstellt. Daraufhin werden die Thyristoren Th. bis Th geöffnet_?und der Prozeß wiederholt sich. Das Öffnen und Sperren der Thyristoren wird beim Erreichen der maximalen und der minimalen, durch die Steuereinrichtung des Unterbrechers festgelegten Momentanwerte des Stroms erzielt. In einem bestimmten Zustand des Motors ist der Umschaltprozeß stabil und der Stromverlauf als Funktion der Zeitfunktion setzt sich aus sich wiederholenden Abschnitten eines Strom-Anstiegs und eines Stromabfalls zusammen. Während des Nichtleitens der Thyristoren

Th₁ bis Th laden sich die Stromwender-Kondensatoren aperio-1 m ^r

disch in bestimmter Aufeinanderfolge mit einer Phasenverschiebung von 2 7f/m bis zum Spannungswert der Gleichstromquelle BA, d.h. der Akkumulatorenbatterie auf. Im Augenblick des Öffnens der Thyristoren dagegen entladen sie sich oszillatorisch mit einer Phasenverschiebung von 2jr/n über die

Thyristoren Th₁ bis Th und die Ferritkerne enthaltenden Strom-

⁷ 1 re

wender-Drosseln L₁ bis L . Im Augenblick des Einschaltens der

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Thyristoren Th- bis Th werden die Spannungen der Kondensatoren, die auf einen Wert aufgeladen wurden,welcher der Spannung der Gleichstromquelle BA nahezu gleich ist, zu den Induktivitäten L· bis L mit einer Phasenverschiebung von 2 7ϊ7Ίη geführt und sättigen deren Ferritkerne in derjenigen Richtung, welche üblicherweise als negative Richtung bezeichnet wird; dabei ändern sich die magnetischen Flüsse vo® ψ auf den Endwert (J) . Bis zu dem Augenblick, in dem die negative Sättigung erreicht wird, kann diese Spannung als konstant angenommen werden. Nach der Zeitspanne der Sättigung beginnt die Periode der resonanten Umladung der Kondensatoren. Die Spannungen der Kondensatoren wechseln ihre Richtung in eine entgegengesetzte Richtung mit einer Phasenverschiebung von 2 ft/tn, die Drosselspulen dagegen wechseln aus dem Zustand der negativen Sättigung nach einiger Zeit in die positive Sättigungsrichtung» Der durch den Ausgang der Drosselspulen im Zustand der negativen Sättigung unterbrochene Oszillationsprozeß kann während einer gewissen Zeit fortgesetzt werden. Die Kondensatorströme fliessen in den Thyristoren Th. bis Th mit einer Phasenverschiebung 2 Λ/βι in einer dem Strom des Motors M entgegengesetzten Richtung₉und nachdem sie l/m des Mittelwertes dieses Stroms Oberschritten haben, ändern sie sich in einen in entgegengesetzter Richtung fliessenden Strom und schalten die Thyristoren Th- bis Th aus. Diese

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Prozesse wiederholen sich periodisch im Takt der die Thyristoren Th₁ bis Th auslösenden Impulse mit einer Phasenverschie-I m

bung von 2^c/m; der Motor M wird daher mit einer Impulsfolge gespeist, deren Widerholungsfrequenz gleich mf ist, was dem Produkt der Phasenzahl des Umschalters und der die Thyristoren Th, bis Th auslösenden Impulsfrequenz entspricht. Die Breite dieser Impulse hängt hauptsächlich von der Spannung der Gleichstromquelle, der Kapazität der Kondensatoren, der Windungszahl der Drosselspulen und dem Querschnitt des Ferritkernes ab. Bei einer gegebenen Drosselspulenkonstruktion und einer konstanten Auslösefrequenz verändert sich der Mittelwert der Spannung an den Klemmen des Gleichstrommotors M linear mit der Auslösefrequenz.

Wählend des elektrischen Bremsens schaltet sich ein HauptschUtz MC aus, ein Umschalter AR dagegen schaltet sich in seine zweite Lage um. Bei« Auslösen der Thyristoren Th, bis Th erregt sich der Gleichstrommotor M im Kurzschlußzustand selbst, wobei der Strom durch die Thyristoren Th, bis Th , die Dioden

D₁ bis D und die Diode D, fließt. Wenn der Wert i erreicht Im b max

wird, leiten die Thyristoren Th, bis Th nicht, und der Bremskreis wird unterbrochen. Der Strom im Kreis des Gleichstrommotors M bleibt jedoch wegen der in seinen Wicklungen gespeicherten elektromagnetischen Energie bestehen. Dieser Strom

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fließt durch die Dioden D und D-, die Erregerwicklung EF

α τ

und die Ankerwicklung AB, die Diode D,; der Kreis wird durch

die Akkumulatorenbatterie der Gleichstrom-Energiequelle BA geschlossen, was ein Nachladen der Batterie ermöglicht. Hierauf beginnen die Thyristoren Th., bis Th und die Dioden

D₁ bis D wieder zu leiten,und der Prozeß wiederholt sich. Die Im *

Diode D- bewirkt ein Nebenschließen der Erregerwicklung und stabilisiert somit den Bremszustand, wenn die elektromotorische Kraft der Rotation des Motors H die Spannung der Akkumulatorenbatterie übersteigt. Dadurch ist die weitere Selbsterregung des Motors N durch die Akkumulatorenbatterie raöglich.

Eine beliebige Zahl von m gleichen, parallel geschalteten, autonomen Zweigen mit gleicher Frequenz f und Phasenverschiebung 2 JVm arbeitet mit dem Gleichstrommotor M zusammen. Der bis zur Belastung fliessende Ausgangsstrom i des Unterbrechers entspricht der Summe der Ströme der einzelnen Zweige, deren Ein- und Ausschaltung in einer bestimmten Reihenfolge mit der Phasenverschiebung 7.¹JiJm stattfindet. Die Impulsamplitude des Ausgangsstroms i ist kleiner und die Impulsfrequenz mmal größer als die entsprechenden Größen der Stromkomponenten des Unterbrechers. Der Verlauf des Eingangsstroms i , als Funktion

der Zeit ist den Rechteckimpulsen ähnlich, deren Wiederholungs-

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frequenz gleich mf und deren Amplitude -l/m des Mittelwertes des Ausgangsstroms ist. Im Eingangsstrom i , treten nur harmonische Komponenten mit η = m,2m, 3m... auf. Für die Übrigen Werte η treten keine harmonischen Komponenten auf. Folglich vermindert sich mit der Erhöhung der Zweige ,d.h.Phasenzahl des Unterbrechers der Inhalt an ha*B©nischen Komponenten im Eingangsstrom i , und infolgedesssn auch sein Effektivwert.

Der gemeinsame Kommutierstern, dessetn Arme Resonanzzweige bilden, welche die Kondensatoren C₁ bis C und dis Drosselspulen

Im

L. bis L mit Ferritkernen enthalten, gewährleistet einen Unterbrecher mit einfachem Aufbau, wobei gleichzeitig die Vorteile der Schaltungen mit künstlichen Stromwendung, z.B. kleine Speicherenergie im Strorawendekreislauf und gute dynamische Charakteristiken beibehalten werden.

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Claims

Z [- i -.Γ- \' T r< - 12-

Patentansprüche

.^Gleichstrom-Unterbrecher rait mehreren Thyristoren, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere (m) gleiche,parallele autonome Zweige vorgesehen sind, von weichen jederjaus einer Reihenschaltung eines Thyristors

(Th₁₁ bis Th ) und einer Diode(D. bis D ) sowie einer Reihenl nt I ü3

schaltung eines Kondensators (C₁ bis C ) und einer Drossel

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(I., bis L ) besteht, wobei die Resonanzzweige eine Sternschaltung bilden und über die Sternscheitei entsprechend mit den Kathoden der Thyristoren (Th₁ bis Th ) und den Anoden der

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Dioden (D, bis D ) und durch den Sternpunkt bzw. Nullpunkt mit dem positiven oder negativen Pol einer Gleichstromquelle verbunden sind*
2. Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kathoden sterngeschaltete Dioden (d, bis d ) vorge-

1 SB

sehen sind, welche durch die Sternscheitel bzw. die Anoden der Dioden jeweils zwischen die Kondensatoren (C^ bis C ) und die Drosseln (L, bis L ) und durch den Sternpunkt bzw. die Kathoden der Dioden Ober einen Widerstand (R ) und ein Schutz

(AC) an den negativen Pol der Gleichstromquelle (BA) sowie an

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die Kathode der Diode (D ) und die Anode der Diode (D,.) angeschlossen sind.
3. Unterbrecher nach Ansruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe geschaltete Dioden(D und D.) vorgesehen sind, daß die Anode der Diode(D ) mit dem negativen Pol der Gieichstrom-

quelle (BA) verbunden ist, während die Kathode der Diode (D )

zwischen die Ankerwicklung (AB) und die Erregerwicklung (EF) und die Kathode der Diode(D-) zwischen die Erregerwicklung (EF) und die Kathoden der Dioden (D. bis D ) geschaltet sind.

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4. Unterbrecher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichstrommotor (M) und dem mit der Anode der

Diode (D ) verbundenen negativen Pol der Gleichstromquelle a

(BA) das Hauptschutz (MC) angeordnet ist.
5. Unterbrecher nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Diode (D, ) zwischen den Gleichstrommotor (M) und

die Gleichstromquelle (BA) geschaltet ist, wobei die Anode

der Diode (D, ) zwischen dem Gleichstrommotor (M) und dem Hauptb

schütz (MC) liegt und die Kathode der Diode (D, ) mit dem posi-

tiven Pol der Gleichstromquelle (BA) verbunden ist.

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6. Unterbrecher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (EF) durch den Widerstand (R )

nebengeschlossen ist.
7. Unterbrecher nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (Th. bis Th ) in bestimmter Reihenfolge mit einer Phasenverschiebung 2/f/m eingeschaltet werden.

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