DE2632785B2 - Gleichstromzerhacker - Google Patents

Description

Der bekannte Gleichstromzerhacker soll sowohl mit einem Öffnungsverhältnis unter 5% als auch mit einem Öffnungsverhältnis über 5% arbeiten. Im letzteren Fall wird, wenn der Löschkondensator so aufgeladen ist, daß seine mit dem Löschthyristor verbundene Klemme eine gegenüber seiner anderen Klemme negative Spannung aufweist, in dem Augenblick, in welchem der Thyristor 3 löscht die Spannung an dem das Ventil bildenden Thyristor 4 schlagartig von einem negativen Wert in der Nähe von Null bis auf den Wert +£T(der in der Praxis zwischen 800 und 1000 V liegt) ansteigen und dieser Thyristor 4 kann aufgrund des sehr hohen Wertes des Differentialquotienten der Spannung selbstzünden. Infolgedessen kann dieser Thyristor aus dem Löschkondensator eine gewisse Energie genau in dem Zeitpunkt ableiten, in welchem die gesamte Energie, die in dem Löschkondensator gespeichert ist, für die Kommutierung des Hauptthyristors erforderlich ist. Da weiter die Spannung an der anderen Klemme des Löschkondensators, die mit der Freilaufdiode verbunden ist, den Wert 2E erreichen kann, muß die Freilaufdiode eine solche Spannung (die in der Praxis in der Größenordnung von 2000 V liegt) aushalten können. Es ist deshalb eine große und teuere Freilaufdiode erforderlich, die hohe Überspannungen aushalten kann.

Ein Gleichstromzerhacker gemäß einem älteren Vorschlag (DE-OS 26 03 872) hat im wesentlichen den gleichen Schaltungsaufbau wie der vorstehend beschriebene — lediglich das Ventil besteht aus einer Diode statt aus einem Thyristor — so daß bei diesem Gleichstromzerhacker die gleichen Probleme auftreten.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Steuerung des Gleichstromzerhackers der eingangs

genannten Art zu verbessern und das Auftreten von Überspannungen zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs genannte Gleichstromzerhacker gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die erste Induktivität mit der Parallelschaltung aus dem Löschkcndensator und aus der Schaltung zur Umkehrung seiner Ladung und mit dem Loschthyristor in Reihe geschaltet ist, daß das Ventil eine erste Diode ist und in Reihe mit einem ersten Widerstand die aus der vorgenannten Parallelschaltung und der ersten Induktivität gebildete Reihenschaltung überbrückt, wobei die Polarität der ersten Diode der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist, und daß ein Entkopplungskreis aus zwei parallelen Zweigen, von denen der eine einen Kondensator in Reihe mit einem zweiten Widerstand und der andere einen dritten Widerstand in Reihe mit einer zweiten Diode enthält, zwischen den vom Löschkondensator abgewandten Anschluß der ersten Induktivität und die nicht mit dem Hauptthyristor verbundene Klemme dt.· den Zerhacker speisenden Gleichstromquelle geschaltet ist, wobei die Polarität der zweiten Diode der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist

Wenn in dem Gleichstromzerhacker nach der Erfindung der den dritten Widerstand und die zweite Diode enthaltende Zweig des Entkopplungskreises nicht vorhanden wäre, würde in dem Zeitpunkt, in welchem der Hauptthyristor gelöscht wird, der Löschthyristor ebenfalls gelöscht werden und die Spannung an dem Verbindungspunkt der ersten Induktivität, des Löschkondensafon; und der Schaltung zur Umkehrung seiner Ladung würde gegenüber der nicht mit dem Hauptthyristor verbundenen Klemme der den Zerhakker speisenden Gleichstromquelle negativ werden. Nach einigen Betriebsperioden würde sie aufgrund eines Kumulationseffektes infolge des Vorhandenseins der Induktivitäten in der Schaltung sogar sehr negativ werden. Das wird in dem Zerhacker nach der Erfindung dadurch verhindert, daß die Spannung in jeder Periode mittels der zweiten Diode wieder auf Null gebracht wird. Das geschieht dadurch, daß diese leitend wird, sobald die Spannung an dem Verbindungspunkt der ersten Induktivität, des Löschkondensators und der Schaltung zur Umkehrung seiner Ladung negativ ist.

Ebenso würde ohne das Vorhandensein des anderen Zweiges des Entkopplungskreises mit dem Kondensator und dem zweiten Widerstand, wenn die erste Diode zu leiten aufhört, die Spannung an den Klemmen des Thyristors in der Schaltung zur Umkehrung der Ladung des Löschkondensators, die zuvor etwa Null war, schlagartig auf einen Wert von etwa E übergehen. In diesem Augenblick würde die Selbstzündung dieses Thyristors aufgrund des sehr hohen Wertes des Differentialquotienten der Spannung an seinen Klemmen vor dem Eintreffen des Zündbefehls erfolgen. Das wird durch den aiii RC-Glied arbeitenden Zweig mit dem Kondensator und dem zweiten Widerstand vermieden, da dieser die Geschwindigkeit der Spannungsänderuty» verringert, um den Differentialquotienten der Spannung auf einen Wert zu bringen, welcher nicht ausreicht, um das Selbstzünden des Thyristors in der LadungsMmkehirschaltung zu verursachen.

Durch defl in dem Gleichstromzerhacker nach der Erfindung vorgesehenen Entkopplungskreis wird die Spannung ah *ler gemeinsamen Klemme der ersten Induktivität, des ersten Widerstandes, des Löschthyristors, des zweiten Widerstandes und der zweiten Diode stabilisiert, wodurch Überspannungen an den Halbleitern bei gesperrtem Lösch thyristor verhindert werden. Gemeinsam verhindern beide Zweige des Entkopplungskreises, daß die Spannung an der gemeinsamen Klemme zwischen weit auseinanderliegenden Werten schwankt Für die Halbleiter, d. h. für die erste Diode, den Löschthyristor und den Thyristor in der Ladungsumkehrschaltung sowie für die passiven Schaltungselemente, wie den Löschkondensator, können deshalb weniger aufwendige Bauelemente ge.vählt werden.

ίο Da überdies in dem Gleichstromzerhacker nach der Erfindung die Spannungsdifferenz an den Klemmen der Freilaufdiode deutlich niedriger ist als bei dem bekannten Gleichstromzerhacker und niemals den Wert 2E erreicht, weil die Spannung an der gemeinsamen Klemme der ersten Induktivität, des ersten Widerstandes, des Löschthyristors, des zweiten Widerstandes und der zweiten Diode höchstens den Wert E+e haben kann, wobei e die maximale Spannungsdifferenz an den Klemmen des ersten Widerstandes ist, sind die Kosten und die Größe der Freilaufdiode wesentlich geringer als bei dem bekannten Gleichstromzerhacker.

Während bei dem bekannten Gleichstromzerhacker bei dem Betrieb mit einem Öffnungsverhältnis über 5% der Hauptthyristor gezündet wird, wenn die Ladungsumkehr des Löschkondensators beendet ist, kann bei dem Gleichstromzerhacker nach der Erfindung der Hauptthyristor unabhängig von dem Zustand der Ladung des Löschkondensators gezündet werden, wodurch der Gleichstromzerhacker nach der Erfindung

jo wesentlich besser steuerbar ist.

Wenn die induktive Belastung des Gleichstromzerhackers ein Motor ist, so stellt dieser im Stillstand einen Kurzschluß zwischen seinen Klemmen dar. Beim Anlauf desselben könnte sich, wenn der Hauptthyristor

J5 gezündet und unmittelbar danach mit Hilfe des Löschthyristors mit der normalen Frequenz gelöscht würde, bei NichtVorhandensein der ersten Diode und des ersten Widerstands, der Löschkondensator mangels ausreichender Zeit nicht normal entladen, sondern sich über den Löschthyristor, der dann leitend ist, direkt in den Motor entladen, so daß die in dem Löschkondensator gespeicherte Energie verlorenginge. Das wird durch die erste Diode und den ersten Widerstand vermieden, mittels welchen es möglich ist, diese Energie wiederzugewinnen, indem der Entladestrom des Löschkondensators in jenem Augenblick nicht in den Motor, sondern in die Gleichstromquelle geleitet wird. Der Löschthyristor wird erst am Ende der Entladung des Kondensators gezündet, wodurch vermieden wird, daß der Motor von

so einem zu starken Strom durchflossen wird, solange er praktisch einen Kurzschluß darstellt. Mit zunehmender Drehzahl des Motors wird der Löschthyristor bälder und bälder gezündet, damit der Motorstrom stärker und stärker wird, und schließlich wird der Hauptthyristor gezündet, um dem Motor den maximalen Strom zu liefern.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die Schaltung einer ersten Ausführungsform des Gleichstromzerhackers nach der Erfindung zur Speisung eines Gleichstrommotors,
F i g. 2 die Schaltung einer zweiten Ausführungsform, Fig.3 die Kurve der zeitlichen Änderung der Spannung eines kennzeichnenden Punkts der Schaltung

b5 :<erFig. 1,

F i g. 4 die Kurve der zeitlichen Änderung des Stroms in dem Umkehrthyristor und in der ersten Diode der Schaltung der Fig. 1.

In Γ i g. 1 sind 1 und 2 die Klemmen der Gleichstromquelle konstanter Spannung, welche den Zerhacker speist, welcher einen Hauptthyristor 3 und einen Löschthyristor 4 in Reihe mit einem Stromkreis mit zwei parallelen Zweigen enthält, von denen der eine einen Löschkondensator 5 und der andere einen Umkehrthyristor 6 in Reihe mit einer Umkehrinduktivität/enthält.

Der Zerhacker speist zwischen den Klemmen 8 und 9 (wobei die Klemme 9 mit der negativen Klemme 2 verbunden ist) eine induktive Belastung, welche bei dem gewählten Beispiel durch einen Gleichstrommotor 10 in Reihe mit einer Glättungsdrossel 11 gebildet wird, die durch eine Freilaufdiode 12 überbrückt sind.

Weiter enthält die Schaltung von Fig. 1 folgende zusätzliche Elemente:

a) eine erste Induktivität 14 ist mit dem die Elemente 5,6 und 7 enthaltenden Teil des Zerhackers auf der von der den Eingang des Zerhackers bildenden positiven Klemme 1 abgewandten Seite in Reihe geschaltet, d. h. die erste Induktivität 14 ist in dem Fall der Fig. 1 mit dem Löschthyristor 4 auf der Seite der Anode desselben in Reihe geschaltet;

b) zwischen den Anoden der Thyristoren 3 und 4 sind in Reihe ein erster Widerstand 15 und eine erste Diode 16 so geschaltet, daß die Katode der Diode 16 mit der Anode des Hauptthyristors 3 verbunden ist;

c) zwischen den Ausgang des Zerhackers, d. h. zwischen die miteinander verbundenen Katoden der Thyristoren 3 und 4 und die Klemme 8 ist eine zweite Induktivität 17 geschaltet;

d) ein Entkopplungskreis ist zwischen die Klemme 2 (oder 9) und die Anode des Löschthyrisiors 4 geschaltet. Er besteht aus zwei parallelen Zweigen, von denen der eine einen Kondensator 18 in Reihe mit einem zweiten Widerstand 19 und der andere einen dritten Widerstand 20 in Reihe mit einer zweiten Diode 21 enthält, und zwar derart, daß die Katode der Diode 21 mit der Anode des Löschthyristors 4 verbunden ist. Dieser Entkopplungskreis soll zu plötzliche Änderungen der an die Thyristoren angelegten Spannungen verhindern und die Ladung des Kondensators 5 begrenzen;

e) eine Steuerlogik 22 steuert die Thyristoren 3,4 und 6 des Zerhackers. Um in dem Motor 10 Ströme mit stetig zunehmender Stromstärke zu erhalten, arbeitet diese Steuerlogik 22 nacheinander gemäß den beiden nachstehenden Betriebsarten:

1.) Falls die Stromstärke in dem Motor 10 klein sein soll, d. h. zwischen einigen Prozent und etwa zehn Prozent des Nennstroms des Motors, zündet die Logik 22 den Löschthyristor 4 während der Leitungsperioden der ersten Diode 16, wobei die dem Motor 10 gelieferte Energie proportional zu dem Zeitraum zwischen der Zündung des Löschthyristors 4 und der natürlichen Löschung der Diode 16 ist
2.) Falls die Stromstärke in dem Motor 10 größer als die oben angegebenen Werte ist, zündet die Logik 22 den Hauptthyristor 3, worauf sie diesen durch Zündung des Löschthyristors 4 löscht

Im Einzelnen arbeitet der Zerhacker folgendermaßen:

Bei der ersten Betriebsart wird der durch die Gleichstromquelle über die erste Induktivität 14 und den Zweig 18-19 des Entkopplungskreises 18 bis 21 aufgeladene Löschkondensator 5 durch Zündung des Thyristors 6 über die Induktivität 7 umgeladen. Der Löschkondensator 5 und die Induktivität 7 bilden einen Resonanzkreis, wobei sich die Ladung des Löschkondensators 5 umkehrt. Die Kurve 23 der F i g. 3 zeigt die zeitlichen Änderungen der Spannung an der Stelle der Verbindung 24, welche die erste Induktivität 14 mit dem Löschkondensator 5 und der Induktivität 7 der Schaltung der F i g. 1 verbindet, während dieser

ίο Ladungsumkehr, wobei £ die Spannung der Gleichstromquelleist.

In F i g. 4 zeigen die Kurve 25 die zeitliche Änderung des Stroms in dem Thyristor 6 der Fig. 1 und die gestrichelte Kurve 26 die entsprechende Änderung des Stroms in der ersten Diode 16.

Wenn die Spannung an der Stelle der Verbindung 24 den Wert £ erreicht, d. h. zu dem Zeitpunkt 11, wird die erste Diode 16 leitend und entlädt den Löschkondensator 5, dessen Ladung sich über die erste Induktivität 14 und den Widerstand 15 umkehrt. Sobald die Umkehr der Ladung des Löschkondensators 5 beendet ist, d. h. zu dem Zeitpunkt / 2, hört das Leiten des Thyristors 6 auf Die Entladung des Löschkondensators 5 über den Kreis der ersten Diode 16 geht weiter, bis die Spannung bei 24 den Wert der Spannung der Klemme 2 annimmt, d. h. zu dem Zeitpunkt /3, worauf das Leiten der ersten Diode 16 aufhört.

Zur Zündung des Löschthyristors 4 zu einem zwischen 11 und f 3 liegenden Zeitpunkt wird dann aul den Motor 10 ein Teil der in dem Löschkondensator 5 und in den Induktivitäten 7 und 14 gespeicherter Energie abgeleitet.

Durch Verschiebung des Zündzeitpunkts des Thyristors 4 von r3 in Richtung auf M vergrößert mar allmählich den so dem Motor 10 zugeführten Strom welcher durch Zündung des Löschthyristors 4 in dei Nähe des Zeitpunkts f3 auf einige Prozent de« Nennstroms des Motors eingestellt werden kann.

Um bei der zweiten Betriebsart den Strom in derr Motor 10 über den Wert hinaus zu steigern, welcher durch Zündung des Löschthyristors 4 zu dem Zeitpunki 11 erhalten wird, wird der Hauptthyristor 3 vor dei Zündung des Löschthyristors 4 gezündet, desser Zündung dann stets zu dem Zeitpunkt 11 erfolgt. Durch Vergrößerung des Zeitraums zwischen den Zündunger der Thyristoren 3 und 4 steigert man von neuem der Strom in dem Motor 10 allmählich bis auf den zulässiger Höchstwert.

F i g. 2 zeigt eine andere Schaltung der Elemente des Gleichstromzerhackers. Sie enthält alle, mit der gleichen Bezugszeichen bezeichneten Elemente dei Fig. 1. Gegenüber der Schaltung der Fig. 1 sind nur folgende Änderungen zu beachten:

Der die Elemente 5, 6, 7, 14, 15 und 16 enthaltende Stromkreis wurde mit dem Löschthyristor 4 vertauscht Ferner ist der die Elemente 18 bis 21 enthaltende Entkopplungskreis anders geschaltet da der zweit« Widerstand 19 und die Kathode der zweiten Diode 21 anstatt mit der Anode des Löschthyristors 4 mit dei Kathode des Hauptthyristors 3 verbunden sind.

Die Schaltung der Fig.2 arbeitet jedoch in dei gleichen Weise wie die der Fig. 1, wobei der einzig« Unterschied in den besonderen Weiten der benutzter Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände be steht Die Steuerlogik ist in beiden Fällen identisch.

Der hier beschriebene Gleichstromzerhacker is insbesondere für die Speisung von Bahnmotoren füi Eisenbahnfahrzeuge verwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleichstromzerhacker mit konstanter Frequenz zur Speisung einer mit einer Freilaufdiode überbrückten induktiven Belastung, mit einem in Reihe mit der Belastung, einer zweiten Induktivität und einer Gleichstromquelle liegenden Hauptthyristor, zwischen dessen Hauptanschlüsse ein Löschthyristor in Reihe mit einem Löschkondensator geschaltet ist, welch letzterer durch einen Stromkreis zur Umkehrung seiner Ladung und durch einen ein Ventil und eine erste Induktivität in Reihe enthaltenden Stromkreis zu seiner Entladung überbrückt ist, ferner mit einer Steuerlogik, welche in dem Laststrombereich oberhalb eines Mindestlaststroms, der beim Betrieb des Zerhackers mit dem Hauptthyristor durch die Löscheinrichtung fließt, abwechselnd den Hauptthyristor und den Löschthyristor zündet und welche in dem Laststrombereich unterhalb des vorgenannten Mindestlaststroms nur noch den Löschthyristor zündet, und zwar jeweils zu einer entsprechend dem gewünschten Wert des Laststroms einstellbaren Zeit vor dem natürlichen Löschzeitpunkt des Ventils des Entladestromkreises, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Induktivität (14) mit der Parallelschaltung aus dem Löschkondensator (5) und aus der Schaltung (6—7) zur Umkehrung seiner Ladung und mit dem Löschthyristor (4) in Reihe geschaltet ist, daß das Ventil eine erste Diode (16) ist und in Reihe mit einem ersten Widerstand (15) die aus der vorgenannten Parallelschaltung und der ersten Induktivität (14) gebildete Reihenschaltung überbrückt, wobei die Polarität der ersten Diode (16) der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist und daß ein Entkopplungskreis aus zwei parallelen Zweigen, von denen der eine einen Kondensator (18) in Reihe mit einem zweiten Widerstand (19) und der andere einen dritten Widerstand (20) in Reihe mit einer zweiten Diode (21) enthält, zwischen den vom Löschkondensator (5) abgewandten Anschluß der ersten Induktivität (14) und die nicht mit dem Hauptthyristor (3) verbundene Klemme (2) der den Zerhacker speisenden Gleichstromquelle geschaltet ist, wobei die Polarität der zweiten Diode (21) der Polarität der Stromquelle entgegengesetzt ist.

   Die Erfindung betrifft einen Gleichstromzerhacker mit konstanter Frequenz zur Speisung einer mit einer Freilaufdiode überbrückten induktiven Belastung, mit einem in Reihe mit der Belastung, einer zweiten Induktivität und einer Gleichstromquelle liegenden Hauptthyristor, zwischen dessen Hauptanschlüsse ein Löschthyristor in Reihe mit einem Löschkondensator geschaltet ist, welch letzterer durch einen Stromkreis zur Umkehrung seiner Ladung und durch einen ein Ventil und eine erste Induktivität in Reihe enthaltenden Stromkreis zu seiner Entladung überbrückt ist, ferner mit einer Steuerlogik, welche in dem Laststrombereich oberhalb eines Mindestlaststroms, der beim Betrieb des Zerhackers mit dem Hauptthyristor durch die Löscheinrichtung fließt, abwechselnd den Hauptthyristor und den Löschthyristor zündet und welche in dem Laststrombereich unterhalb des vorgenannten Mindestlaststroms nur noch den Löschthyristor zündet, und zwar jeweils zu einer entsprechend dem gewünschten Wert des Laststroms einstellbaren Zeit vor dem natürlichen Löschzeitpunkt des Ventils des Entladestromkreises.
   Ein solcher Gleichstromzerhacker ist bekannt (FR-OS 21 23 222).

   Zerhacker dieser Art werden von einer Gleichstromquelle konstanter Spannung gespeist und werden insbesondere benutzt, um einem mit einer Glättungsdrossel in Reihe geschalteten Gleichstrommotor eine einstellbare Spannung zu liefern. Während der Zeiträume, während welcher die Speisung des Motors von dem Zerhacker unterbrochen wird, können der Motor und die Glättungsdrossel über die Freilaufdiode die während des vorhergehenden Zeitraums der Speisung durch den Zerhacker von ihnen aufgespeicherte Energie entladen.

   Da die Zerhackungsfrequenz konstant ist, ist es nur

   durch besondere Maßnahmen möglich, den Zerhacker in dem Laststrombereich unterhalb des Mindestlast-Stroms, d. h. zwischen einigen Prozent und etwa zehn Prozent des Nennstroms des Motors arbeiten zu lassen, weil sonst im Augenblick des Arbeitens der Löscheinrichtung der Motor die in dem Löschkondensator gespeicherte Energie empfangen würde. Diese Maßnahmen bestehen darin, dem Zerhacker den das Ventil und die erste Induktivität enthaltenden Stromkreis zur Entladung des Löschkondensators zuzuordnen, welcher diesen überbrückt und gestattet, wenn der Motor in dem Laststrombereich unterhalb des Mindestlaststroms

   jo arbeiten soll, die von dem Löschkondensator gespeicherte überschüssige Energie von dem Motor fernzuhalten. Das vorgenannte Ventil ist bei dem bekannten Zerhacker ein Thyristor, der zu dem Thyristor des Ladungsumkehrstromkreises gegenparallel geschaltet