DE2710980B2 - Gleichstromsteller - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromsteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Gleichstromsteller ist bekannt (Elektrie 1971, H.5, S. 167-170). Gleichstromsteller werden im allgemeinen dazu benötigt, um die an einen Lastkreis gelegte Gleichspannung verändern zu können. Die Speisegleichspannung der Gleichstromsteller ist im allgemeinen konstant oder ändert sich nur innerhalb von Grenzen, deren Verhältnis zueinander im allgemeinen zwei nicht übersteigt. Es gibt aber auch Fälle, bei denen ein Gleichstromsteller dazu verwendet wird, an einen Lastkreis eine konstante Spannung unabhängig von einer stark, beispielsweise im Verhältnis 1 :6, schwankenden Speisegleichspannung zu liefern.

Bei solchen Gleichstromstellern ist das »Kommutiervermögen«, d. h. der maximale Strom l_miK, den der Löschkreis löschen kann, so daß der Hauptthyristor wieder sein Sperrvermögen bekommt, in vereinfachter Form proportional der im Kondensator gespeicherten Ladung Q = QV], wobei C\ die Kapazität des Kondensators und Vi die Spannung am Kondensator ist. Nun ist bei dem durch die obengenannte Literaturstelle bekannten Gleichstromsteller, wenn man gemäß einer in dieser Literaturstelle angegebenen Alternativmöglichkeit das der Spannungsbegrenzung am Kondensator dienende weitere Halbleiterventil wegläßt, die Spannuns. auf die sich der Kondensator jeweils nach dem Löschvorgang auflädt, gleich der Summe aus der Speisegleichspannung und einem dem Laststrom proportionalen Spannungsanteil. Der Kondensator muß deshalb in diesem Fall kapazitätsmäßig so groß bemessen und die übrigen Elemente des Löschkreises müssen so dimensioniert werden, daß auch bei minimaler Speisespannung die Kommutation des maximalen Laststromes mit Sicherheit durchgeführt werden kann. Bei höherer, insbesondere der maximal auftretenden Speisespannung ist daher die im Kondensator gespeicherte Ladung wesentlich größer als zur Kommutierung notwendig.

Die dann entsprechend hohe, im Kondensator gespeicherte Energie, die quadratisch mit der Speisegleichspannung wächst, ergibt für die höchsten Speisegleichspannungswerte den Umlauf von Strömen mit großer Amplitude in den Löschkreiselementen und führt zu beträchtlichen Verlusten, so daß die Löschkreiselemente wegen entsprechender Dimensionierung einen größeren Aufwand und ein größeres Volumen erfordern.

Durch die Verwendung des weiteren Halbleiterventils bei dem obengenannten bekannten Gleichstromsteller, das dort eine Diode ist, wird zwar bei hohen Speisespannungen eine gewisse Reduzierung der im Kondensator gespeicherten Energie durch <?ine Begrenzung der Kondensatorladespannung auf den Wert der Speisespannung erreicht. Da diese Begrenzung jedoch auch bei minimaler Speisespannung wirksam ist, muß der Kondensator eine höhere Kapazität haben, um bei minimaler Speisespannung das Fehlen des durch die Begrenzung weggefallenen laststromproportionalen Spannungsanteils der Kondensatorspannung auszugleichen. Hierdurch ergibt sich wieder eine entsprechende Erhöhung der bei maximaler Speisespannung im Kondensator gespeicherten Energie.

Aus der DE-OS 23 46 180, insbesondere F i g. 1, ist ein Gleichstromsteller bekannt, dessen Löscheinrichtung einen mit einem gesteuerten Löschventil in Reihe geschalteten Löschkondensator enthält, wobei der Löschkondensator an die Anode und das Löschventil an die Kathode eines zwischen einer Speisequelle und einem Lastkreis befindlichen Hauptventils, etwa eines Thyristors, gelegt sind. Dem Löschventil ist ein ungesteuertes Umschwingventil in Reihe mit einer Umschwingdrossel gegenparallel geschaltet. Ein steuerbares Freilaufventil, insbesondere ein Thyristor, ist zwischen der negativen Klemme der Speisequelle und der Kathode des Hauptventils angeordnet. Mittels einer Steuervorrichtung wird das Freilaufventil jedesmal gezündet, wenn die Kondensatorspannung einen bestimmten, über der Spannung der Speisequelle liegenden Wert überschritten hat. Auf diese Weise wird der Löschkondensator bei kleiner Speisespannung auf eine höhere Spannung gebracht und er kann daher kapazitätsmäßig kleiner bemessen werden. Bei einem Versagen der Zündung des steuerbaren Freilaufventils kann es allerdings zu gefährlichen Überspannungen am Lösch kondensator kommen.

Der Erfindung liegt die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gleichstromsteller der eingangs genannten Art die für einen großen Speisespannungsbereich erforderliche Überdimensionierung der im Löschkreis vorgesehenenen Elemente zu reduzieren.

Die genannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Der erfindungsgemäße Gleichstromsteller hat gegenüber dem eingangs

genannten bekannten Gleichstromsteller den Vorteil, daß alle Löschkreiselemente wegen der niedrigeren, im Löschkondensator zu speichernden Energie kleiner dimensioniert werden können. Diese Elemente sind daher mit geringerem Aufwand herzustellen und beanspruchen nur einen geringen Raum, wodurch eine erhebliche Kostenreduktion und Verkleinerung des Gleichstromstellers erzielt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeäspiele erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleich-Stromstellers,

F i g. 2 ein Diagramm, in dem Ströme und Spannungen verschiedener Punkte des Gleichstromstellers gemäß F i g. 1 in Funktion der Zeit dargestellt sind,

Fig. 3 ein vereinfachtes SchaJtschema einer abgewandelten Ausführungsform des Stromkreises des dritten Thyristors des erfindungsgemäßen Gleichstromstellers,

F i g. 4 ein vereinfachtes Schaltschema einer weiteren abgewandelten Ausführungsform des Stromkreises des dritten Thyristors des erfindungsgemäßen Gleichstromstellers, und

F i g. 5 ein symbolisches Schaltschema der Steuervorrichtung zum Zünden des dritten Thyristors des erfindungsgemäßen Gleichstromstellers. jo

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Speisekreis des Gleichstromstellers in F i g. 1 umfaßt eine Gleichspannungsquelle mit der Speisespannung Ue. deren eine Klemme über eine Induktanz L₂ und einen Hauptthyristor Th\ an die eine Klemme eines Lastkreises 1 angeschlossen ist Die andere Klemme der Gleichspannungsquelle ist unmittelbar mit der anderen Klemme des Lastkreises 1 verbunden. Eine Induktanz Li im Laststromkreis ist beispielsweise dargestellt; sie ist häufig in den Lastkreis 1 integriert (etwa bei einem Motor). Parallel zu den Klemmen des Lastkreises 1 ist eine Freilaufdiode Dj angeordnet.

Der Löschzweig liegt parallel zum Hauptthyristor Th\ und enthält einen Schwingkreis, welcher durch Serienschaltung einer speiseseitig angeordneten Kapazität C, und einer lastseitig angeordneten Induktanz Li gebildet ist. Parallel zu dieser Serienschaltung liegt ein Thyristor Th₂. Die Kapazität Ci ist über eine Diode D, mit dem Speisekreis, die Induktanz L\ hingegen unmittelbar mit dem Laststromkreis verbunden. Parallel zum Hauptthyristor 77?! liegt eine Diode D₂, weiche zusammen mit der Diode D] zeitweise außer dem Thyristor Th₂ eine Rückleitung des Schwingkreises bildet.

Zwischen der unmittelbar mit dem Lastkreis verbundenen Klemme der Gleichspannungsquelle und dem Verbindungspunkt zwischen der Kapazität Q und der Induktanz L\ ist ein Thyristor Tfa vorgesehen.

Mit V\ und U, sind die Ladespannung der Kapazität Q bzw. die Gleichspannung an den Klemmen des m> Lastkreises bezeichnet /1 ist der vom Lastkreis 1 aufgenommene, I₂ der durch den Hauptthyristor Th₂, /3 der durch den Thyristor Th₂, U der im Löschzweig, /5 der im Thyristor 77?₃ und 4 der in der Freilaufdiode D₃ fließende Strom. b5

Die Induktanz L₂, welche im Speisekreis vor dem Thyristor Th\ gelegen ist, ist dazu bestimmt, die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes I₂ des Thyristors Th, und des Stromes des Thyristors Th; zu begrenzen.

Der aus dem Thyristor ΓΛ3 aufgebaute Stromkreis ist dazu bestimmt, das Laden des Löschkondensators Q zu steuern.

Fig.2 zeigt die Abhängigkeit von Strömen in bestimmten Elementen und von Spannungen an den Anschlußklemmen bestimmter Schaltungselemente in Funktion der Zeit sowie die Einsatzpunkte des Leitens der Thyristoren, wobei die Ströme und Spannungen mit den gleichen Bezugszeichen l\ bis Ie, Vi, Us wie in F i g. 1 bezeichnet sind und die Abszisse zwischen den Zeitpunkten f₇ und in aus Gründen der Übersichtlichkeit stark gedehnt dargestellt ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist wie folgt:

Angenommen sei, daß die Thyristoren Th₂ und Thj zum Zeitpunkt fi und der Thyristor Th\ bis zu diesem Zeitpunkt gesperrt sind, so daß der Strom I, durch den Laststromkreis 1 und die Diode D3 läuft, wobei die besagte Freilaufdiode mit der Induktanz L3 verknüpft ist,- gleichermaßen ist angenommen, daß sich der Kondensator Q durch die Speisegleichsqannung Ue über die Elemente L₂, Du L\, L3 aufgeladen hat

Im Zeitpunkt ii wird der Thyristor Th\ gezündet Durch den Thyristor Th\ fließt dann ein Strom I₂, welcher im Zeitpunkt t₂ gleich dem Strom /1 wird. Ab dem Zeitpunkt t₂ hört die Diode Dj auf zu leiten. Zwischen den Zeitpunkten t₂ und is wird dann die Speisespannung L/fdurch den Thyristor Th\ hindurch an die Anschlußklemmen der Diode D3 gelegt.

Wenn der den Thyristor Th\ durchfließende Strom I₂ unterbrochen werden soll, wird der Thyristor Th₂ im Zeitpunkt h gezündet. Der aus dem Kondensator Q und der Induktanz L\ aufgebaute Schwingkreis wird über den Thyristor Th₂ geschlossen und der Strom /«, welcher in diesem Kreis fließt, bewirkt zwischen den Zeitpunkten tz und u eine Schwingung von einer halben Periode. Zum Zeitpunkt tt hat dann der Kondensator Ci die Polarität seiner Ladung geändert. Der Strom /4 neigt dann dazu, sich umzukehren, was sodann das Sperren des Thyristors Th₂ zur Folge hat.

Ab dem Zeitpunkt £4 fließt der Strom /4, der seine Polarität gewechselt hat, durch die Induktanz L₂, die Diode Du den Kondensator Ci, die Induktanz L\ und die Induktanz Li und ersetzt fortlaufend den durch den Thyristor Thi fließenden Strom I₂. Ab dem Zeitpunkt f₅ übertrifft der Strom /4 den Strom l\ und der Thyristor 7Tj₄ hört auf zu leiten. Der Differenzstrom (U- Iy) fließt nun durch die Diode D₂ und die Diode D\ zum anderen Ende des aus dem Kondensator Ci und der Induktanz L\ bestehenden Schwingkreises.

Die so angeregte Schwingung setzt sich fort und der Kondensator Ci bekommt nachfolgend wieder eine Ladung, deren Polarität derjenigen entspricht, die zum Zeitpunkt t\ vorhanden war.

Ab dem Zeitpunkt fe beginnt der absolute Wert des Stromes U abzunehmen. Ab dem Zeitpunkt ti wird der Strom /4 gleich dem Strom /1, so daß der Differenzstrom (U — V verschwindet und die Diode D₂ sperrt.

Die an den Klemmen des Kondensators Ci liegende Spannung Vi ist nun ein wenig geringer als Ue, da nun die Schwingung des aus dem Kondensator Ci und der Induktanz L\ bestehenden Kreises noch nicht abgeschlossen ist. Der Kondensator Ci vervollständigt seine Ladung bis auf den Wert Ue (lineares Wachsen) zwischen den Zeitpunkten t₇ und r₈ durch den konstanten Strom l\.

Ab dem Zeitpunkt ie hat der Strom /4, welcher konstant geblieben und zwischen den Zeitpunkten ti und

ig gleich dem Strom I] war, die Neigung abzunehmen. Da der Strom I] konstant bleiben muß, passiert der Differenzstrom (I) — U) = k nun die leitend gewordene Diode Ds. Es ist nun in Betracht zu ziehen, daß der aus dem Kondensator Q₁ der Induktanz Li, der Diode D] und der Induktanz Li bestehende Schwingkreis über die Diode Di und die Speisequelle geschlossen ist.

Eine Schwingung des Stromes U läuft daher durch diesen Kreis und hat demzufolge die Energie IV= '/2 (L) + Li)P, welche zum Zeitpunkt ie in den Induktanzen L\ und Li vorliegt, in den Kondensator Q in Form einer Überspannung AV\ zu übertragen, so daß W = V2 QA Vf wird. Im Zeitpunkt fu wird der Kondensator daher mit einer Ladung versehen sein, deren Spannung Vi sich bei Nichtzündung des Thyristors ΤΛ3 wie folgt ergeben würde:

K₁ = U_E + I₁

L₁-L₂

W₁.

Wird andererseits in vereinfachter Form das »Kommutationsvermögen« des Stellers, d. h. der maximale Strom i_max, den der Löschkreis zu löschen vermag, durch

I_m

= k ■ C₁ ■ V₁Zt₀

ausgedrückt, wobei fo die vom Thyristor Th] benötigte Zeit zur Wiederkehr des Sperrvermögens und k ein Dimensionierungsparameter, der vor allem Sicherheitsmargen umfaßt, sind, so kann geschrieben werden:

/-„= k-C,-(U_E+ IK₁)A₀.

Gemäß der Erfindung wird die Ladespannung des Kondensators mittels des Thyristors Th₁ auf den Wert Ue + Δ Vi begrenzt.

Es wird angenommen, daß der durch die Induktanz L₃ fließende Strom I\ sich im allgemeinen nur langsam während der Zeit ändert, die zwei aufeinanderfolgende leitende Phasen des Thyristors Th\ voneinander trennt.

Wenn der Strom /1 wächst wächst die Überspannung Δ V\ des Kondensators G proportional zu /|. Die maximale Spannung V,, die an den Klemmen des Kondensators Ci auftritt, wächst daher entsprechend.

Wenn Vi die maximal erwünschte Spannung erreicht, welche im allgemeinen gleich einem Wert in der Nähe der maximalen Spannung, die die Speisegleichspannung Ue erreichen kann, gewählt wird, wird der Thyristor Ή13 leitend. Dies ereignet sich zum Zeitpunkt i₉.

Der Strom U, welcher noch in dem aus Induktanz L2, Diode D], Kondensator Ci, Induktanz Li, Induktanz Lx. Laststromkreis und Speisequelle gebildeten Kreis zirkulierte, ist nun abgeleitet und zirkuliert in dem aus Induktanz Li, Induktanz Lj, Laststromkreis und Thyristor TA₃ gebildeten Kreis.

Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes /5, der seit der Zündung den Thyristor 7Ti₃ durchfließt, ist gleich dem zeitlichen Anstieg des Stromes U von negativen Werten nach Null, welcher die Induktanz L2 durchfließt Im Zeitpunkt fio ist der die Induktanz L2 durchfließende Strom /4 verschwunden und der Strom /5 erreicht seinen maximalen Wert Sobald der Strom /4 verschwunden ist bieiii der Kondensator die Aufladung ein und die Spannung Vi an seinen Klemmen hält sich auf dem im Zeitpunkt fio erreichten Wert, da die Diode D] den Durchgang eines vom Kondensator Cj herrührenden Entladestromes zur Speisequelle hin unterbindet was für die Wirkungsweise der Vorrichtung von Vorteil ist Zwischen den Zeitpunkten f₉ und i_]0 tritt die in der Induktanz L2 gespeicherte Energie unter Bildung einer kleinen, aber ungefährlichen Überspannung in den Kondensator Ci.

Die überschüssige Energie, die zum Zeitpunkt fio noch in der Induktanz L| gespeichert war und gleich '/2 Li · h² ist, erhält sich dank der Zirkulation des Stromes /5 zwischen den Zeitpunkten f|₀ und t\, wobei I] = /5 + k gilt, in dem aus der Induktanz Li, der Induktanz L₃, dem Lastkreis und dem Thyristor 7Ti₃ gebildeten Kreis.

Im folgenden Zyklus wird der Thyristor Th\ im Zeitpunkt t\ gezündet. Zwischen den Zeitpunkten t\ und t'i wächst der Strom h bis zur Größe des durch die Diode Di fließenden Stromes 4 an; zwischen den

is Zeitpunkten t'i und /"2 beginnt der Strom dann bis zum Wert /1 weiterzuwachsen. Im Zeitpunkt /"2 verschwinden die Ströme /5 und k und die überschüssige Energie '/2 Li /s² ist nun vollkommen in den Lastkreis übertragen; sie ist zwischen den Zeitpunkten fio und t'i nur in der Induktanz Li gespeichert gewesen.

Wenn der Strom /1 zu schwach und/oder die Speisespannung Ue zu klein ist um die maximal zugelassene Spannung am Kondensator zu erreichen, wird der Thyristor 77?₃ nicht gezündet.

Um die Spannung Vi an den Klemmen des Kondensators Ci zu begrenzen, muß die Zündung des Thyristors 7Ti₃ zwischen den Zeitpunkten ig und fu erfolgen. Dieser Zeitpunkt wird durch eine in der F i g. 5 beispielsweise realisierte Vorrichtung festgelegt. Die Messung der Klemmenspannung des Kondensators Ci wird in einer Meßvorrichtung 2 bewirkt Das Meßsignal wird in einen Komparator 3 eingegeben, welcher über seinen anderen Eingang eine in einer Einrichtung 4 erzeugte Referenzspannung erhält. Das Ausgangssignal des Komparators 3 wird in einen monostabilen Multivibrator 5 eingegeben, dessen Ausgangsimpuls in einem Verstärker 6 verstärkt und an die Steuerelektrode des dadurch gesteuerten Thyristors TA₃ gelegt wird. Wenn das Signal der Klemmenspannung des Kondensators Ci gleich dem Wert der Referenzspannung wird, kippt der Komparator um und regt den monostabilen Multivibrator an. Der durch den monostabilen Multivibrator erzeugte Impuls wird verstärkt und bewirkt die Zündung des Thyristors 77?3.

Sobald daher die Klemmenspannung am Kondensator Ci unter einem bestimmten, im allgemeinen in der Nähe der Speisegleichspannung Ue gewählten Wert bleibt, wird der Thyristor Ta₃ nicht gezündet Sobald die Spannung V| die erwünschte Spannung erreicht, wird der Thyristor TA₃ gezündet wodurch auf diese Weise verhindert wird, daß die Spannung Vi die erwünschte Spannung übertrifft.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.3 ist ein Widerstand R in Serie mit dem Thyristor TA₃ vorgesehen, um auf diese Weise zum Beispiel die Löschung des Thyristors Ή13 vor dem nächsten Zünden des Hauptthyristors Tfti zu bewirken.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist zusätzlich die Induktanz L·, in Reihe mit dem Thyristor TZz₃ und dem Widerstand R geschaltet Diese Induktanz L₅ ist von geringer GröSe, da sie über den Thyristor TA₃ nur einer schwachen Spannung ausgesetzt ist Die Induktanz Ls sorgt beim Zünden des Thyristors Th₃ für die Strombegrenzung. Diese Anordnung gestattet es, im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zwischen den Zeitpunkten fg und fio die sich am Kondensator Ci ausbildende kleine Überspannung zu eliminieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gleichstromsteller mit einem zwischen einer ersten Anschlußklemme einer Speisequelle und einer ersten Anschlußklemme eines Lastkreises in Reihe liegenden Hauptthyristor und einem parallel zu diesem liegenden Löschzweig mit einer Diode, einem Kondensator und einer mit dem Kondensator unmittelbar verbundenen Induktanz in Serie, wobei der Kondensator der Speiseseite und die Induktanz der Lastseite zugewandt ist, mit einem zweiten, zum Kondensator und der Induktanz parallel geschalteten Thyristor, mit einer parallel zum Lastkreis geschalteten, an die beiden Anschlußklemmen des Lastkreises angeschlossenen Freilaufdiode sowie mit einem weiteren, zwischen der zweiten Anschlußklemme des Lastkreises und dem Verbindungspunkt des Kondensators mit der Induktanz in gleicher Polung wie die Freilaufdiode liegenden, der Spannungsbegrenzung am Kondensator dienenden Halbleiterventil, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Halbleiterventil ein dritter Thyristor (Th₃) ist, dem eine derartige Steuervorrichtung zugeordnet ist, daß er jedesmal gezündet wird, wenn die Spannung am Kondensator (Q) einen bestimmten, über der Spannung (Ue) der Speisequelle liegenden Wert (Ue + Δ Vi) übersteigt.

2. Gleichstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum dritten Thyristor (Th₃)Sm Widerstand (Ttyvorgesehen ist.

3. Gleichstromsteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum dritten Thyristor (Th₃) und dem Widerstand (R) eine weitere Induktanz (Ls) vorgesehen ist.