DE2715930C2 - Umrichter - Google Patents

Description

2. Herstellung der Stromleitung nur im erwünschten Pfad und in keinem anderen

und

i) sobald der Strom nur im erwünschten Paar und in keinem anderen hervorgerufen ^:st, Lieferung und Aufrechterhaltung von Auslösesignalen sowohl für positive als auch für negative Leitungsrichtung in diesem Paar bis zum Schritt a)-

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Die Erfindung bezieht sich auf Umrichter in einer Schaltungsanordnung mit einer Wechselstromquelle, die in zumindest eine Last einen Strom einspeist, wobei der Umrichter als natürlich kommutierter Umrichter ausgebildet ist, der mehrere steuerbare, jeweils in einer Richtung wirkende Strompfade aufweist, die in parallel zueinander geschalteten Paaren angeordnet sind, in denen die Strompfade jeweils zur Herstellung eines zweiseitigen Stromflusses zueinander invers parallel gelegt sind.

Ein derartiger Umrichter ist beispielsweise aus der DE-OS 16 38 939 bekannt Die dort beschriebene Anordnung soll mittels einer durch das Steuersignal eines Ringzählers gesteuerten Zündeinrichtung der Strompfade eine Erhöhung der erreichbaren Betriebsfrequenz bewirken. Der Umrichter ist auf herkömmliche Weise zwischen die Stromquelle und die Last geschaltet.

Der US-PS 32 87 622 ist ein Umrichter zu entnehmen, bei dem eine hochfrequente Wechselspannung durch periodisches Beaufschlagen der Zündelektroden gesteuerter Silizmmgleichrichter mit einem niederfrequenten Signal in eine Wechselspannung niederer Frequenz gewandelt wird.

Die US-PS 35 17 300 zeigt einen Umrichter, bei dem nach Art einer Zerhackerschaltung betrieber s gesteuerte Gleichrichter vorgesehen sind. Die Eingangsspannung wird in eine hochfrequente Ausgangsspannung gewandelt, zur galvanischen Trennung auf einen Hoci. "reque.iztransformator gegeben und nachfolgend wieder umgeformt

In »Elektro-Technik«, 13 April 1966, Nr. 12, S. 320 und in »ETZ-B«, Bd. 21 (1969), Heft 7/8, S. 146 sind Umrichter beschrieben, bei denen über entsprechende Zündung gesteuerte Gleichrichter eine Frequenzänderung hervorgerufen werden soll.

Die vorliegende Erfindung steht unter der Aufgabe, einen Umrichter der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß eine den Spannungen einer elektrischen Starkstromverteilung überlagerte Signalform entwickelt wird, die eine digitale Information an den von der Verteilungsleitung bedienten Punkten darstellen soll.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Umrichter wahlweise in den Stromfluß zwischen der Wechselstromquelle und der Last durch Betätigung der Strompfade einfügbar ist, daß der durch die parallelen Paare von Strompfaden fließende Strom vorwiegend in eingeprägter Form von der Spannung der Wechselstromquelle und der Last bestimmt ist, daß der Umrichter mit einer eine modulierende Welle in die Paare von Strompfaden einspeisenden Strom/Spannungsquelle verbunden ist und daß mittels einer Strompfade und Steuereinrichtungen umfassenden Einrichtung die leitenden Zustände der Strompfade überwachbar und die Auslösesignale für die Strompfade erzeugbar sind. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung sind die Strompfade mit der Wechselstromquelle und der Last in Reihe geschaltet.

In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert die Spannungswelle, die im Umrichter hergestellt wird, nur einen unbedeutenden Bruchteil der gesamten Leistung für die Last Eine externe Quelle für den Umrichter stellt die Leistung für die Last zur Verfügung. Die Versorgungsspannung für den Umrichter kann der externen Quelle, die die Last mit Leistung versorgt, oder einer anderen Quelle entnommen werden. Der Laststrom fließt zwar durch den Umrichter, neigt jedoch nicht zu einer wechselseitigen Beeinflussung mit der im Umrichter hergestellten Spannungswellenform, da er von Spannungen getrieben wird, die zum Umrichter extern sind. Hauptsächlich in dieser Hinsicht steht die vorliegende Erfindung in hervorstechendem Gegensatz zum gesamten bekannten Stand der Technik, der sich auf die Technologie von Umrichtern bezieht.

Das Ausmaß der Abweichung von der herkömmlichen Praxis kann durch die Betrachtung der Anwendung, für die diese Erfindung gemacht wurde, richtig eingeschätzt werden. In dieser ersten Anwendung wird ein Umrichter zur Zusammensetzung einer einphasigen Spannungswellenform eingesetzt, die den Spannungen der drei Phasen einer elektrischen Starkstromverteilungsleitung überlagert wird. Diese überlagerte Spannung wird durch die Einspeisung zwischen dem Sternpunkt der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstationstransformators und dem geerdeten Nulleiter eingeprägt, der allen Phasen der Verteilungsleitung gemeinsam ist Die überlagerte Spannung wird lediglich dazu benutzt, zur normalen Versorgungsspannung ein Signal hinzuzufügen, das digitale Inform? tion an den Punkten darstellen soll, die von der Verteilungsleitung bedient werden.

Der durch den Umrichter fließende Strom ist in 'iesem Fall der Nu'^itersl om der Verteil· ngsleitung. Dieser richtet sich nach der Unsymmetrie der Lasten zwischen den drei Phasen. DemgemäL ist seine Phasenlage völlig unvorhersagbar. In Wirklichkeit enthält dieser Nulleiterstrom beträchtliche Anteile an dritter Harmonischer. Dementsprechend kann er erheblich von einer einfachen 60-Hz-Welle mit unbekannter Phase abweichen.

Die Spannungswellenform, die zu den drei Phasenspainungen hinzugefügt wird, muß in einer genau definierten Phasenbeziehung zu den Spannungen stehen, die die Leistung in die Verteilungsleitung einspeisen. Dies setzt voraus, daß die Eingangsspan-

nungswelle für den Umrichter von denjenigen Spannungen abgeleitet wird, die die Verteilungsleitung versorgen, und daß unbekannte Phasenverschiebungen im Umrichter an sich vermieden werden müssen. Es ist diese letzte Überlegung zur Vermeidung unbekannter Phasenverschiebungen innerhalb des Umrichters, die die Verwendung eines Umrichters der Hüllkurvenart für das besondere Anwendungsgebiet erforderlich macht, für das diese neue Technologie ersonnen wurde.

Es sollte jedoch beachtet werden, daß diese neue Technologie auf Umrichter anwendbar ist, in denen unbekannte Phasenverschiebungen vorkommen. Der wichte Gesichtspunkt ist der Umfang der Phasenverschiebung, die zugelassen werden kann. Wenn man sich entschlossen hätte, statt eine Einphasenspannung in den Nulleiter einzuspeisen individuelle Signalspannungen jeder Phase aufzuprägen, dann könnte einige Unbestimmheit in der Phasenverschiebung des überlagerten Signals zugelassen werden.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt hinsichtlich der neuen Technologie bezieht sich auf fehlersichere Vorkerhungen, die in der Ausführung des Umrichters enthalten sein müssen. In der oben erwähnten Anwendung tritt der Umrichter als leitendes Bauelement im Nulleiter der elektrischen Verteilungsleitung in Erscheinung. Der gesamte Nulleiterstrom muß durch den Umrichter oder durch eine schützende Überbrükkungsschaltung fließen. Im Falle einer Störung auf der Verteilungsleitung können Ströme, deren Größen sich 10 000 A nähern, im Nulleiter auftreten.

Es ist dabei zwingend, daß der Stromdurchgang erhalten bleibt, so daß übermäßig hohe Spannungen nicht zwischen der Phase und dem Nulleiter auf der Verteilungsleitung entstehen können. Das Versäumnis, für diese fehlersichere Wirkung zu sorgen, könnte zu unzulässig hohen Spannungen führen, die dem Abnehmer bei bestimmten Arten von Störungen mit der Folge zugeführt würden, daß die Einrichtung im Anwesen des Abnehmers zerstört werden könnte.

Wenn der Umrichter die Energie für die Last zur Verfügung stellt, wie dies bei frühreren Anwendungen der Fall war, dann wird die Stromwellenform durch die im Umrichter zusammengesetzte Welle und die Impedanz der Last bestimmt. Bei dieser Erfindung wird die Stromwellenform nicht durch die vom Umrichter erzeugte Welle bestimmt, und die Nulldurchgänge des Stroms stehen nicht in Beziehung zu den Nulldurchgängen der Versorgungsspannung des Umrichters. Dies macht eine Zündtechnologie notwendig, die deutlich von derjenigen nach dem Stand der Technik verschieden ist Die neue Zündtechnologie und die schützende oder fek'ersichere Schaltung sind zusätzliche neue Elemente dieser Erfindung.

Wellenzusammensetzung in Umrichtern

Vor der detaillierten Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform ist es nützlich, kurz einige Eigenschaften des WeUensyntheseverfahrens in Umrichtern zu betrachten.

Die Hauptwelle wird aus von Eingangsspannungen abgeleiteten aufeinanderfolgenden Abschnitten erzeugt. Oft ist eine Vielzahl von Eingangsspannungen vorhanden, die aus sinusförmigen Signalen verschiedener Phase, aber gleicher Amplitude bestehen. Diese Hauptwelle zeigt dann üblicherweise einen sägezahnförtnigen Verlauf. Durch Induktivitäten können die diskontinuierlichen Stellen geglättet und so eine Wellenform erzielt werden, die der gewünschten WeDe genügend angenähert ist.

Wenn Induktivitäten zur Glättung benutzt werden entsteht eine Phasenverschiebung. Dies ist ohne Bedeutung, wenn der Umrichter als hautpsächliche oder einzige Energieversorgung für die Last verwendet wird. Wenn aber die im Umrichter zusammengesetzte Spannung eine bestimmte Phasenbeziehung zur Hauptspannung, die die Last mit Energie versorgt, einhalten muß, können unbekannte Phasenverschiebungen nicht

κι zugelassen werden. Die Unsicherheit über die Phasenverschiebung wird noch viel größer für den Fall, daß der durch den Umrichter fließende Strom von Bedingungen abhängt, die vollkommen außerhalb des Umrichters liegen. Soll der Umrichter eine gewünschte Wellenform in den Nulleiter der dreiphasigen Verteilungsleitung einprägen, ist das Auftreten einer bedeutsamen Phasenverschiebung von unbestimmter und verändern eher Größe nicht annehmbar.

Es war deshalb für diese erste Anwendung der neuen

2» Technologie erwünscht. Induktivitäten zur Glättung zu vermeiden. In dem besonderen Fall, daß die Frequenz der Versorgungsspannung größer als die Frequenz der zu erzeugenden Signalform ist, besteht manchmal die Möglichkeit, eine annehmbare Signalform in einem Umrichter der Hüllkurvenart ohne irgendwelche Glättungsinduktivitäten zu erzeugen. Fig. 1 macht die Art und Weise anschaulich, wie eine sinusförmige Welle von 30 Hz aus sinusförmigen Abschnitten von 60-Hz-Wellen angenähert werden kann. In F i g. 1 ist

J» festzustellen, daß die beiden Polaritäten von nur zwei Phasen von 60 Hz verwendet werden und daß die Amplituden der Eingangsspannung nicht gleich sind. Die Genauigkeit, mit der die Signalform sich der gewünschten Form annähert, wird offensichtlich durch die Zahl der verwendeten Phasen bestimmt. In einem Umrichter dieser Art gibt es keine Phasenverschiebung von veränderlicher und unbekannter Größe.

Üblicherweise wird der Umrichter zur Zusammensetzung einer annähernd sinusförmigen Wellenform verwendet Das ist jedoch keine zwingende Notwendigkeit Dient die zusammengesetzte Wellenform nur zur Überlagerung von digitaler Nachricht über die bereits vorhandenen Phasenspannungen, kann irgend eine Wellenform verwendet werden, die zufriedenstellend erfaßt werden kann und die den ursprünglich beabsichtigten Zweck der Phasenspannungen nicht stört

Die Vorrichtung wird durch die Verwendung einer einzigen Spannungsquelle für den Umrichter sehr klein gehalten. Der Fall einer einzigen Spannungsquelle kann

so darauf erweitert werden, daß Umrichter von mehreren Spannungsquellen gespeist werden. Einschlägige Fachleute erkennen leicht, ^aR die Erweiterung !ediglich die Vervielfältigung der Steuerschaltungen erforderlich macht, um einen gesteuerten Stromfluß durch eine größere Anzahl von Wegen zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Auffühnmgsbeispiels erläutert
Es zeigt

F i g. 1 die Signalform eines Umrichters der Hüllkurvenart, der eine Ausgangswelle von der halben Frequenz der Eingangsspanmmg erzeugt (auf diesen Sachverhalt wird in der Erörterung der bevorzugten Ausführungsform nicht weiter Bezug genommen),

Fig.2 in schematischer Form ein Schaltbild eines Umrichters, der zur Einprägung der gewünschten

' Signalfonn in die Spannungen der drei Phasen eines elektrischen Verteihmgssystems benutzt wird, mit einer

Schutzschaltung, die die Unversehrtheit des Nulleiters im Fall einer Störung zwischen Phase und Nulleiter der Verteilungsleitung oder einer Störung irgend eines Teils des Umrichters gewährleistet.

F i g. 3 die reale Spannungs-Strom-Beziehung während des Schaltvorgangs, wobei die Tatsache berücksichtigt ist, daß der ideale Übergang in der Praxis nicht realisierbar ist und ein Überlappungswinkel endlicher Größe in irgend einem erreichbaren Schaltübergang besteht,

F i g. 4 ein Blockdiagramm der Schaltungslogik für die Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter in der Ausbildung für die erste Anwendung der Erfindung,

F i g. 5 die Schaltung für die logischen Pegel zur Anzeige eines unzulässig hohen Stroms durch den Umrichter im Blockdiagramm und teilweise schematisch,

F i g. 6 die Schaltung zur Erzeugung logischer Pegel zur Anzeige unzulässig hoher Spannungen zwischen dem geerdeten Nulleiter des Verteilungssystems und dem Sternpunkt der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstationstransformators, teilweise schematisch und im Blockdiagramm,

F i g. 7 die Schaltung zur Zündung der gesteuerten Überbrückungs-Siliziumgleichrichter, die entweder in Reaktion auf die gemäß F i g. 5 und 6 erzeugten logischen Pegel oder in Reaktion auf die beabsichtigte Verwendung erfolgt, teilweise schematisch und im Blockdiagramm und

F i g. 8 ein Schaltbild der Flußwege einer Vielzahl von Strompfaden und den Richtungssinn des Stroms durch jeden Pfad im Umrichter.

Übereinkunft in bezug auf Richtungssinn
und Größe der Ströme und Spannungen

Die Erörterung der detaillierten Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels wird durch eine Übereinkunft in bezug auf positive und negative Richtungen gemäß F i g. 2 erleichtert Der Stromfluß, der in den Sternpunkt 1 der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstionstransformators vom geerdeten Nulleiter 10 aus einfließt, wird als Strom mit positivem Richtungssinn angesehen.

Man kann gewöhnlich annehmen, daß der geerdete Nulleiter 10 an der Mittelanzapfung der Sekundärseite des Modulationstransformators das Potential Null aufweist. Der Richtungssinn der Polarität des Potentials wird dadurch festgelegt, daß bei Stromfluß durch ein Paar von parallelen Strompfaden in positiver Richtung durch den Umrichter der Strom zu demjenigen Pfad so kommutieren soll, der vom Modulationstransformator mit dem positiven Potential versorgt wird.

in bezug auf die Absolutwerte als auch auf den Richtungssinn der Potentiale kann man eine Spannungskurve mit positiver Steigung als eine solche definieren, in der das Potential mit zunehmender Zeit anwächst Eine Spannungsquelle mit positiver Steigung entspricht daher einer Spannung von positiver Polarität, die im Absolutwert ansteigt mit zunehmender Zeit, oder einer Quelle negativen Potentials, das im Absolutwert mit zunehmender Zeit absinkt

Der Umrichter

Der Umrichter leitet seine Eingangsspannung von einem Modulationstransformator 8 ab, dessen Primärsehe durch eine Spannung erregt wird, die der Spannung zwischen den in Fig. 2 jeweils mit 3 und 4 bezeichneten Phasen B und C entspricht Diese Eingangsspannung wird vorzugsweise von der Quelle abgeleitet, die den Unterstalionstransformator speist, da diese Quelle im Falle einer Störung auf der Verteilungsleitung weniger verzerrt ist. Zum Zwecke der Einfachheit der Darstellung ist jedoch die Spannung in F i g. 2 als von der Sekundärseite des Unterstationstransformators abgeleitet gezeigt.

Wenn der Modulationstransformator 8 als Teil des Umrichters angesehen wird, gibt es nur eine einzige Eingangsspannung, aber drei Strompfade; einer von diesen ist der Nebenschlußpfad, der den Beitrag der Eingangsspannung nicht berücksichtigt. Die anderen beiden, die jeweils mit oberer Arm und unterer Arm bezeichnet sind, leiten ihre Spannungen von der oberen oder unteren Hälfte des in der Mitte angezapften Modulationstransformators ab, wie in F i g. 2 gezeigt.

Bezeichnung der Komponenten

Zur einfachen Beschreibung der Wirkungsweise des Umrichters und der zugeordneten Schaltungen folgt die Bezifferung der Komponenten einer logischen Ordnung, weil der Nebenschlußweg, der obere Arm und der untere Arm aus gleichen Elementen bestehen. Die Dekade 10 bis 19 ist dem Nebenschlußweg, die Dekade 20 bis 29 dem oberen Arm und die Deakde 30 bis 39 dem unteren Arm zugeordnet. Mit dieser Zuordnung weist die Einerstelle in jedem dieser Arme auf die gleiche funktionell Aufgabe hin. Daher gehört die Einerstelle 3 in allen drei Pfaden zur Steuerleketrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters (SCR), der Strom in positiver Richtung führen kann.

Ähnlich ist im Fall der Überbrückungsschaltung auf der linken Seite von F i g. 2 die Dekade 40 bis 49 für Komponenten reserviert, die mit dem Fluß eines negativen Stroms, und die Dekade 50 bis 59 für Komponenten, die mit dem Fluß eines positiven Stroms zusammenhängen. In diesen Fällen werden Ziffern der Einerstellen zur Kennzeichnung entsprechender Komponenten verwendet

Arbeitsweise bei absichtlicher Überbrückung
des Umrichters

Die Beschreibung der Wirkungsweise der in F i g. 2 dargestellten Schaltung kann einfach mit dem Zustand zu einer Zeit beginnen, wenn auf der Verteilungsleitung keine Signalübertragung versucht wird, d. h, wenn der Umrichter nicht wirksam ist In dieser Phase werden die mit 41 und 51 bezeichneten gesteuerten Siliziumgleichrichter beide kontinuierlich von mit 40 und 50 bezeichneten batteriegespeisten Quellen mit Steuerimpulsen beaufschlagt Die Quellen 40 und 50 werden ausführlich in Verbindung mit F i g. 7 beschrieben. Die Verwendung batteriegespeister Versorgungen steiit sicher, daß die Steuerelektroden selbst dann mit Auslösesignalen beaufschlagt werden, wenn die Verteilungsleitung für einige Zeit stillgelegt ist Die batteriegespeisten Quellen sind von der Verteilungsleitung durch ihre Netzgeräte isoliert und werden automatisch in vollem Ladungszustand gehalten, wenn die Leitung unter Strom steht

Wenn die Signalübertragung beginnt, d.h. der Umrichter benutzt werden soll, beaufschlagt die Logik der Signalisiereinrichtung (die später erörtert wird) die Steuerieektroden 13 und 16 des Nebenschlußpfades mit Signalen, wobei die Signale von 40 und 50 aufhören. Dies versetzt den Umrichter in Bereitschaft und könnte als unnötige Vorsichtsmaßnahme erscheinen, weil die gesteuerten Siliziumgleichrichter 41 und 51 einen Pfad

ähnlich demjenigen des Nebenschlußpfades bereitstellen. Da die gesteuerten Siliziumgleichrichter 12 und 15 von der Art mit Inverter-Übergang sind, während dies für die gesteuerten Siliziumgleichrichter 41 und 51 nicht zu triff t, ist diese Maßnahme jedoch wichtig. ^r>

Gesteuerte Siliziumgleichrichter mit Inverter-Übergang zeichnen sich durch ihre Eigenschaft aus, daß in der Abwesenheit von Auslösesignalen an der Steuerelektrode die Ladungsträger schnell auf die Beendigung der Leitung folgend verschwinden, haben aber den Nachteil, daß sie nicht sehr große Ströme leiten können. Die gesteuerten Siliziumgleichrichter 41 und 51 müssen in der Lage sein den Störungsstrom solange auszuhalten, bis er durch den Unterstationsschalter unterbrochen wird. Demgemäß ist ihre Stromleitungskapazität größer als diejenige der gesteuerten Siliziumgleichrichter 12 und 15.

Schutzschaltung

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Vor der detaillierten Erörterung der Wirkungsweise des Umrichters wird dem Schutzmechanismus Beachtung geschenkt, der in Tätigkeit tritt, falls sich eine Störung auf der Verteilungsleitung entwickelt oder der Umrichter versagen sollte. Diese Erörterung ist an dieser Stelle der Beschreibung angebracht, weil Teile der Schutzschaltung für den Betrieb des Umrichters an sich benutzt werden.

Im üblichen Betrieb von Umrichtern führt jede Störung des Umrichters zur Unterbrechung der Stromeinspeisung in die Last. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung der Strom durch den Umrichter von Quellen, die sich außerhalb befinden, eingeprägt. Bei der elektrischen Starkstromleitung ist die Kontinuität des Stromflusses eine wesentliche Bedingung, die ohne Rücksicht auf das Schicksal des Umrichters erfüllt sein muß. Der besondere Augenblick, in dem der Umrichter zur Einfügung einer gewünschten Spannungswelle zwischen dem geerdeten Nulleiter der Stromverteilungsleitung und dem Sternpunkt der Sekundärseite des im Stern geschalteten Unterstationstransformators dient, macht eine Situation anschaulich, in der es wesentlich ist, daß der Stromfluß unabhängig vom korrekten Arbeiten des Umrichters aufrecht erhalten werden muß.

Stiege im Falle einer Störung zwischen einer Phase und dem Nulleiter der Nulleiterstrom auf unzulässig hohe Werte, so könnte der Umrichter aufhören, einwandfrei zu arbeiten. Der übliche Phasenstrom eines typischen Unterstationstransformators beträgt etwa 400 A. Der Transformator ist jedoch so ausgelegt, daß er magnetischen Kräften standhält, die auf Strömen von .ungefähr dem Fünfundzwanzigfachen dieses Werts beruhen. So können Ereignisse auftreten, bei denen eine Störung den Nulleiterstrom auf 10 000 A ansteigen lassen kann. Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist es unrealistisch, den Umrichter für Belastungen mit Strömen dieser Größe auszulegen, so daß er dann in seiner üblichen normalen Betriebsweise fortfahren würde.

Die Spannung zwischen dem geerdeten Nulleiter und dem Sternpunkt des Unterstationstransformators darf daher nicht auf übermäßig hohe Werte ansteigen. Als Anhaltswert sollte diese Spannung fünf Prozent der Phasenspannung gegen den Nulleiter der Verteilungsleitung nicht überschreiten, damit nicht der üblicherwei- se vorhandene Oberspannungsschutz fälschlicherweise ausgelöst wird. Man muß deshalb eine automatische Schutzeinrichtung vorsehen, durch die ein NuHeiter-

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60 fehlerstrompfad hergestellt wird, bevor die Spannung zwischen dem Nulleiter und dem Sternpunkt des im Stern geschalteten Transformators einen Pegel erreicht, der fünf Prozent der Phasenspannung gegen den Nulleiter beträgt.

Eine übermäßige Belastung des Umrichters im Fall einer Störung auf der Verteilungsleitung wird durch die Überbrückungs-Schutzschaltung vermieden. Zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter 41 und 51, die nicht vom Typ des Inverter-Übergangs sein müssen, werden zur Herstellung eines Nebenschlußpfades im Falle eines übermäßig hohen Nulleiterstroms verwendet. Die Arbeitsweise der Schutzschaltung wird sowohl in ihrem üblichen Betrieb als auch im Unterstützungsbetrieb, der bei Ausfall der Schaltungslogik wirksam wird, im folgenden erörtert.

Die Zündung der Überbrückungssiliziumgleichrichter 41 und 51 kann dem Umrichter einen Kurzschluß aufzwingen, der solange bestehen bleibt, bis sich der Strom in dem gesteuerten Siliziumgleichrichter des gerade leitenden Umrichters umkehrt. Diese Zeit des leitenden Zustands kann im Falle einer Verteilungsleitung für 60 Hz ungefähr Vi20 s nicht überschreiten. Der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter des Umrichters ist während dieser Zeit des Kurzschlusses durch die Impedanz des Modulationstransformators begrenzt. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter muß eine einzige Halbperiode dieser Belastung ausgelegt sein. Im allgemeinen ist die Stromaufnahmefähigkeit für eine einzige Halbperiode beim gesteuerten Siliziumgleichrichter ungefähr zehnmal größer als der Dauer nennwert dieses Siliziumgleichrichters, wenn die halbperiodische Beeinträchtigung von Vollast aus aufgezwungen wird.

Im Störungsfalle kann der Fehlerstrom bis zu 10 000 A ansteigen. Der Strom durch den Wechselrichter wird mittels eines Stromwandlers und der diesem zugeordneten Bürde 9 kontinuierlich überwacht. Wenn der Strom durch den Wechselrichter 100 A übersteigt, wird die Überbrückungs-Schutzschaltung betätigt, um die Unversehrtheit des Pfads für den Nulleiterstrom zu erhalten. Diese Grenze von 100 A ist aufgrund der zusammengefaßten Überlegungen gewählt worden, daß sie ausreichend die erwarteten unsymmetrischen Ströme übersteigt und die 100 A innerhalb der Voltsekunden-Fähigkeit der Spannungsquellen für den Wechselrichter zur Erfüllung der Kommutierung liegen. Das für die Betätigung dieser Schutzschaltung verantwortliche logische Signal wird in Schaltungen erzeugt, wie sie in F i g. 5 dargestellt sind.

Gemäß F i g. 5 werden zwei Komparatoren 60 und 61 verwendet; einer zur Feststellung eines zu hohen positiven und der andere zur Feststellung eines zu hohen negativen Stromflusses im Stromwandler und der ZTigeordn'ten Bürde 9. Die Ausgänge dieser beiden Komparatoren sind mit einem gemeinsamen Lastwiderstand 62 verbunden, der an die positive Versorgungsspannung angeschlossen ist

En »Eins«-Pegel ist am Ausgang eines jeden Komparator^ vorhanden, wenn der überwachte Strom innerhalb der normalen Arbeitsgrenzen des Umrichters liegt Ene Überstromsituation erzeugt einen logischen Pegel von »Null« am Ausgang desjenigen Komparators, der den Strom dieser Polarität abtastet Indem man die Ausgänge mit einem gemeinsamen Lastwiderstand verbindet, erreicht man im wesentlichen eine UND-Funktion 63, die einen logischen »Null«-Pegel für jede Überstromsituation erzeugt

Die Strompfade vom Modulationstransfonnator 8

sind getrennt abgesichert. Ein öffnen irgendeiner dieser Sicherungen könnte sich in einer Unterbrechung des Pfades für den Nulleiterstrom auswirken, ohne daß ein übermäßiger Strom im Umrichter hervorgerufen wird. Daher besteht die Notwendigkeit für eine zusätzliche Notbetätigung eines Oberbrückungspfades, um die Unversehrtheit des Pfades für den Nulleiterstrom zu gewährleisten. Die logischen Signale zur Auslösung des Überbrückungsbetriebes, mit dem dieser Möglichkeit begegnet wird, können mit einer Schaltung erzeugt werden, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist.

Gemäß Fig.6 ist eine Diac-Kette 70 (bilaterale Trigger-Dioden-Kette) mit einem Reihenwiderstand 71 zwischen dem Sternpunkt 1 des im Stern geschalteten Unterstationstransformators und dem geerdeten Nulleiter der Verteilungsleitung 10 angeschlossen.

Wenn der Strompfad durch den Umrichter infolge des öffnens einer Sicherung unterbrochen wird, beginnt die Spannung zwischen diesen zwei Punkten für den Fall anzusteigen, daß der Umrichter eine Signalübertragung versucht. Wenn die Spannungsdifferenz einen voreingestellten Pegel erreicht, der durch die Diac-Kette bestimmt wird (256 V bei der Installation, in der diese Schaltung zuerst benutzt wurde), dann bricht die Diac-Kette zusammen, die gesamte Spannung erscheint am Reihenwiderstand 71 und verursacht einen Stromfluß durch die Diac-Kette, den Strombegrenzungswiderstand 72 und durch ein Paar zueinander gegenpolig angeordneter Zenerdioden 73. Diese Zenerdioden bilden einen Pegel von ±9 V, wobei das Vorzeichen durch den Richtungssinn der Potentialdifferenz von 256 V bestimmt wird.

Natürlich ist die Erzeugung eines Auslösesignals für die Überbrückungs-Schutzschaltung erwünscht, das einen einheitlichen Richtungssinn und eine einheitliche Polarität in bezug auf Erdpotential hat. Um dies zu erreichen, wird das ±9-V-Signal dazu benutzt, einen oder den anderen aus einem Paar optischer Isolatoren (Optokoppler) 74 und 75 zu betätigen. Der Ausgang 76 oder 77 der Optokoppler führt bei Überspannung einen logischen »Null«-Pegel.

Es gibt also drei Anlässe, in denen ein logischer »Null«-Pegel unter Bedingungen erzeugt wird, in denen die Überbrückungsschaltung betätigt werden muß, damit eine unnormale Betriebsweise des Umrichters beigelegt werden kann. Eins von diesen Signalen erscheint am gemeinsamen Ausgang 63 der Komparatoren 60 und 61 von F i g. 5 und die anderen beiden treten als Ausgangssignale 76 und 77 der Optokoppler 74 und 75 gemäß Fig.6 auf. Diese Signale werden im NAND-Gatter 80 gemäß Fig.7 vereinigt, die die Schaltung angibt, mit der die Signale 40 und 50 der F i g. 2 erzeugt werden können.

Nach F i g. 7 speist der Ausgang des NAND-Gatters 80 den Takteingang eines Speichers 81 (D-Flipflop). Alle einer Alarmsituation entsprechend logischen Pegel erzeugen einen positiven Ausgang an diesem NAND-Gatter 80, wobei der Speicher durch das Signal an seinem Takteingang gesetzt wird und solange gesetzt bleibt, bis er manuell zurückgesetzt wird.

Wenn keine Signalübertragung stattfindet ist es erwünscht, das System in einem Zustand der durchgehenden Überbrückung zu halten, indem die Überbrükkungs-Siliziumgleichrichter 41 und 51 von Fig.2 kontinuierlich mit Auslösesignalen beaufschlagt werden. Um dies zu ermöglichen wird das NOR-Gatter 82 benutzt, um das Notsignal vom Speicher 81 mit einem logischen Pegel zu kombinieren, der »Null« ist, wenn signalisiert, und »Eins«, wenn nicht signalisiert wird. Dieser logische Pegel, der genau angibt, ob signalisiert wird oder nicht, wird in Reaktion auf Nachrichtenverkehr von Schaltungen außerhalb des Ausführungsbei-

■> spiels erzeugt.

Die Auslösesignale 40 und 50 gemäß Fig.2 können durch eine Technik erzeugt werden, die ein Unterstützungsnetzgerät vorsieht, wie es in F i g. 7 gezeigt ist. Es werden getrennte Schaltungen für die zwei Strompolaritäten benötigt, von denen diejenige für den negativen Strom dargestellt ist. Hier liegt ein von der Netzspannung gespeistes Netzgerät 83 in bezug auf das 60-Hz-System wegen der im Transformatoreingang des Netzgerätes vorgesehenen Isolation auf freiem Potential. Der Transisator 86, der einen Strombegrenzungswiderstand 85 hat, steuert die Steuerelektrode des Siliziumgieichrichters 4i.

Eine Batterieversorgung 87 (die in bezug auf das 60-Hz-System ebenfalls auf freiem Potential liegt) wird mittels Dioden 84 und 88 und einem Strombegrenzungswiderstand 89 in vollem Ladungszustand gehalten. Sollte die 60-Hz-Leistung für das Netzgerät 83 versagen, unterstützt die auf freiem Potential liegende Versorgungsbatterie 87 das Netzgerät 83 durch die

2> Diode 90.

Während des Übergangs auf den Überbrückungspfad ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Reihenschaltung der Diode und des gesteuerten Siliziumgleichrichters ausreichend größer als der

Spannungsabfall der gesteuerten Überbrückungs-Siliziumgleichrichter, die nicht mit Dioden in Reihe liegen, so daß der Strom vorzugsweise während der ursprünglichen Halbperiode, in der der leitende Zustand fortdauert, nachdem die Steuerelektrodenbeaufschlagung für den Überbrückungspfad beseitigt ist, durch den Überbrückungspfad fließt.

Wenn die Überbrückungsschaltung einmal betätigt ist, wird das Auslösesignal zu den gesteuerten Überbrückungs-Siliziumgleichrichtern 41, 51 aufrecht erhalten, bis der Fehler beseitigt ist. Es wird weiterhin solange aufgebracht, bis es entfernt wird, wenn die nächste Signalisierung versucht wird. Man muß jedoch die Unversehrtheit des Nulleiters selbst im Falle eines Versagens des Überbrückungs-Auslösesignals bewah-

ren. Demgemäß ist die Überlegung der Reihenfolge der Ereignisse im Falle eines Fehlers wichtig, wenn das Auslösesignal zu den gesteuerten Überbrückungs-Siliziumgleichrichtern fehlte.

Wenn der Strompfad im Nulleiter unterbrochen worden ist, beginnt die Spannung zwischen dem geerdeten Nulleiter 10 und dem Sternpunkt 1 der im Stern geschalteten Sekundärseite des Ui.terstationstransformaiors zu steigen. Mit diesem Anstieg wird die Schutzschaltung wirksam, die durch die Komponenten 40 bis 49 oder 50 bis 59 bestimmt ist, weil der Spannungsanstieg jeweils einen Stromfluß in positiver oder negativer Richtung begünstigt In dieser Erörterung wird vorausgesetzt, daß der Spannungsanstieg einen Stromfluß in positiver Richtung begünstigt, wie es auf der äußersten finken Seite der Fig.2 gezeigt ist (eine halbe Periode später ist ein Stromfluß in umgekehrter Richtung für die andere Reihe der

Komponenten verwendbar). Wenn das Potential am Sternpunkt der Sekundärseite

des Unterstationstransformators unter das Nullpotential des geerdeten Nulleiters absinkt, dann erscheint dieser gesamte Pctentialabfall längs der Diac-Kette 58. In ähnlicher Weise fließt Strom durch die Diode 55. um

den Kondensator 56 bis auf weniger als ein Volt dieses gesamten Potentialabfalls aufzuladea Nimmt die Spannung längs der Diac Kette 58 einen Pegel an, der im wesentlichen über der Spannung liegt, die bei normaler Modulation durch den Umrichter auftritt aber kleiner als 5 Prozent der Phasenspannung fegen den Nulleiter der Verteilungsleitung ist, bricht die Diac-Kette 58 zusammen. In einer 13-k V-Verteilungsleitung kann dies bei einem Pegel von ungefähr 300 V eintreten.

Wenn die Diac-Kette 58 zusammenbricht fließt Strom durch die Diode 59, die Diac-Kette 58, die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 54, die Diode 53, den Widerstand 52, der kurzzeitig zur Begrenzung des Stroms dient und überwiegend durch die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 51. Der Stromfluß durch die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 54 dient zur Zündung dieses Gleichrichters mit der Folge, daß der Kondensator 56 einen hohen Stromimpuls durch die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 51 abgibt. Es ist wichtig, daß ein großer Auslösestrom zur Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 51 abgegeben wird, da dieser den steil ansteigenden Fehlerstrom aufnehmen muß. Sobald der gesteuerte Siliziumgleichrichter 51 leitend ist bricht die Spannung zusammen, und der Strom durch die Diac-Kette 58 hört auf zu fließen.

Die gesteuerten Überbrückungsgleichrichter 51 und 41 müssen nicht vom Inverter-Übergangstyp sein. Sie sollten jedoch in der Lage sein, den vollen Feh'.erstrom jo von bis 10 000 A solange aufzunehmen, bis der Leistungsschalter die Störung behoben hat. Bevor die gesteuerten Siliziumgleichrichter 51 und 41 wieder in die Störung einbezogen werden sind Vorkehrungen getroffen, daß die Steuerelektroden der Siliziumgleichrichter 51 und 41 durch Signale 50 und 40 stark angesteuert sind.

Bei der Anwendung dieser Erfindung können zwei oder mehr gesteuerte Siliziumgleichrichter in Parallelschaltung benutzt werden, um den Laststrom von jedem der Gleichrichter 51 und 41 zu führen. In diesem Fall werden der Widerstand 52, die Diode 53 und die externe Quelle 50 für die Auslösesignale für den positiven Strom und die entsprechenden Komponenten für den negativen Strom vermehrt eingesetzt. Diese Maßnahme gewährleistet daß das Einschaltsignal zu den Steuerelektroden geeigneterweise aufgeteilt wird und eine Störung auf einem Pfad die Funktionsfähigkeit des Parallelpfads nicht zerstört.

Ein Widerstand 57 liegt parallel zum Kondensator 56 und eine gleichartige Maßnahme ist für die negadve Seite der Schutzschaltung vorgesehen. Dieser Widerstand 57 dient zum Ableiten der Ladung, die sich auf diesem Kondensator 56 als Ergebnis des Betriebs des Umrichters ansammelt. Die Kondensatoren 56 und 46 dienen dazu, die Stromkontinuität im Nulleiter zu gewährleisten, wenn der Umrichter in Betrieb ist. Dies findet während eines kurzen Intervalls nach der Umkehr des Stromflusses statt. Während dieser Zeit wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter der als nächster leitend wird, nicht mit einem Auslösesignal beaufschlagt. Dies wird im folgenden detailliert erörtert und hier nur erwähnt, um auf die Tatsache aufmerksam zu machen, daß die Zeitkonstanten der ÄC-Elemente 57, 56 und 47, 46 nicht klein im Vergleich zu der _b5 60-Hz-Periode sein müssen, damit die Kondensatoren diese Aufgabe übernehmen können.

Während der Zeit, in der diese Kondensatoren 46,56 die Kontinuität des NuUeiterstroms bewirken, bildet sich eine scharfe Diskontinuität der Spannung einer mit dem Scheitelwert der Modulationsspannung vergleichbaren Größe aus. Man kann sich natürlich dafür entscheiden einen gesonderten kapazitiven Pfad vorzusehen, um dem Umrichter in der gewünschten Weise von Nutzen zu sein, wenn irgendwelche zu beanstandenden Eigenschaften durch die Benutzung der Kondensatoren 46 und 56 in dieser Doppelfunktion erfahren werden. Eine derartige Überbrückung ist in F i g. 2 als Kondensator 100 und Widerstand 101 gezeigt (dieser Widerstand dient lediglich zur Beschränkung des höchsten Entladestroms.)

Es ist zu bemerken, daß die Schutzschaltung für normale Wiedereinfügungsmaßnahmen selbst dann ausgebildet sein kann, wenn die externen Triggerquellen 40 und 50 nicht betriebsfähig werden sollten. Die fehlersichere Charakteristik des Umrichters ist derart, daß die Umkehrung zur Signalisierbetriebsart nicht stattfinden wird, bevor der Normalbetrieb wieder hergestellt ist Daher besteht nicht das Risiko, daß die gesteuerten Siliziumgleichrichter des Umrichters als Folge wiederholter Versuche des Wiedereinfügens überlastet werden.

Die gesteuer en Siliziumgleichrichter 41 und 51 sollten für Sperrspannungen entsprechend den in der Schutzschaltung auftretenden Potentialen ausgelegt jedoch nicht übermäßig groß sein, weil die Durchbruchspannung in Sperrichtung den letzten Schutz für das System bildet

Schalten der Strompfade im Umrichter

Für die Erörterung der Übergänge von einem Strompfad zum anderen beim Betrieb des Umrichters ist es angebracht den früheren und den späteren Pfad für irgendwelche Übergänge als den Pfad zu bezeichnen, in dem Strom jeweils vor oder nach dem Übergang fließt

Spannungswellen von positiver oder negativer Steigung wurden als Zunahme oder Abnahme des Potentials im algebraischen Sinn mit zunehmender Zeit definiert. Man kann nun einen Übergang von zunehmender oder abnehmender Steigung danach festlegen, daß die Steigung der den letzteren Pfad speisenden Spannungswelle größer oder geringer als die Steigung der Spannungsvolle ist die den früheren Pfad versorgt.

Bei idealen Übergängen in einem Umrichter hätte man gern den Übergang von einem Strompfad zum anderen zu Zeiten ausgeführt, in denen die Amplituden der die beiden Pfade speisenden Spannungsquellen gleich sind. Ein derartiges Konzept bedeutet, daß der Übergang unverzüglich bewirkt wird. Physikalisch realisierbare Übergänge werden in Zeiträumen von endlicher Dauer erreicht.

Da der ideale Übergang einen Übergang von einem Pfad, der von einer Spannungskurve mit einer gegebenen Steigung versorgt wird, auf einen Pfad, der von einer Spannungskurve mit verschiedener Steigung versorgt wird, zu einer Zeit bedeuten würde, in der die Amplituden der Spannungen gleich sind, ist es klar, daß die Spannungen der treibenden Quellen nicht während eines gesamten realen Übergangs gleich bleiben können.

Während des allmählichen Übergangs von einem Pfad zum anderen muß ein Zustand existieren, in dem Strom sowohl auf dem früheren als auch auf dem letzteren Pfad fließt. Bei einem natürlich kommutierten Übergang sollte der versuchte Übergang zu einer Zeit

ausgelöst werden, zu der die Potentialbeziehungen für den Übergang günstig sind. Weiterhin sollten diese günstigen Bedingungen während des gesamten Obergangszeitraums und darüberhinaus bestehen bleiben, bis die Ladungsträger in dem gesteuerten Siliziumgleichrichter, der aufgehört hat leitend zu sein, verschwunden sind.

Die Bedingungen für die Verwirklichung eines erfolgreichen Übergangs können wie folgt zusammengefaßt werden: Wenn der Strom im positiven Sinn während der Übergangsperiode andauert, dann wird die Durchführung des Übergangs nur möglich, wenn die Übergangsperiode vollständig vor oder nach der Zeit liegt, zu der die Amplituden der Eingangsspannungen für die beiden Pfade gleich werden, wobei der versuchte Übergang einer mit abnehmender oder zunehmender Steigung ist Bleibt der Strom während der gesamten Übergangsperiode negativ, muß diese Übergangsperiode vollständig vor oder nach der Zeit liegen, zu der die Eingangsspannungen für die beiden Pfade gleich werden, wobei der versuchte Übergang einer mit zunehmender oder abnehmender Steigung ist Ein unter irgendwelchen anderen Bedingungen versuchter Übergang wird keinen Erfolg haben. Wird der Übergangszustand unter Bedingungen hergestellt, die für den Übergang günstig sind, und die Potentialverhältnisse werden nachträglich für den Übergang ungünstig, bevor der endgültige oder spätere Zustand erreicht ist und die Ladungsträger im gesteuerten Siliziumgleichrichter des füheren Pfads vershwunden sind, wird der frühere Zustand wieder eingenommen.

Die Dauer des Übergangszustands ist offensichtlich eine schwierige Angelegenheit. Sie richtet sich nach der Größe des umzuleitenden Stroms und nach der Induktivität der zu schaltenden Stromkreise. Im allgemeinen ist die Dauer der Übergangsperiode dem Produkt des Stroms, der im Stromkreis fließt, und der Streuinduktivität des Transformators proportional, der als Spannungsquelle dient (diese letztere Induktivität ist in den meisten praktischen Fällen die vorherrschende).

Die Menge der Ladungsträger in einem gesteuerten Siliziumgleichrichter verschwindet, wenn der Stromfluß in ihm aufgehört hat, falls kein Auslösesignal an der Steuerelektrode aufrechterhalten wird. Man könnte den Ausdruck »Aufzehrzeit« zur Bezeichnung der Periode verwenden, in der die Menge der Ladungsträger auf ein so niedriges Niveau absinkt, daß keine Leitung ohne Auslösesignal erfolgt, wenn für die Leitung günstige Potentialverhältnisse wiederhergestellt würden.

Gesteuerte Siliziumgleichrichter des Inverter-Über- so gangs-Typs sind insbesondere für die Verminderung der »Aufzehrzeit« ausgelegt und werden daher gewöhnlich für Umrichter bevorzugt verwendet. Die von den Herstellern gewöhnlich über die »Aufzehrzeit« veröffentlichten Daten beziehen sich auf die Situation, daß der Strom plötzlich von seinem vollen Nennwert aus ausgelöscht wird. »Aufzehrzeiten« bei niedrigeren Leitungsniveaus sind entsprechend kürzer.

Im Falle eines auf eine unter Strom stehende Last arbeitenden Umrichters kann der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter aufhören zu fließen, weil der von außen eingeprägte Stromfluß verschwindet. Wenn dies eintritt, ist die Menge der Ladungsträger zum Zeitpunkt des Endes der Stromleitung relativ gering und die »Aufzehrzeiten« demnach kleiner als von M den Herstellern angegeben. Diese Lage herrscht vor, wenn der Stromnulldurchgang mit dem Zeitpunkt des idealen Übergangs von einer Spannungsquelle zur anderen zusammenfällt

Glücklicherweise besteht diese Situation, in der der Strom verschwindet, gerade dann, wenn man gern einen Übergang von einer Spannungsquelle zur anderen hervorrufen möchte. Andernfalls könnte der Zustand eintreten, bei dem die für einen Übergang günstigen Bedingungen nicht vo;- der Zeit realisiert werden könnten, in der die Größen der Quellenspannungen für die zwei Pfade gleich werden. Im Anschluß an die Gleichheit der beiden Spannungen werden die Bedingungen für den Übergang wieder ungünstig weil der Richtungssinn des Stromflusses umgekehrt wird.

Kondensator zur Erzielung der Stromkontinuität
nahe beim Nulldurchgang

Die Lösung dieses Problems ist sehr einfach. Man muß nur feststellen, wann der Strom durch einen leitenden Pfad null wird, und zu dieser Zeit es unterlassen einen Pfad für den Stromfluß durch den Umrichter für eine kurze Zeitdauer vorzusehen. Es ist zu bemerken, daß die Kondensatoren 46 und 56 (oder der Widerstand 101 und der Kondensator 100) die Stromkontinuität für eine kurze Zeit bewirken. Die quantitativen Gesichtspunkte dieser Situation sollen nachfolgend untersucht werden.

Der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Reihenschaltung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters und einer Diode muß 1,4 V bei Verschwinden des Stroms betragen. Die Stromleitung durch den Wechselrichter in der umgekehrten Richtung kann nicht einsetzen, bevor die Spannung sich in der umgekehrten Richtung bis auf 1,4 V aufgebaut hat. Deshalb muß ein Wechsel von 2,8 V von der Zeit, zu der der Strom aufhört, bis zur Wiederaufnahme der Stromleitung stattfinden. Wenn angenommen wird, daß der Strom im Nulleiter der Verteilungsleitung einen (unrealistisch großen) Effektivwert von 100 A hat, dann wird der Strom unmittelbar nach dem Nulldurchgang linear mit einer Rate von

377 χ 141,4 = 5,33 χ ICH A/s

ansteigen. Während einer kurzen Periode von / Sekunden nach dem Nulldurchgang wird der gleiche Ladungstransport 2,66 χ WxP Coulomb betragen. Wenn die Kapazität 56 oder 46 von F i g. 21 μΡ ist, läßt sich der Wechsel von 2,8 V in einem Zeitraum von 10,26 χ !0~⁶ s verwirklichen.

In der realisierten Schaltung zum Schuld gegen mögliche Fehlerströme hatten die Kondensatoren 56 und 46 jeweils 32 μΡ. Dies ermöglicht eine Unterbrechung von 56 μ5 zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Strom aufhört, und dem Zeitpunkt, an dem die Stromleitung in der umgekehrten Richtung ausgelöst werden muß, selbst wenn der Nulleiterstrom 100 A betragen sollte. Ein so hoher Wert für den unsymmetrischen Strom ist für den Fall einer für weniger als 400-A-Phasenstrom ausgelegten Verteilungsleitung kaum wahrscheinlich. Daher kann die zulässige Verzögerung zwischen der Beendigung des Stromflusses in einer Richtung und der notwendigen Auslösung der Stromleitung in der anderen Richtung mutmaßlich diese 56 \is überschreiten.

Im gleichen Sinne wie die Einführung der Kapazität im Nebenschluß zur unter Strom stehenden Last des Umrichters das möglicherweise unangenehme Schaltprobleme vermeiden kann, wenn der Stromnulldurchgang mit der Zeit zusammenfällt, in der die Amplituden der beiden Quellenspannungen gleich werden, kann

diese Kapazität die Notwendigkeit der Zündung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters unmittelbar nach dem Nulldurchgang vermeiden. Dies erlaubt eine beträchtliche Vereinfachung der Logik für die Auslösesignale, die in der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird. Alternative Vorrichtungen zur Lösung dieser Probleme werden ebenfalls erörtert

Arbeitsweise einer bevorzugten Ausführungsform

Bei der Erörterung der detaillierten Arbeitsweise des Umrichters hinsichtlich seiner bevorzugten Ausführungsform sollten die F i g. 2 und 3 zusammen genauer betrachtet werden. Die Fig.3 zeigt eine typische Wellenform, wie man sie zwischen dem geerdeten Nulleiter und dem Sternpunkt der im Stern geschalteten Sekundärseite des Unterstationstransformators einspeisen möchte.

Insbesondere sind die gezeigten Übergänge solche, die zu Beginn oder am Ende einer Nachricht auftreten können, wenn das Signal vom Modulationstransformator entweder eingeführt oder entfernt wird. In der Ausführungsform hat der Modulationstransformator 8 eine endliche Streuinduktivität, die die in Fig.3 gezeigte Wellenform abändert

Die Wellenform gemäß Fig.3 setzt sich aus Halbsinuswellen von der Frequenz der Starkstromleitung zusammen, die in ein Signal eingefügt werden, das sonst die Spannung null Volt hat Einschlägige Fachleute verstehen, daß es keinen wesentlichen Unterschied in der Kommutierung beim Übergang einer Halbsinus-Spannungswelle von positiver Polarität zum Nullspannungssignal und beim Übergang einer Halbsinuswelle von positiver Polarität zu einer Halbsinuswelle von negativer Polarität gibt

Entsprechend ähnelt die Kommutierung zwischen einer Halbsinusspannungswelle von negativer Polarität und dem Signal mit der Amplitude null derjenigen zwischen einer Halbsinusspannungswelle von negativer Polarität und einer von positiver Polarität. Daher besteht keine Notwendigkeit zur figürlichen Darstel- ^o lung der Art von Übergängen, die bei der Kommutierung des Stroms zwischen dem oberen und dem unteren Arm des Umrichters auftreten.

In Fig.3 sind die Einzelheiten der Kommutierung sowohl für einen voreilenden als auch für einen 4 nacheilenden Strom gezeigt. Die Wellenformen sind für einen Fall dargestellt, bei dem eine mäßige Induktivität im Nebenschlußpfad vorhanden ist. sowohl die Stromais auch die Spannungswellen sind in F i g. 3 gezeichnet. Bei der Darstellung dieser zwei Arten von Wellen wurde die Konvention verwendet, Ströme mit positivem Richtungssinn und Spannungen mit positiver Polarität oberhalb de- Achse darzustellen.

Die oben beschriebenen Regeln für eine erfolgreiche Kommutierung können für die Kurven gemäß F i g. 3 dahingehend zusammengefaßt werden, daß bei der Zusammensetzung der gewünschten Wellenform der Übergang von einem Abschnitt auf den nächsten nur zu Zeiten bewirkt werden kann, zu denen der frühere Abschnitte der Spannungswelle weiter von der Stromwelle entfernt liegt als das spätere Segment der Spannungswelle. Beim Versuch der Erzeugung der gewünschten Wellenform muß die Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters, der den neuen Strompfad zur Verfügung stellen soll, zu geeigneter Zeit mit Auslösesignalen beaufschlagt werden, und diese geeignete Zeit liegt früher oder später als der ideale Übergangspunkt, damit die vorhandenen Potentiale für den gewünschten Übergang günstig sind. Die sich daraus ergebenden Spannungswellen weichen nur innerhalb geringer Toleranzen von den Wellenformen für die idealen Übergänge ab. Die Einzelheiten der Spannungswellenformen in der Nähe der Übergangspunkte sind in F i g. 3 als Einfügungen dargestellt Dk Zeit zu der der gesteuerte Siliziumgleichrichter mit Auslösesignalen beaufschlagt werden muß, ist durch ein E oder ein L angedeutet je nachdem, ob die Auslösung früher (E) oder später (L) als der ideale Übergang stattfinden muß.

Die Zeit dieser Übergangsperiode (in Sekunde) ist ungefähr gleich dem Produkt des zu schaltenden Strom (in Ampere) und der Streuinduktivität (in Henry) des Modulationstransformators.

In F i g. 3 erscheint ein geteiltes Ova an jedem Punkt an dem der Strompfad zur Hervorrufung des Übergangs von einer Spannungsquelle zur anderen im Umrichter geändert werden muli, und an jedem Punkt, an dem der Strom die Richtung wechselt Die Zahlen, die in der rechten und linken Hälfte eines jeden Ovals erscheinen, weisen auf den gesteuerten Siliziumgleichrichter in F i g. 2 hin, der Strom vor und nach dem Wechsel der Stromumleitung führen muß. In dem geteilten Oval, das der Polaritätsumkehr des Stromflusses zugeordnet ist, ändert sich die Einerstelle der Bezeichnung für die gesteuerten Siliziumgleichrichter, beim Übergang der zusammengesetzten Spannungskurve von einem Abschnitt auf den nächsten dagegen die Zehnerstelle, entsprechend der Konvention für die Numerierung der Komponenten nach F i g. 2.

Im Falle der Umleitung des Stroms von einem gesteuerten Siliziumgleichrichter zum nächsten als Folge der Richtungsumkehr des Stromflusses ist es unangebracht, das Auslösesignal als früh oder spät zu bezeichnen; besser wird es mit einem Tbezeichnet, das eine Zeitverzögerung an jeder Seite des geteilten Ovals kennzeichnet Die Bezeichnung E, L und T ist in Einklang mit derjenigen, die in F i g. 4 verwendet wurde, wo die für die kontrollierte Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter geeignete Logik zur Codierung digitaler Daten dargestellt ist.

Weil der Strom in der Nähe eines Übergangs von einem Abschnitt der Wellenform zum nächsten groß sein kann ist es wesentlich, daß das vor dem idealen Übergangspunkt abgegebene Auslösesignal ausreichend früh erzeugt wird, um sicherzustellen, daß der Übergang vollendet ist und die Ladungsträger im gelöschten gesteuerten Siliziumgleichrichter verschwunden sind, bevor die Potentiale, die die beiden Übergangspfade versorgen, für den gewünschten Übergang ungünstig werden.

Vereinfachung der Schaltungslogik

WährenJ die vorstehende Erörterung genau die Bedingungen schildert, die herrschen müssen, damit ein gewünschter Übergang gelingt, ist es angebracht, eine sehr schnelle Methode zur Vereinfachung der Ausbildung der Schaltungslogik zu beschreiben. Die unten detailliert angegebenen Schaltregeln gehören zu der in F i g. 8 gezeigten Umgebung, worin die Pfade mit A, B, C usw. und der Richtungssinn des Stromflusses mit + oder — bezeichnet sind.

Der Gegenstand dieser Übereinkunft, die Schaltlogik,

kann wie folgt beschrieben werden:

1. Wähle eine ausreichend große Zeit vor dem idealen Übergang, um sicher zu gehen, daß der gewünschte

Übergang für den Fall gelingt, daß der gewünschte

Übergang zu der Kategorie gehört, die vor dem idealen Übergang ausgelöst werden muß.

2. Beseitigte alle Auslösesignale während dieser Zeit.

3. Wähle den Pfad A oder B oder C usw, der als nächster leitend werden soll; man beachte, daß dies auch keine Änderung des Pfades zur Folge haben kann.

4. Unterbinde Auslösesignale im + (oder — )-Sinn für alle Strompfadpaare, wenn der Stromfluß zu der Zeit der Unterbrechung der Auslösesignale dne positive (oder -) Richtung hatte.

5. Nach einer festen Verzögerungszeit (z. B. 50 μ5) löse den Stromfluß in der Richtung aus, die vorherrschte, als die Auslösesignale in Übereinstimmung mit (2) für den Pfad beseitigt wurden, in dem die Stromleitung erwünscht ist und halte ihn bis zur Zurückziehung durch (6) aufrecht

6. Wenn alle Ströme verschwinden, sperre alle Auslösesignale für eine feste Verzögerungszeit (d. h. 50 us) über die Zeit des Verschwindens hinaus; danach zünde die gesteuerten Siliziumgleichrichter für den Strom im gewünschten Pfad für beide Stromrichtungen; man beachte bei Verschwinden des Stroms während des Zeitraums ohne Auslösesignale im Anschluß an (2), daß der Zeitraum ohne Auslösesignale fortgesetzt wird, wobei die Periode ohne Auslösung einen festen Zeitraum über die Zeit hinaus fortgesetzt wird, zu der die Ströme verschwanden).

7. Halte die Sperrung der Auslösesignale, die unter (4) eingeleitet wurde, aufrecht bis zum früheren Auftreten folgender Ereignisse:

a) Auslösung gemäß (6),

b) Herstellung der Stromleitung in dem gewünschten Pfad und in keinem anderen

8. Nachdem der Strom in dem gewünschten Paar und in keinem anderen hervorgerufen ist, stelle Auslösesignale sowohl für positive als auch für negative Leitungsrichtung in diesem Paar zur Verfügung und halte sie aufrecht bis zu (IJ.

Diese Schaltlogik stellt den Erfolg aller Übergänge sicher, die vor der Zeit erreicht sein müssen, zu der die Spannungen gleich werden, die die beiden am Übergang teilnehmenden Pfade versorgen. Sie stellt auch sicher, daß Übergänge, die nicht stattfinden können bevor diese beiden Spannungen gleich geworden sind, zur frühestmöglichen Zeit vollendet werden.

In der voranstehenden Erörterung ist dargelegt, daß der Kondensator 100 mit seinem zugeordneten Strombegrenzungswiderstand 101 die Kontinuität des extern getriebenen Stroms zu jeder Zeit bewirkt, zu der der Umrichter nichtleitend ist. Gibt es keine Induktivität im Überbrückungspfad, so tritt ein Spannungsabfall durch den Umrichter von 1,4 V entsprechend dem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im gesteuerten Siliziumgleichrichter und in der Diode so lange auf, wie Stron im Überbrückungspfad fließt. Im leitenden Arm umfassen diese 1,4 V die Transformatorspannung und den Abfall längs der Streuinduktivität.

Hört der Strom im Überbrückungspfad zu fließen auf, so ändert sich die Spannung am Umrichter plötzlich, die Spannung an der Streuinduktivität kann ungehindert zusammenbrechen, wobei eine gedämpfte Schwingung in der Schaltung erzeugt wird, die aus der Reihenschaltung der Streuinduktivität des leitenden Arms, der Überbrückungskapazität und dem Strombegrenzungswiderstand besteht. Wenn dies auftritt, kann eine abklingende Schwingung am Ausgang des Umrichters auftreten.

Bei Stromumkehr ergibt sich in ähnlicher Weise ein kurzer Zeitraum, in dem kein Strom durch den Umrichter fließt Während dieses Zeitraums fließt der Strom im Überbrückungskondensator 100 und daher baut sich eine Spannung an diesem Kondensator auf. Wenn die Stromleitung wieder beginnt, kann erneut eine gedämpfte Schwingung in der Reihenschaltung aus der Streuinduktivität des leitenden Arms, dem Überbrückungskondensator 100 und dem Strombegrenzungswiderstand 101 entstehen. In diesem Fall tritt eine abklingende Schwingung in der Ausgangsspannung des Umrichters auf; die Anfangsamplitude dieser Schwingung ist der Steigung der Stromwelle bei Nulldurchgang

is proportional.

Es kann erwünscht sein, das Auftreten der abklingenden Schwingung auf der Ausgangsspannung des Umrichters zu beseitigen. Dies kann durch Festlegung der Güte (Q-Wert) der Reihenschaltung auf weniger als zwei erreicht werden. Diese Bedingung ist ungefähr erfüllt, wenn

(UQ¹¹IIKl

ist, worin R der Strombegrenzungswiderstand 101 in Ohm, C der Überbrückungskondensator 100 in Farad und L die Streuinduktivität in Henry auf der Sekundärseite des Modulationstransformators ist Diese Streuinduktivität auf der Sekundärseite kann von der prozentualen Reaktanz des Transformators aus der Beziehung:

L(Henry) = 10/(2 π/) (Prozent Reaktanz) x i/_stto,„/P

wobei Usek, aw. die sekundäre Ausgangsspannung in kV und P die Nennleistung in kVA bedeuten, erhalten werden.

Notwendigkeit der Abtastung des Stroms durch
die einzelnen gesteuerten Siliziumgleichrichter

Der durch den Umrichter fließende Strom wird nicht von den dem Umrichter gelieferten Spannungen und der Lastimpedahz bestimmt, sondern von einer äußeren Quelle eingeprägt, und es ist wesentlich, daß der durch die einzelnen gesteuerten Siliziumgleichrichter fließende Strom abgetastet wird, damit eine genaue Umschaltung erzielt werden kann.

In F i g. 2 ist zu sehen, daß jeweils eine Diode in Reihe zu jedem gesteuerten Siliziumgleichrichter des Umrichters gelegt ist. Solange Strom durch den Pfad fließt, wird ein Spannungsabfall von wenigstens 0,7 V auftreten, die so lange bestehen bleibt, wie Strom in Vorwärtsrichtung vorhanden ist, selbst wenn dieser Vorwärtsstrom sehr klein wird. Wenn der Strom in Vorwärtsrichtung zu fließen aufhört, fällt diese Spannung an der Reihendiode steil gegen Null ab. Demgemäß kann das Vorhandensein oier die Abwesenhe^:t dieses Spannungsabfalls an der Diode (oder an einem nichtgezeigten Widerstand, der parallel zur Diode liegt) als feinfühliger Indikator dafür dienen, ob in dem gesteuerten Reihen-Siliziumgleichrichter Strom fließt oder nicht.

Man könnte versucht sein, den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung am gesteuerten Siliziumgleichrichter selbst zu messen. Dies ist jedoch für die dargestellte Anwendung der Erfindung insofern nicht zufriedenstellend, als ein Spannungsabfall so lange zu beobachten ist, wie Steuerstrom im Siliziumgleichrichter fließt. Würde der gesteuerte Siliziumgleichrichter mit einem »Ein«- Auslösesignal beaufschlagt, jedoch kein Strom fließen,

könnte man demgemäß annehmen, daß der Strom nicht zu fließen aufgehört hätte. Aus dieser Überlegung heraus wurde die Entscheidung getroffen, eine Reihendiode einzubauen, die als Strommonitor dienen soll.

Es ist festzustellen, daß die Messung des Spannungs- -, abfalls an den Dioden, die in Reihe mit den gesteuerten Siliziumgleichrichtern des Umrichters gemäß F i g. 2 geschaltet sind, die Verwendung isolierter Netzgeräte erfordert. Einige Einsparungen hinsichtlich der Anforderungen für die Netzgeräte können jedoch aufgrund der Erkenntnis verwirklicht werden, daß das Netzgerät, das den Sensor zur Feststellung des Stromflusses in einer Richtung versorgt, ebenfalls zur Versorgung der Steuerelektrode desjenigen gesteuerten Gleichrichters dienen kann, der Strom in umgekehrter Richtung im π gleichen Arm des Umrichters führt. Daher kann ein Netzgerät, das frei auf dem Potential des Endes 20 der Sekundärwicklung des Modulationstransformators 8 liegt, den Stromfluß durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 22 durch Messung des Spannungsabfalls an der Diode abtasten und auch zur Beaufschlagung der Steuerelektrode 26 des Siliziumgleichrichters 25 mit Auslösesignalen dienen.

Die Spezifikationen der Hersteller geben im allgemeinen nicht an, ab welchem Stromniveau bei einem gesteuerten Siliziumgleichrichter die Stromleitung als beendet angesehen werden kann. Im Falle der gesteuerten Siliziumgleichrichter des Inverter-Übergang-Typs, die in der ursprünglichen Ausführungsform dieser Erfindung benutzt wurden, war der Dauernennstrom einige Hundert Ampere. Es wurde festgestellt, daß das Löschniveau für diese Geräte in Abwesenheit einer Steuerelektrodeneinspeisung ungefähr 1OmA war. die Technik des Abtastens des Stromflusses durch die Messung des Spannungsabfalls an einer Seriendiode erwies sich als etwa eine Größenordnung empfindlicher als notwendig.

Logische Steuerung für den Umrichter

Während die Abtastung der Stromleitung durch die au verschiedenen gesteuerten Siliziumgleichrichter und die Triggering der Steuerelektroden der verschiedenen gesteuerten Siliziumgleichrichter des Umrichters bei einer Anzahl isolierter Potentialpegel erzielt wird, ist es erstrebenswert die logischen Entscheidungen mit einem gemeinsamen Potential zu bewirken. Dafür werden alle Ergebnisse der Stromabtastung mit Hilfe von Optokopplern auf einen Erdbezugswert übertragen. Die Auslösesignale werden zuerst gegen einen Erdbezugswert erzeugt und dann auf das Potential verlagert, bei dem sie mittels Optokopplern verwendet werden.

Die für diesen Zv/eck benutzten Optokoppler sind bekannt und bestehen im wesentlichen aus einer lichtemittierenden Diode, die von dem Signal mit dessen Pegel gesteuert und aus einem Phototransistor, der bei einem Potentialbezugswert arbeitet, auf den das Signal übertragen werden soIL Diese Koppler sind handelsüblich in einem einzigen Gehäuse mit zusätzlichen Anpassungsschaltungen im gleichen Gehäuse verfügbar. Bei der Auswahl dieser Teile muß einige Sorgfalt aufgebracht werden, damit die Ansprechzeiten und Empfindlichkeiten für Signale von niedrigem Pegel ausreichend sind.

In der bevorzugten Ausführungsform speist eine einphasige Eingangsspannung den Umrichter. Die _b5 Übergänge zwischen den drei möglichen Strompfaden werden in der Nähe der Nundurchgänge dieser Emgangsspannungswelle bewirkt Einschlägige Fachleute verstehen, daß digitale Informationen in einem solchen Rahmen auf mannigfaltige Weise codiert werden können. Man könnte im Prinzip diese Einrichtung sogar verwenden, um digitale Information in ternärer Form darzustellen, da es wahlweise drei Strompfade gibt.

Das in seinem Konzept wohl einfachste Codierschema erfordert Umschaltungen zwischen den oberen und unteren Armen des Umrichters in einer vorherbestimmten Weise, um der Spannung der Λ-Phase eine reine Phasenmodulation aufzuprägen. Die Codierung kann daher verwirklicht werden, indem die Phase für eine »Eins« vorverlegt und für die »Null« verzögert wird. Offensichtlich lassen sich komplizierte Schaltmusler erreichen, wenn es erwünscht ist.

Die F i g. 4 zeigt im Biockdiagramm die wesentlichen Elemente der logischen Steuerschaltung, die die Darstellung digitaler Daten als vorverlegte oder verzögerte Wellen in der /4-Phase ermöglicht. Die Wahl einer komplizierten Codiertechnik in einer Ausführungsform ergab sich aus gemeinsamen Überlegungen bezüglich der Einfachheit des Empfängers und dem Bestreben, die Signalisierung auf allen drei Phasen gleich wirksam zu machen. Da jedoch die ausführlichere Codiertechnik in Bezug auf diese Erfindung nichts Neues lehrt, braucht nur die einfachste Technik berücksichtigt zu werden, um die wesentlichen Eigenschaften darzulegen.

Für die Erörterung ist es angebracht, die F i g. 4 in zwei Hälften zu unterteilen: Auf der linken Seite werden verschiedene logische Größen als Eingänge für die Entscheidungsschaltungen erzeugt Auf der rechten Seite ist die Entscheidungsschaltung als solche dargestellt. Die optische Isolierung, die die Daten von einem Potentialbezugswert auf einen anderen überträgt, ist nur als ein numerierter Kasten gezeigt

In der oberen linken Seite von Fig.4 werden die logischen Größen In, I₃\, /24 und /34 erzeugt. Dies wird jeweils durch Abtastung des Stroms in den Dioden 21, 31, 24 und 34 durch Messung des Potentials an der Diode (oder an einem Parallelwiderstand) und durch die Übertragung der Information, ob Strom über die Optokoppler fließt oder nicht in logische Potentiale erreicht Daher sind /21, /31, /24 und /34 logische Pegel.

Ein Polaritätsspeicher 100 zeigt die Richtung an, in die der Strom zuletzt geflossen ist Wenn der Strom in positiver Richtung fließt wird der Speicher in den Zustand P versetzt Hat der Strom zu fließen aufgehört, bleibt der Speicher 100 im neuesten Zustand, der nicht umgekehrt wird, bevor Strom durch einen gesteuerten Siliziumgleichrichter in umgekehrter Richtung zu er* KiKTinnt

- inn Ro<-*»u

in der Aufbewahrung des Richtungssinns, in dem der Strom zuletzt geflossen ist Wenn der Strom zu fließen aufhört, braucht man während der Zeit, in der die Überbrückungskondensatoren 46 und 56 (F i g. 2) für die Stromkontinuität sorgen, einen gesteuerten Siliziumgleichrichter nicht mit Auslösesignalen zu beaufschlagen. Der Richtungssinn jedoch, in dem der gesteuerte Sflizhungleichrichter im Folgenden nut Auslösesignalen beaufschlagt werden muß, wird durch den Zustand des Polaritätsspeichers bewahrt

Die in Fig.4 dargestellte Logik bewirkt die Übergänge von einem Arm zum anderen in der Nähe der Nulldurchgänge von negativer Steigung der Eingangsspannung für den Umrichter. Hierfür ist ein Nulldurchgangsdetektor 102 für positive Steigungen vorgesehen, der als Trigger für drei Verzögerungs-Zäh-

ler 104,106 und 108 dient. Die »Früh«-Verzögerungsanordnung 104 bewirkt eine Verzögerung von weniger als Vi2o s, so daß die früheren Übergänge zur Zeit E etwa vor dem folgenden Nulldurchgang negativer Steigung ausgelöst werden können. Die »Spät«-Verzögerungsan- ■; Ordnung 106 bewirkt eine Verzögerung von etwas mehr als '/i2o s, so daß die spaten Übergänge etwas nach dem folgenden Nulldurchgang negativer Steigung ausgelöst werden können. Die Wahl dieser Verzögerungen richtet sich nach dem Bestreben, einen Übergang angemessen ι ο nahe am idealen Übergang hervorzurufen, jedoch muß man im Fall des frühen Übergangs sicherstellen, daß das Auslösesignal dem Nulldurchgang eine ausreichende Zeit vorangeht, um zu gewährleisten, daß der Übergang ausgeführt ist und die Ladungsträger in dem nicht mehr leitenden gesteuerten Siliziumgleichrichter verschwunden sind, bevor ungünstige Potentialbedingungen hervorgerufen werden.

Eine Schiebeverzögerung 108 wird ferner vom Ausgang des Nulldurchgangsdetektors für positive Steigung erzeugt. Die Verzögerung stellt in diesem Fall sicher, daß der in Reaktion auf ein spätes Auslösesignal bewirkte Übergang verwirklicht worden ist, bevor Daten in das Datenregister 110 als Vorbereitung für das nächste zu codierende Bit eingeschoben werden.

Ein NOR-Gatter 112 mit Eingängen /21, /31, /24 und /34 erzeugt einen positiven Impuls, wenn der Strom im Umrichter zu fließen aufhört. Dies ruft eine Verzögerung von ungefähr 50 μβ (funktionell durch den Block 114 dargestellt) hervor, bevor die Beaufschlagung irgend eines gesteuerten Siliziumgleichrichters mit Auslösesignalen zugelassen werden kann. Während dieser Zeit v/ird die Stromkontinuität im Nulleiter der Verteilerleitung durch die Überbrückungskondensatoren 46 und 47 aufrechterhalten.

Der verbleibende Teil der Logik ist in die Beaufschlagung der entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichter mit Auslösesignalen einbezogen. Dies ist auf der rechten Seite der F i g. 4 dargestellt Ob der obere oder untere Arm leiten soll, richtet sich nach dem Ausgang des Datenregisters 110. Die Entscheidung, ob der Übergang vom oberen zum unteren Arm umgekehrt ablaufen soll, bestimmt die Steigung des Übergangs. Ob die Auslösung früh oder spät bewirkt werden soll, richtet sich nach der Steigung des Übergangs und nach dem Richtungssinn des Stroms.

Die tatsächliche gewählte Logik löst den entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichter zu geeigneter Zeit aus, um den Übergang herzustellen, den zur Codierung der Daten notwendigen Übergang zu erzielen und mit den Stromumkehrungen fertig zu werden. Es iii keine Angelegenheit von besonderer Bedeutung, daß ein Auslösesignal auch dem gesteuerten Siliziumgleichrichter, der im Augenblick leitend ist, in Fällen zugeführt wird, in denen keine Änderung des Zustands hervorgerufen werden solL

Die dargestellte Logik stellt dem entsprechenden gesteuerten Siliziumgleichrichter auch einen Auslöseimpuls nach der Verzögerung von ungefähr 50 us zur Verfügung, die auf die Richtungsumkehr des Nulleiter-Stroms folgt

Einschlägige Fachleute erkennen, daß die in Fig.4 dargestellte Schaltung nur diejenigen wichtigen Teile enthalt die zum Verständnis dieser Erfindung beitragen. Maßnahmen wie die Sperrschaltung die jedes Auslösen der gesteuerten Silizhnngleichrichter des Umrichters im Falle einer Leitungsstörung unterbricht sind in F i g. 4 nicht gezeigt Diese Gesichtspunkte, die für die

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35 praktische Realisierung dieses Systems wesentlich sind, sind aber so herkömmlich, daß sie nicht dargestellt werden müssen.

Erhaltung der Stromkontinuität ohne
Überbrückungskondensator

Man kann eine Logik, die die Kontinuität des Stroms durch den Umrichter erhält, ohne die Benutzung eines Überbrückungskondensators verwirklichen, um mit den kurzen Perioden in der Nähe der Stromumkehrzeit fertig zu werden. Schwierigkeiten ergeben sich, wenn der Stromnulldurchgang und der Spannungsnulldurchgang ungefähr zusammenfallen. Die erforderlichen logischen Entscheidungen sind jedoch bedeutend komplizierter. Daher wird dieses Verfahren nicht empfohlen.

Es gibt einen Zustand, in dem der Stromnulldurchgang und der Spannungsnulldurchgang den umgekehrten Richtungssinn haben und genau zusammentreffen. In diesem Fall ist es nicht möglich, zuverlässige Übergänge hervorzurufen.

Unter anderen Bedingungen kann es schwierig sein, den gewünschten Übergang bei jeder Gelegenheit hervorzurufen. Der erreichte Zustand ist jedoch voraussagbar.

Im wesentlichen muß die Sicherheit gegeben sein, daß irgend ein dem Modulationstransformator aufgezwungener Kurzschluß in der Weise abläuft, daß er nicht langer als einige wenige Grade bestehen bleiben kann, wobei während dieser Zeit die treibende Spannung abnimmt. Das Problem ergibt sich, wenn man einen Strompfad von umgekehrter Richtung zu einer Zeit schaffen muß, in der der Spannungsübergang nicht vollendet ist. Die Lösung besteht in der Betätigung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters in einem der beiden leitenden Arme, der Strom in umgekehrte Richtung führen wird. Der auszuwählende richtige Arm ist derjenige, für den die Spannungswelle der Quelle in einer solchen Richtung verläuft, daß die den Kurzschluß treibende Spannung abnimmt

Für den Fall eines Umrichters, der Strom in den Nulleiter der Verteilungsleitung einspeist wäre es sehr schwierig mit Stromumkehrungen in der Nähe des Spannungsnulldurchgangs mit irgend einer Technik fertig zu werden, die den Überbrückungskondensator vermeidet Man wäre nämlich gezwungen, entweder eine Ersatzeingangsspannung für den Umrichter oder eine örtliche Kapazität auf einer der drei Phasen vorzusehen, die dazu benutzt werden könnte Zustände zu vermeiden, in denen die Modulation sehr wenig vorhersagbar ist

Andere Anwendungen

Während diese Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, kann man sich gleichermaßen ihre Verwendung in anderen Situationen vorstellen. In der geschilderten Ausführungsform wird der Umrichter zur Addition des gleichen Signals zu jeder der drei Phasenspannungen der Verteilungsleitung verwendet Einschlägige Fachleute erkennen, daß drei Umrichter benutzt werden können, um den einzelnen Phasen eines Starkstromsystems getrennte Signale aufzuprägen. Entsprechend kann ein solcher Umrichter dazu verwendet werden, ein Signal einem Einzelphasensystem zu überlagern.

Es ist auch möglich, den Umrichter als Mittel zur Schaffung eines elektronisch gesteuerten Phasenversehiebungstransformators einzusetzen. Em derartiges

Gerät könnte verständlicherweise für das Ausgleichen von Belastungen einer Mehrzahl von Generatoren Verwendung finden, die von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden.

Anwendungen können sich ergeben, bei denen der Umrichter einen beträchtlichen Teil der gesamten

Leistung in die Last liefern kann, während dennoch eine äußere Quelle einen so großen Anteil abgibt, daß der Stromfluß durch den Umrichter nicht aus der Wellenform des Umrichters und der Impedanz der Last vorhergesagt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Umrichter in einer Schaltungsanordnung mit einer Wechselstromquelle, die zumindest eine Last einen Strom einspeist, wobei der Umrichter als natürlich kommutierter Umrichter ausgebildet ist, der mehrere steuerbare, jeweils in einer Richtung wirkende Strompfade aufweist, die in parallel zueinander geschalteten Paaren angeordnet sind, in ι ο denen die Strompfade jeweils zur Herstellung eines zweiseitigen Stromflusses zueinander invers parallel gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter wahlweise in den Stromfluß zwischen der Wechselstromquelle (2,3,4) und der Last (5,6,7) durch Betätigung der Strompfade (12,15,22,25,32, 35) einfügbar ist, daß der durch die parallelen Paare von Stroaipfaden (12, 15; 22, 25; 32, 35) fließende Strom vorwiegend in eingeprägter Form von der Spannung der Wechselstromquelle und der Last bestimmt ist, daß der Umrichter mit einer eine modulierende Welle in die Paare von Strompfaden einspeisenden Strom/Spannungsquelle (8) verbunden ist und daß mittels einer Strompfade (11,14,21, 24, 31, 34) und Steuereinrichtungen (102, 103, 104, 106, 108, 110, 114) umfassenden Einrichtung die leitenden Zustände der Strompfade (12; 15, 22, 25, 32, 35) überwachbar und die Auslösesignale für die Strompfade erzeugbar sind.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade (12,15, 22, 25,32,35) mit der Wechselstromquelle (2,3,4) und der Last (5, 6,7) in Reihe geschaltet sind.

3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierende Welle eine einphasige Spannungswelle ist

4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswelle von der an die Last (5,6,7) gelieferten Spannung abgeleitet ist

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß eine auf den gesamten Stromfluß durch die Strompfade (12, 15, 22, 25,32, 35) ansprechende Anordnung (9, 60, 61) zur Erzeugung eines Signals vorgesehen ist, wenn der Stromfluß einen vorherbestimmten Wert erreicht, und daß mit einer auf das Signal ansprechenden Anordnung (80,81,86) ein Zweirichtungsstrompfad (41, 51) freigebbar ist der parallel zu der Vielzahl von Strompfaden (12,15,22,25,32,35) geschaltet ist.

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen Mittel (11,41,21,24,31,34) zum Feststellen des Strömt.jsses und der Beendigung des Stromuusses durch jeden der Strompfade (12, 15, 22, 25, 32, 36) umfassen.

7. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Energiespeicher (56, 46) zur Aufrechterhaltung der Kontinuität des Stromflusses zu der Last (5, 6, 7) vorgesehen sind, wenn sich die Stromrichtung zu irgendeiner Zeit innerhalb eines Abschnitts der zusammengesetzten Ausgangsspannung des Umrichters und beim Übergang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen der zusammengesetzten Spannungswellenform umkehrt

8. Umrichter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß die Paare (12, 15, 22, 25, 32,35) von Strompfaden jeweils aus

steuerbaren Ventilen bestehen.

9. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß für die Zusammensetzung einer Spannungswellenform, die den Spannungen der drei Phasen einer elektrischen Starkstromverteilungsleitung (2, 3, 4) überlagert ist die von einer im Stern geschalteten Sekundärseite (A, B, C) eines Unterstationstransformators gespeist ist der Stromrichter mit den Strompfaden (12,15,22,25,32, 35) in Reihe mit dem Sternpunkt (1) des im Stern geschalteten Unterstationstransformators und dem geerdeten Nulleiter (10) geschaltet ist der allen Phasen der Starkstromverteilungsleitung (2, 3, 4) zugeordnet ist

10. Umrichter nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 2 bis 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß der Zweirichtungsstrompfad (41, 51) zwischen dem geerdeten Nulleiter (10) und dem Sternpunkt (1) der im Stern geschalteten Sekundärseite (A, B, C) angeordnet ist

11. Umrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß eine auf einen vorherbestimmten Spannungspegel zwischen dem Sternpunkt (1) der im Stern geschalteten Sekundärseite (A, B, C) und dem geerdeten Nulleiter (10) ansprechende Anordnung (70, 71, 72, 73, 74, 75) zur Erzeugung eines Fehlersignals vorgesehen ist und daß di-rch eine auf das Fehlersignal ansprechende Anordnung (80,81,82,86) der Zweirichtungsstrompfad (41,51) zwischen dem Sternpunkt (1) und dem geerdeten Nulleiter (10 freigebbar ist.

12. Umrichter nach Anspruch 9 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sternpunkt (1) und dem geerdeten Nulleiter (10) drei Paare (12, 15; 22, 25; 32, 35) von Strompfaden mit je zwei in inverser Parallelschaltung angeordneten, steuerbaren Ventilen vorgesehen sind und daß ein mittelangezapfter Modulationstransformator (8) ,für die Erzeugung der modulierenden Welle von einer Spannung erregt ist deren Phase mit derjtnigen zwischen zwei Phasen oder Verteilungsleitung (2, 3,4) übereinstimmt.

13. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade auf ein Auslösesignal hin nach folgenden Schritten steuerbarsind:

a) Auswahl einer ausreichend vor dem idealen Stromübergang liegenden Zeit, um sicherzustellen, daß der gewünschte Übergang von einem Strompfad zum anderen auch dann erfolgt wenn er zu der Kategorie gehört, die vor dem idealen Übergang ausgelöst werden muß,

b) Beseitigung aller Auslösungen während dieser Z~it,

c) Auswahl des ersten oder zweiten Pfades, der als nächster leitend wurden s j11,

d) Sperrung der Auslösung im positiven (oder negativen) Sinn für alle Strompfadpaare, wenn der Stromfluß zu der Zeit der Unterbrechung der Auflösung eine positive (oder negative) Richtung hatte,

e) nach einer vorherbestimmten Verzögerungszeit Auslösung des Stromflusses in der Richtung, die zu der Zeit der Unterbrechung der Auslösung gemäß Schritt b) für die Pfade vorherrschte, in denen Stromleitung erwünscht ist und Aufrechterhaltung, wenn sie nicht oder bis sie durch den Schritt f) aufgehoben wird,

f) wenn alle Ströme verschwinden. Sperrung aller Auslösesignale für eine vorherbestimmte Verzögerungszeit über die Zeit des Verschwindens hinaus und anschließend Beaufschlagung der erwünschten Strompfade für beide Stromrichtungen mit Auslösesignaien, wenn der Strom während der auf den Schritt b) folgenden Periode ohne Auslösung verschwindet, wobei die Periode ohne Auslösung einen vorherbestimmten Zeitraum über die Zeit hinaus fortgesetzt wird zu der der Strom verschwindet,

g) Aufrechterhaltung der unter Schritt d) eingeleiteten Sperrung bis zum früheren Auftreten von:

1. Auslösung in Obereinstimmung mit Schritt