DE2719563C3 - Stromrichteranordnung zur Umformung einer Eingangsspannung in eine steuerbare Ausgangsgleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung zur Umformung einer Eingangsspannung in eine steuerbare Ausgangsgleichspannung, bei der die Ausgangsgleichspannung über mindestens ein Stromrichterventil von der Reihenschaltung der Eingangsspannungsquelle und einer Induktivität abgegriffen ist, wobei parallel zu dieser Reihenschaltung ein über einen Umschalter mit vorgebbarer Frequenz umpolbarer Kondensator liegt, dessen Spannung zumindest zeitweilig gegenüber der Eingangsspannung erhöht ist.

Eine derartige Stromrichteranordnung ist aus der US-PS 32 15 925 bekannt. Aufgabe der bekannten Schaltungsanordnung ist es, einen Gleichstromverbraucher aus einer Gleichspannungsquelle mit konstanter Spannung zu speisen. Insbesondere soll beim Einsatz

einer Batterie als Gleichspannungsquelle die mit zunehmender Entladung der Batterie auftretende Spannungsverminderung beseitigt werden. Hierfür ist die Last über ein ungesteuertes Stromrichterventil und eine Induktivität in Reihenschaltung mit der Spannungsquelle verbunden. Der Last ist unmittelbar ein GlättuDgskondensator parallel geschaltet Durch einen einerseits am Verbindungspunkt von Induktivität und Stromrichterventil, andererseits am anderen Pol der Speisespannungsquelle angeschlossenen Schaltei kann die Induktivität direkt an die Spannungsquelle angeschaltet werden, so daß beim Einschalten des Schalters der Stromfluß durch die Induktivität erhöht wird, beim anschließenden Ausschalten des Schalters die mit dem Abbau des magnetischen Feldes in der Induktivität auftretende Selbstinduktionsspannung die an der Last anstehende Spannung erhöht Bei dem in F i g. 2 der US-PS 32 15 925 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schalter als Umschalter ausgpbildet. Dieser Umschalter umfaßt vier steuerbare Stromrichterventile in Brückenschaltung nach Art einer Graetz-Schaltung. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Stromrichterventile werden durch jeweils einen Frequenzgenerator angesteuert In der Brückendiagonale ist ein Kondensator angeordnet, dessen Beläge durch aufeinanderfolgendes Zünden von jeweils zwei einander gegenüberliegenden Stromrichterventilen polaritätsumkehrbar derart mit der Reihenschaltung aus Spannungsquelle und Induktivität verbindbar sind, daß die Kondensatorspannung zusätzlich zur Spannung der Spannungsquelle in dem durch die Spannungsquelle, die Induktivität und den Umschalter gebildeten Stromkreis auftritt. Jeweils beim Zünden von zwei einander gegenüberliegenden Stromrichterventilen der Brückenschaltung tritt ein Schwingungsvorgang auf, durch den der Kondensator umgeladen wird und an dessen Ende die bislang stromführenden Stromrichterventile gelöscht werden. Der Kondensator erhält hierbei jeweils eine .:'jer der Spannung der Spannungsquelle liegende Ladespannung. Der Kondensator dient hierbei also der Abschaltung der Stromrichterventile und der Vorgabe der Einschaltdauer der Stromrichterventile. Der aus den in Brückenschaltung angeordneten Stromrichterventilen und dem Kondensator bestehende Überbrückungszweig stellt somit lediglich einen Schalter dar, dessen Einschaltdauer nach dem Zünden durch das Zusammenspiel von Induktivität und Kondensator vorgegeben und damit nicht mehr beeinflußbar ist. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist nur mit einer Gleichspannungsquelle als Spannungsquelle betreibbar. Die zur Verfugung gestellte Verbraucher-Gleichspannung kann hierbei die Spannung der Gleichspannungsquelle nicht unterschreiten. Eine Rückspeisung von Energie durch eine rückspeisefähige Last an die Spannungsquelle ist nicht möglich.

Ferner ist aus der US-PS 34 87 289 eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers bekannt, bei der ein Stromrichter (Gleichrichter) mit jeweils einem Paar steuerbarer Ventile in einphasiger Brückenschaltung einen Gleichstromverbraucher versorgt. An den netzseifi}' Anschlußklemmen des Stromrichters liegt, die Reihenschaltung eines Kondensators mit der Sekundärwicklung eines Transformators. Dessen Primärwicklung ist in Reihe mit einem weiteren Kondensator an den Ausgang eines weiteren Stromrichters (Wechselrichter) mit ebenfalls einem Paar steuerbarer Ventile in einphasiger Srückenschaltung angeschlossen. Am Eingang dieses Stromrichters — der als Umschalter angesprochen werden kann — liegt ein Glättungskondensator. Der Eingang ist von einer Wechselspannungsquelle oder von einer Gleichspannungsquelle beaufschlagt Diese wird vom weiteren Stromrichter mit relativ hoher Frequenz zerhackt rnd anschließend transformatorisch auf den erstgenannten Stromrichter übertragen, wo eine Gleichrichtung erfolgt Diese Schaltungsanordnung kann zum Antrieb und zum Abbremsen eines Gleichstrommotors verwendet werden. An einer Wechselspannungsquelle, beispielsweise einem Wechselspannungsnetz, kann sie als Eingangsschaltung für einen fahrdrahtgespeisten Bahnantrieb, als Eingangsschaltung zur Speisung eines Gleich- oder Mischstrommotors oder als Eingangsschaltung für einen Umrichterantrieb, der eine variable Eingangsgleichspannung benötigt verwendet werden. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Anforderungen an die Schaltungsanordnung gestellt Für einen fahrdrahtgespeisten Bahnantrieb wird eine Eingangsschaltung gewünscht die dem Wechselspannungsnetz im wesentlichen nur Wirkleistung bei einem hohen Grundschwingungsgehalt des Netzstromes entnimmt Bei Verwendung als Eingangsschaltung zur Speisung eines Gleich- oder Mischstrommotors oder eines Umrichterantriebes mit Wechselrichter, der eine variable Eingangsspannung benötigt, muß mit dieser Eingangsschaltung die Gleichspannung an einem solchen Gleichstromverbraucher verändert werden können. Im Bremsbetrieb eines Antriebes soll häufig — das gilt auch für den Betrieb am Gleichspannungsnetz

— die abgegebene Energie in das Spannungsnetz zurückgeliefert werden.

Diese bekannte Schaltungsanordnung ist außerordentlich aufwendig gebaut. Benötigt sie doch zwei komplette Stromrichter, die für den vollen Laststrom ausgelegt sein müssen, wobei jeweils antiparallel angeordnete Stromrichterventile erforderlich sind. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Hochfrequenztransformators unumgänglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die außer an einer Gleichspannungsquelle auch an einer einphasigen Wechselspannungsquelle betreibbar sein soll, die dabei eine Spannungsverstellung bis zum Wert Null ermöglichen soll und die für eine Energierückspeisung an die Spannungsquelle geeignet sein soll. Insbesondere soll diese Stromrichteranordnung aber bei Anschluß an eine Wechselspannungsquelle als Eingangsschaltung zur Speisung eines Gleich- oder Mischstrommotors oder eines Umrichterantriebes geeignet und so steuerbar sein, daß dem Wechselspannungsnetz im wesentlichen nur Wirkleistung bei einem hohen Grundschwingungsgehalt des Stromes entnommen wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

— daß in Verbindung mit einem in beiden Stromrichtungen stromtragfähigen Umschalter die Umschaltfrequenz wesentlich höher gewählt ist als die Resonanzfrequenz des aus dem Kondensator und der Induktivität bestehenden Reihenschwingkreises;

— daß die Verweildauern des Umschalters in beiden Stellungen ungleich sind und in einem Verhältnis zueinander stehen, das die Überhöhung der Spannung des als Speicherkondensator mit annähernd konstanter Spannung dienenden Kondensators gegenüber der Spannung der Spannungsquelle bestimmt;

— daß die Abnahme der Ausgangsgleichspannung über

einen Stromrichter in Brückenschaltung erfolgt, bei dem wenigstens eine Brückenhälfte steuerbar ist.

Zwar ist in der eingangs erwähnten US-PS 32 15 925 in Form der Graetz-Schaltung auch ein Stromrichter in Brückenschaltung vorgesehen. Jedoch sind die Ausgangsklemmen dieser Brückenschaltung nicht mit dem Gleichstromverbraucher verbunden. Diese Brückenschaltung übernimmt vielmehr die Funktion des Umschalters zum polaritätsumkehrbaren Anschließen des die Einschaltdauer der Stromrichterventile vorge- ι ο benden und jeweils umschwingenden Kondensators. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen werden zur Speisung des Gleichstromverbrauchers durch die Brückenschaltung bestimmte Abschnitte der Eingangsspannung der Brückenschaltung »ausgeblendet«. Die aus der erwähnten US-PS 32 15 925 bekannte Brückenschaltung weist somit nach Anordnung und Funktion keine Übereinstimmung mit der vorliegenden Brückenschaltung auf.

Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung kann sowohl an einem Gleichspannungs- als auch an ein Wechselspannungsnetz betrieben werden. Bei Anschluß an ein Gleichspannungsnetz ist zu beachten, daß die beiden Stromrichterventile der einen Brückenhälfte steuerbar sein müssen und diejenigen der anderen Brückenhälfte prinzipiell ungesteuert sein können. Bei einer solchen Ausführungsform kommt man mit zv/ei Thyristoren und zwei Dioden der Brückenschaltung aus. Die beiden steuerbaren Stromrichterventile werden dabei im Wechselspiel mit dem Umschalter betätigt. Eine solche Ausführungsform besitzt zwar einen einfachen kostengünstigenAufbau, eine Rückspeisung in das Gleichspannungsnetz ist jedoch bei generatorisch arbeitendem Gleichstromverbraucher nicht möglich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Stromrichteran-Ordnung zeichnet sich dadurch aus, daß alle vier Stromrichterventile der Brückenschaltung steuerbar, also beispielsweise als Thyristoren ausgebildet sind. Bei dieser Weiterbildung ist — sofern der Gleichstromverbraucher eine Antriebsmaschine umfaßt — Bremsbetrieb und ein Rückspeisen der iremsenergie in das Gleichspannungsnetz möglich. Die Zündeinrichtung für die Stromrichterventile muß nur entsprechend für Wechselrichterbetrieb des Stromrichters ausgelegt sein. Zur Einleitung des Bremsvorganges ist — im Gegensatz zu einer Stromrichteranordnung mit Gleichstromsteller — ein Umgruppieren von Ventilen mit Hilfe von Schützen nicht erforderlich.

Die erwähnte Weiterbildung der Stromrichteranordnung durch Verwendung einer voll gesteuerten Brückenschaltun¹⁷ besitzt noch einen weiteren Vorte*' Dieser macht sich bereits bei nichtgeneratorischem Betrieb bemerkbar. Die erwähnte Weiterbildung ermöglicht nämlich — im Vergleich zur Anwendung einer halbgesteuerten Brückenschaltung — eine Vergrößerung der Verbrauchergleichspannung. Diese Vergrößerung ergibt sich, wenn nicht nur die Spannungs-Zeit-Flächen der einen (z. B. der positiven) Polarität, sondern auch diejenigen der anderen (z. B. der negativen) Polarität der Spannung zwischen den netzseitigen Anschlußklemmen zur Bildung der Verbraucher-Gleichspannung herangezogen werden. Das geschieht durch Gleichrichtung in der voll gesteuerten Brückenschaltung.

Bei Anschluß an ein Wechselspannungsnetz sind alle vier Stromrichterventile der Brückenschaltung steuerbar auszubilden, wenn eine Rückspeisung ins Wechselspannungsnetz möglich sein soll.

Zur Zündung der steuerbaren Stromrichterventile des Stromrichters wird — wie allgemein üblich — eine Zündeinrichtung benötigt. Entsprechend muß für den Umschalter ein Steuergerät vorgesehen sein. Die Steuerung mittels Zündeinrichtung und Steuergerät sollte so aufeinander abgestimmt sein, daß dem Gleichspannungsnetz ein möglichst oberwellenarmer glatter Netzgleichstrom bzw. dem Wechselspannungsnetz ein möglichst sinusförmiger Netzwechselstrom ohne Oberwellen entnommen wird. Eine solche Forderung sollte insbesondere bei Bahnantrieben mit Fahrdrahtspeisung erfüllt werden.

Demgemäß zeichnet sich eine weitere Ausbildung der Stromrichteranordnung, mit der ein oberwellenarmer Netzgleichstrorn aus dem Glcichspannungsnetz oder einen weitgehend rein sinusförmiger Netzwechselstrom aus dem Wechselspannungsnetz bezogen werden kann, dadurch aus, daß ein für den Umschalter vorgesehenes Steuergerät und eine Zündeinrichtung für den Stromrichter so ausgebildet sind, daß ein Zündimpuls für das eine steuerbare Stromrichterventil der einen Brückenhälfte jeweils zeitlich mit einem Steuerbefehl für den Übergang von der einen Schaltstellung in die andere Schaltstellung zusammenfällt und daß während der Verweildauer des Umschalters in der einen Schaltstellung das andere steuerbare Stromrichterventil der einen Brückenhälfte ebenfalls gezündet wird, wobei der Zündabstand zwischen der Zündung beider Stromrichterventile in Abhängigkeit von der Verbraucher-Gleichspannung einstellbar ist.

Nach einer weiteren Ausbildung läßt sich eine größere Verbraucherspannung .erzielen dadurch, daß das für den Umschalter vorgesehene Steuergerät und eine Zündeinrichtung für den Stromrichter so ausgebil_: det sind, daß die Zündimpulse für die steuerbaren Stromrichterventile der einen Brückenhälfte jeweils zeitlich mit den Steuerbefehlen für den Übergang zwischen den beiden Schaltstellungen zusammenfallen, daß in der anderen Schaltstellung das eine steuerbare Stromrichterventil der anderen Brückenhälfte für eine einstellbare Zeit bis zum Übergang in die eine Schaltstellung und daß das andere steuerbare Stromrichterventil der anderen Brückenhälfte während der restlichen Zeit des vorgegebenen Zeitabstandes gezündet wird.

In geeigneten Fällen kann als Induktivität die Induktivität des speisenden Netzes dienen. Damit wird das Vorsehen einer eigenen Induktivität für die Stromrichteranordnung überflüssig gemacht

Als Gleichstromverbraucher kann beispielsweise eine Gleichstrommaschine vorgesehen sein. Die Stromrichteranordnung eignet sich aber auch besonders gut für den Fall, daß als Gleichstromverbraucher ein Wechselrichter mit angeschlossener Drehfeldmaschine vorgesehen ist Damit kann die Eingangsspannung des Wechselrichters bequem zwischen dem Wert Null und einer über der Eingangsspannung der Stromrichteranordnung liegenden Spannung variiert werden, wobei die Netzrückwirkungen niedrig bleiben.

Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß in der Verbindung zwischen Stromrichter und Wechselrichter mindestens eine Glättungsdrosselspule angeordnet ist und als Wechselrichter ein Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, wobei an die maschinenseitigen Ausgangsklemmen des Wechselrichters ein Rückspeisegleichrichter mit Pufferkondensator angeschlossen ist und als Pufferkondensator der Kondensator der Stromrichteranordnung

dient. Damit ist dieser Kondensator einer Doppelnutzung zugeführt.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE-OS 25 20 158 ein zwangskommutierter Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung bekannt, der eine elektrische Maschine speist. Der Wechselrichter umfaßt eine Brückenschaltung, bei der jeder Brückenzweig aus der Reihenschaltung eines gesteuerten mit einem ungesteuerten Ventil besteht. Zwischen den Brückenzweigen sind Löschkondensatoren angeordnet, die bei jedem Kommutierungsvorgang vom Laststrom umgeladen werden. Die Spannung an den Löschkondensatoren kann während des Kommutierungsvorganges prinzipiell über die Maschinenspannung hinaus ansteigen. Die Spannung an den Löschkondensatoren Hegt auch an den Ventilen und an den Maschinenw'cklungen. Um den Aufwand bei der Bemessung der Ventile und an Isolation gering zu halten, wird dafür gesorgt, daß die maximale Löschkondensatorspannung nicht zu groß wird. Diese Begrenzung der Löschkondensatorspannung wird durch eine Spannungsbegrenzungsschallung erreicht Diese umfaßt einen Pufferkondensator und eine Diodenbrücke, über die die überschüssige Energie in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist wird.

Es ist vorteilhaft, wenn die beiden Brückenhälften des Stromrichters derart versetzt zueinander getaktet sind, daß die Ausgangsgleichspannung der Stromrichteranordnung im Mittel symmetrisch zum Sternpunkt der Drehfeldmaschine liegt. Damit kann die einem Pufferkondensator gelieferte Energie über den Umschalter und den Stromrichter an den Gleichstromzwischenkreis weitergeleitet werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung benötigt keine weiteren Kommutierungseinrichtungen für die einzelnen Stromrichterventile der Brückenschaltung. Die Kommutierung des Stromes von einem dieser Stromrichterventile zum nächsten erfolgt selbsttätig beim Zünden des in der Zündfolge nächsten Stromrichterventils; die erforderliche Kommutierungsspannung wird vom Speicherkondensator über den Umschalter zur Verfügung gestellt, da Steuerbefehle und Zündimpulse in gewisser Weise miteinander synchronisiert sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von 13 Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Stromrichteranordnung mit Umschalter und Speicherkondensator zum Anschluß an ein Gleichspannungsnetz im prinzipiellen Aufbau,

F i g. 2 zu F i g. 1 zugehörige Zeitdiagramme für den Fall, daß nur die eine Brückenhälfte gesteuert wird,

F i g. 3 zu F i g. 1 zugehörige Zeitdiagramme für den Fall, daß beide Brückenhälften gesteuert werden,

Fig.4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Anschluß an ein Gleichspannungsnetz mit einer besonders bevorzugten Nachschaltung eines Wechselrichters mit Phasenfolgelöschung,

F i g. 5 zu F i g. 4 zugehörige Zeitdiagramme,

F i g. 6 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Wechselspannungsversorgung,

F i g. 7 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit sinusförmiger Spannungspulsung,

F i g. 8 Zeitdiagramme für ein erstes Steuerverfahren,

Fig.9 Zeitdiagramme für ein zweites Steuerverfahren,

Fig. 10 Zeitdiagramme für ein drittes Steuerverfahren,

F i g. 11 eine erste Ausführungsform eines elektronischen Umschalters,

F i g. 12 eine zweite Ausführungsform eines elektronischen Umschalters und

Fig. 13 eine dritte Ausführungsform eines elektronischen Umschalters.
Nach F i g. 1 wird ein Gleichstromverbraucher 2 über

ίο einen Stromrichter 3 mit den netzseitigen Anschlußklemmen A, B aus einem Gleichspannungsnetz 4 gespeist.

Der Gleichstromverbraucher 2 besteht aus einem ohmschen und einem induktiven Lastanteil 5 bzw. 6. Der induktive Lastantei! 6 kann dabei eine beträchtliche Induktivität aufweisen. Bei diesem Gleichstromverbraucher 2 kann es sich um eine Gleichstrommaschine handeln. Bevorzugt wird die Schaltungsanordnung aber in Verbindung mit einem Wechselrichter mit angeschlossener Drehfeldmaschine, insbesondere Asynchronmaschine, eingesetzt. Eine solche Schaltungsanordnung eignet sich für den Antrieb einer Bahn (Eisenbahn, Straßenbahn). An den Klemmen C, D des Gleichstromverbrauchers 2 liegt eine Verbraucher-Gleichspannung Uca deren Mittelwert Lk einstellbar ist.

Das Gleichspannungsnetz 4 liefert einen veränderlichen Netzgleichstrom I\. Es besteht aus einer Gleichspannungsquelle 7 der Spannung Uund einer induktivitätsbehafteten Verbindungsleitung 8. Bei Fahrdrahtspeisung eines Bahnantriebs beispielsweise wird die Gleichspannungsquelle 7 durch ein Unterwerk und die Verbindungsleitung 8 durch den einen ohmschen Widerstand und eine nennenswerte Induktivität aufweisenden Fahrdraht repräsentiert. Die Induktivität der Verbindungsleitung ist mit Sa und der ohmsche Widerstand mit 8b bezeichnet.

Die Existenz der Induktivität 8a ist für die Schaltungsanordnung von Bedeutung. Falls die Leitungsinduktivität nicht ausreicht, kann zwischen Gleichspannungsnetz 4 und Stromrichter 3 eine (nicht gezeigte) Drosselspule vorgesehen sein.

Der Stromrichter 3 ist mit seinen netzseitigen Anschlußklemmen A, B an das Gleichspannungsnetz 4 und mit seinen lastseitigen Anschlußklemmen C, D an den Gleichstromverbraucher 2 angeschlossen. An die netzseitigen Anschlußklemmen A, B ist weiterhin über einen Umschalter 9 ein Speicherkondensator 10 mit ansehnlicher Kapazität geschaltet. Der Speicherkondensator 10 ist insbesondere als Elektrolytkondensator ausgeführt

Der Stromrichter 3 enthält insgesamt vier steuerbare Stromrichterventile 11 bis 14, insbesondere Thyristoren, die in Brückenschaltung angeordnet sind. Dadurch, daß vorliegend beide Brückenhälften steuerbar ausgeführt sind, besteht die Möglichkeit, bei generatorischem Betrieb Energie von dem Gleichstromverbraucher 2 in das Gleichspannungsnetz 4 zurückzuliefern und den Gleichstromverbraucher 2 dabei abzubremsen.

Der Umschalter 9 besitzt zwei Schaltstellungen, die mit I und II bezeichnet sind. In der gezeigten Position nimmt der Umschalter 9 die Schaltstellung I an. Hierbei ist der rechte positive Belag des Speicherkondensators 10 mit der Anschlußklemme A und der linke negative Belag des Speicherkondensators 10 mit der Anschlußklemme ^verbunden.

Abweichend von der Darstellung wird der Umschalter 9 generell nicht als mechanischer, sondern als

elektronischer Umschalter ausgebildet sein. Mit Hilfe dieses Umschalters 9 besteht die Möglichkeit, den Speicherkondensator 10 in beiden Richtungen an die Anschlußklemmen A, B zu schalten. Der Umschalter 9 ist dabei so ausgeführt, daß der Kondensatorstrom Ie sowohl in der Schaltstellung I als auch in der Schaltstellung II jeweils in beiden Richtungen über die Schaltkontakte fließen kann, elektronische Umschalter 9 mit einer solchen Stromtragfähigkeit in beiden Richtungen sind im Wege des Beispiels in späteren Fig. 11 bis 13 gezeigt.

Zur Versorgung der Stromrichterventile 11 bis 14 mit Zündimpulsen pll bis ρ 14 ist eine Zündeinrichtung 15 vorgesehen. Mittels eines Steuersignals u wird der Zündabstand cTder Zündimpulse ρ 11, ρ 12 der beiden Stromrichterventile 11, 12 der rechten Brückenhäifte eingestellt, falls die Stromrichterventile 13, 14 dauernd gezündet oder als Dioden ausgebildet sind (eine derartige Funktion liegt der Diagrammdarstellung nach F i g. 2 zugrunde). Mittels des Steuersignals u wird jedoch auch der Zündabstand (c—c*/Tder Zündimpulse ρ 13, ρ 14 der Stromrichterventile 13, 14 eingestellt, wenn sämtliche Ventile 11 bis 14 steuerbar sind (diese Funktion liegt der Diagrammdarstellung nach Fig.3 zugrunde). Das Steuersignal u wird von einem Spannungsregler 16 geliefert. Dessen Vergleicher 17 sind die Verbraucher-Gleichspannung Ucd, gemessen an den Iastseitigen Anschlußklemmen C, D, und ein Spannungs-Sollwert Ucd zugeführt. Der Spannungs-Sollwert Ucd kann an einem Potentiometer als fester Wert abgegriffen oder in einem überlagerten Regelkreis gebildet sein. Der Spannungs-Sollwert Ucd wird auf den gewünschten Wert der den Verbraucher 2 speisenden Spannung Uc ο eingestellt.

Zum Umschalten des Umschalters 9 von der Schaltstellung I in die Schaltstellung II (Hinschaltung), und umgekehrt (Herschaltung), ist ein Steuergerät 19 vorgesehen. Dieses gibt Steuerbefehle ρ I, ρ II ab. Der Steuerbefehl ρ I bewirkt die Umschaltung von der Schaltstellung II in die Schaltstellung 1. Der Steuerbefehl pH bewirkt die Umschaltung in der anderen Richtung. Das Steuergerät 19 kann, insbesondere bei der gezeigten Gleichspannungsspeisung, so aufgebaut sein, daß der Zeitabstand Γ zwischen zwei Hinschaltungen mittels des Steuerbefehls ρ II jeweils äquidistant ist. Mittels eines weiteren Steuersignals ν kann der gegenseitige Zeitabstand der Steuerbefehle ρ I, ρ II und damit die Verweildauer bT(mi\. b < \) des Umschalters 9 in der einen Schaltstellung I eingestellt werden.

Das weitere Steuersignal ν wird in einem weiteren Spannungsregler 20 gebildet. Dessen Vergleichsglied 21 sind die Kondensatorspannung E und ein Spannungs-Sollwert E* zugeführt. Der Spannungs-Sollwert E* ist größer als die maximal auftretende Spannung U der Gleichspannungsquelle 7 gewählt — An der Eingangsklemme des Steuergeräts 19 kann zusätzlich eine Vorsteuerspannung liegen, die ein Maß ist für die Netzgleichspannung U.

Die Zündeinrichtung 15 und das Steuergerät 19 sind über eine Synchronisiereinrichtung 22 miteinander synchronisiert Die Synchronisierung erfolgt so, daß ein Zündimpuls ρ 12 für das anodenseitig mit dem Minuspol des Gleichspannungsnetzes 4 verbundene Stromrichterventil 12 jeweils zeitlich mit einem Steuerbefehl ρ II für den Übergang von der einen Schaltstellung I in die andere Schaltstellung II zusammenfällt Die Zündimpulsbildung der Zündeinrichtung 15 ist somit abhängig von der Steuerbefehlsabgabe des Steuergeräts 19.

Besonders wichtig für die Funktionsfähigkeit der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist es, daß — wie bereits kurz erwähnt — die Spannung E, auf die der Speicherkondensator 10 im Betrieb aufgeladen wird, größer ist als die Spannung L/der Gleichspannungsquelle 7. Es muß also

E = aU mit a > 1

gelten. Der Sollwert E* wird entsprechend gewählt.

Die Steuerung des Stromrichters 3 und des Umschalters 9 für den Fall, daß der Gleichspannungsquelle 4 ein veränderlicher Gleichstrom h mit möglichst geringer Welligkeit entnommen werden soll, ergibt sich aus den F i g. 2 und 3.

Bei der Steuerung nach F i g. 2 ist vorausgesetzt, daß das Stromrichterventil 13 dauernd gesperrt oder weggelassen und daß das Stromrichterventil 14 dauernd durchgeschaltet (gezündet) ist. Es wird weiter davon ausgegangen, daß — unabhängig von der Verbraucher-Gleichspannung Ucd — aus der Spannungsquelle 7 ein Netzgleichstrom /i geringer Welligkeit fließen soll. Dann muß — bei Vernachlässigung von ohmschen Verlusten im Widerstand 8b der Verbindungsleitung 8 — der Mittelwert U\ der Klemmenspannung Uab gleich der Spannung i/der Gleichspannungsquelle 7 sein:

U₁ = U.

Diese Bedingung (2) muß unabhängig von der Größe der Verbraucher-Gleichspannung Ucd gelten. Der Umschalter 9 wird in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 zwischen den Schaltstellungen I und II so hin- und hergeschaltet, daß diese Bedingung (2) erfüllt ist.

Nach dem 1. Diagramm von Fig. 2 wird dazu in konstanten periodischen Zeitabständen T zu den Zeitpunkten f = 0, T, 2T, ... ein Steuerbefehl pH gegeben, der den Umschalter 9 von der ersten Schaltstellung I in die zweite Schaltstellung II umschaltet. Zwischen diesen Umschaltungen erfolgt jeweils eine einzige Rückschaltung von der zweiten Schaltstellung II in die erste Schaltstellung I.

Damit ergibt sich der zeitliche Verlauf der Klemmenspannung Uab, der im 2. Diagramm von Fig.2 dargestellt ist, wobei vereinfachend von einer konstanten Kondensatorspannung E ausgegangen wird. Die Verweildauer in der ersten Schaltstellung I ist mit bT bezeichnet. Aus diesem Diagramm läßt sich unter Berücksichtigung von Bedingung (2) ablesen:

U₁T = EbT-E(X - b)T = UT,
woraus folgt:

b = (1 + a)/2a.

Die zur Einhaltung der Bedingung (2) erforderliche Verweildauer bTist also durch Gleichung (3) bestimmt und nur von a abhängig; a ist dabei das Verhältnis von Kondensatorspannung E zu Netzgleichspannung U, vergl. Gleichung (1).

Am Gleichstromverbraucher 2 soll eine Verbraucher-Gleichspannung Ucd liegen, deren vorgegebener Mittelwert gleich U₂ ist, und es soll ein Verbraucherstrom I₂ fließen. Der vorgegebene Mittelwert Ui wird — allgemein gesprochen — dadurch erhalten, daß mit Hilfe des Stromrichters 3 bestimmte Ausschnitte der Spannungs-Zeit-Flächen der Klemmenspannung Ua

2. Diagramm als Verbraucher-Gleichspannung Ucd »ausgeblendet« werden. Nach dem 3. Diagramm von F i g. 2 wird dabei in jedem Zeitintervall Γ eine positive Spannungs-Zeit-Fläche der wählbaren Zeitdauer cT (mit c < b) und der Höhe Verhalten. Es gilt also

U₂T = EcT,
woraus folgt:

c = U₂IE. (4)

Diese? »Ausblenden« geschieht durch abwechselndes Zünden der Stromrichterventile 11 und 12 der rechten Brückenhälfte. Dabei wird das Hauptventil 11 jeweils dann gezündet, wenn sich der Umschalter 9 in der ersten Schaltstellung I befindet. Das ist aus dem 4. Diagramm von Fig.2 ersichtlich. Hier sind die Zündimpulse pll und ρ 12 für die Stromrichterventile 11 und 12 dargestellt. Der zeitliche Verlauf entspricht gleichzeitig der Stromführungsdauer dieser Stromrichterventile 11 und 12. Aus dem 4. Diagramm ist auch zu entnehmen, daß die Zündimpulse ρ 11, ρ 12 in bestimmter Weise mit den Steuerbefehlen ρI, pH synchronisiert sind. Und zwar fällt der Beginn des Zündimpulses ρ 12 jeweils mit dem Steuerbefehl ρ II für den Übergang des Umschalters 9 vom ersten Schaltzustand I in den zweiten Schaltzustand II zeitlich zusammen. Der Beginn des Zündimpulses pll liegt dagegen im Bereich des Steuerbefehls ρ I; die Zeitdauer cT ist durch die Aussteuerung c(c < b) und somit durch die gewünschte mittlere Verbraucher-Gleichspannung U₂ bestimmt. Durch Zünden des Stromrichterventils 11 wird die Kondensatorspannung E an den Gleichstromverbraueher 2 gelegt. Der Freilauf (Ucd = 0) des Verbraucherstroms I₂ auf dem Wege 2, D, 14, 12, C, 2 wird durch Zünden des Stromrichterventils 12 eingeleitet.

Der maximale Mittelwert U₂ der Verbraucher-Gleichspannung Ucd wird erreicht für c = c* ~ b. Er beträgt U_2min = U ■ (1 + a)l2.

Aus dem 5. Diagramm von F i g. 2 geht hervor, daß bei einer Aussteuerung c, bei der /1 < I₂ gilt, der Kondensatorstrom I_E bei wechselnder Flußrichtung durch den Netzgleichstrom /1 und danach durch den Differenzstrom (I\ — I₂) bestimmt ist Im 6. Diagramm ist dargestellt, daß der Speicherkondensator 10 entsprechend eine Zusatzspannung Δ Ε mit wechselndem Vorzeichen erhält.

Für die bisher angenommene Aussteuerung sind im 7. und 8. Diagramm von Fig.2 noch die Spannungen Uu bzw. Un an den Stromrichterventilen 11 bzw. 12 dargestellt. Das Stromrichterventil 12 arbeitet wie eine Diode. Wie aus dem Vergleich mit den anderen Diagrammen deutlich wird, brauchen die Stromrichterventile 11 und 12 keine zusätzliche Kommutierungseinrichtung; die Kommutierung erfolgt vielmehr bei dem dargestellten Steuerverfahren allein mit Hilfe des Umschalters 9.

Bei der Steuerung nach F i g. 3 ist vorausgesetzt, daß alle Stromrichterventile 11 bis 14 jeweils abwechselnd durchgeschaltet und gesperrt werden. Die Brückenschaltung wird also hierbei vollgesteuert betrieben. Da nunmehr auch die negativen Spannungszeitflächen der Klemmenspannung Uab durch Gleichrichtung ausgenutzt werden, ergibt sich gegenüber dem Steuerverfahren nach F i g. 2 eine Vergrößerung des Mittelwertes U₂ der Verbraucher-Gleichspannung Ucd-

Das 1. und 2. Diagramm von F i g. 3 stimmen mit dem 1. bzw. 2. Diagramm von F i g. 2 überein. Die Verweilzeit öTwird von den Steuerbefehlen ρI und pH bestimmt. Aus dem 3. Diagramm ist der zeitliche Verlauf der Verbraucher-Gleichspannung Ucd ersichtlich. Die Zeitdauer cT ist hier größer als die Verweilzeit bT, so daß sich gegenüber dem 3. Diagramm von F i g. 2 ein größerer Mittelwert U₂ ergibt. Dies wird durch den in dem 4. und 5. Diagramm dargestellten Zeitverlauf der Zündimpulse pll, ρ 12 bzw. ρ 13, ρ 14 für die Stromrichterventile 11 bis 14 erreicht. Der Zündimpuls pll wird gleichzeitig und so lange gegeben wie der Steuerbefehl ρ I, und der Zündimpuls ρ 12 wird gleichzeitig und so lange gegeben wie der Steuerbefehl pH. Bei gegebenem Steuerbefehl pH, also in der Schaltstellung II, kann durch Zünden des Stromrichterventils 13 für die Zeit (c— c*)T die Kondensatorspannung EaIs Verbraucher-Gleichspannung t/ro durchgeschaltet werden. Der Beginn des Zündimpulses ρ 14 fällt mit dem Beginn des Zündimpulses pll zusammen.

Der maximale Mittelwert U_2max, der nach diesem Verfahren erreichbar ist, beträgt U_2m!lx = E — aU, wobei bauteilbedingte Mindesteinschaltdauern vernachlässigt sind.

Aus dem 6. bis 9. Diagramm von F i g. 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannungen Uu, U\₂, Uy), Uu an den Stromrichterventilen 11 bis 14 zu entnehmen. Die Stromrichterventile 11 und 12 wirken danach praktisch wie Dioden, an denen jeweils pro Periode Γ für einige Zeit Spannung in Sperrichtung liegt. Und an dem Stromrichterventil 13 liegt jeweils pro Periode Tfür die Zeit (1 — c)Teine Spannung U_]3 = Ein Durchlaßrichtung.

Zu F i g. 1 sei noch folgendes bemerkt:

Bei generatorischem Betrieb der Last 2 ist die Anschlußklemme D positiv und die Anschlußklemme C negativ. Die Funktion des Umschalters 9 bleibt gleich. Über das Signal ν wird jetzt der Umschalter 9 so gesteuert, daß U\ (Mittelwert von Uab) > U ist. Damit ist Rückspeisung der Bremsenergie ins Gleichspannungsnetz 7 möglich. Die Brückenschaltung der Stromrichterventile 11 bis 14 arbeitet jetzt im Wechselrichterbetrieb. — Es ist festzuhalten, daß beim Übergang vom Verbraucher- zum Generatorbetrieb keine Betätigung von besonderen Schützen oder sonstigen zusätzlichen Schalteinrichtungen erforderlich ist.

Nach Fig. 4 wird eine Schaltungsanordnung mit aus einem Gleichspannungsnetz 4 gespeistem, vollgesteuertem Stromrichter 3, mit Umschalter 9 und mit »■Speicherkondensator 10 als Eingangsschal tang für einen Wechselrichter 40 mit angeschlossener dreiphasiger Drehfeldmaschine 41, insbesondere Asynchronmaschine, verwendet. Im Zwischenkreis sind zwei Drosselspulen 42, 43 angeordnet, so daß der Wechselrichter 40 mit eingeprägtem Verbrauchergleichstrom /2 arbeitet Als Wechselrichter 40 ist speziell ein Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung (vergl. DE-OS 25 20 158) vorgesehen. Dieser enthält in jedem Brückenzweig die Reihenschaltung aus einem gesteuerten Haiiptventil und einem ungesteuerten Ventil. Jeweils am Mittelabgriff dieser Reihenschaltungen liegen zwischen den einzelnen Brückenzweigen Löschkondensatoren.

Zur Begrenzung der Spannung an den Löschkondensatoren und damit auch an den Ventilen und der Drehfeldmaschine 41 ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung vorgesehen. Diese umfaßt eine dreiphasige Brückenschaltung 44 aus Dioden, die die Maschinen-

Spannung gleichrichtet, und einen Pufferkondensator. In der dargestellten Schaltungsanordnung wird, was als besonderer Vorteil ?ngesehen wird, der Speicherkondensator 10 gleichzeitig auch als Pufferkondensaior für den Wechselrichter 40 verwendet Durch die Spannungsbegrenzungsschaltung wird die Spannungsbeano'pruchung der Wechselrichterbauteile erheblich herabgesetzt. Die an den Pufferkondensator gelieferte Energie wird über den Umschalter 9 und den Stromrichter 3 an den Gleichstromzwischenkreis weitergeleitet. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß die Verbraucher-Gleichspannung Ucd im Mittel symmetrisch zum Sternpunkt der Drehfeldmaschine 41 liegt Dies kann erreicht werden, wenn die beiden Brückenhälften (bei motorischem und auch generatorischem Betrieb) versetzt getaktet werden. Die versetzte Taktung geht aus F i g. 5 hervor.

Das 1. und 2. Diagramm von F i g. 5 entspricht dem 2. bzw. 3. Diagramm von F i g. 2. Das 3. bis 6. Diagramm entspricht den Verhältnissen bei Taktung gemäß F i g. 2, und das 7. bis 10. Diagramm zeigt die Verhältnisse bei versetzter Taktung. Die Spannungen Uc und Ud sind dabei die Spannungen zwischen dem Punkt C bzw. D und dem linken Beleg des Speicherkondensators 10.

Aus einem Vergleich des 7. und 8. Diagramms mit dem 3. und 4. Diagramm wird deutlich, daß sowohl bei Schalterstellung 1 als auch bei Schalterstellung II die Spannung Ucd = 0 erreicht werden kann entweder durch Zünden der Stromrichterventile 12, 14 oder der Stromrichterventile 11, 13; bei Schalterstellung I kann die Spannung Ucd = E nur durch Zünden der Stromrichterventile il und 14 erreicht werden. Ein versetztes Takten wird dadurch bewirkt, daß für den Spannungszustand Ucd = 0 abwechselnd die Stromrichterventile 11, 13 und die Stromrichterventile 12, 14 gleichzeitig gezündet werden.

Die Spannung Ucd ist durch (Uc— Ud) gegeben. Im Steuerungsfall nach dem 3. bis 6. Diagramm ist die Differenzspannung zwischen dem Sternpunkt und der Klemme C unterschiedlich zu" Differenzspannung zwischen dem Sternpunkt und der Klemme D. Im Steuerungsfall nach dem 7. bis IC Diagramm dagegen sind die beiden Differenzspannungen betragsmäßig gleich groß.

Eine Schaltungsanordnung der bisher beschriebenen Art mit Stromrichter, Umschalter und Speicherkondensator läßt sich nicht nur an einem Gleichspannungsnetz, sondern auch an einem Wechselspannungsnetz betreiben. In den F i g. 1 und 4 kann also das Gleichspannung;» netz 7 durch ein Wechselspannungsnetz ersetzt werden. Bei Wechselspannungsversorgung müssen die Schaltzeiten während einer Periode sinusförmig moduliert werden. Darauf wird nachstehend im einzelnen näher eingegangen.

Im folgenden wird zunächst wieder F i g. 1 betrachtet und dabei folgendes vorausgesetzt: Ein Gleichstromverbraucher 2 wird über einen Stromrichter 3 mit Stromrichterventilen 11 bis 14 in Brückenschaltung, dem über einen Umschalter 9 ein Speicherkondensator 10 zugeschaltet ist, und über eine Induktivität 8a mit dem induktiven Wert L aus einer nunmehr einphasigen Wechselspannungsquelle 7 der Netzwechselspannung £/und der Netzfrequenz f gespeist. Der Umschalter 9 hat dieselbe Funktion wie bei der Gleichspannungseinspeisung: er kann den Speicherkondensator 10 in beiden Polaritäten an die Anschlußklemmen A, S schalten.

Die Schaltungsanordnung soll dem Zweck dienen, aus der Wechselspannungsquelle 7 einen rein sinusförmigen Netzwechselstrom I\, dessen Phasenlage φ zur Netzwechselspannung U einstellbar ist, zu entnehmen. Insbesondere sollen Netzwechselstroir / und Netzwechselspannung [/in Phase sein (φ = 0). Dazu muß die Klemmenspannung Uab eine Lage annehmen, die aus dem Vektordiagramm von F i g. 6a für φ Φ 0 ersichtlich ist. Diese Klemmenspannung Uab wird aus der Kondensatorspannung E durch geeignetes Umschalten des Umschalters 9 erzeugt Voraussetzung hierfür ist,

ίο daß die Kondensatorspannung E größer ist als der Scheitelwert U₀ der Netzwechselspannung U. Es soll also E = aUo gelten. Das geht aus F i g. 7 hervor. Hier ist sowohl die Netzwechselspannung U als auch die Klemmenspannung i/^süber der Zeit f aufgetragen, und zwar für γ Φ 0. Der bisher T genannte Zeitabstand in der Klemmenspannung Uab ist hier über die Periodendauer l//der Netzwechselspannung nicht konstant Ein beliebig herausgegriffener Zeitabstand wird hier mit T_n, bezeichnet Dieser Zeitabstand T_m ist wesentlich kleiner als die Periodendauer l/fder Netzwechselspannung U. In F i g. 7 ist auch die sinusförmige Grundschwingung Uab\ der Klemmenspannung Uab gestrichelt eingezeichnet. Dadurch wird die Phasenverschiebung γ deutlich.

Wird durch geeignete gewählte Umschaltzeitpunkte dafür gesorgt, daß die sinusförmige Grundschwingung Uab ι der Klemmenspannung L^enetzfrequent ist, so ist auch der Netzwechselstrom h netzfrequent-sinusförmig. Für einen bestimmten Netzwechselstrom I\ ist es weiterhin erforderlich, daß die Phasenlage γ der Klemmenspannung Uab bezüglich der Netzwechselspannung U und die Amplitude der Grundschwingung der Klemmenspannung Uab gemäß Fig.6a oder 6b eingestellt werden.

Es ist also festzuhalten, daß über das Hin- und Herschalten des Umschalters 9 Amplitude und Phasenlage γ der Klemmenspannung Uabütio damit Amplitude und Phasenlage φ des Netzwechselstroms I\ eingestellt werden.

Der Umschalter 9 wird bevorzugt im Takte der Netzwechselspannung U betätigt, und zwar mit einer um einen ganzzahligen Faktor ζ höheren Frequenz zf. Eine solche strenge Frequenzrelation, die auch bei der Darstellung von Fig. 7 berücksichtigt ist, ist im allgemeinen Fall jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Analog wie beim Betrieb mit Gleichspannungseinspeisung kann die Verbraucher-Wechselspannung ί', _n über eine Aussteuerung c verändert werden, wobei c jetzt ein mittlerer Aussteuerungsgrad ist. Es gilt demnach

Lfe = cfund /1//2 = ca.

Im Gegensatz zur Gleichspannungseinspeisung gibt es hier verschiedene Verfahren für die Aussteuerung der Verbraucher-Gleichspannung Ucd- Die Klemmenspannung Uab ändert sich in Abhängigkeit vom Netzwechselstrom /1, wie aus dem Vektordiagramm von Fig.6a und 6b deutlich wird, bei einem vorgegebenen Phasenwinkel φ nur wenig. Man kann daher vereinfachend davon ausgehen, daß die Klemmenspannung Uab als konstant angesehen werden kann.

Die Größe der Verbraucher-Gleichspannung Ucd wird ähnlich wie bei Gleichspannungseinspeisung durch geeignetes Zünden der Stromrichterventile 11 bis 14 in der gewünschten Weise gesteuert. Im folgenden werden drei Steuerungsverfahren beschrieben.

Ein erstes Steuerverfahren ist in F i g. 8 dargestellt. Im 1. Diagramm ist gezeigt, daß eine sinusförmige

Vergleichsspannung V mit dem Scheitelwert Vo mit einer linearen Sägezahnspannung 5 mit dem Maximalwert So verglichen wird. Die Sägezahnspannung 5 hat eine höhere Frequenz als die Vergleichsspannung V. Durch die Schnittpunkte beider Spannungen V, S werden die Umschaltzeitpunkte des Umschalters 9 und somit wird die im 2. Diagramm dargestellte Klemmenspannung Uab festgelegt Es ist von dieser Klemmenspannung Uab nur eine halbe Periode >/2 / dargestellt Die Steuerung der Stromrichterventile 11 bis 14 erfolgt so, daß die positiven "Spannungs-Zeit-Flächen dieser Klemmenspannung Uab, deren Dauer t_p durch den Umschalter 9 vorgegeben ist, nur teilweise als Spannungs-Zeit-Flächen der Dauer ti in der Verbraucher-Gleichspannung Ucd an den Gleichstromverbraucher 2 weitergeschaltet werden. Das ist aus dem 3. Diagramm ersichtlich. Die Dauer if jeder teilweise weitergeschalteten Spannungs-Zeit-Fläche ist proportional zur Dauer t_pder entsprechenden Spannungs-Zeit-Fläche der Klemmenspannung UΆβ- Es gilt also

wobei k < 1 eine Proportionalitätskonstante ist. Die Abfallflanken entsprechender Spannungs-Zeit-Flächen im 2. und 3. Diagramm sind zeitgleich. Die maximale Verbraucher-Gleichspannung, die bei diesem Steuerverfahren erreichbar ist, wird für k = 1 erzielt. Dann werden die positiven Spannungsblöcke der Klemmenspannung Uab jeweils in voller Breite f_p durchgeschaltet.

Ein zweites Steuerverfahren ist in Fig.9 dargestellt. Das 1. und 2. Diagramm entspricht jeweils dem 1. bzw. 2. Diagramm von F i g. 8. Die Steuerung der Stromrichterventile 11 bis 14 erfolgt nach dem 3. Diagramm so, daß die positiven Spannungs-Zeit-Flächen der Klemmenspannung Uab, deren Dauer t_p sinusförmig variiert, alle mit gleicher vorgegebener Dauer if durchgeschaltet werden, sofern t_p > if ist. Mit anderen Worten: Die Spannungs-Zeit-Flächen in der Verbraucher-Gleichspannung Ucd haben bei Vorliegen dieser Bedingung tp > ff alle dieselbe Zeitdauer t_E. Ist die gewählte Dauer if dagegen größer als die Dauer tp, so wird für diese Spannungs-Zeit-Fläche t_E gleich tp. Die Abfallflanken entsprechender Spannungs-Zeit-Flächen im 2. und 3. Diagramm sind wieder zeitgleich.

Ein drittes Steuerverfahren ist in Fig. 10 dargestellt. Das 1. und 2. Diagramm entspricht wiederum jeweils dem 1. bzw. 2. Diagramm von F i g. 8. Die Steuerung der Stromrichterventile 11 bis 14 erfolgt hier nach dem 3. Diagramm so, daß sowohl aus den positiven als auch den negativen Spannungs-Zeit-Flächen in der Verbraucher-Gleichspannung Ucd Spannungs-Zeit-Flächen überall gleicher vorgegebener Dauer if abgeleitet werden.

Im folgenden wird wieder F i g. 4 betrachtet und dabei vorausgesetzt, daß die Schaltungsanordnung an ein Wechselspannungsnetz geschaltet ist Dann gilt Entsprechendes wie bei Fig. 1. Auch hier wird durch Impulsvorgabe für den Umschalter 9 Amplitude, Phasenlage und Form des Netzwechselstroms I\ und durch die Zündimpulse für die Stromrichterventile 11 bis 14 die Höhe der Verbraucher-Gleichspannung Ucd gesteuert Eine solche Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft, insbesondere für Bahnantriebe, denn beim Zusammenwirken von Eingangsschaltung und Spannungsbegrenzungsschalter wird bei Erfüllung hoher Anforderungen nur ein vergleichweise geringer Aufwand für den Gesamtantrieb benötigt.
Im folgenden werden anhand der Fig. 11 bis 13 elektronische Ausführungsformen für den Umschalter 9 erläutert.

Die Aufgabe dieses Umschalters 9 — wie bereits erwähnt — ist es, die Kondensatorspannung Em beiden Richtungen an die Klemmen A, B zu schalten. Hierbei muß die Möglichkeit bestehen, daß der Kondensatorstrom Ie jeweils in beiden Richtungen über den Umschalter 9 fließen kann.

Nach F i g. 11 besteht der Umschalter 9 aus einer Brückenschaltung von abschaltbaren Ventilen 61 bis 64, denen jeweils eine Diode 71 bis 74 gegenparallel geschaltet ist Der Speicherkondensator 10 liegt parallel zur Reihenschaltung der Ventile 61, 63 und der Ventile 62, 64. Soll an die Anschlußklemme A die positive Kondensatorspannung £ geschaltet werden, so werden die Ventile 61 und 64 gezündet. Es kann dann über diese Ventile 61 und 64 Strom Ie vom Speicherkondensator 10 zur Anschlußklemme A fließen. Der Strom in umgekehrter Richtung fließt über die Ventile 71 und 74. Durch Zünden der Ventile 62, 63 wird die Anschlußklemme A mit der negativen Kondensatorspannung E belegt. Auch bei diesem Zündzustand kann der Strom If in beiden Richtungen fließen.

Der Umschalter 9 kann abweichend hiervon nach Fig. 12 oder 13 aus zwei gebräuchlichen Pulswechselrichterschaltungen aufgebaut sein.

Nach Fig. 12 ist sowohl die Anschlußklemme A als auch die Anschlußklemme B an eine zugeordnete Pulswechselrichterschaltung mit Serienschwingkreis zwischen den Reihenschaltungen steuerbarer Ventile angeschlossen. Beide Pulswechselrichterschaltungen sind zueinander parallel geschaltet, wobei an diese Parallelschaltung der Speicherkondensator 10 angeschlossen ist. Nach Fig. 13 ist dagegen sowohl die Anschlußklemme A als auch die Anschlußklemme B an

so eine Pulswechselrichterschaltung mit zwei Hilfskondensatoren und einer Ventilantiparallelschaltung angeschlossen. Auch hier liegt wieder an der Parallelschaltung beider Pulswechselrichterschaltungen der Speicherkondensator 10.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

030 246/290

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Stromrichteranordnung zur Umformung einer Eingangsspannung jn eine steuerbare Ausgangsgleichspannung, bei der die Ausgangsgleichspannung über mindestens ein Stromrichterventil von der Reihenschaltung der Eingangsspannungsquellc und einer Induktivität abgegriffen ist, wobei parallel zu dieser Reihenschaltung ein über einen Umschalter mit vorgebbarer Frequenz umpolbarer Kondensator liegt, dessen Spannung zumindest zeitweilig gegenüber der Eingangsspannung erhöht ist, dadurch gekennzeichnet,

— daß in Verbindung mit einem in beiden Stromrichtungen stromtragfähigen Umschalter (9) die Umschaltfrequenz wesentlich höher gewählt ist als die Resonanzfrequenz des aus dem Kondensator (10) und der Induktivität {8a) bestehenden Reihenschwingkreises;

— daß die Verweildauern des Umschalters (9) in beiden Stellungen (I, II) ungleich sind und in einem Verhältnis zueinander stehen, das die Überhöhung der Spannung (E) des als Speicherkondensator mit annähernd konstanter Spannung dienenden Kondensator (10) gegenüber der Spannung (U)der Spannungsquelle (7) bestimmt;

— daß die Abnahme der Ausgangsgleichspannung (Ucd) über einen Stromrichter (3) in Brückenschaltung erfolgt, bei dem wenigstens eine Brückenhälfte (11,12) steuerbar ist.

2. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Stromrichterventile (11 bis 14) der Brückenschaltung steuerbar sind.

3. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein für den Umschalter (9) vorgesehenes Steuergerät (19) und eine Zündeinrichtung (15) für den Stromrichter (3) so ausgebildet sind, daß ein Zündimpuls (p 12) für das eine steuerbare Stromrichterventil (12) der einen Brückenhälfte jeweils zeitlich mit einem Steuerbefehl (p II) für den Übergang von der einen Schaltstellung (I) in die andere Schaltstellung (II) zusammenfällt und daß während der Verweildauer (bT) des Umschalters (9) in der einen Schaltstellung (I) das andere steuerbare Stromrichterventil (11) der einen Brückenhälfte ebenfalls gezündet wird, wobei der Zündabstand (cT) zwischen der Zündung beider Stromrichterventile (11,12) in Abhängigkeit von der Verbraucher-Gleichspannung (Ucd) einstellbar ist (F ig. 2).

4. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für den Umschalter (9) vorgesehene Steuergerät (19) und eine Zündeinrichtung (15) für den Stromrichter (3) so ausgebildet sind, daß die Zündimpulse {pH, ρ 12) für die steuerbaren Stromrichterventile (11, 12) der einen Brückenhälfte jeweils zeitlich mit den Steuerbefehlen {php II) für den Übergang zwischen den beiden Schaltstellungen (I, II) zusammenfallen, daß in der anderen Schaltstellung (II) das eine steuerbare Stromrichterventil (13) der anderen Brückenhälfte für eine einstellbare Zeit ((c—c*)T) bis zum Übergang in die eine Schaltstellung (I) und daß das andere steuerbare Stromrichterventil (14) der anderen Brückenhälfte während der restlichen Zeit des vorgegebenen Zeitabstandes (T) gezündet wird(Fig. 3).

5. Stromrichteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Induktivität (8a) die Induktivität des speisenden Netzes dient

6. Stromrichteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 mit einem auch generatorisch arbeitenden Gleichstromverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß für generatorischen Betrieb des Gleichstromverbrauchers (2) die Zündeinrichtung (15) so ausgebildet ist, daß der Stromrichter (3) als Wechselrichter zu betreiben ist

7. Stromrichteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromverbraucher (2) ein Wechselrichter (40) mit angeschlossener Drehfeldmaschine (41) vorgesehen ist (F i g. 4).

8. Stromrichtei-anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen Stromrichter (3) und Wechselrichter (40) mindestens eine Glättungsdrosselspule (42, 43) angeordnet ist und als Wechselrichter (40) ein Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, wobei an die maschinenseitigen Ausgangsklemmen des Wechselrichters (40) ein Rückspeisegleichrichter (42) mit Pufferkondensator angeschlossen ist und als Pufferkondensator der Kondensator (10) des Stromrichters (3) dient (F i g. 4).

9. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brückenhälften des Stromrichters derart versetzt zueinander getaktet sind, daß die Ausgangsgleichspannung der Stromrichleranordnung im Mittel symmetrisch zum Sternpunkt der Drehfeldmaschine liegt (F i g. 5, Diagramme 7 bis 10).

10. Stromrichteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (9) aus elektronischen Bauelementen besteht (Fig. 11 bis 13).

11. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch

10, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (9) aus einer Brückenschaltung von abschaltbaren Ventilen (61 bis 64) besteht, wobei jedem dieser Ventile (61 bis 64) eine Diode (71 bis 74) gegenparallel geschaltet ist (F i g. 11).

12. Stromrichteranordnung nach Patentanspruch

11, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (9) nach Art eines Pulswechselrichters aufgebaut ist (Fig. 12 und 13).