DE2746685A1

DE2746685A1 - Vorrichtung und verfahren zur leistungswandlung

Info

Publication number: DE2746685A1
Application number: DE19772746685
Authority: DE
Inventors: David Logan Lafuze; Herbert William Weiss
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-07
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373911A1; JPS5388125A; BR7707568A; SE7713847L

Description

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:;'jh-nectaay, II. Y. /\!.Z.A. Vorrichtung und Verfahren zur Leistungswandlung

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Leistungswandlung, sie bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen zur Leistungswandlung oder Leistungswandlungssysteme zur Speisung einer Gleichstromlast von einer Mehrphasen-Wechselstromquelle.

Zur Speisung einer Gleichstromlast aus einer Wechselstromquelle sind eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Leistungewandlung bekannt. Viele dieser Vorrichtungen besitzen die Fähigkeit, die GröBe der Ausgangsgleichspannung zu steuern oder regelm. Einige besitzen die Fähigkeit, in mehr als einem Quadranten zu arbeiten. Wenn z.B. die Last aus einem elektrischen Motor besteht, können einige Vorrichtungen oder Systeme im ersten und im vierten Quadranten arbeiten, um sowohl einen Motor- als auch einen Generatorbetrieb zu ermöglichen. Beispiele für Wandlungsvorrichtungen, die im ersten und vierten Quadranten betreibbar sind, sind die herkömmlichen, gesteuerten Dreiimpuls- und Sechsimpulswandler, auf die noch näher eingegangen wird. Es ist ferner bekannt, und dies wird auch noch in Einzelheiten erläutert, eine bzw. mehrere freilaufende

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Dioden in Drei- und Sechsimpulswandlern einzusetzen, wenn die Last induktiv ist, was bei einem Motor der Fall ist. Die Verwendung von freilaufenden Dioden ist bekannt, um den Leistungsfaktor bei reduzierter Ausgangsspannung zu erbessern, und um die Gleichspannungswelligkeit zu reduzieren.

Die Einfügung einer Frei lauf diode ermöglicht jedoch

den Betrieb im 4. Quadranten nicht. Leistungswandlungsvorrichtungen, wie z.B. der herkömmliche Drei- und Sechsimpulswandler, oder der 3- oder 6-Impulswandler mit freilaufender bzw. freilaufenden Dioden besitzen jedoch mehrere Nachteile, einschließlich der Unfähigkeit, den Leistungsfaktor der Vorrichtung zu steuern oder regeln. Bei herkömmlichen Wandlern, insbesondere bei kleinen Ausgangsspannungen, ist die von der Last gesehene Welligkeitsspannung relativ groß.

Es ist ferner bekannt, daß die maximale Spannung und Leistung, die einer Last zugeführt werden kann, dadurch erhöht werden kann, daß die Last an mehrere, in Serie liegende Wandlungseinheiten gelegt wird. Als ein Beispiel wird auf folgende Buchveröffentlichung Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters'von B. R. Pelly, Copyright 1971 by John Wiley and Sons, Inc. (Library of Congress Catalog No. 70-125276) verwiesen. Auf S. 47 dieses Buches ist die Serienschaltung zweier herkömmlicher 6-Impuls-BrUckenwandlerkreise gezeigt, die einen 12-Impuls-Wandler zur Versorgung einer Last mit Leistung bilden. Auf S. 66 sind in einer Serienanordnung zwei 3-Impuls-Wandler mit freilaufenden Dioden gezeigt, um eine Last mit Leistung zu versorgen. Obwohl diese bekannten Schaltungen fUr vielerlei Anwendungen zufriedenstellend arbeiten, werfen sie die oben aufgezeigten Probleme auf.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Wechselstrom/Gleichstromwandler zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Leistungswandler zu schaffen, der die Vorteile sowohl des herkömmlichen Wandlertyps als auch der mit einer freilaufenden Diode versehenen Wandler aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Leistungswandlervorrichtung zu schaffen, die die zusätzliche Fähigkeit besitzt, den Leistungsfaktor des Systems zu steuern oder regeln und zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine Leistungswandlervorrichtung zu schaffen, deren Lastspannungswelligkeit insbesondere bei kleinen Spannungen reduziert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der an eine Last abgegebenen Leistung zu schaffen.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers zu schaffen, der die Regelung der Leistungsabgabe an die Last optimiert.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers zu schaffen, der die Regelung der Leistungsabgabe an die Last durch Regelung der Lastspannung und des Leistungsfaktors des Systems optimiert, während eine kleine Lastspannungswelligkeit erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Leistungswandlungseinheit gelöst, die geregelte oder gesteuerte Leistung aus einer Mehrphasen-Wechselstromleistungsquelle an eine Last liefert und gesteuerte Gleichrichter auf-

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weist, um jede Phase der Wechselstromquelle mit einem Anschluß oder Klemme der Last zu verbinden, wobei der zweite Anschluß zur Wechselstromquelle zurückgeführt und mit dieser verbunden ist. Ein zusätzlicher gesteuerter Gleichrichter liegt parallel mit der Last. Vorgesehen sind ferner Steuer- und Regeleinrichtungen, um die mehreren gesteuerten Gleichrichter bei vorgegebenen Zeiten bezüglich der Leiter-Sternpunkt· spannung der Wechselstromquelle leitend zu machen, und durch den selektiven Betrieb der Steuer- t : v.. Regeleinrichtungen werden die mehreren Gleichrichter ausgesteuert oder leitend gemacht, um das verbesserte Leistungssystem der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen.

Eine richtige Änderung der Größe der der Last zügeführten Leistung wird, insbesondere wenn erhöhte maximale Leistung gefordert wird, durch eine Vielzahl von in Serie geschalteten Gruppen von gesteuerten Gleichrichtern erzielt, wobei Jede Gruppe mindestens einen Phasengleichrichter, um eine zugeordnete Phase der Quelle mit der Last zu verbinden, und einer. Sternpunktgleichrichter enthält, der mit der Last und dem stempunktverbunden ist und derart gepolt ist, daß er den Laststrom in derselben Richtung leitet, wie der durch die Phasengleichrichter gelieferte Strom fließt, wobei diese Gruppen die physikalische Schaltung bilden. Das verwendete Arbeltsverfahren besteht darin, die Gruppen des gesamten Wandlungssystems gemäß den Leistungsanforderungen der Last selektiv in den aktiven Zustand zu bringen. Eine aktive Gruppe 1st eine solche, in der alle Gleichrichter der Gruppe zu ausgewählten Zeiten leitend sind. Alle nichtaktiven Gruppen werden derart gehalten, daß ihre Phasengleichrichter im nicht-

^β Sternpufikt-

leitenden Zustand sind, während die gleichrichter leitend gehalten werden. Wenn die Leistungsanforderungen der Last variieren, werden nichtaktive Gruppen aktiviert.

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Die erfindungsgemäße Leistungswandlungsvorrichtung zur Versorgung einer Last aus einer Mehrphasen-Wechselstromquelle enthält also mindestens einen gesteuerten Gleichrichter, um Jede Phase der Quelle selektiv mit der Last zu verbinden, sie enthält ferner einen zusätzlichen gesteuerten Gleichrichter parallel mit der Last, wobei der zusätzliche Gleichrichter selektiv oder wahlweise leitend gemacht wird, um den Leistungsfaktor des Systems mit dem größtmöglichen Grad zu steuern oder regeln, während die Spannungswelligkeit an den Lastklemmen insbesondere bei kleineren Leistungspegeln verringert wird. Ein System mit erhöhten Leistungswerten wird dadurch erreicht, daß mehrere Gruppen von Gleichrichtern in Serie geschaltet werden, wobei jede Gruppe gemäß der obigen Angabe verbunden ist.

Eine ordnungsgemäße oder richtige Variation der Größe der Leistung, die der Last durch das Wandlungssystem mit erhöhtem Leistungsfaktor zugeführt wird, wird dadurch erreicht, daß die Gruppen sequentiell zu ausgewählten Zelten aktiv gemacht werden. Bei kleineren Leistungsanforderungen der Last werden weniger als alle Wandlergruppen aktiv gemacht, indem die Phasengleichrichter ausgewählter Gruppen gesteuert werden, während nur die gleichrichter der inaktiven Gruppen leitend gehalten werden und die Phasengleichrichter der inaktiven Gruppen im nichtleitenden Zustand bleiben. Wenn die Leistungsanforderungen der Last erhöht werden, werden zuvor inaktive Gruppen sequentiell aktiv gemacht, bis die maximalen Leistungswerte der Vorrichtung erreicht sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Leistungswandlungsvorrichtung;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer gegenüber Fig. 1 erweiterten Vorrichtung, die ebenfalls bekannt ist;

Fig. 3, 4 und 5 Kurven, die zum Verständnis des Betriebs der bekannten Wandler der Fig. 1 und 2 hilfreich sind;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Leistungswandlers;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Aus-

fUhrungsform des erfindungsgemäßen Leistungswandlers;

Fig. 8, 9 und 10 Kurven, die zum Verständnis des Betriebs

der erfindungsgemäßen Leistungswandlungsvorrichtung hilfreich sind;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer zusätzlichen AusfUhrungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine schematische Darstellung, die das aus mehreren Gruppen bestehende Leistungswandlungssystem zeigt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist; und

Fig. 13 und 14 Kurven, die zum Verständnis des Arbeitsverfahrens für die Darstellung nach Fig. 12 und in ähnlicher Weise für die Darstellung nach Fig. 8 hilfreich sind.

Vor Beginn einer Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird es als vorteilhaft erachtet, den Stand der Technik kurz zu erörtern, da angenommen wird, daß ein genaues Verständnis des Stands der Technik zum vollen Verständnis und zur richti-

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gen Würdigung der vorliegenden Erfindung höchst förderlich ist.

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein üblicherweise als herkömmlicher 3-Impuls-Wandler bezeichneter Wandler dargestellt ist, wobei der gestrichtelte Teil der Zeichnung nicht beachtet ist. Leistung wird dem Wandler aus einer Quelle zugeführt, die durch die drei Anschlüsse L₁, L₂, L, dargestellt wird, die zu einer Transformatorprimärwicklung 10 in Dreieckschaltung führen. Mit dem Bezugszeichen 12 ist eine Sekundärwicklung des Transformators bezeichnet, die als Stern- schaltung mit drei Wicklungen A-N, B-N und C-N dargestellt ist, wobei der gemeinsame Punkt N der gemeinsame sternpunkt (neutral all) ist, wie bekannt ist. An die drei Enden der drei Sekundärwicklungen, an die Anschlüsse A, B und C sind drei gesteuerte Phasengleichrichter 14, 16 bzw. 18 angeschlossen. Die Gleichrichter können hier als auch in den nachfolgenden Beschreibungen aus irgendeinem geeigneten Typ bestehen, sie gehören bevorzugt zur Klasse der als Thyristoren bekannten Bauelemente, deren bekannteste Form der gesteuerte Gleichrichter aus Silicium (SCR) ist. Aus Bequemlichkeitsgründen wird im restlichen Teil dieser Beschreibung der Begriff Thyristor als allgemeiner Begriff zur Bezeichnung eines gesteuerten Gleichrichterelements verwendet. Die Anoden der drei Phasenthyristoren, 14, 16 und 18, sind miteinander verbunden und durch eine gemeinsame Leitung 20 an die Last 22 angeschlossen. Der andere Anschluß der Last ist mittels der Leitung 24 mit dem neutralen Punkt oder stenpunkt N der Sekundärwicklung 12 des Transformators verbunden. Obwohl in Flg. 1 nicht dargestellt, sind die Steuerelektroden der Thyristoren 14, 16 und 18 an geeignete Steuereinrichtungen derart angeschlossen, daß der Vorgang, durch den die Thyristoren in den leitenden Zustand gebracht werden, d.h. das Zünden zu einem gewünschten Zeitpunkt innerhalb der Leiter-.:U-uer-üpannum: en welche die Thyristoren ange-

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schlossen sind, geregelt werden kann, so daß dadurch die der Last 22 zugeführte Spannung veränderlich ist.

In Fig. 2, in der wiederum der in gestrichelten Linien dargestellte Teil vernachlässigt werden soll, ist die bekannte Erweiterung des Dreiphasensystems der Fig. 1 dargestellt, die sich als eine Serienschaltung zweier Wandler gemäß Fig. 1 herausstellt. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, empfängt das System Leistung von einer durch die drei Anschlüsse A, B und C dargestellten Quelle, und diese drei Anschlüsse sind mit den Verbindungsstellen zweier in Serie liegender Thyristoren in jedem der drei Schenkel verbunden, um eine bekannte Brückenanordnung auszubilden. Die Thyristoren 26, 27 und 28 bilden eine allgemein als positive Dreiimpulsgruppe bezeichnete Anordnung, während die Thyristoren 30, 32 und 34 eine gewöhnlicherweise als negative Dreiimpulsgruppe bezeichnete Gruppe bilden. Die Theorie des Betriebs der Darstellung der Fig. 1 und 2 ist identisch, die fundamentalen Betriebsunterschiede liegen darin, daß für eine gegebene Wechselspannung der Quelle die der Last 22 zugeführt e Spannung gemäß Fig. 2 ungefähr doppelt so groß ist wie gemäß Fig. 1, und daß die Welligkeit ungefähr 1/4 beträgt.

Bei der folgenden Erläuterung der Betriebsweise wird der Betrieb der Fig. 1 in Einzelheiten erläutert, und es sei darauf hingewiesen, daß eine identische Analyse für die Brückenanordnung der Fig. 2 gilt. Vor dem Beginn der Erörterung der Betriebsweise wird es jedoch als wünschenswert erachtet, einige Annahmen zu treffen, die im allgemeinen bei der Erläuterung des Betriebs getroffen werden. Zuerst wird angenommen, daß die Last induktiv ist, und daß der Laststrcm kontinuierlich fließt. Ferner wird angenommen,

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daß das System auf einer konstanten Kilovoltampere-Basis (KVA) beschrieben wird,und daß der Ausdruck "Leistungsfaktor" benutzt wird, um den Verschiebungs-Leistungsfaktor zu kennzeichnen, wobei Harmonische unberücksichtigt bleiben, und dieser Faktor wird durch das Verhältnis der Kilowatts (KW) am Ausgang zur gesamten KVA-Eingangsgröße der Grundschwingung definiert. In der folgenden Erörterung wird der Zündwinkel, d.h. die Stelle, an der die einzelnen Thyristoren innerhalb der Periode der korrespondierenden Phasenspannung leitend gemacht werden, als Symbol oC definiert. Dieser Winkel wird

Sternpunkt-

von den Kreuzungspunkten der Leiter- Phasenspannungen ausgemessen, und dieser Ursprungspunkt der Messung ist in Fig. 3 dargestellt. Es wird nun der Betrieb der Ausführungsform nach Fig. 1 betrachtet, wobei Fig. 3 zeigt, wie eine Verzögerung des Phasenwinkels oder Zündwinkels oC die an die Last angelegte Spannung beeinflußt. Die stark ausgezogene Linie auf der linken Seite in Fig. 3 zeigt, daß bei einem Zündwinkel o£ von 60° die durch den schraffierten Bereich über der Nullinie angegebenen VoltSekunden wesentlich größer als die unterhalb dieser Linie vorhandenen Voltsekunden sind. Es findet daher ein positiver Leistungsfluß von der Quelle zur Last statt. Das mittlere Bild der Fig. 3 zeigt, daß bei einem ot von 90° eine mittlere Ausgangsspannung von Null an der Last liegt, da die Voltsekunden über der Linie gleich den Voltsekunden unter der Linie sind. Auf der rechten Seite der Fig. 3 beträgt der ZUndwinkel 120°, das System arbeitet im Generatorbetrieb, und Leistung fließt tatsächlich von der Last zur Quelle. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß bei abnehmendem ZUndwinkel ·* eine ständig zunehmende proportionale Leistungsgröße von der Quelle zur Last geliefert wird und daß bei o< = 0° die Brücke als ein Diodengleichrichter arbeitet, da die Stromleitung unmittelbar an den am meisten positiven Thyristor übertragen wird. Das

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gleiche gilt für Winkel oc kleiner als 0°, d.h. von 0° bis 30 der Leiter- Sternpunktspannung.

Die Art und Weise, in der eine Änderung des Zündwinkels den Leistungsfaktor des Systems beeinflußt, läßt sich am besten unter Bezugnahme auf Fig. 5 erkennen. Fig. 5 stellt ein normiertes KVA-Kreisdiagramm dar, welches das Verhältnis von reaktiver Blindleistung (Kilovoltamperes, KVAR) zu den theoretisch maximalen Ausgangskilowatts als Abszisse gegen das Verhältnis der tatsächlich der Last zugeführten Spannung zum theoretischen Maximum als Ordinate zeigt. Die Ordinatenachse kann auch mit dem Verhältnis aus tatsächlichen Kilowatts zu den theoretisch maximalen Kilowatts beziffert werden. Flg. 5 ist ein Standarddiagramm und gibt insoweit ein theoretisches Optimum wieder, als z.B. die Normalverluste im System nicht berücksichtigt sind. Dieses Diagramm stellt jedoch für alle praktischen Zwecke ein gutes Vergleichsanalyse-Werkzeug für die Untersuchung von Leistungswandlungssystemen dar. Die äußere Halbkreislinie in Fig. 5, die als "konstante KVA-3 Impulse" bezeichnet ist, gibt die Auswirkungen auf dem Systemleistungsfaktor wieder, wenn der Winkel <X zwischen 0° und 180° variiert wird. Bei einem Winkel X von 0° ist der Leistungsfaktor des Systems 1. Dieser Punkt befindet sich dort, wo der Halbkreis die Koordinatenachse schneidet und der Wandler arbeitet, wie schon erläutert wurde, in derselben Welse wie ein Diodengleichrichter, und die mittlere Spannung, die zur Last gelangt, ist gleich der maximal von diesem System erhältlichen Spannung. Wenn der Winkel M erhöht wird, nimmt die effektive Spannung und die effektive Leistung, die von dem System geliefert werden, ab, was eine resultierende Abnahme des Leistungsfaktors zur Folge hat, bis beim Winkel * von 90° die konstante KVA-Linie die Abszisse schneidet und der Leistungsfaktor Null ist. Dies ist in Übereinstimmung mit der früheren Erörterung, die anhand Fig. 3

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geführt wurde, wonach in diesem Wandler bei einem Winkel

OC von 90° sich eine entsprechende mittlere Ausgangsspannung vom Wandler mit dem Wert Null ergibt. Fährt man längs der Konstanten KVA-Linie in den k. Quadranten fort, so läßt sich erkennen, daß bei einem Winkel OC von 180° der Leistungsfaktor -1 ist, wodurch gezeigt ist, daß das System nun in einem vollständigen Generatorbetrieb arbeitet und maximale Leistung von der Last zur Quelle liefert.

Bei Zwischenpunkten lassen sich theoretische Systemleistungsfaktoren berechnen, wie durch das folgende Beispiel erläutert wird. Wird der Vektor G in Fig. 5 betrachtet, der einem Winkel OC von ungefähr 60° entspricht, so läßt sich erkennen, daß der Schnittpunkt dieses Vektors mit der Konstanten KVA-Linie ungefähr beim Wert 0,5 auf der Ordinatenskala auftritt. Da der KVA-Vektor in der normierten Zeichnung gleich 1 ist, besitzt die dann abgegebene KW-Leistung auf der normierten Skala den Wert 0,5. Der Leistungsfaktor ist in diesem Punkt ( .-* = 60°) dann also 0,5. Ähnliche Berechnungen und Ableitungen lassen sich fUr andere Punkte längs des Diagramms durchführen.

Es sei daran erinnert, daß zwei verschiedene Bautypen der bekannten Vorrichtungen oben erwähnt wurden. Die zweite dieser Vorrichtungen, die eine freilaufende Diode verwendet, läßt sich wiederum anhand der Fig. 1 betrachten, wobei diesmal der in gestrichelten Linien dargestellte Schaltungsteil, die Diode 36, die parallel zur Last 22 liegt, mitumfaßt ist. Wie im früheren Fall zeigt Fig. 2 eine Erweiterung der Darstellung nach Fig. 1, wobei zwei Dioden 38 und 40 in Serie parallel zur Last 22 liegen und der Verbindungspunkt der beiden Dioden mittels einer Leitung 50 mit dem Sternpunkt oderNullpunkt N des Systems verbunden ist. Entsprechend der

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früheren Erörterung der Fig. 1 stellt die modifizierte Figur 2 die Serienverbindung zweier Wandlungseinheiten gemäß Fig. 1 dar, und wiederum wird eine Erläuterung der Fig. 1 als ausreichend erachtet« um die Prinzipien dieses Wandlertyps zu erläutern.

Die Einfügung der freilaufenden Diode 36 in den Wandler nach Fig. 1 ermöglicht es, daB der Laststrom während Perioden fließt, wenn die Phasenthyristoren im ausgeschalteten Zustand liegen, und die freilaufende Diode 36 verringert die von der Last gesehene Welligkeit. Es sei Jedoch bemerkt, wie noch durch Fig. 4 gezeigt wird, daß die Einfügung der freilaufenden

daran
Diode die Lastklemmenspannung hindert, überhaupt negativ zu werden (wobei der Diodenspannungsabfall vernachlässigt wird), wodurch der Betrieb im 4. Quadranten ausgeschlossen wird.

Fig. 4 zeigt die Auswirkungen, die sich aus einer Änderung des Winkels X bei einem System mit freilaufender Diode ergeben. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 läßt sich erkennen, wobei die Betrachtung von links nach rechts durchgeführt wird, daß die der Last zugefUhrte mittlere Spannung abnimmt, wenn der Winkel oC erhöht wird. Wie beim herkömmlichen Wandler, liefert der Wandler bei einem Winkel von X = 0° die maximal mögliche Spannung an die Last. Wenn der Winkel ex. vergrößert wird (d.h. der ZUndwinkel verzögert wird),nimmt die an die Last gelieferte mittlere Spannung ab, bis bei 130° die Lastspannung Null ist. Während also beim herkömmlichen Wandler der effektive oC-Bereich zwischen 0° und 90° liegt, liegt der wirksame Bereich hier zwischen 0° und 130°.

In Fig. 5 ist für die Ausfuhrungsform mit freilaufender Diode ebenfalls das KVA-Diagramm durch diejenige Kurve dargestellt.

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die als "Freilauf 3-Impulse¹¹ bezeichnet ist. Es läßt sich erkennen, daß diese Kurve keine Kurve mit konstantem KVA ist, sondern daß sie den Bogen eines Kreises darstellt, dessen Mittelpunkt auf der Ordinatenachse liegt, und dessen Radius derart ist, daß der Bogen den Ursprung und die Konstante KVA-Linle des herkömmlichen 3-Impuls-Systems bei einem Punkt schneidet, der der Stelle Oi = 30° entspricht. Wie schon beim herkömmlichen Wandler ist bei einem Winkel X von 0° der Leistungsfaktor 1 und der Betrieb der freilaufenden AusfUhrungsform ist identisch mit dem Betrieb des herkömmlichen Wandlers bis zu der Stelle, an der öd = 30° ist. Dies läßt sich aus Fig. 4 erkennen, wenn man die dortigen Abbildungen auf einen Winkel oC von 30° extra poliert, und es läßt sich dann feststellen, daß die freilaufende Diode nicht leitet und daher ihr Vorhandensein bei Winkeln ·Χ von 30° oder weniger keine Folgen zeitigt. Bei Winkeln oc größer als 30°, vgl. Fig. 5, folgt der Wandlerausgang der dargestellten Kurve und bei einem Winkel (X von 130° liegt ein Ausgang mit dem Wert Null vom Wandlersystem vor. Der Systemleistungsfaktor läßt sich in einer Weise berechnen, die der oben beschriebenen Weise ähnlich ist. Wird z.B. zuerst der Vektor H in Fig. 5 betrachtet, so läßt sich erkennen, daß dieser Vektor eine Länge besitzt, die ungefähr 0,750 entspricht und einen Wert von ungefähr 0,5 auf dem Ordinatenmaßstab aufweist. Der Leistungsfaktor bei diesem Phasensteuerwinkel würde daher ungefähr 0,666 betragen. Ale zweites Beispiel wird der Vektor J betrachtet, dessen gegen KVAR aufgetragene KW-Werte ungefähr 0,1 bzw. 0,353 betragen,und der Leistungsfaktor bei diesem Leitungswinkel beträgt ungefähr 0,283.

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Die bisher in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 vorgenommene Beschreibung betrifft bekannte Systeme, und zum Zwecke einer vollständigeren Beschreibung und einem besseren Verständnis dieser Systeme wird auf die vorgenannte Veröffentlichung von D.R. Pelly mit dem Titel¹Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters*verwiesen. Obwohl die beschriebenen bekannten Systeme in vielen Situationen ganz zufriedenstellend arbeiten, stellen die zuvor erwähnten Nachteile»-nämlich der hohe Welligkeitsgehalt insbesondere bei dem herkömmlichen System, und der relativ kleine Leistungsfaktor des freilaufenden Systems, sowie seine Unfähigkeit, im vierten Quadranten zu arbeiten, gewisse Schwierigkeiten dar. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 sei darauf hingewiesen, daß der zwischen den beiden Hauptkurven liegende Bereich einen möglichen oder potentiellen Regelbereich darstellt, der für die bekannten Systeme nicht verfügbar ist. D.h., bei den bekannten Systemen gibt es keinen Weg, innerhalb dieses Bereichs zu arbeiten und damit einen vollständigen Regelbereich zu verschaffen.

Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen, die die einfachste AusfUhrungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieses System vermeidet einige Nachteile des Stands der Technik dadurch, daß die Eigenschaften der beiden bekannten Systeme kombiniert werden, wobei die Kombination der Eigenschaften beider Systeme dadurch Ubertroffen wird, daß es möglich ist, daß die für die beiden bekannten Regelsysteme unerreichbaren Regelbereiche vollständig ausgefüllt werden können. Fig. 6 zeigt eine Speisequelle, die durch die Klemmen A, B und C dargestellt ist. Die Anoden von Thyristoren 52, s'i bzw. 56 Bind an die Klemmen A, B bzw. C gelegt, und die Kathoden dieser Thyristoren sind miteinander verbunden und dienen über eine Leitung 58 als eine Speisequelle fUr eine Last 60. Die Last 60 besteht bevorzugt aus einer induktiven Last, z.B. einem Gleichstrommotor, so daß der Strom innerhalb des

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Systems kontinuierlich fließt. Der andere Anschluß der Last 60 ist über eine Leitung 62 mit dem Sternpunkt oder Nullpunkt N der Speisequelle verbunden. Ein vierter Thyristor 64 liegt parallel zur Last. Eine geeignete Thyristorzündsteuerung oder -regelung 66 dient dazu, die ZUndzelt aller Thyristoren 52, 54, 56 und 64 zu steuern oder regeln. Der genaue Aufbau der ZUndsteuerung 66 ist nicht wichtig für die vorliegende Erfindung; die Anforderungen an die Steuerung oder Regelung bestehen darin, daß sie geeignete ZUndimpulse, oder bevorzugt eine Gruppe von ZUndimpulsen liefert, um sicherzustellen, daß die verschiedenen Thyristoren tatsächlich zu geeigneten Zeiten innerhalb des Eingangsspannungszyklus¹ leitend gemacht werden, um die noch zu erläuternden Ergebnisse zu erzielen.

Flg. 7 stellt eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar, die bei der häufiger verwendeten Brückenanordnung angewendet wird, wobei diese Anordnung im wesentlichen zwei der in Fig. 6 gezeigten Einheiten enthält, die in Serie geschaltet sind. In Fig. 7 sind die Anschlüsse A, B bzw. C der Speisequelle an die Verbindungspunkte angeschlossen, die zwischen einer ersten Gruppe von Thyristoren, die innerhalb des gestrichelt eingetragenen Blocks 67 liegen und normalerweise als positive 3-Impulsgruppe bezeichnet sind, und einer zweiten Gruppe von drei Thyristoren innerhalb des gestrichelt eingetragenen Blocks 68 bestehen, die normalerweise als negative 3-Impulsgruppe bezeichnet sind. Ein zusätzliches Paar von Thyristoren 70 und 72 liegt in Serie mit der Serienochaitunc, die parallel zur Last 60 liegt. Der Verbindungspunkt zwischen den Thyristoren 70 und 72 ist mit dem Sternpunkt oder Nullpunkt N der Speisequelle Über eine Leitung verbunden. Wie schon bei den bekannten Systemen oben erläutert, stellt auch die Anordnung nach Fig. 7 im wesentlichen eine Serienanordnung aus zwei Schaltungsanordnungen

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gemäß Fig. 6 dar, und es wird angenommen, daß eine Erläuterung des Betriebs der Fig. 6 voll und ganz die Erfindung beschreibt.

Der Betrieb der vorliegenden Erfindung gemäß der Darstellung nach Fig. 6 läßt sich am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 8, 9 und 10 verstehen. In Fig. 8 ist ein KVA-Kreisdiagramm gezeigt, das dem zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschriebenen Diagramm ähnlich ist und die stark erweiterten Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Wechselrichters zeigt. Bei der Erörterung der Fig. 8, ebenso wie der Fig. 9 und 10_;wird ein zusätzlicher ZUndwinkel diskutiert. Dieser Winkel

/S betrifft den ZUndwinkel des oder der Nullpunkt- oder Sternpunktthyristoren, z.B. des Thyristors 64 in Fig. 6. Der Winkel fi wird vom gleichen Ursprung wie der Winkel

OC gemessen, d.h. vom positiven Schnittpunkt zweier benachbarter Leiter-Sternpunkt-Phasenspannungen. Fig. 8 zeigt eine Konstante KVA-Kurve, längs der der Wandler arbeitet, wenn der Sternpunkt-Thyristor nicht gezündet ist oder zu einem Zeitpunkt gezündet wird, nach welchem er aufgrund der im Wandler bestehenden Spannungsbeziehungen unwirksam ist. In dieser Situation arbeitet der erfindungsgemäße Wandler wie das herkömmliche, zuvor beschriebene 3-Impulssystem.

Im ersten Quadranten stimmt die mit /.->' = 150° bezeichnete Kurve identisch mit derjenigen Kurve überein, die in Fig. als "freilaufend, 3-Impula? bezeichnet wurde, und eine Untersuchung der erfindungsgemäßen Schaltung zeigt, daß der Betrieb des erfindungsgemäßen Wandlers mit der freilaufenden Diodenversion bekannter Art identisch ist, wenn der Sternpunkt-Thyristor ständig bei 150° gezündet wird. Der erfindungsgemäße Wandler besitzt daher alle Vorteile bekannter r>chaltunu<-n.

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Zusätzlich zu der Tatsache, daß In der einzelnen Anordnung die Eigenschaften des Stands der Technik beide vorhanden sind, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine wesentlich größere Flexibilität und einen wesentlich größeren Regeloder Steuerbereich. Als erster Beweis hierfür läßt sich der Fig. 8 im 4. Quadranten eine Kurve entnehmen, die der

/3 = 150°-Kurve des ersten Quadranten entspricht. Diese Kurve oder Linie wird als r>L = 150° bezeichnet. Aufgrund der Fähigkeit, sowohl den Phasengleichrichter als auch den Sternpunkt-Gleichrichter zu steuern, ergibt sich, daß, wenn der Winkel oC konstant bei 150° gehalten, und β zwischen 150° und 270° variiert wird, der Betrieb des Wandlers dieser Kurve folgt. Wenn der Winkel /·>' 270° überschreitet, folgt der Wandler, ähnlich dem Betrieb im ersten Quadranten, der konstanten KVA-Kurve. Es liegt daher im wesentlichen ein System vor, das als negatives freilaufendes Diodensystem umschrieben werden kann, ein Aufbau, der natürlich in Wahrheit bei Verwendung von Dioden nicht möglich ist.

Wichtiger noch ist Jedoch die Tatsache, daß die vorliegende Erfindung einen Betrieb innerhalb des Bereichs gestattet, der durch die Konstante KVA-Kurve und die β = 150°-Kurve im ersten Quadranten und der Kurve yL = 150° im 4. Quadranten begrenzt ist. Im ersten Quadranten ist ein Beispiel dieser Regelbarkeit durch diejenige Kurve dargestellt, die mit A = 180° bezeichnet ist. Längs dieser Kurve sind fünf Punkte aufgetragen, und eine Betrachtung dieser Kurve in Verbindung mit Fig. 9 zeigt, daß der Wandlerbetrieb bei einem Winkel fi von 180° und einem Winkel X von 60° auf die konstante KVA-Kurve fällt. Die proportionalen Voltsekunden oberhalb und unterhalb der Linie sind links in Flg. 9 dargestellt. Die Auswirkungen davon, daß /* bei 180° gehalten wird, während *. von 60° bis 120° vergrößert

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wird, sind durch verschiedene, entsprechend bezeichnete Bilder in Fig. 9 dargestellt. Aus Fig. 9 läßt sich erkennen, daß bei /i = 180° und .χ. = 120° das Ausgangssignal Null ist, d.h. daß die vom Wandler gelieferte mittlere Spannung Null ist.

Eine ähnliche Analyse ist aus den Fig. 8 und 10 für den Betrieb im 4. Quadranten erhältlich. Hier wird der Winkel

<X konstant gehalten, wie durch die mit X = 120° bezeichnete Kurve dargestellt ist. /> wird zwischen 180° und 2A0° variiert, und beim letztgenannten Punkt findet der Betrieb auf der konstanten KVA-Kurve statt. Eine weitere Erhöhung des Winkels fi ändert den Betrieb des Wandlers nicht. Fig. 10 zeigt ausgewählte Punkte längs dieser Kurve in Schritten 15° und zeigt, daß bei einem Winkel von K = 120° und einem Winkel β = 180° vom Wandler eine Ausgangsspannung mit dem Wert Null geliefert wird. Eine Erhöhung des Winkels /3 bei konstantem .x-, resultiert in einer erhöhten Generatorspannung.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß ähnliche Analysen für andere Kombination von Zündwinkeln durchführbar sind. Grundlegend läßt sich aus Fig. 8 erkennen, daß bein Betrieb im ersten Quadranten OC zwischen 0° bis 150° variiert werden kann. Ee wurde schon bemerkt, daß für Winkel

OC von 30° oder weniger ein Stromtransfer von Phasenthyristor zu Phasenthyristor stattfindet und /3 nicht relevant ist. Bei Winkeln i* zwischen 30° bis 150° muß die Ungleichung 150°- nc ^- β - 150° erfüllt sein, damit insgesamt betrachtet die Voltsekunden 0 oder positiv sind. Eine Auegangsspannung mit dem Wert Null tritt auf, wenn /n » 300° - oc . Für den Betrieb im 4. Quadranten läßt sich Δ zwischen 150° bis 270° variieren. Damit die

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Spannung negativ ist, muß die Ungleichung 150 - iX < /·> "" 150°

erfüllt sein. Ferner muß der Zündvorgang des nachfolgenden Phasenthyristors später als derjenige des Sternpunkt-Thyristors erfolgen, was bedeutet, daß .X >/4 - 120° ist, wodurch <X auf den Bereich zwischen 90° und 150° beschränkt ist. Eine Ausweitung des Winkels fi über 270° hinaus ist ineffektiv und liegt außerhalb der konstanten KVA-Kurve. Obwohl in Fig. 8 keine Phasenvektoren, wie z.B. in Fig. 5 dargestellt, eingetragen sind, ist es offensichtlich, daß die Möglichkeit, innerhalb des durch die Kurven (konstante KVA, /5 = 150° und oc = 150°) begrenzten Bereichs zu arbeiten, einen in die Lage versetzt, für eine gegebene Ausgangsspannung ein hohes Maß an Steuerung oder Regelung hinsichtlich des Systemleistungsfaktors auszuüben. Dies läßt sich erkennen, wenn man imaginäre Vektoren einzeichnet, die am Ursprung beginnen und längs der Ordinatenlinie 0,4 enden. Es läßt sich erkennen, daß in allen Fällen diese Vektoren für die Last dieselbe Ausgangsspannung darstellen, daß jedoch der Leistungsfaktor gemäß den Zündwinkeln OC und /.)' variiert.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Wie hier gezeigt, ist die Mehrphasen-Wechselstromquelle durch sechs Transformatorwicklungen dargestellt, die in einer symmetrischen Ooppelsternschaltung mit einem gemeinsamen Sternpunkt N geschaltet sind. Die Wicklungen der ersten Anordnung sind mit A-N, B-N und C-N bezeichnet, während die Wicklungen der zweiten Anordnung als ALN, BLN und CLN bezeichnet sind. Die Anschlüsse A, B und C der ersten Wicklungsanordnung sind mit den Anoden von drei Phasenthyristoren 80, 82 und 84 verbunden, deren Kathoden miteinander verbunden sind und an ein Ende einer ersten Transformatorlastwicklung 86 angeschlossen sind. Eine Last 88 ist zwischen

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dem anderen Ende der Transformatorwicklung und dem Sternpunkt N der Quelle angeschlossen.Ein zusätzlicher oder Sternpunkt-Thyristor liegt zwischen dem Sternpunkt N und den Kathoden der drei Thyristoren 80, 82 und 84 und wird derart gepolt, daß Laststrom in derselben Richtung wie durch die drei geraden erwähnten Thyristoren fließen kann.

In ähnlicher Weise sind die Klemmen A¹, B¹ und C der zweiten Wicklungsanordnung über 3 Thyristoren 80',82'und 84· mit der Last 88 und einer zweiten Transformatorwicklung 86* verbunden. Die magnetomotorischen Kräfte, die in den Wicklungen 86 und 86* erzeugt werden, sind einander entgegengesetzt. Ein Sternpunkt-Thyristor 90' ist hier vorgesehen, um zu ermöglichen, daß Laststrotn in derjenigen Richtung fließt, die auch der von den Thyristoren 80', 82' und 84' gelieferte Strom besitzt.

Aufgrund der obigen Erörterung wird eine in Einzelheiten gehende Diskussion der Wirkungsweise als nicht erforderlich erachtet; es möge der Hinweis genügen, daß diese AusfUhrungsform derjenigen der Fig. 7 eng entspricht, wobei die Thyristoren 80', 82· und 84· der negativen Thyristorgruppe 68 der Fig. 7 insoweit analog sind, als die von der zweiten Anordnung herrührende Welligkeit gegenüber der Welligkeit der ersten Anordnung in derselben Weise phasenverschoben ist, wie das bei der AusfUhrungsform nach Fig. 7 der Fall ist.

Fig. 12 zeigt die erfindungsgemäße AusfUhrungsform der Leistungewandler mit mehreren Gruppen, bei der das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.

Unter Bezugnahme auf diese Figur läßt sich erkennen, daß eine Mehrphasen-Wechselstromspeisequelle, dargestellt ist eine 3-Phasenquelle, durch zwei Sekundärwicklungen eines

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Transformators dargestellt ist , die allgemein mit den Bezugszeichen 110 und 112 versehen sind. Die Sekundärwicklung 110 ist als eine Sekundärwicklung in Sternschaltung mit den Wicklungen A-N, B-N und C-N ausgebildet, wobei der Punkt N der Sternpunkt oder Nullpunkt ist und die Punkte A, B und C die drei Klemmenpunkte der Sekundärwicklung sind. Die Transformatorsekundärwicklung 112 kann mit der Sekundärwicklung 110 identisch sein und ist mit der gleichen, mit einem hochgestellten Strich versehenen Nomenklatur bezeichnet. Die Sekundärwicklungen 110 und 112 können an dieselbe Primärwicklung gekoppelt sein, oder sie können eigene Primärwicklungen besitzen. Der in Fig. 12 dargestellte Wandler besteht aus einer Vielzahl von gesteuerten Gleichrichtern, den Gruppen 114, 116, 118 und 120. Aus Kennzeichnungsgründen wird die Gleichrichtergruppe 114 als erste positive Gruppe bezeichnet, während die Gleichrichter der Gruppe 116 als erste negative Gruppe bezeichnet werden. In ähnlicher Weise wird die Gruppe 118 als zweite positive Gruppe bezeichnet, und die Gleichrichter der Gruppe 120 werden als zweite negative Gruppe bezeichnet. Alle in der vorliegenden Erfindung verwendeten gesteuerten Gleichrichter können von irgendeinem geeigneten Typ sein, sie bestehen jedoch bevorzugt aus derjenigen Klasse, die allgemein als Thyristoren bekannt ist, wobei der bekannteste der Thyristoren der gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCR) ist. Wie in dem gezeigten 3-Phasensystem dargestellt ist, enthält jede Gruppe 114, 116, 118 und 120 drei Phasengleichrichter und einen Sternpunkt-Gleichrichter. Die drei Phasengleichrichter der Gruppe 114 werden durch die Bezugszeichen 122, 124 und 126 identifiziert, die die drei Quellenklemmen A, B bzw. C mit der Last 154 verbinden. Der Sternpunkt-Gleichrichter ist mit dem Sternpunktanschluß der Wechselstromquelle und mit der Last 154 verbunden und ist in einer solchen Richtung gepolt, daß er Lastetrom in der Richtung des durch die Phasengleichrichter

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gelieferten Stroms leitet. (Es sei bemerkt, daß die genaue Gestalt der Last 154 für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend ist, daß diese Erfindung Jedoch insbesondere bei solchen Situationen Anwendung findet, bei denen die Last induktiv ist, d.h. bei einem Elektromotor).

Die anderen Gruppen 116, 118 und 120 sind ähnlich wie die Gruppe 114 aufgebaut. D.h., die Gruppe 116 enthält 3 Phasengleichrichter 130, 132, 134 und einen Sternpunkt-Gleichrichter 136, während die Gruppe 118 drei Phasengleichrichter 138, 140 und 142 und einen Sternpunktgleichrichter 144 enthält. Die Gruppe 120 enthält Phasengleichrichter 146, 148, 150 und einen Sternpunkt-Gleichrichter 152.

Bekanntlich wird ein Thyristor durch Anlegen einer Vorwärtsvorspannung und eines an seine Steuerelektrode angelegten Signals leitend gemacht. In Fig. 12 ist entsprechend eine Gleichrichterzündsteuerung 156 vorgesehen, aus der 16 Leitungen 158 austreten, auf denen Steuersignale zu allen 16 gezeigten Gleichrichtern geleitet werden. Um die Zeichnung übersichtlich zu halten, sind nicht alle diese Verbindungen dargestellt. Sie sind Jedoch durch den Anschluß der Leitungen zu den Steuerelektroden der Gleichrichter 130 und 138 der Gruppen 116 bzw. 118 repräsentiert. Der große Pfeil 159 soll die Verbindungen zu den übrigen Gleichrichtern darstellen. Der genaue Aufbau der Zündsteuerung 156 ist für die vorliegende Erfindung nicht wichtig, es ist lediglich erforderlich, daß die Steuerung eine bekannte Bauweise besitzt, welche eine üblicherweise'Phasensteuerung"bezeichnete Steuerung aufweist und als solche Signale an die Steuerelektroden der Gleichrichter des Wandlersystems zu dem richtigen Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus¹ liefert.

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Das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren läßt sich am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 12 in Verbindung mit Fig. 13 verstehen. Vor Beginn der Beschreibung der Arbeitsweise sei Jedoch bemerkt, daß die vier Gruppen 114, 116, 118 und 120 der Fig. 12 derart in Serie geschaltet sind, daß die Möglichkeit eines Pfades besteht, der aus den vier Sternpunkt-Gleichrichtern 128, 136, 144 und 152 besteht, der einen Kurzschluß ftir die Last 154 darstellt, wenn diese Gleichrichter alle leiten.

Das erste Beispiel des Systembetriebs der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung erfolgt unter Bezugnahme auf die Verwendung des gezeigten Wandlers im Sinne zweier in Serie geschalteter 8-GleichrichterbrUcken. D.h., die erste Brücke oder Wandler besteht aus den Gruppen 114 und 116, und die zweite Brücke schließt die Gruppen 118 und 120 ein. In Flg. 13 ist wiederum ein normiertes KVA-Kreisdiagramm (ähnlich der Fig. 8) dargestellt, welches das Verhältnis der reaktiven Kilovoltampere (KVAR) am Eingang zu den theoretischen maximalen Kilowatts (KW) am Ausgang als Abszisse erfolgt, und das als Ordinate das Verhältnis aus tatsächlicher, an der Last liegender Spannung (E) zum theoretischen Maximum (E_max) besitzt. Die Ordinatenachse kann auch als das Verhältnis der tatsächlichen Kilowatts zu den theoretisch maximalen Kilowatts ausgedrückt werden. Die äußere Kurve 160 in Fig. 13 gibt den Betrieb des Wandlersystems wieder, wenn die Phasengleichrichter von allen zwei Brücken phasengesteuert sind und die Sternpunkt-Gleichrichter nicht ausgesteuert sind. In dieser Situation ist der Betrieb längs der Kurve 160 derselbe wie für zwei herkömmliche in Serie geschaltete 6-ImpulabrUcken, und das Ausgangssignal des Systems läuft längs dieser äußeren Kurve während der Winkel oc von 0° bis 180° variiert. Innerhalb des äußeren Halbkreises

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160 befindet sich ein kleinerer Halbkreis 162, der ebenfalls seinen Mittelpunkt im Ursprung besitzt, und dessen Radius gleich dem halben Radius von der Kurve 160 ist. Die Kurve 162 ist eine konstante KVA-Kurve für die einzelne Wandlereinheit, welche die Gruppen 114 und 116 enthält und entspricht der Kurve 160 des gesamten Wandlersystems. Die Kurven 164 und 163 innerhalb des Halbkreises 162 stellen die Betriebsgrenzen der einzelnen Brücke dar, welche die Gruppen 114 und 116 umfaßt, wenn die Sternpunkt-Thyristoren 128 und 136 in einem leitenden Zustand gehalten werden, so daß die Brücke im wesentlichen als eine 6-Impulsbrücke mit freilaufenden Dioden arbeitet. Aus dieser Beschreibung läßt sich erkennen, daß die Eigenschaften und Möglichkeiten einer der Brückeneinheiten durch den Bereich definiert ist, der durch die Kurven 162, 164 und 165 in der zuvor beschriebenen Weise begrenzt ist.

Aus der bisherigen Beschreibung der Fig. 13 läßt sich entnehmen, daß, wenn in dem dargestellten Beispiel die Gleichrichter 144 und 152 der Gruppen 118 bzw. 120 im leitenden Zustand gehalten werden und die restlichen Gleichrichter der Gruppen 118 und 120 nicht in irgendeinem Zeitpunkt während des Zyklus leitendjgemacht werden, diese AusfUhrungsform der vorliegenden Erfindung als eine einzelne Wandlereinheit arbeitet mit gesteuerten Sternpunkt-Gleichrichtern, wobei die Last 154 In oben beschriebener Welse gespeist wird. Die HinzufUgung eines zweiten Wandlers oder Brückeneinheit in Serie mit dem ersten Wandler oder Brückeneinheit, wobei die zweite Einheit die Gruppen 118 und 120 umfaßt, liefert zu den Möglichkeiten und Fähigkeiten des Gesamtsystems einen Beitrag, wie durch Fig. 13 dargestellt ist. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, besteht im ersten Quadranten ein Bogenquadrant 166, und im 4. Quadranten ein Bogenquadrant 168. (Die gestrichelt eingetragene Fortsetzung der Kurven 166 und 168 zu einem vollen Halbkreis stellt, wie noch besser verständ-

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lieh wird, eine Eigenschaft dar, die vorhanden, normalerweise Jedoch nicht benutzt wird, da diese Eigenschaft beim Auegangssignal des Gesamtsystems einen Abzug und feinen additiven Beitrag liefert). Die Bogen 166 und 168 stellen die maximalen Leistungsfähigkeiten (capabilities) der zweiten Wandlereinheit dar, die aus den Gruppen 118 und 120 besteht. Die Bogen 167 bzw. 170, die bei den Bogen 166 und 168 liegen, geben wiederum die freilaufende Betriebsart fUr die zweite Wandlereinheit wieder. Aus Fig. 13 läßt sich entnehmen, daß die Leistungsfähigkeit des Systems dadurch stark erweitert ist, daß die erste Einheit aus den Gruppen 114 und 116 in ihrem gesamten wirksamen Bereich gesteuert oder geregelt werden kann, während die Sternpunkt-Gleichrichter 118 und 120 des zweiten Wandlers in einem leitenden Zustand bis zu einem Zeitpunkt verharren, bei dem ein gewünschtes Ausgangssignal von der ersten Wandlereinheit erhalten wird. Zu diesem Zeitpunkt kann die zweite Einheit dadurch in Betrieb genommen werden, daß die acht Gleichrichter des zweiten Wandlers selektiv leitend gemacht werden, so daß das Gesamtergebnis durch den vollen Betriebsbereich gegeben wird, der gemäß Fig. 13 durch die Kurven 160, 164 und 167 im ersten Quadranten, und den Kurven 160, 165 und 170 im vierten Quadranten begrenzt ist. Obwohl der normale Betrieb darin besteht, eine Brücke bis zur vollen maximalen Ausgangsleistung auszufahren, bevor die zweite Brücke in Betrieb genommen wird, ist dies nicht notwendig, und der Leistungsfaktor und das Ausgangssignal des Systems lassen sich im gesamten Betriebsbereich verändern, der durch die fünf Kurven begrenzt wird, welche durch den selektiven Betrieb aller 16 Thyristoren des Wandlersystems identifiziert sind.

Fig. 14 stellt ein Diagramm desselben Typs wie das in Fig. gezeigte Diagramm dar und gibt eine weitere mögliche Betriebsart der in Fig. 12 dargestellten Anordnung wieder.

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Bel dieser Betriebsart werden Im wesentlichen vier 4-Takt-Wandler unabhängig derart betrieben, daß die gesamte maximale KVA-Ausgangsgröße des gesamten Systems wiederum durch die äußere halbkreisförmige Kurve 160 gegeben ist. Im Hinblick auf die obige Beschreibung der Fig. 13 wird es nicht als notwendig erachtet, eine detaillierte Analyse der Betriebsweise der AusfUhrungsform nach Fig. 12 in dieser Betriebsart durchzuführen. Es möge der Hinweis genügen, daß innerhalb des Halbkreis' 160 ähnliche Diagramme mit der Bezeichnung 114·, 116·, 118· bzw. 120« gezeigt sind, die die Betriebsfähigkeiten oder -eigenschaften jeder der separaten Gruppen der Gleichrichter 114, 116, 118 bzw. 120 zeigen. Der Betrieb in dieser Betriebsart 1st dem oben beschriebenen sehr ähnlich, mit dem primären Unterschied, daß jede Gruppe individuell gesteuert oder geregelt wird. So kann z.B. die Gruppe 114 selektiv in den leitenden Zustand gebracht werden, während alle Sternpunkt-Gleichrichter 136, 144 und 152 im leitenden Zustand gehalten werden, bis ein gewünschter Betriebspunkt erreicht ist. Beim gewünschten Betriebspunkt wird eine zusätzliche Gruppe, z.B. die Gruppe 116, in den gesteuerten Betriebszustand gebracht. Wachsende Leistungsnachfrage würde es erforderlich machen, daß eine zusätzliche Gruppe in Betrieb genommen wird, und dies setzt sich bis zu der Zeit fort, bei der die vollen Möglichkelten des Wandlersystems ausgeschöpft sind.

Es wurde eine Wandlerschaltung dargestellt und beschrieben, welche die Vorteile des Stands der Technik aufweist und dabei die Fähigkelten und Eigenschaften bei begrenztem zusätzlichem Aufwand weit übersteigt. Zusätzlich wurde ein Verfahren des Wandlerbetriebs dargestellt, das äußerst vielseitig ist und die Steuerung oder Regelung des Leistungs-

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faktors des Systems sowie die Größe der abgegebenen Leistung Über einen weiten Bereich ermöglicht. JEs wurden die zur Zeit als besonders vorteilhaft betrachteten AusfUhrungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben, Abwandlungen dieser Ausführungsformen sind jedoch ftir den Fachmann leicht möglich. Während z.B. vier Gleichrichtergruppen und deren Betriebsarten gezeigt und beschrieben wurden, lassen sich zusätzlich Gruppen hinzufügen, um die Fähigkeiten oder Eigenschaften des Systems zu erhöhen. Obwohl zwei spezielle Betriebsarten beschrieben wurden, die eine Betriebsart, die 8-Impulsbrücken in Serienschaltung enthält, und die zweite Betriebsart, die 4-Impulsgruppen in Serienschaltung entspricht, stellt dies keine Begrenzung dar, und es lassen sich verschiedene Kombinationen und Permutationen verwenden. So können z.B. die Gruppen 114 und 116, vgl. Fig. 12, als eine 8-Impulsgruppe betrieben werden, während die Gruppen 118 und 120 einzeln als 4-Impulsgruppen betrieben werden können.

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Claims

4iJl8-21-DSZ-2'l6l

Patentansprüche:

Vorrichtung zur Leistungswandlung, um Leistung aus einer mehrphasigen Wechselstromspeisequelle gesteuert oder geregelt einer Last zuzuführen, gekennzeichnet durch eine gesteuerte Gleichrichtereinrichtung (52, 54,36), die die Phasen der Vechselstromquelle mit einem Anschluß (58) der Last verbinden, Verbindungseinrichtungen (62), die einen zweiten Anschluß der Last mit der Wechselstromquelle verbinden, Einrichtungen, die eine zusätzliche gesteuerte oder geregelte Gleichrichtereinrichtung (64) enthalten, die parallel zur Last liegt, wobei der Laststrom In Abwesenheit eines leitenden Pfads zwischen der Quelle und der Last vorhanden sein kann, und Steuer- oder Regeleinrichtungen (66), um Jeden der gesteuerten oder geregelten Gleichrichter (52, 54, 56 zu Zeltpunkten leitend zu machen, die bezüglich

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der Lelter-Sternpunktspannungen der Wechselstromquelle vorgegeben sind.

2. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gleichrichter (52, 54, 56, 64) als Thyristoren ausgebildet sind.

3. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen (62) den zweiten Lastanschluß mit dem Sternpunkt oder Nullpunkt (N) der Quelle (A, B, C) verbinden.

4. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündwinkel, bei dem ein Gleichrichter in den leitenden Zustand gebracht wird, von einem positiven Kreuzungspunkt der Leiter-Sternpunktspannungen der tfechselstromquelle gemessen wird, und daß die Gleichrichter (52, 54, 56) der Phasen (A, B, C) wirksame ZUndwinkel von 0° bis 180° besitzen, und daß der zusätzliche Gleichrichter (64) wirksame ZUndwinkel zwischen 150° und 270° besitzt.

5. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der ZUndwinkel, bei dem ein Gleichrichter in den leitenden Zustand gebracht wird, von einem positiven Kreuzungspunkt der Leiter-Sternpunktspannungen der Vechselstromquelle gemessen wird, und daß die Gleichrichter (52, 54, 56) der Phasen (A, B, C) wirksame ZUndwinkel von 0° bis zu dem Punkt besitzen,

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an des die Leiter-Sternpunktspannung des leitenden Gleichrichters Null wird, und daß der zusätzliche Gleichrichter (6A) wirksame ZUndwinkel von dem Punkt an, an dem die Leiter-Sternpunktspannung negativ wird, bis zu dem Schnittpunkt oder Kreuzungspunkt der Leiter-Sternpunktspannung mit der nachfolgenden Phasenspannung besitzt.

6. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine 3-Phaeen-Wechselstromquelle 1st, die einen Nullpunkt oder Sternpunkt aufweist, und daß ein zweiter Anschluß der Last mit dem Sternpunkt der Wechselstromquelle verbunden ist.

7. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gleichrichter (52, 54, 56) der Phasen (A, B, C) wirksame ZUndwinkel zwischen 0° bis zu dem Punkt besitzen, an dem die Leiter-Sternpunktspannung des leitenden Gleichrichters Null wird, und daß der zusätzliche Gleichrichter (64) wirksame ZUndwinkel von dem Punkt an, an dem die Leiter-Sternpunktspannung negativ wird, bis zum Schnittpunkt der Leiter-Sternpunktspannung mit der nachfolgenden Phasenspannung besitzt.

β. Vorrichtung zur Leistungswandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zur Versorgung einer Gleichstromlast mit gesteuerter oder geregelter Leistung aus einer Mehrphasen-Wechselstromquelle, die einen NuIl-

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punkt oder Sternpunkt besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinrichtungen (52, 54, 56) erste Paare von in Serie geschalteten gesteuerten oder geregelten Gleichrichtern (67, 68) enthalten, die Jeweils alle Phasen der Quelle mit der Last verbinden, daß die zusätzliche geregelte oder gesteuerte Gleichrichtereinrichtung (64) ein zusätzliches Paar von in Serie geschalteten gesteuerten Gleichrichtern (70, 72) enthält, die parallel zur Last angeordnet sind, daß Einrichtungen (74) die Verbindungsstelle des zusätzlichen Gleichrichterpaars mit dem Sternpunkt der Quelle verbinden.

Vorrichtung zur Leistungswandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Gleichrichtereinrichtungen (52, 54, 56) eine erste Gruppe aus gesteuerten Gleichrichtern (80, 82, 84) enthält, die jede einzelne Phase aus einer symmetrischen Gruppe von Wechselstromquellen-Phasen (A, B, C) mit einem Ende einer Transformatorwicklung verbinden, daß der zusätzliche gesteuerte Gleichrichter (90) zwischen dem Sternpunkt der Quelle und dem einen Ende der Transformatorwicklung (oberes Ende von 86) liegt, daß die gesteuerten Gleichrichtereinrichtungen ferner eine zweite Gruppe gesteuerter Gleichrichter (80·, 82', 84') enthalten, die jede Phase aus einer zweiten symmetrischen Gruppe von Wechselstromquellen-Phasen, die gegenüber der ersten Gruppe phasenverschoben sind, mit einem Ende einer zweiten Transformator-

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wicklung (unteres Ende von 86') verbinden, welche dieselbe Zahl an Windungen wie die erste Wicklung besitzt, daß ein weiterer gesteuerter Gleichrichter (90·) vom Sternpunkt der Quelle zum einen Ende der zweiten Transformatorwicklung geschaltet ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die noch nicht angeschlossenen Enden der ersten und der zweiten Transformatorwicklung mit der Last (88) derart zu verbinden, daß die in den Wicklungen fließenden Ströme einander entgegengesetzte magnetomotorische Kräfte entwickeln.

10. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Leistung, die einer Last von einer Mehrphasen-Wechselstromquelle mit einem Sternpunkt zugeführt wird, wobei eine Vielzahl von in Serie liegender Gruppen gesteuerter Gleichrichter verwendet wird und jede Gruppe mindestens einen Phasengleichrichter zur Verbindung jeder Phase der Quelle mit der Last, und einen Sternpunkt-Gleichrichter enthält, der mit der Last und dem Sternpunkt verbunden ist und so gepolt ist, daß er Laststrom in derselben Richtung leitet wie der durch die Phasengleichrichter gelieferte Strom,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gruppen selektiv gemäß den Leistungsanforderungen der Last dadurch leitend gemacht wird , daß selektiv alle Gleichrichter einer aktiven Gruppe leitend gemacht werden,

daß die Sternpunkt-Gleichrichter aller inaktiven Gruppen im leitenden Zustand gehalten werden, während alle Phasengleichrichter der inaktiven Gruppen im nichtleitenden Zuntand verharren, und

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daß die Inaktiven Gruppen gemäß einer Änderung der Leistungsanforderungen der Last aktiv gemacht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gruppen sequentiell aktiviert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Gruppe ungefähr bis auf ihre maximale Ausgangsspannung gebracht wird, bevor eine zusätzliche Gruppe aktiviert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter der Gruppen in phasengesteuerter Betriebsweise leitend gemacht werden, um die an die Last abgegebene Leistung zu steuern oder regeln.

14. Verfahren zur Abgabe geregelter oder gesteuerter Leistung an eine Last nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Antwort auf eine gewünschte Änderung des Pegels der Leistungsabgabe an die Last selektiv die Gleichrichter einer zweiten Gruppe während nachfolgender Zyklen der Wechselstromquelle leitendjgemacht werden, während die Sternpunkt-Thyristoren aller verbleibenden Gruppei im leitenden Zustand gehalten werden, bis ein zweiter gewünschter Betriebspegel erreicht ist, und daß sequentiell alle zusätzlichen Gleichrichtergruppen, jeweils eine Gruppe zu einem Zeitpunkt, in der ftlr die erste und die zweite Gruppe angegebenen Art und Weise hinzugefügt

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werden, bis alle Gleichrichtergruppen gesteuert oder geregelt werden.

15. Verfahrt nach Anspruch 10 zur Abgabe geregelter Leistung an eine Last,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter einer zweiten Gruppe in Abhängigkeit von erhöhter Leistungsanforderung durch die Last an ausgewählten Zeitpunkten während nachfolgender Zyklen der Quelle leitend gemacht werden, während die erste Gruppe in dem Maximalzustand, und

aller restlicher Gruppen die zugeordneten Gleichrichter/ in leitendem Zustand gehalten werden, wodurch die an die Last abgegebene Leistung bis zur maximalen Leistungsfähigkeit der Gleichrichter der ersten und zweiten Gruppe ausgeregelt wird, und daß sequentiell alle zusätzlichen Gleichrichtergruppen ,jeweils eine Gruppe zu einem Zeitpunkt, in der für die erste und die zweite Gruppe angegebenen Art und Weise hinzugefügt werden, bis alle Gleichrichtergruppen gesteuert oder geregelt werden.

16. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der an eine Last abgegebenen Leistung nach Anspruch 10, wobei ein zusätzliches Paar von Thyristoren die Last mit dem Sternpunkt verbindet, und Jeder der Thyristoren des zusätzlichen Paares derart gepolt ist, daß er Laststrom in der gleichen Richtung leitet wie der durch die Phasenthyristoren an die Last gelieferte Strom,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren dieser Gruppe auf einer selektiven Basis selektiv und in phasengesteuerter Betriebsart gemäß den Leistungsanforderungen der Last aktiviert werden, daß die zusätzlichen Thyristorpaare aller inaktiver Gruppen im leitenden Zustand verharren, während die Phasenthyristoren aller inaktiven Gruppen in nichtleitendem Zustand liegen.

17. Verfahren nach Anspruch 16 zur Steuerung oder Regelung der an eine Last abgegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Gruppe ungefähr bis zur maximalen Ausgangsspannung gebracht wird, bevor eine zusätzliche Gruppe aktiviert wird.

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