DE2752163C2

DE2752163C2 - Folgegesteuerte, löschbare Brückenschaltung

Info

Publication number: DE2752163C2
Application number: DE2752163A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Dr. 6940 Weinheim Kahlen; Wolfgang Dipl.-Ing. Lienau; Adolf Dipl.-Ing. 5100 Aachen Müller-Hellmann; Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. 6805 Heddesheim Runge
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1977-11-23
Publication date: 1987-04-16
Also published as: NO783913L; FR2409878A1; SE7811949L; SE440716B; ATA527878A; NO148131B; NO148131C; DE2752163A1; AT363558B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine folgegesteuerte, löschbare Brückenschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche folgegesteuerte, löschbare Brückenschaltung ist aus dem Hauptpatent 25 30 961 bekannt und kann bevorzugt für elektrische Triebfahrzeuge verwendet werden.
Eine hierzu ähnliche Schaltungsanordnung zur blindleistungssparenden Gleichrichtung von ein- oder mehrphasigem Wechselstrom ist aus der DE-OS 24 56 213 bekannt. Dabei ist ein Stützkondensator vorgesehen, der einerseits mit dem Minuspol des Lastkreises verbunden ist, andererseits an Hilfsventilen einer Löscheinrichtung und über weitere Ventile an beiden Polen einer Stromquelle liegt.
Derartige Brückenschaltungen können bevorzugt für elektrische Triebfahrzeuge verwendet werden.
Zum Stand der Technik wird auf die Erläuterungen im Hauptpatent 25 30 961 verwiesen. Es wird dort insbesondere festgestellt, daß ein Nachteil der bisher bekannten zwei- oder mehrstufigen auf das Netz aufkommutierbaren Schaltungen darin besteht, daß sie Grundschwingungsblindleistung benötigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine folgegesteuerte Gleichrichterbrückenschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe der Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos φ zwischen Netzspannung und -strom kapazitiv, induktiv oder auf 1 eingestellt werden kann, wobei der Schaltungsaufwand gegenüber dem Patent 25 30 961 minimiert werden soll.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
In vorteilhafter Weise entfallen wegen der Anwendung eines Stromrichtertransformators mit Mittelanzapfung ein Teil der Hilfsthyristoren und Ladedioden, was zur Minimierung des Schaltungsaufwandes beiträgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Dabei ist der gemäß des Kennzeichens des 3. Anspruchs eingesetzte Hilfskondensator (Stützkondensator) vorteilhaft für alle Zwangskommutierungen im Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb wirksam. Er liegt betriebsmäßig parallel zum Kommutierungskondensator und verhindert eine starke Überladung dieses Kondensators durch die Entmagnetisierung der Leitungs- und Streuinduktivität des Transformators. Er ist außerdem geeignet, netzseitige Überspannungen aufzunehmen und kann zur Gleichstromseite hin entladen werden.
Da die Spannungshöhe, auf die der Kommutierungskondensator bei einem Kommutierungsvorgang umgeladen wird, u. a. vom Augenblickswert der Netzspannung abhängt, kann diese Zündwinkelabhängigkeit der Spannung dadurch vermieden werden, daß der Hilfskondensator die Abkommutierung des Netzstromes übernimmt und außerdem als Stützkondensator die Umladung des Kommutierungskondensators auf einen annähernd konstanten, zündwinkelunabhängigen Spannungswert übernimmt.
Der nach dem Kennzeichen des vierten Anspruchs vorgesehene weitere Hilfskondensator wird vorteilhaft dann eingesetzt, wenn eine nichtideale Kopplung zwischen den Transformatorwicklungen vorliegt, was sich in einer höheren Überspannung des Kommutierungskondensators (Löschkondensator) auswirkt. Es wird erreicht, daß sich bei jeder Zwangskommutierung ein Hilfskondensator direkt und der andere transformatorisch gekoppelt zum betreffenden Kommutierungskondensator parallel schaltet.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 eine vollgesteuerte löschbare Brückenschaltung, bei der eine Elektrode des Hilfskondensators an einer Mittelanzapfung des Stromrichtertransformators liegt,
Fig. 2 eine zweistufig zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung, bei der ein Brückenzweig und eine Elektrode des Hilfskondensators an einer Mittelanzapfung des Stromrichtertransformators liegen,
Fig. 3 eine zweistufig zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung, bei der ein Brückenzweig und jeweils eine Elektrode von zwei zu einer Mittelpunktschaltung entgegengesetzter Polarität zusammengeschalteten Hilfskondensatoren an einer Mittelanzapfung des Stromrichtertransformators liegen.
Da sich die im folgenden vorgestellten Schaltungsanordnungen an die im Hauptpatent 25 30 961 entwickelten prinzipiellen Brückenschaltungen anlehnen und auf diesen aufbauen, wird auf die ausführliche Beschreibung von Einzelheiten dieser Schaltungen und des Funktionsablaufes im Hauptpatent verwiesen. Insbesondere sind auch zur Kennzeichnung die gleichen Bezugszeichen verwendet. Allgemein gilt für die folgenden Schaltungen, daß der Gleichstrom durch versetzte Zündung der Thyristoren in mehreren Stufen auf das Netz aufkommutiert und mit Hilfe des Kommutierungskondensators in einer oder mehreren Stufen abkommutiert werden kann. Je nach Lage der An- und Abschnitte (Sektoren) läßt sich auf diese Weise der Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos φ zwischen Netzspannung und -strom kapazitiv, induktiv oder auf 1 einstellen.
In Fig. 14 des Hauptpatents 25 30 961 wird eine vollgesteuerte löschbare Brückenschaltung vorgestellt, in der ein Hilfskondensator C&sub2; dank seiner Anordnung in einer Umkehr-Brückenschaltung aus Ladedioden n _1.2, n _1.3, n _3.5 und n _3.6 und antiparallel geschalteten Hilfsthyristoren n _2.2, n _2.3, n _3.3 und n _3.4 im Gleichrichter und Wechselrichterbetrieb gleichermaßen wirksam ist.
In weiterer Ausbildung dieser Erfindung kann eine Variante in der Hilfskondensator-Anordnung angegeben werden, wie Fig. 1 zeigt. Erfindungsgemäß wird der Minuspol des Hilfskondensators C&sub2; an eine Mittelanzapfung der die Stromrichterschaltung speisenden sekundären Transformatorwicklung angeschlossen. Der Primärwicklung des Stromrichtertransformators liegt die Netzwechselspannung U _N an, der speisende Wechselstrom ist mit I _N bezeichnet, und die Netz- und Transformatorinduktivität wird durch L _N im Primärkreis repräsentiert. Die Primärspannung ist mit U&sub1; bezeichnet, sekundär fallen zwischen den Klemmen der Teilwicklungen jeweils die Spannungen @W:°KU°kÉ:2&udf54; ab. Die Kurzschlußinduktivität zwischen beiden Wicklungshälften beträgt L&sub1;.
Die Stromrichterschaltung selbst besteht aus den Hauptthyristoren n&sub1;, n&sub2;, n&sub3; und n&sub4; in den Zweigen, den zu n&sub1; bzw. n&sub3; in Serie geschalteten Dioden n _1.1 bzw. n _3.1, dem zwischen den durch n&sub1; und n&sub3; gebildeten Zweigen liegenden Kommutierungskondensator C&sub1; und dem Hilfs- (oder Stütz)-kondensator C&sub2;, der über zwei Ladedioden n _1.2 und n _1.3 an das Netz geschaltet ist, mittels zweier Hilfsthyristoren n _2.2 und n _2.3 am Kommutierungskondensator C&sub1; liegt und damit dessen Umladung stützt. Der gleichstromseitige Ausgangsstrom ist mit I _d, die gleichstromseitige Ausgangsspannung mit U _d bezeichnet.
Bei dieser Variante zu der in Fig. 14 des Hauptpatentes 25 30 961 vorgestellten Schaltungsanordnung entfallen die dort noch notwendigen Hilfsthyristoren n _3.3 und n _3.4 sowie die Ladedioden n _3.5 und n _3.6 wegen der Anwendung eines Stromrichtertransformators mit Mittelanzapfung. Durch diese neue Anordnung des Hilfskondensators C&sub2; entfällt in vorteilhafter Weise der Ventilaufwand zum Anschluß seines negativen Pols, der für den Wechselrichter-Betrieb am Netz notwendig wäre.
Wenn eine enge Kopplung der beiden Wicklungshälften vorliegt, d. h. wenn L&sub1;«L _N ist, wirkt der nun parallel zu jeweils einer Wicklungshälfte eingreifende Hilfskondensator C&sub2; ebenso wie ein Hilfskondensator @W:°KC°kÊ:4&udf54; an der ganzen Wicklung. Die Bauleistung des Hilfskondensators ist in beiden Fällen dieselbe, also bei der ursprünglich vorgestellten Schaltung entsprechend dem Hauptpatent 25 30 961 wie auch bei der Variante entsprechend Fig. 1.
Der gleiche eben aufgeführte Gedanke kann auch zur Ausstattung der wechselstromseitig folgegesteuerten, mehrstufig zünd- und löschbaren vollgesteuerten Brückenschaltung gemäß Fig. 6 des Patents 25 30 961 genutzt werden. Der hier erfindungsgemäß zusätzlich eingesetzte Hilfskondensator C&sub2; ist für alle Zwangskommutierungen im Gleichrichter- und Wechselrichter-Betrieb wirksam. Voraussetzung ist hierfür allerdings, daß die Teilwicklungen des Transformators eng genug miteinander verkoppelt sind.
Fig. 2 zeigt die Ausführung an einer zweistufig zünd- und löschbaren Schaltung. Zusätzlich zum Patent 25 30 961 ist wiederum der primärseitig in gleicher Weise wie unter Fig. 1 beschaltete Einspeisetransformator mit sekundärseitiger Mittelanzapfung eingefügt, wobei die Kurzschlußinduktivität zwischen beiden Teilwicklungen durch L&sub1; repräsentiert wird.
Die Hauptthyristoren in den Zweigen sind mit n&sub1;, n&sub2;, n&sub3;, n&sub4;, n&sub5; und n&sub6;, die Kommutierungs- oder Löschkondensatoren zwischen diesen Zweigen mit C&sub1; und C&sub3; sowie die den Hauptthyristoren n&sub1;, n&sub3; und n&sub5; in Serie geschalteten Dioden mit n _1.1, n _3.1 und n _5.1 bezeichnet. Der Hilfskondensator C&sub2; liegt mit seiner einen Elektrode an der Mittelanzapfung des Transformators und gleichzeitig an den mittleren Zweigen, mit seiner anderen Elektrode ist er über eine antiparallele Schaltung von Ladedioden n _1.2 und n _1.3 sowie Hilfsthyristoren n _2.2 und n _2.3 mit der Sekundärwicklung des Transformators und den äußeren Zweigen verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 sei im folgenden kurz erläutert.
Es sei U _N>0. Der Gleichstrom I _d ist ausgehend vom Freilauf über n&sub2;-n _1.1-n&sub1; in zwei Stufen mit Netzkommutierung auf den Weg n&sub6; - ganze Wicklung - n _1.1 - n&sub1; übergegangen; die Gleichspannung U _d ist gleich der momentanen Netzspannung U _N, wobei ein Übersetzungsverhältnis von 1 vorausgesetzt ist.
Die erste Löschung wird durch Zünden von n&sub3; und n _2.2 eingeleitet. Statt über n&sub1; fließt nun I _d über C&sub1;-n&sub3;. Gleichzeitig fließt ein Entladestrom des auf mehr als U _N/2 geladenen Hilfskondensators C&sub2; über den Hilfsthyristor n _2.2 in die obere Wicklungshälfte und schwächt den Netzstrom. Der anfangs negative geladene Kommutierungskondensator C&sub1; wird von I _d umgeladen, bis bei Gleichheit seiner Spannung mit der von C&sub2; die Diode n _3.1 zu leiten beginnt. Damit sind C&sub1; und C&sub2; über die leitenden Ventile n _1.1, n _3.1 und n _2.2 bzw. n _1.2 direkt parallelgeschaltet. Sie nehmen gemeinsam den durch L _N weitergetriebenen Strom auf, bis etwa I _N=I _d/2 geworden ist. I _d fließt danach über n&sub6; - untere Wicklungshälfte - n _3.1 - n&sub3;.
Beim Übergang von der ersten zur zweiten Phase der Kommutierung wechselt der Strom in C&sub1; schroff seine Größe in C&sub2; Richtung und Größe.
Die zweite Stufe der Zwangslöschung, in der I _N von I _d/2 auf Null gebracht werden soll, wird durch Zünden von n&sub5; und n _2.2 eingeleitet. Die erste Phase der linearen Umladung von C&sub3; und Entladung von C&sub2; gegen die Netzspannung vollzieht sich, wie in der ersten Kommutierung, bis zum Leitendwerden von n _5.1 bei Gleichheit der Kondensatorspannung. Dann aber liegen C&sub3; und C&sub2; nicht direkt parallel, sondern über beide Wicklungshälften gekoppelt.
Die schroffen Stromänderungen in der Umverteilung der Kondensatorströme sind nur bei idealer Kopplung möglich. Die nichtideale Kopplung, ausgedrückt durch die Induktivität L&sub1;/4 in der Mittelanzapfung des Trafos, führt zu einer Verlangsamung der Stromverlagerung zwischen beiden beteiligten Kondensatoren und in ungünstigen Fällen zu einer höheren Überspannung des Kommutierungskondensators.
Zur Vermeidung dieses Effektes bei nicht genügend enger Kopplung wird, wie in Fig. 3 dargestellt, ein zweiter Hilfskondensator C&sub4; in einer Mittelpunktschaltung entgegengesetzter Polarität vorgesehen.
Zusätzlich zur Beschaltung entsprechend Fig. 2 liegt der zweite Hilfskondensator mit seiner einen Elektrode an der Mittelanzapfung des Transformators, mit seiner anderen Elektrode über die zusätzlichen antiparallel angeordneten Hilfsthyristoren n _4.2 und n _4.3 sowie Ladedioden n _3.2 und n _3.3 an den Sekundärklemmen des Stromrichtertransformators.
Damit kann sich bei jeder Zwangskommutierung ein Hilfskondensator direkt und der andere transformatorisch gekoppelt zum betreffenden Kommutierungs- oder Löschkondensator parallelschalten. Da beide zur Begrenzung der Überspannung beitragen, ist der Kondensatoraufwand ebenso groß wie bei einem einzigen Hilfskondensator.

Claims

1. Ein- oder mehrfach folgegesteuerte, aus Halbleitern aufgebaute Gleichrichterbrückenschaltung mit einer vorgegebenen Anzahl speisender, bei einer Mehrzahl in Serie liegender, induktivitätsbehafteter Wechselspannungsquellen, von denen jeder Endanschluß an einen Brückenzweig geführt ist, der zumindest in dem an den einen (positiven) Gleichstromausgang angeschlossenen Brückenteilzweig ein steuerbares Halbleiterventil enthält und von denen jeder allfällig vorhandene Mittenanschluß an einen steuerbare Halbleiterventile enthaltenden Zweig geführt ist, der gleichsinnig wie die Brückenzweige gepolt an die Gleichstromausgänge angeschlossen ist, wobei bei halbgesteuerten Brückenzweigen diese Zweige durch weitere ungesteuerte Halbleiterventile ebenfalls als gleichartig ausgebildete und gleichartig angeschlossene Brückenzweige ausgebildet sind, und mit jeweils einem Kommutierungs-Schaltglied in den Kommutierungsstromkreisen, wobei desweiteren jedem mit dem einen Gleichstromausgang verbundenen gesteuerten Gleichrichterventil ein ungesteuertes, gleichsinnig gepoltes Halbleiterventil in Serie und zwischen die Wechselstromquelle und dem Anschluß dieses gesteuerten Halbleiterventils geschaltet ist, wobei ferner zwischen jedem Verbindungspunkt eines solchen ungesteuerten und eines solchen gesteuerten Halbleiterventils und dem nachfolgenden Verbindungspunkt ein gemeinsam mit der Induktivität der speisenden Wechselspannungsquelle einen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz, die wesentlich über der Frequenz des speisenden Wechselstromes liegt, bildender Kommutierungskondensator als zusätzliches Kommutierungs-Schaltglied geschaltet ist, und bei vollgesteuerter Brücke die an die End- bzw. Mittenanschlüsse angeschlossenen, lediglich gesteuerte Halbleiter enthaltenden Zweige an den anderen der beiden Gleichstromausgänge angeschlossen sind, und wobei mindestens ein Hilfskondensator vorgesehen ist, dessen zweite Elektrode mit jeweils zwei Ladedioden verbunden ist, nach Patent 25 30 961, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anschluß eines Stromrichtertransformators an die Wechselspannungsquelle die erste Elektrode des Hilfskondensators (C&sub2;) an eine sekundärseitige mittlere Wicklungsanzapfung des Stromrichtertransformators geschaltet ist und die nicht mit dem Hilfskondensator (C&sub2;) verbundenen Anschlüsse der Ladedioden (n _1.2, n _1.3) an die sekundärseitigen Wicklungsenden des Stromrichtertransformators angeschlossen sind.

2. Gleichrichterbrückenschaltungsanordnung nach Anspruch 1 für zwei Brückenzweige mit steuerbaren Halbleiterventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode des Hilfskondensators (C&sub2;) über zwei Hilfsthyristoren (n _2.2, n _2.3) jeweils an den Kommutierungskondensator (C&sub1;) angeschlossen ist.

3. Gleichrichterbrückenschaltungsanordnung nach Anspruch 1 für drei Brückenzweige mit steuerbaren Halbleiterventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode des Hilfskondensators (C&sub2;) jeweils über einen antiparallel zu der Ladediode (n _1.2, n _1.3) geschalteten Hilfsthyristor (n _2.2, n _2.3) an die sekundärseitigen Wicklungsenden des Stromrichtertransformators angeschlossen ist.

4. Gleichrichterbrückenschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Hilfskondensator (C&sub4;) vorgesehen ist, dessen erste Elektrode an die sekundärseitige Wicklungsanzapfung des Stromrichtertransformators geschaltet ist und dessen zweite Elektrode jeweils über eine Parallelschaltung einer weiteren Ladediode (n _3.2, n _3.3) mit einem hierzu in der Polarität entgegengesetzt gerichteten Hilfsthyristor (n _4.2, n _4.3) an die sekundärseitigen Wicklungsenden des Stromrichtertransformators angeschlossen ist, wobei die gleichartigen Halbleiterelemente der mit der zweiten Elektrode des weiteren Hilfskondensators (C&sub4;) verbundenen Parallelschaltungen entgegengesetzt gepolt zu den gleichartigen Halbleiterelementen der mit der zweiten Elektrode des ersten Hilfskondensators (C&sub2;) verbundenen Parallelschaltungen sind.