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nSchaltungsanordnung zur Umformung einer WechselsDannun"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umformung
einer Wechselspannung in eine potentialgetrennte Wechselspannung anderer Frequenz,
in ein Wechselstromsystem waetsrer Frequenz und Phasenzahl oder in eine Gleichspannung,
je-/mittels eines Transformators, dem primär- sowie sekundärseitig Stromrichter
anliegen.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist z.B. aus der DE-OS 26 14 445
bekannt. Im bekannten Fall liegen dem Transformator primärseitig ein fremdgeführter
Direktumrichter und sekundärseitig ein selbstgeführter Gleich- und Wechselrichter
an, dem eine Gleichspannung abgreifbar ist. Zur Erzeugung eines sekundärseitigen
Drehstromsystems ist dem Transformator ein Direktumrichter nachgeschaltet.
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Auf Triebfahrzeugen, die mit niederfrequentem Wechselstrom aus einem
Fahrleitungsnetz gespeist werden; erfolgt die Potentialtrennung und Spannungsanpassung
zwischen dem Netz einerseits und den Einrichtungen zur Energieumformung und Leistungssteuerung
andererseits durch mit Netzfrequenz arbeitende Transformatoren. Bei einer Frequenz
des Fahrleitungsnetzes von beispielsweise 16 2/3 Hz werden diese Tranformatoren
in nachteiliger Weise besonders schwer, groß und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Potentialtrennung,
Energieumformung und Leistungssteuerung zu entwickeln, mittels der eine Wechselspannung
in eine beliebige kann andere Spannung umgeformt werde. Insbesondere soll eine niederfrequente
einphasige Wechselspannung in ein Drehstromsystem höherer Frequenz zur Speisung
eines Bordnetzes von Triebfahrzeugen umgewandelt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Wechselspannungsquelle
mit einem ungesteuerten Gleichrichter verbunden ist, daß dieser Gleichrichter mit
seiner einen Gleichspannungsklemme an einem selbst- oder fremdgeführten Stromrichter,
mit seiner anderen Gleichspannungsklemme an einem fremdgeführten Stromrichter liegt,
wobei der selbst- oder fremdgeführte Stromrichter und der fremdgeführte Stromrichter
gleichspannungsseitig verbunden sind und zwischen den gleichspannungsseitigen Klemmen
des selbst- oder fremdgeführten Stromrichters ein Kondensator angeordnet ist, daß
der selbst- oder fremdgeführte und der fremdgeführte Stromrichter wechselspannungs-
bzw. drehstromseitig an Primärwicklungen des Transformators liegen, daß Verbraucher
über eine Sekundärwicklung dieses Transformators und einen Stromrichter versorgbar
sind und daß eine Kondensatorbatterie an eine der Wicklungen des Transformators
angeschlossen ist.
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Soll ein Wechselspannungs- bzw. Drehstrom-Verbraucher gespeist werden,
so ist er über einen ungesteuerten Gleichrichter und einen selbstgeführten Wechselrichter
mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden.
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Alternativ hierzu ist der Wechselspannungs- bzw. Drehstrom-Verbraucher
über einen fremdgeführten Direktumrichter mit der Sekundärwicklung des Transformators
verbunden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den gleichspannungsseitigen Klemmen des selbst- oder fremdgeführten
Stromrichter ein Reihenschwingkreis, bestehend aus einer Drossel und einem Kondensator,
als Energiespeicher angeordnet ist.
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Alternativ hierzu ist der Transformator mit einem Direktumrichter
verbunden, dem ausgangsseitig ein Kondensator anliegt.
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Der selbst- oder fremagefwhrte Stromrichter wird dabei derartig gesteuert,
daß sowohl die gleichspannungsseitig an ihm anstehende Spannung als auch die dem
Transformator primär zugeführte Spannung etwa konstante Amplitude und Frequenz aufweisen,
wobei der gleichspannungsseitige Wert der Spannung etwa gleich dem halben Spannungs-Scheitelwert
der Wechselspannungsquelle wira.
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Der fremdgeführte Stromrichter wird vorteilhaft in der Weise gesteuert,
daß die Summe der gleichspannungsseitigen Spannungen des selbst- cder fremdgeführten
Stromrichters und des freadgeführten Stromrichters gleich der gleichspannungsseifgen
Spannung des ungesteuerten Gleichrichters wird.
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Die Kondensatorbatterie wird zweckmäßigerweise so bemessen, daß der
gesamte maximale Blindleistungsbedarf des Transformators und der an ihn angeschlossenen
Stromrichter erzeugbar ist.
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Die Einstellung des vom Betriebszustand abhängigen Blindleistungsbedarfs
des Transformators sowie der an ihn angeschlossenen Stromrichter erfolgt mittels
Steuerung des selbst- oder fremdgeführten Stromrichters.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch den Einsatz eines höherfrequenten Bordnetzes
auf Triebfahrzeugen
die der Potentialtrennung und Spannungsanpassung dienenden Transformatoren mit der
höheren Frequenz des Bordnetzes arbeiten und somit Gewicht, Raumbedarf und Kosten
dieser Transformatoren erheblich verringert werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des selbst- oder fremdgeführten
Stromrichters, der als Blindstromrichter beispielsweise aus K.Heumann, Grundlagen
der Leistungselektronik, Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 167, Bild 11.7a bekannt
ist, ist der Gesamtaufwand der Schaltungsanordnung gering. Es ist vorteilhaft möglich,
Blind- und Wirkstrom unabhängig voneinander einzustellen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen
erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umformung
einer Wechselspannung, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit alternativer
Speisung des Verbrauchers, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
alternativer Beschaltung des Transformators, Fig. 4 die zeitabhängigen Verläufe
der an ungesteuertem Gleichrichter, Blindleistungsstromrichter und fremdgeführtem
Stromrichter anstehenden Spannungen.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umformung
einer Wechselspannung in eine potentialgetrennte beliebig andere Spannung dargestellt0
Eine Wechselspannungsquelle 1, hier einphasig, ist über eine Entkopplungsdrossel
2 mit einem ungesteuerten Gleichrichter 3 verbunden.
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Eine der Gleichspannungsklemmen dieses Gleichrichters 3 ist einem
selbst- oder fremdgeführten Stromrichter A, im folgenden stets Blindleistungsstromrichter
4 genannt, die andere der Gleichspannungsklemmen einem fremdgeführten Stromrichter
5 zugeführt.
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Die jeweils anderen Gleichspannungseingänge von Blindleistungsstromrichter
4 und fremdgeführten Stromrichter 5 sind direkt verbunden.
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Die Gleichspannungseingänge des Blindleistungsstromrichters 4 sind
mit Energiespeichern, bestehend aus einem Reihenschwingkreis 6 (einer Drossel 7
mit einem Kondensator 8) sowie einen Kondensator 9 beschaltet.
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Wechselspannungsseitig bzw. drehstromseitig liegen der Blindleistungsstromrichter
4 bzw. der fremdgeführte Stromrichter 5 an Primärwicklungen 10 bzw. 11 eines Transformators
12. Am Wechselspannungsausgang des fremdgefiihrten Stromrichters 5 liegt desweiteren
eine Kondensatorbatterie 13.
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Eine Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 ist einem ungesteuerten
Gleichrichter 15 zugeführt, der gleichspannungsseitig mit einem selbstgeführten
Wechselrichter 16 verbunden ist. Zwischen den Gleichspannungspolen von ungesteuertem
Gleichrichter 15 und selbstgeführtem Wechselrichter 16 ist ein Kondensator 17 angeordnet.
Am Wechselspannungsausgang des Wechselrichters 16 liegt schließlich ein Wechselspannungs-
bzw. Drehstrom-Verbraucher 18, beispieiweise ein Drehstrommotor.
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In Fig. 2 ist eine hierzu alternative erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
dargestellt. Die Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 ist dabei mit einem fremdgeführten
Direktumrchter 19, 20 verbunden, dem ausgangsseitig der Verbraucher 18 anliegt Die
Anordnung, bestehend aus dem ungesteuerten Gleichrichter 15, dem selbstgeführten
Wechselrichter 16 und dem Kondensator 17
entfällt dabei, während
die Anordnung zwischen Wechselspannungsquelle 1 und Primärwicklungen 10, 11 des
Transformators 12 unverändert bleibt.
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit alternativer
Beschaltung des Transformators 12. Der in Fig. 1 dargestellte Reihenschwingkreis
6 entfällt hierbei. Stattdessen ist der Transformator 12 mit einem Direktumrichter
21, 22 verbunden, dem ausgangsseitig ein Kondensator 23 anliegt. Der Direktumrichter
21, 22 kann dabei beliebig einer der drei Wicklungen 10, 11, 14 des Transformators
12 oder einer vierten Wicklung zugeführt sein. Die übrige Beschaltung gemäß Fig.
1 bzw. 2 bleibt unverändert.
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Der zwischen den Gleichspannungsk,enmen des ungesteuerten Gleichrichters
3 liegende Absolutwert der Spannung ist mit}UI die am Kondensator 9 anstehende Spannung
ist mit UB und die an der Gleichspannungsseite des fremdgeführten Stromrichters
5 anliegende Spannung ist mit UH bezeichnet.
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Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß Figuren 1, 2 und 3 beschrieben.
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Bei dem angestrebten Betrieb mit sinusförmigem eingangsseitigen Strom,
der mit der Spannung in Phase ist, besteht die Leistung der Wechselspannungsquelle
1, beispieslweise eines Netzes, aus zwei Komponenten. Der erste Anteil ist zeitlich
konstant, er hat die Größe der Wirkleistung. Der zweite Anteil ist eine Leistungsschwingung,
die Frequenz dieser Schwingung ist gleich der doppelten Netzfrequenz, ihre Amplitude
gleich der Größe des ersten Anteils.
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Netzstrom und Netzspannung werden zunächst durch den ungesteuerten
Gleichrichter 3 gleichgerichtet. Die Entkopplungsdrossel 2 dient dabei zur Begrenzung
der Oberschwingungsströme, die durch momentane Unterschiede zwischen der Spannung
der liechse'-spannungsquelle
1, also des Netzes, und der Spannung
am Wechselspannungseingang des ungesteuerten Gleichrichters 3 entstehen.
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Der gleichgerichtete Netzstrom fließt dann zunächst über die Parallelschaltung
aus dem Reihenschwingkreis 6 (gemäß Fig. 1) und der Gleichspannungsseite des Blindleistungsstromrichters
4.
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Der schwingende Anteil der Netzleistung wird so direkt ohne Zwischenschaltung
mn Stromrichtern vom Reihenschwingkreis 6 aufgenommen, der eine Drossel 7 und einen
Kondensator 8 aufweist, wobei die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises auf
die doppelte Netzfrequenz abzustimmen ist.
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Der konstante Anteil der Netzleistung wird vom Blindleistungsstromrichter
4 und vom fremdgeführten Stromrichter 5 gemeinsam auf das höherfrequente Bordnetz
des Triebfahrzeuges über die Primärwicklungen 10 und 11 des Transformators 12 übertragen.
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Der Transformator dient dabei zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung.
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Die Kondensatorbatterie 13 hat zusammen mit dem Blindleistungsstromrichter
4 die Funktion, die höherfrequente Bordnetzspannung und die von den an den Transformator
12 angeschlossenen Stromrichtern benötigte Blindleistung zu erzeugen.
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Die Kombination aus Kondensatorbatterie 13 und Blindleistungsstromrichter
4 muß so ausgelegt werden, daß der gesamte Blindleistungsbedarf des Transformators
12 und der mit dem höherfrequenten Bordnetz verbundenen Stromrichter erzeugt wird
Die Hauptverbraucher 18 des Triebfahrzeuges, die Fahrmotoren, benötigen im wesentlichen
eine zeitlich konstante Leistung. Der selbstgeführte Wechselrichter 16 überträgt
deshalb nur den zeitlich konstanten Anteil der Netzleistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis
an die Fahrmotoren (Fig. 1).
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Der Kondensator 17 liefert die Eommatierungsspannung für den Wechselrichter
16 und nimmt die höherfrequenten Wechselanteile des gleichstromseitigen Stromes
dieses Stromrichters auf.
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Letztere Funktion hat auch der Kondensator 9 des Stromrichters 4.
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Neben dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, in dem der Verbraucher
18 über die Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 und den ungesteuerten Gleichrichter
15 aus einem Gleichspannungszwischenkreis und den selbstgeführten Wechselrichter
16 gespeist wird, wird eine weitere alternative Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2
vorgeschlagen. In diesem Fall wird mittels des fremdgeführten Direktumrichters 19,
20 das Drehstromsystem geforderter Frequenz erzeugt.
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Eine weitere Schaltungsanordnung mit alternativer Beschaltung des
Transformators 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Alternativ zum Reihenschwingkreis 6
zwischen den gleichstromseitigen Klemmen des selbst- oder fremdgeführten Stromrichters
4 kann über einen Direktumrichter 21, 22 ein Kondensator23 an den Transformator
12 gelegt werden. Der Direktumrichter 21, 22 wird so angesteuert, daß der Kondensator
23 den Wechselanteil der Netzleistung aufnimmt. Diese Anordnung kann Vorteile im
Aufwand bieten und Nachteile des freischwingenden Reihenschwingkreises 6, beispielsweise
bei Netzfrequenzschwankungen und Laststößen, vermeiden.
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In Fig. 4 ist dargestellt, wie sich die gleichgerichtete Netzspannung
IUk auf die Reihenschaltung der Stromrichter 4 und 5 aufteilt. Der Blindleistungsstromrichter
4 wird erfindungsgemäß so ausgelegt, daß seine gleichstromseitige, im wesentlichen
zeitlich konstante Spannung U3 etwa gleich dem halben Scheitelwert der Netzspannung
ist. Die Spannung UH des fremdgeführten Stromrichters 5 ändert sich dann innerhalb
jeder Halbperiode
zwischen einem positiven Höchstwert im Scheitelwert
der Netzspannung IUg und einem negativen Höchstwert vom gleichen Betrag im Nulldurchgang
der Netzspannung IUN\. d.h., der fremdgeführte Stromichter 5 arbeitet während jeder
Halbperiode teilweise im Wechselrichter, teilweise im Gleichrichterbetrieb. Beim
Blindleistungsstromrichter 4 wird dagegen nur Energie in Richtung zum höherfrequenten
Bordnetz Ubertragen.
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Die vom Blindleistungsstromrichter 4 zu übertragende höchste Leistung
beträgt deshalb nur ca. 60 % der größten zu übertragenden Gesamtleistung, da der
schwingende Anteil der Leistung nicht übertragen werden muß. Der Stromrichter 5
braucht in vorteil-Scheitelwert der hafter Weise nur für etwa den halb,Netzspannung
und für den Scheitelwert des Netzstromes ausgelegt zu werden. Der ungesteuerte Gleichrichter
3 ist für die Scheitelwerte von Spannung und Strom auszulegen.
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Die Ausführung eines fremdgeführten Stromrichters 5 ist beispielsweise
aus E. Heumann, Grundlagen der Leistungselektronik, Teubner, Stuttgart, 1975, Seite
76 ff, die Ausführung eines selbstgeführten Wechselrichters 16 beispielsweise aus
Seite 131ff des gleichen Buches und die Ausführung eines fremdgeführten Direktumrichters
19, 20 beispielsweise aus Seite 107 ff des gleichen Buches bekannt.