DE2905389C2

DE2905389C2 -

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Publication number: DE2905389C2
Application number: DE19792905389
Authority: DE
Inventors: Boris Nikolaevitsch Tichmenev; Andrei Vasilievitsch Kamenev; Zigmund Moiseevitsch Rubtschinsky; Anton Konstantinovitsch Moskau/Moskva Su Yagolkovsky; Aleksandr Petrovitsch Riga Su Dotsenko
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ INSTITUT ZELEZNODOROZNOGO TRANSPORTA MOSKAU/MOSKVA SU
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKIJ INSTITUT ZELEZNODOROZNOGO TRANSPORTA MOSKAU/MOSKVA SU
Priority date: 1979-02-13
Filing date: 1979-02-13
Publication date: 1987-06-04
Also published as: SE7901981L; FR2454218A1; SE445411B; FR2454218B1; DE2905389A1; CH647108A5

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungs verfahren für als Gleich- und Wechselrichter betreibbare Ventilstromrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist aus dem SU-Erfinderschein 4 81 474 bekannt.

Es geht dabei vorwiegend um Ventilstromrichter zur Spei sung der Fahrmotoren elektrischer Lokomotiven, aber auch um Umformerunterstationen für Elektroenergie-Übertragungs leitungen oder Umformereinrichtungen zur Speisung verschie denartiger Gleichstrom- und Wechselstromverbraucher.

Bei dem bekannten Verfahren, bei dem der Kondensator als einziges Element parallel zur Transformatorsekundärwicklung geschaltet und nur eine Ventilbrücke vorhanden ist, wer den zwar die Zeitpunkte gleicher Steilheit in Kondensator und Sekundärwicklung sowie des ersten Ladestrommaximums im Kondensator als Ansteuerzeitpunkte (Löschen bzw. Zün den) genutzt, um einen schwingungsfreien Strom in der Se kundärwicklung zu erzielen, jedoch werden in jeder Halb periode der Speisespannung die Ansteuerungsimpulse wie derholt auf die Hauptventile und auf die Löschventile des Stromrichters während der gesamten Halbperiode der Speise spannung gegeben und die gleichen Ventile des Stromrich ters werden mehrfach leitend gesteuert und gesperrt. Dabei sind die Zeitintervalle zwischen der Ansteuerung der Haupt- und der Löschventile nicht konstant, sondern hängen von der Größe der Last ab, was einen erheblichen Steuerungs aufwand und ein kompliziertes System der automatischen Steuerung erfordert, so daß die Zuverlässigkeit des Strom richters geringer ist.

Die mehrfache Kommutierung des elektrischen Stromes im Laufe einer Halbperiode mit Hilfe der gleichen Ventile führt zu erhöhten Leistungsverlusten in den Ventilen und dem Kondensator und erfordert auch komplizierte Schutzvor richtungen des Stromrichters. Die Formverzerrungen der Primärstromkurve führt bei Störungen der Steuerung zu einem niedrigen Leistungsfaktor und zur Verstärkung von Störeinflüssen auf die Verbindungsleitungen.

Aus der DE-OS 26 46 745 und aus IEEE Transactions on In dustry Applications, Vol. IA-8, No. 3, Mai/Juni 1972, S. 316 ff. sind ähnliche Ventilgleichrichter und halb steuerbare Brückenschaltungen in Hintereinanderschaltung bekannt, wobei ein Wechselrichterbetrieb nicht möglich wäre. Dabei ist es aus der letztgenannten Quelle auch be kannt, mehrere Ventilbrücken parallel an die Sekundär wicklung eines Transformators anzuschließen, zu welcher ebenfalls ein Kondensator parallel liegt. Dabei geschieht jedoch auch hier eine mehrfache Kommutierung des Stroms, was Verluste an gleichgerichteter Spannung mit sich bringt und doch Schwingungseinwirkungen auf das Netz nicht ausschließt, so daß am Eingang der Gleichrichter induktiv- kapazitive Filter gegen Rundfunkstörungen vorgesehen wer den müssen. Aus der DE-OS 26 05 185 ist noch eine ähnliche Schaltung bekannt, bei der die Kommutierung des Stroms außerhalb der Grenzen einer Halbwelle der Netzspannung ge schieht.

Ausgehend von dem oberbegrifflich vorausgesetzten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungsverfahren für eine Stromrichteranordnung anzugeben, bei welchem eine Mehrfachkommutierung dersel ben Stromrichterventile innerhalb einer Halbwelle der Netzspannung vermieden wird, um dadurch bedingte Leistungs verluste in den Ventilen und im Kondensator zu verringern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsge mäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen. Dabei ermöglicht die mit dem Konden sator in Reihe geschaltete Drossel und ihre Überbrückbar keit durch den elektronischen Schalter, das erfindungs gemäße Steuerungsverfahren für mehrere, je eine induktive Last speisende Gleichrichterbrücken anzuwenden.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. Dabei betrifft Patentanspruch 2 den Fall eines Ventilstromrichters, der zwei Gruppen ein phasiger Ventilbrücken enthält, deren jede eine gleiche Anzahl von Ventilbrücken aufweist, an deren jede eine glei che Last angeschlossen ist. In Patentanspruch 3 geht es um die Steuerung eines Ventilstromrichters, der eine Vielzahl einphasiger Ventilbrücken enthält, an deren jede eine glei che Last angeschlossen ist, wobei eine vollständige Aus lastung auch bei teilweisem Ausfall der Anlage erzielt wird. Anspruch 4 gibt eine zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens bei Verwendung eines Transformators mit unter teilter Sekundärwicklung und unterteiltem Kondensator an. In Anspruch 5 geht es schließlich um eine Maßnahme, die in besonderem Maße induktive Spannungverluste im Transformator im Augenblick der Ansteuerung der Hauptventile der Brücken des Stromrichters zu vermeiden gestattet.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeich nungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Prinzipschaltung eines Ventilstromrichters in einer ersten Ausführungsform mit zwei Gruppen von Ventilbrücken;

Fig. 2a, b, c Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen des Ventilstromrichters in Gleichrichterbe trieb in einem Zwischenstadium der Steuerung;

Fig. 3a, b, c Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen des Ventilstromrichters im Gleichrichterbetrieb im Anfangs- und Endstadium der Steuerung;

Fig. 4a, b, c Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen des Ventilstromrichters im Wechselrichterbetrieb;

Fig. 5 die Prinzipschaltung eines Ventilstromrichters in einer zweiten Ausführungsform mit zwei Gruppen von Ventilbrücken;

Fig. 6 die Prinzipschaltung einesVentilstromrichters in einer dritten Ausführungsform mit zwei Gruppen von Ventilbrücken

Fig. 7 die Prinzipschaltung eines Ventilstromrichters mit einer Vielzahl von Ventilbrücken;

Fig. 8a, b, c Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen des in Fig. 7 dargestellten Ventilstromrichters;

Fig. 9 die Prinzipschaltung eines Ventilstromrichters mit einem Transformator mit unterteilter Sekundärwicklung;

Fig. 10a, b, c, d, e Spannungs- und Stromverläufe in den Trans formatorwicklungen und im Kondensator beim Ventilstrom richter gemäß Fig. 9;

Fig. 11a, b, c, d, e, f, k Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen des Ventilstromrichters gemäß Fig. 9 im Gleich richterbetrieb;

Fig. 12a, b, c, d, e, f, k Spannungs- und Stromverläufe in den Elementen gemäß Fig. 9 im Wechselrichterbetrieb;

Fig. 13a, b, c Spannungsverläufe in den Transformatorwick lungen und am Kondensator beim in Fig. 4 dargestellten Ventilstromrichter in einem Betrieb zur Vermeidung induktiver Spannungs verluste im Transformator;

Fig. 14a, b, c Spannungs- und Stromverläufe in den Elemen ten eines Ventilstromrichters beim Fehlen der Einwirkung äußerer Stromverbraucher.

Das vorgeschlagene Steuerungsverfahren für einen Ventil stromrichter findet Anwendung in einem von einem Transformator 2 gespeisten Ventilstromrichters 1. Parallel zur Sekundär wicklung 3 des Transformators 2 liegt eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 4 und einer Drossel 5, die durch einen aus antiparallel geschalteten Ventilen 7 bestehenden elektronischen Schalter 6 überbrückt ist. Der Ventilstrom richter besteht aus einer Gruppe 8 von Ventilbrücken 9 und 9′ und einer Gruppe 10 von Ventilbrücken 11 und 11′. Die Zahl der Brücken in den Gruppen 8 und 10 kann belie big und muß gleich sein. Der Stromrichter 1 hat nicht we niger als zwei Ventilbrücken.

Zwei Brückenzweige jeder der Brücken 9, 9′ und 11, 11′ bestehen aus steuerbaren, elektrischen Hauptventilen 12, 13. Die zwei anderen Brückenzweige der Brücken 9, 9′ und 11, 11′ sind löschbar und weisen außer steuerbaren Haupt ventilen 14, 15 auch noch eine zu diesen parallel geschal tete Kette 16 auf, nämlich eine Reihenschaltung aus einem Kommutierungskondensator 17, einer Kommutierungsdrossel 18 und einer Hilfsdiode 19. Antiparallel zu den Hilfsdioden 19 der Ketten 16 sind Löschventile 20, 21 geschaltet.

In der Diagonalen jeder der Ventilbrücken 9, 9′ und 11, 11′ der beiden Gruppen 8 und 10 liegt eine gleiche induktive Last 22, nämlich ein oder mehrere Fahrmotoren und eine (nicht gezeigte) Glättungsdrossel, die der ganzen Gruppe der Motoren gemeinsam oder für jeden Stromkreis der Motoren individuell ist.

Die Steuerung des Stromrichters 1 findet statt sowohl im Zugbetrieb, wo er als Gleichrichter wirkt, als auch im Betrieb der Bremsung mit Stromrückgewinnung, wo er als Wechselrichter wirkt. Das Steuerungsverfahren im Gleich richterbetrieb läuft auf folgendes hinaus:

Über die Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 fließt der Summenstrom I _d sämtlicher Brücken 9, 9′, 11, 11′ des Stromrichters 1.

Bei einem Ansteuerungswinkel α (Fig. 2a) werden die durch die (nicht gezeigten) Glättungsdrosseln der Lasten 22 auf rechterhaltenen Lastströme in der betrachteten Hilfsperiode der Speisespannung bis zum Zeitpunkt t ₁ in den Brücken 9, 9′, 11, 11′ über die Hauptventile 12, 13 fließen.

Im Stromkreis der Wicklung 3 des Transformators 2 und des Kondensators 4 fließt ein Kapazitätsstrom i ₃ = - i ₄ (Fig. 2b, 2c), während die Spannung U _{3, 4} in der Wicklung 3 und am Kondenstor 4 sinusförmig verläuft. Zur Vereinfachung sind die Vorgänge im Leistungsstromkreis unter der Voraus setzung beschrieben, daß der gleichgerichtete Strom I _d ideal geglättet ist.

Im Zeitpunkt t ₁ werden die Hauptventile 15, 12 der Brücken 9, 9′ der Gruppe 8 und die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 angesteuert. Da der Transformator 2 einen in duktiven Widerstand besitzt, findet der Laststrom dieser Brücken 9, 9′, der dem halben Gesamtstrom I _d gleich ist, seinen Kreis über den Kondensator 4 geschlossen und dessen Entladung beginnt. In dem Maße, wie sich der Kondensator 4 entlädt, steigt der Strom i ₃ im Transformator 2 an.

Nach einer Viertelperiode der Eigenschwingungen im Konden satorkreis, d. h. im Zeitpunkt t ₂ (Fig. 2a) fließt der ge samte Laststrom der Brücken 9, 9′ in Höhe von 0,5 I _d über die Sekundärwicklung 3 des Transformators 2. In diesem Augenblick hat die Spannung U _{3, 4} am Kondensator 4 einen Minimalwert, und unter der Wirkung der die Spannung am Kon densator 4 übersteigenden Speisespannung der Sekundärwick lung 3 beginnt die Aufladung des Kondensators. Der Stroman stieg in der Wicklung 3 geht langsamer weiter.

Wenn die Dämpfung des Schwingungsvorgangs auf Grund der Wirkwiderstände außer Acht gelassen wird, erreicht die Stromzunahme in der Wicklung 3 zu dem der Halbperiode der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensator 4 ent sprechenden Zeitpunkt t ₃ den Wert I _d, d. h. den Wert des Gesamtstromes der Lasten 22 der Brücken 9, 9 ', 11, 11′ der beiden Gruppen 8, 10 des Stromrichters 1.

Für den Zeitpunkt t ₃ ist das Auftreten der Amplitude der ersten Halbperiode der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensator 4 kennzeichnend. In diesem Augenblick erreicht der Ladestrom i ₄ im Kondensator 4 einen Wert gleich 0,5 I _d.

Im Augenblick t ₃ werden die Hauptventile 12, 15 in den Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 des Stromrichters 1 angesteu ert und der bis zu diesem Zeitpunkt über den Stromkreis der Hauptventile 12, 13 fließende und ebenfalls 0,5 I _d gleiche Strom der Lasten 22 der Brücken 11, 11′ findet jetzt über die Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 seinen Kreis geschlossen, während der Ladestrom des Kon densators 4 ausbleibt. Infolge der Abschaltung des Stromes im Kondensator 4 zum Zeitpunkt t ₃ sperren die Ventile 7 des elektronischen Schaltes 6 und im Stromkreis des Kondensators 4 ist die Drossel 5 wieder wirksam.

Die Abschaltung des Stroms im Transformator 2 innerhalb der betrachteten Halbperiode der Speisespannung geschieht durch einen umgekehrten Vorgang:

Im Zeitpunkt t ₄ werden die Löschventile 21 der Brücken 9, 9′ der Gruppe 8 des Stromrichters 1, die Hauptventile 13 und die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 ange steuert. Der dem halben Gesamtstrom der Sekundärwicklung 3 gleiche Laststrom der Brücken 9, 9′ der Gruppe 8 schließt sich über die Hauptventile 12, 13, während der halbe Strom I _d der Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 zum Konden sator 4 fließt und dessen Aufladung beginnt. Der damit ein hergehende Spannungsanstieg am Kondensator 4 ist von einem zunehmenden Anfall des Stromes i ₃ im Transformator 2 und des Stromes i ₄ am Kondensator 4 selbst begleitet. Nach einer Viertelperiode der Eigenschwingungen des Stromes im Kon densator 4, d. h. im Zeitpunkt t ₅ ist der Strom i ₄ im Kon densator auf den Wert Null und der Strom i ₃ im Transforma tor 2 auf den Wert 0,5 I _d abgefallen. Zu diesem Zeitpunkt t ₅ erreicht die Spannung am Kondensator 4 ein Maximum, und da sie den aktuellen Wert der Speisespannung an der Sekundärwicklung 3 übertrifft, geht der Stromabfall in der Sekundärwicklung 3 weiter. Im Kondensator 4 erscheint ein Strom umgekehrter Richtung, der ihn entlädt.

Eine Viertelperiode nach dem Zeitpunkt t₅ bzw. eine Halb periode der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensator 4 nach dem Zeitpunkt t ₄, nämlich im Zeitpunkt t ₆ ist der Kondensator 4 entladen und seine Spannung erreicht den Zeitwert der Spannung der Wicklung 3, während der Strom i ₃ im Transformator 2 auf den Wert des erzwungenen Stromes absinkt.

Der Laststrom in den Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 des Stromrichters 1 geht zu dieser Zeit von der Wicklung 3 in den Kondensator 4 über. In diesem Zeitpunkt t ₆ wer den die Löschventile und die Hauptventile 13 in den Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 angesteuert. Der Laststrom der Brücken 11, 11′ fließt über die Hauptventile 12, 13, wodurch der Kondensatorstrom sprunghaft abfällt und die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 sperren. Wenn der Zeitpunkt t ₆ mit dem Nulldurchgang der Speisespannung zusammenfällt, bedarf es keiner erzwungenen Sperrung der Hauptventile 15 in den Brücken 11, 11′, weil sie unter der Wirkung der das Vorzeichen wechselnden Spannung der Wicklung 3 des Speisetransformators sperren.

Durch die Ansteuerung der Hauptventile 15, 12 in den Zeitpunkten t ₁, t ₃ und der Löschventile 21 in den Zeit punkten t ₄, t ₆ wird somit ein stoßfreier Stromanstieg im Transformator 2 von t ₁ bis t ₃ und ein stoßfreier Strom abfall von t ₄ bis t ₆ erreicht, wobei jede dieser Zeit spannen einer Halbperiode der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensator 4 entspricht.

In der anderen Halbperiode der Speisespannung werden in ähnlicher Weise die Hauptventile 13, 14 der Brücken 9, 9′, 11, 11′, die Löschventile 20 und die Ventile 7 des elek tronischen Schalters 6 angesteuert.

Zur Änderung des Wertes der Ausgangsspannung des Strom richters 1 werden die Ansteuerungszeitpunkte der Haupt ventile 12, 15 in Richtung des Anfanges der Halbperiode der Speisespannung (Fig. 3a, b, c) phasenverschoben.

Zur Erhöhung der Energiekennwerte der Fahrmotore werden die Ansteuerungszeitpunkte der Löschventile 21 vom Ende der Halbperiode der Speisespannung zu deren Mitte, d. h. innerhalb der zweiten Hälfte der Halbperiode der Speise spannung, phasenverschoben.

Im Wechselrichterbetrieb des Stromrichters bei einer Bremsung mit Stromrückgewinnung müssen sämtliche Ventile 12, 13, 14, 15 und 20, 21 im Stromrichter 1 gesteuert wer den. Fig. 4 zeigt die Spannungsänderung in der Sekundär wicklung 3 des Transformators 2 sowie die Verläufe des Primärstromes i ₃ und des Stromes i ₄ im Kondensator 4 für verschiedene Steuerungszustände des Stromrichters gemäß Fig. 1. Dabei verläuft das Steuerungsverfahren des Ventil stromrichters 1 im Wechselrichterbetrieb wie folgt.

Die Hauptventile 12, 15 der Brücken 9, 9′, 11, 11′ der Grup pen 8, 10 des Stromrichters 1 werden auch hier aufeinander folgend in den Zeitpunkten t ₁, t ₂ angesteuert, was den Stromkreis der Lasten 22 vom speisenden Wechselstromnetz trennt. Die Löschventile 20, 21 der Brücken 9, 9′, 11, 11′ werden immer am Anfang der Halbperiode der Speisespannung in den Zeitpunkten t ₃, t ₄ angesteuert. Hierbei beträgt die Dauer jeder der Intervalle t ₁ bis t ₂ und t ₃ bis t ₄ eben falls eine Halbperiode der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensatorkreis.

Im Wechselrichterbetrieb geschieht also die Sperrung der Hauptventile 14, 15 in den Brücken 9, 9′ und 11, 11′ stets am Anfang der Halbperiode der Speisespannung, wobei die Umschaltung des Stromes der dabei als Generatoren wir kenden Fahrmotore (Lasten 22) im Stromkreis der Hauptven tile 12, 13 der Brücken 9, 9′ und 11, 11′ erfolgt.

Zur Verringerung der Ausgangsspannung des Stromrichters werden die Zeitpunkte t ₁ und t ₂ der Ansteuerung der Haupt ventile 14, 15 in den Brücken 9, 9′ und 11, 11′ in Rich tung des Anfanges der Halbperiode der Speisespannung, wie dies durch Pfeile in Fig. 4a eingezeichnet ist, verschoben. Zur Erhöhung der Ausgangsspannung geschieht die Verschie bung zum Ende hin. Durch dieses Steuerungsverfahren der Ventile kann der Ventilstromrichter im Wechselrichterbe trieb mit einem voreilenden Leistungsfaktor arbeiten.

Fig. 5 zeigt einen zur Anwendung des vorliegenden Steuerungs verfahrens geeigneten Ventilstromrichter 1, in dem eine jede der Gruppen 8, 10 je eine Ventilbrücke 9 und 11 aufweist, deren jede je einen löschbaren Brückenzweig auf weist. Der mit der Klemme A der Sekundärwicklung 3 ver bundene Brückenzweig der Brücke 9 weist ein Hauptventil 14, ein Löschventil 20 und eine Kette 16 auf. Die übrigen Brückenzweige der Brücke 9 bestehen aus Hauptventilen 12, 13, 15. Die Brücke 11 ist bezogen auf Klemme B analog aufgebaut.

Fig. 6 zeigt einen weiteren Ventilstromrichter zur Anwen dung des Steuerungsverfahrens, wobei die Brücken 9 und 11 der Gruppen 8 und 10 gleichfalls nur je einen löschbaren Brückenzweig besitzen. Der an die Klemme A der Sekundärwicklung 3 angeschlossene Brückenzweig der Brücke 9 hat ein Hauptventil 14, ein Löschventil 20 und eine Ket te 16. Die übrigen Brückenzweige der Brücke 9 bestehen aus Hauptventilen 12, 13, 15. Der mit der Klemme B der Sekun därwicklung 3 verbundene Brückenzweig der Brücke 11 hat ein Hauptventil 15, ein Löschventil 21 und eine Kette 16. Die übrigen Brückenzweige der Brücke 9 bestehen aus Haupt ventilen 12, 13, 14.

Die Steuerung der Ventilstromrichter 1 gemäß Fig. 5 und 6 geschieht analog dem oben beschriebenen.

Beim Betrieb von Elektrolokomotiven im Fernverkehr kann es bei Störfällen zu erzwungenen Betriebszuständen ebenso wie zu einem teilweisen Ausfall der Anlage (Ausfall von Ventilen einer der Brücken, Störung eines Fahrmotors u. ä.) kommen. Dabei kann im Stromrichter eine ungerade Anzahl von Brücken wirksam sein, was die Aufteilung des gesamten Stromrichters in zwei nach der Belastung gleiche Teile ausschließt. Diese Schwierigkeit kann überwunden werden, wenn zu der in einer Gruppe ausgefallenen Brücken eine weitere, an sich ungestörte Brücke der anderen Gruppe des Stromrichters bewußt angeschaltet wird. Der Stromrichter wird dann nicht ganz ausgelastet und die Leistung der Mo tore ist reduziert.

Fig. 7 zeigt einen Ventilstromrichter zur Anwendung des vorliegenden Steuerungsverfahrens in einem solchen Fall. Der Ventilstromrichter hat fünf einphasige Ventilbrücken 23, 24, 25, 26, 27, zu denen parallel je eine gleiche Last 28 geschaltet ist. Die Zahl der Ventilbrücken im Ventilstromrichter 1 kann beliebig sein. Jede der Ventil brücken 23, 24, 25, 26, 27 hat je zwei steuerbare Brücken zweige und zwei löschbare Brückenzweige. Jeder der steuerbaren Brückenzweige 23, 24, 25, 26, 27 besteht je weils aus Hauptventilen 29, 30 .

Jeder löschbare Brückenzweig der Ventilbrücken 23, 24, 25, 26, 27 besteht jeweils aus Hauptventilen 31, 32, Löschventilen 33, 34 und Ketten 16 .

Auch dieser Stromrichter wird gesteuert durch aufeinander folgende Ansteuerungen der Hauptventile 31 (32) und dann der Löschventile 33 (34) der einzelnen Brücken. Fig. 8 zeigt die Verläufe der Spannung in der Wicklung 3 und des Stromes i ₃ in der Wicklung 3 sowie des Stromes i ₄ im Kondensator 4. Gleichzeitig mit der Ansteuerung der Hauptventile 31, (32) der Brücke 23 und dann der Löschventile 33 (32) der glei chen Brücke 23 werden die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 angesteuert.

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, geschieht die aufeinander folgende Ansteuerung der Hauptventile 31 (32) der Brücken 23, 24, 25, 26, 27 zu Anfang der Halbperiode der Spei sespannung als auch die Ansteuerung der Löschventile 33 (34) mit gleichen Zeitintervallen. Das Intervall t ₁ bis t ₂ zwi schen den Zeitpunkten der Ansteuerung der Hauptventile 31 (32) der ersten Brücke 23 und der Hauptventile 31 (32) der zweiten Brücke 24 sowie das Intervall t ₄ bis t ₅ zwi schen den Zeitpunkten der Ansteuerung der Hauptventile 31 (32) der vorletzten Brücke 26 und der Hauptventile 31 (32) der letzten Brücke 27 sind untereinander gleich und betragen je ²/₃ der Dauer der Halbperiode der Eigenschwin gungen des Stromes im Kondensatorkreis. Die Intervalle t ₂ bis t ₃ und t ₃ bis t ₄ zwischen den Ansteuerungen der mittleren Brücken 24, 25 und 26, beginnend mit der zwei ten Brücke 24 und endend bei der vorletzten Brücke 26, sind auch untereinander gleich und betragen je ¹/₃ der Dauer der Halbperiode der Eigenschwingungen des Kondensa torstroms.

Entsprechend werden in der zweiten Hälfte der Halbperiode der Speisespannung die Löschventile 33 (34) der Brücken 23, 24, 25, 26, 27 des Stromrichters 1 aufeinanderfolgend angesteuert, wobei das Intervall t ₆ bis t ₇ zwischen den Ansteuerungen der Löschventile 33 (34) der ersten und zweiten Brücke 23 bzw. 24 sowie der Löschventile 33 (34) der vorletzten und letzten Brücke 26 bzw. 27 gleich zwei Drittel der Halbperiode einer Kondensatorstromschwin gung beträgt und die Intervalle t ₇ bis t ₈, t ₈ bis t ₉ zwi schen den Löschventilansteuerungen der mittleren Ventil brücken 24, 25, 26 auch untereinander gleich sind und je ein Drittel einer Halbperiode der Eigenschwingungen des Kondensatorstroms betragen.

Der stetige Anstieg des Stromes i ₃ (Fig. 8b) im Transfor mator 2 geschieht durch die beschriebene Wahl der An steuerungszeitpunkte t ₁ bis t ₅, in denen die einzelnen Stromanstiegszyklen k-k, l-l, m-m, p-p gleiche Steilheit aufweisen. Das gleiche gilt sinngemäß für die stetige Abnahme des Stroms i ₃ im Transformator 2 im Laufe der Abstände t ₆ bis t ₁₀. Die Stromänderungskurven gehen somit in den Zeitpunkten t ₂, t ₃, t ₄, t ₅, t ₆, t ₇, t ₈ we gen der Gleichheit ihrer Ableitungen kontinuierlich inein ander über.

Wenn der Stromrichter 1 nur drei Brücken hat, verlaufen die Prozesse für zwei gleiche Abstände mit einer Dauer von ²/₃ der Halbperiode der Eigenschwingungen des Konden satorstromes im Kondensator. Bei vier Brücken trifft noch ein Zwischenintervall von ¹/₃ Dauer auf. Wenn im allgemeinen Fall die Brückenanzahl gleich n ist, ist die Anzahl der Zwischenintervalle gleich n - 1.

Fig. 9 zeigt einen zur Anwendung des vorliegenden Steuerungs verfahrens geeigneten Ventilstromrichter, der von einem Transformator 2 gespeist wird, dessen Sekundärwicklung 3 unterteilt ist und eine Anzapfung 35 im Mittelpunkt 0 aufweist. Dieser Ventilstromrichter 1 hat eine einphasige Ventilbrücke 36, an die eine gemeinsame Last 37 in Form wahlfrei gekoppelter Fahrmotore und eines Stromkreises einer nicht gezeigten Glättungsdrossel angeschlossen ist.

Die Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 ist in zwei gleiche Teile 38 und 39 aufgeteilt. Der zur Sekundärwicklung 3 parallel liegende Kondensator 4 ist auch in zwei gleiche Teile 40 und 41 aufgeteilt. Die Ventilbrücke 36 hat zwei Brückenzweige 42 und 43, deren Mittelpunkte an die gesamte Sekundärwicklung 3 angeschlossen sind, und einen dritten Brückenzweig 44, dessen Mittelpunkt an den Mittelpunkt 35 der Sekundärwicklung 3 und des Kondensators 4 geschaltet ist.

In jedem Brückenteil 42, 43 der Brücke 36 sind zwei Brücken arme löschbar. Der eine Brückenarm der Brücken zweige 42, 43 hat ein Hauptventil 45, ein Löschventil 46 und eine Kette 16. Der andere Brückenarm der Brückenzweige 42, 43 hat ein Hauptventil 47, ein Löschventil 48 und eine Kette 16. Die Brückenarme des Brückenzweiges 44 sind steuer bar und bestehen aus Hauptventilen 49, 50.

Die Steuerung dieses Stromrichters 1 verläuft ähnlich wie auch bei dem in Fig. 1 gezeigten Stromrichter mit zwei Brückengruppen, wobei nur im Zeitpunkt t ₁ (Fig. 10a) die Hauptventile 45, 50 in den Brückenzweigen 43, 44 ange steuert werden, die den Kreis für den Strom der Last 37 über den Sekundärwicklungsabschnitt 39 des Transforma tors 2 bilden. Infolge der Eigenschwingungen des Stromes in den Wicklungsabschnitten 38, 39 und in den Kondensa torteilen 40, 41 im vom Zeitpunkt t ₁ um einen der Dauer einer Halbperiode der Kondensatorstromschwingung gleichen Abstand verschobenen Zeitpunkt t ₂erreicht der Strom in der Sekundärwicklung 3 einen dem Gesamtstrom der Last 37 entsprochenen Wert i ₃ (Fig. 10b). In diesem Zeitpunkt t ₂ werden die Hauptventile 47 des Brückenzweiges 42 ange steuert, die dadurch einen Kreis für den Strom der Last 37 über die gesamte Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 bilden.

Analog werden bei der Stromlöschung im Transformator 2 in der zweiten Hälfte der Halbperiode der Speisespannung in einem Zeitpunkt t ₃, der dem Nulldurchgang der Speise spannung um wenigstens eine Halbperiode der Eigenschwin gungen des Kondensatorstromes vorauseilt, die Löschven tile 46 des Brückenzweiges 43 des Stromrichters 1 ange steuert, die den Sekundärwicklungsabschnitt von der Last 37 abschalten. Dann werden in einem auch einer Halbperiode der Kondensatorstromschwingungen gleichen Zeitabstand zum Zeitpunkt t ₄ die die gesamte Sekundärwicklung 3 von der Last 37 abschaltenden Löschventile 48 des Brückenzweiges 42 angesteuert. Fig. 10 zeigt die Verläufe der Spannung U ₃ in der gesamten Sekundärwicklung 3 des Transformators 2 und die Verläufe der Ströme i ₃₈, i ₃₉ in den Sekundär wicklungsabschnitten 38 und 39 sowie des Stromes i ₃ in der gesamten Wicklung 3 und des Stromes i ₄ im Kondensator 4.

Der Strom i ₃ beträgt die Hälfte der Summe der Ströme i ₃₈, i ₃₉ in den Wicklungsabschnitten 38, 39, während der Strom i ₄ der Gesamtstrom im an die Gesamtwicklung 3 angeschlos senen und aus den Teilen 40, 41 zusammengesetzten äquiva lenten Kondensator 4 ist.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, ähneln die Verläufe von U ₃ und i ₃ den Verläufen in Fig. 3a, b, für den in Fig. 1 wiedergegebenen Stromrichter. Die Reihenfolge des Ein satzes sämtlicher Ventile 45, 46, 47, 48, 49, 50 ergibt sich für den Gleichrichterbetrieb aus Fig. 11 und für den Wechselrichterbetrieb aus Fig. 12.

Die in Fig. 10 dargestellten Verläufe entsprechen einer idealen magnetischen Kopplung zwischen den Wicklungsab schnitten 38 und 39, d. h. bei einem vollständigen Fehlen von Streuflüssen zwischen ihnen.

Bei realen Konstruktionen von Bahntransformatoren haben die Streuflüsse und dementsprechend auch die induktiven Widerstände in jedem der Stromkreise "Sekundärwicklungs abschnitt-Kondensator" kurzzeitige, schnelle abklingende Prozesse in den Zeitpunkten des Einschaltens der Ventile zur Folge. Bei einer guten magnetischen Kopplung wirken sich diese Prozesse auf die Grundverläufe der Spannung U ₃ und des Stromes i ₃ nicht aus.

Bei der Bezeichnung eines Kurzschlusses der Transformator wicklung während der Kommutierung der Ventile, der bei den gegenwärtig verwendeten Gleich- bzw. Wechselrichtern un vermeidlich ist, verläuft das Steuerungsverfahren für einen Ventilstromrichter wie folgt:

Bis zum Augenblick des Nulldurchganges der Speisespannungs kurve schließen sich die Ströme der Lasten 22 über die Stromkreise der Ventile 14, 15 in den Brücken 9, 9′ der Gruppe 8 und in den Brücken 11, 11′ der Gruppe 10. Im Zeitpunkt t ₁ (Fig. 13) des Nulldurchgangs der Speise spannung U ₃ werden gleichzeitig die Hauptventile 12, 15 der Brücken 9, 9′ und die Löschventile 20 der gegenphasigen Brückenzweige derselben Brücken angesteuert. Dadurch wird der Strom der Lasten 22 vom Stromkreis der Ventile 14, 15 auf den Stromkreis: Kondensator 17, Drossel 18, Löschventil 20 unter der Wirkung der Spannung des Kommutierungskonden sators 17 umgeschaltet. Im weiteren Verlauf des Spannungs anstiegs in der Wicklung 3 (die Ventile 14 sind bereits ge sperrt) gehen die Lastströme in den Stromkreis des Konden sators 4 und der Wicklung 3 über, während sich der Kommu tierungskondensator 17 über den Stromkreis der Diode 19 von der Wicklung 3 erneut auflädt. In der Wicklung 3 und dem Kondensator 4 beginnt der oben beschriebene Schwingungsvorgang mit der Frequenz der Eigenschwingungen des Kondensatorstromes, während im Zeitpunkt t ₂ (Fig. 13) die Steuerimpulse gleichfalls auf die Hauptventile 12, 15 der Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 gegeben werden, weshalb der Strom der Lasten 22 der Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 von den Stromkreisen der Ventile 14, 15 auf die Stromkreise der Hauptventile 12, 15 umgeschaltet wird.

Infolge der Ansteuerung der Löschventile 20 der gegenphasigen Brückenzweige der Brücken 9, 9′ und der gleichzeitigen An steuerung der Hauptventile 12, 15 wird also der Kurzschluß der Wicklung 3 über den Stromkreis der Ventile 12, 14 behoben. Danach fließen die Ströme der Lasten 22 nach dem Zeitpunkt t ₂ über die Stromkreise der Ventile 12, 15 unter der Einwirkung der Speisespannung der Wicklung 3.

Die Vorgänge in der anderen Halbperiode der Speisespannung laufen analog ab. Hier werden zur Beseitigung eines Kurzschlus ses der Wicklung 3 in dem dem Nulldurchgang der Speisespannungs kurve entsprechenden Zeitpunkt t ₁ (Fig. 13) die Hauptventile 13, 14 und die gegenphasigen Löschventile 21 der Brücken 11, 11′ der Gruppe 10 angesteuert. Im Zeitpunkt t ₂ werden die Haupt ventile 13, 14 in den Brücken 9, 9′ der Gruppe 8 angesteuert.

Der Grundschwingungsvorgang des Stroms im Kondensator 4 wird in allen Fällen bei den Null-Anfangsbedingungen für Strom und Spannung der Frequenz der Eigenschwingungen des Stromes im Kondensator 4 unterbrochen. In den Intervallen zwischen den Kommutierungen fließt im Transformator 2 und im (nicht gezeig ten) Bahnnetz ein dem Gesamtstrom der Lasten 22 des Stromrich ters 1 entsprechender Strom. Die Freiheit von Stromschwingungen in den Wicklungen 3 des Transformators 2 und im Bahnnetz in den Intervallen zwischen den Kommutierungen ist durch die Reihen folge der Ansteuerung der Ventile in den Brücken 9, 9′, 11, 11′ gewährleistet.

Diese Bedingung kann aber beim Parallelbetrieb einiger vom gleichen Bahnnetz gespeister Triebfahrzeuge nicht streng ein gehalten werden. Die Frequenzen der Eigenschwingungen des Stromnetzes in den Kondensatoren können sich in Abhängigkeit von der Entfernung von der Stelle der Energieeinspeisung in das Netz ebenso wie dann etwas unterscheiden, wenn der Schalt vorgang eines Triebfahrzeuges in den Zeitraum zwischen den Kommutierungen der anderen Triebfahrzeuge fällt, besonders bei verschiedenen Steuerwinkeln für die Spannung an den Motoren. Dann kann die Beendigung der unvermeidlich von einem Kurzschluß der Transformatorwicklung begleiteten Kommutierung der Ven tile bei normalen elektrischen Lokomotiven Stromschwingungen erhöhter Frequenz auf der Strecke des Bahnnetzes verursachen.

Entsprechend dem beschriebenen Steuerungsverfahren der Ven tilstromrichter ist ein stetiger Anstieg und eine stetige Abnahme des Stromes i ₃ im Transformators 2 in den Intervallen τ ₁, τ ₂ (Fig. 14) gewährleistet, während im Abstand zwischen diesen Intervallen (Intervall zwischen den Kommutierungen) im Bahnnetz und dem Transformator 2 ein dem Gesamtstrom der Lasten 22 des Stromrichters 1 entsprechender Strom fließt.

Wenn zur gleichen Zeit im Zeitpunkt t ₁ eine Stromschaltung im Stromrichter eines anderen vom gleichen Bahnnetz gespeisten elektrischen Triebfahrzeuges erfolgt, können im betrachteten elektrischen Triebfahrzeug Stromschwingungen entstehen. Zur Beseitigung dieser Schwingungen im ganzen Zeitintervall zwischen den Kommutierungen dient die Drossel 5 im Stromkreis des Kon densators 4, die diese Schwingungen in bekannter Weise begrenzt, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist.

Beim vorliegenden Steuerungsverfahren muß jedoch die Drossel zeitweise unwirksam gemacht werden, was dadurch geschieht, daß in jeder Halbperiode der Speisespannungen bei der Ansteuerung der in der Reihenfolge ersten Hauptventile 12, 15 des Strom richters 1 gleichzeitig die Ventile 7 des elektronischen Schal ters 6 angesteuert werden, was die Drossel 5 in beiden Richtungen überbrückt. Im zweiten Teil der Halbperiode der Spei sespannung werden aus dem gleichen Grund gleichzeitig mit der Ansteuerung der in der Reihenfolge ersten Löschventile 20, 21 des Stromrichters 1 auch die Ventile 7 des elektronischen Schal ters 6 angesteuert. Infolge dieser Maßnahmen ist die Drossel 5 in den Kommutierungsintervallen τ ₁, τ ₂ (Fig. 14) durch die leitenden Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 unwirksam und beeinflußt den Charakter der oben beschriebenen Vorgänge im Stromrichter 1 nicht.

Die Breite der die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 ansteuernden Steuerimpulse darf nicht kleiner als die Dauer des Zeitintervalls zwischen der ersten und der letzten An steuerung der Hauptventile 14, 15 wie auch der Löschventile 20, 21 des Stromrichters 1 sein.

Am Ende der Kommutierungsintervalle sperren die Ventile 7 des elektronischen Schalters 6 spontan und die Drossel 5 ist im Strom kreis des Kondensators 4 wieder wirksam, was schädliche Strom schwingungen im Transformator 2 und im Speisenetz verhindert, die von parallel betriebenen elektrischen Verbrauchern ausge löst werden können.

Das Steuerungsverfahren gewährleistet einen Leistungsfaktor bei elektrischen Lokomotiven von nicht unter 0,95 und gestattet es, den Kurzschluß der Transformatorwicklung bei der Kommutierung der Ventile des Stromrichters zu vermeiden. Dadurch ergibt sich eine 2- bis 3fache Verringerung induktiver Spannungsverluste im Bahnnetz und eine 3- bis 4fache Reduzierung von Störwir kungen des Fahrstromnetzes auf die Nachrichtenleitungen.

Claims

1. Steuerungsverfahren für als Gleich- und Wechselrichter betreibbare Ventilstromrichter (1) in Brückenschaltung mit induktiver Last (22), wobei Hauptventile (12, 13, 14, 15) und für jede Polarität der Netzspannung mindestens ein Löschventil (20, 21) vorgesehen sind,
die von einem Netztransformator (2) gespeist werden, zu dessen Sekundärwicklung (3) ein Kondensator (4) parallel liegt, der mit den Induktiväten des Netzes und des Transformators einen Schwingkreis bildet mit einer we sentlich über der Frequenz der Netzspannung liegenden Resonanzfrequenz,
darin bestehend, daß unter Ausnutzung der Stromschwingun gen im Kondensatorkreis durch Regelung der Zündzeitpunkte der Hauptventile und der Löschventile stetige Änderungen des Transformatorstroms erzielt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem Kondensator (4) eine mittels eines elektronischen Schalters (6) überbrückbare Drossel (5) in Reihe geschaltet ist,
daß wenigstens zwei netzseitig parallel geschaltete Ven tilbrücken (9, 11) oder Gruppen (8, 10) von Ventilbrücken vorgesehen sind, die aufeinanderfolgend durch Zünden bzw. Löschen der Hauptventile (12, 13, 14, 15) an das Netz an geschaltet bzw. von diesem getrennt werden, wobei der Steuerwinkel der Erstansteuerung der Haupt ventile der ersten Ventilbrücke oder Gruppe (8) von Ven tilbrücken innerhalb der gesamten Halbwelle der Netz spannung liegen kann und die Folgeansteuerungen der wei teren Ventilbrücken oder Gruppen (10) von Ventilbrücken innerhalb der ersten vollen Halbperiode der Kondensator stromschwingungen liegen, die nach der Erstansteuerung auftreten,
und daß nach einer vollständigen Einschaltung aller Ven tilbrücken des Stromrichters die Ansteuerung der Lösch ventile (20, 21) der Ventilbrücken oder Gruppen von Ven tilbrücken innerhalb der zweiten Hälfte der Halbwelle der Netzspannung ebenfalls aufeinanderfolgend und in den Zeit punkten erfolgt, die innerhalb der ersten vollen Halb periode der Kondensatorstromschwingungen liegen, die nach der Ansteuerung des ersten Löschventils auftreten, wobei gleichzeitig mit der Erstansteuerung (t ₁) der Haupt ventile sowie der Erstansteuerung (t ₄) der Löschventile die Ventile (7) des elektronischen Schalters (6) ange steuert werden,
und daß in der folgenden Halbperiode der Netzspannung die Reihenfolge der Einschaltung der Ventilbrücken oder Gruppen (8, 10) von Ventilbrücken umgekehrt wird.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Intervall zwischen der Erstansteuerung (t ₁) der Hauptventile (12, 13, 14, 15) der ersten Ventilbrücke oder Gruppe (8) von Ventilbrücken und der Folgeansteuerung (t ₃) der Hauptventile der weiteren Ventilbrücke oder Gruppe (10) von Ventilbrücken gleich der Dauer einer Halbperiode der Kondensatorstrom schwingungen ist, und daß das Intervall zwischen der Erstansteuerung (t ₄) der Löschventile (20, 21) der ersten Ventilbrücke oder Gruppe (8) von Ventilbrücken und der Folgeansteuerung (t ₆) der Löschventile der weiteren Ventilbrücke oder Gruppe (10) von Ventilbrücken ebenfalls gleich der Dauer einer Halbperiode der Kondensatorstromschwingungen ist.

3. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für einen Ventilstromrichter mit einer geradzahligen oder ungerad zahligen Vielzahl von Ventilbrücken, an deren jede eine gleiche Belastung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb der gesamten Halbperiode der Speisespannung erfolgenden Ansteuerungen der Hauptventile (29, 30, 31, 32) jeder der Brücken (23, 24, 25, 26, 27 usw.) aufeinanderfolgen und das In tervall zwischen den Ansteuerungen der ersten Brücke (23) und der zweiten Ventilbrücke (24) sowie zwischen den Ansteuerungen der vorletzten Brücke (26) und der letzten Ventilbrücke (27) gleich zwei Drittel der Halbperiode einer Kondensatorstromschwingung ist,
und das Intervall zwischen den Ansteuerungen der mitt leren Ventilbrücken (24, 25, 26) gleich einem Drittel der Halbperiode einer Kondensatorstromschwingung ist,
und daß die in der zweiten Hälfte der Halbperiode der Speisespannung erfolgenden Ansteuerungen der Löschven tile (33, 34) jeder der Brücken (23, 24, 25, 26, 27) ebenfalls aufeinanderfolgen und das Intervall zwischen den Löschventilansteuerungen der ersten (23) und der zwei ten (24) Ventilbrücke sowie der vorletzten (26) und der letzten (27) Ventilbrücke gleich zwei Drittel der Halb periode einer Kondensatorstromschwingung ist,
und das Intervall zwischen den Löschventilansteuerungen der mittleren Ventilbrücken (24, 25, 26) gleich einem Drittel einer Halbperiode der Kondensatorstromschwingung ist.

4. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für einen Ventilstromrichter, der von einem Transformator mit un terteilter Sekundärwicklung gespeist wird, wobei zu je dem der gleichen Sekundärwicklungsabschnitte (38, 39) ein Teil (40, 41) des Kondensators (64) parallelgeschaltet ist,
mit einer Ventilbrücke (36) aus zwei Brückenzweigen (42, 43), deren Mittelpunkte an die Sekundärwicklungs enden angeschlossen sind und deren Endpunkte über Ven tile (49, 50) an den Mittelpunkt (0) der Sekundärwick lung und des Kondenstors (4) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die während der gesamten Halbperiode der Speisespannung erfolgenden Ansteuerun gen der Hauptventile (45, 50) der Brückenzweige (43, 44) der Ventilbrücke (36) und danach der Hauptventile (47) des anderen Brückenzweiges (42) der Ventilbrücke (36) aufeinanderfolgen und das Intervall zwischen ihnen gleich der Dauer einer Halbperiode der Kondensatorstromschwin gung ist,
und daß die innerhalb der zweiten Hälfte der Halbperiode der Speisespannung erfolgenden Ansteuerungen der Lösch ventile (46, 48) ebenfalls aufeinanderfolgen und das Intervall zwischen ihnen gleich der Dauer der Halbperiode der Kondensatorstromschwingung ist.

5. Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ansteuerung der Haupt ventile (15) der Brücken (9, 9′) des Stromrichters (1) gleichzeitig die Löschventile (20) der gegenüberliegenden Brückenzweige angesteuert werden.