DE2914596C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemnäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahren (siehe hierzu DE-OS 27 46 685).

Gleichrichter, deren Ausgangsgleichspannung steuerbar ist, können bekanntlich in mehr als einem Quadranten arbeiten, wofür die Dreiphasen-Doppelweg-Gleichrichterbrücke ein typisches Beispiel ist. Bei den bekannten Schaltungen dieser Art ist jedoch bei niedriger Ausgangsspannung gewöhnlich die Welligkeit verhältnismäßig hoch und der Leistungsfaktor verhältnismäßig schlecht.

Wenn der Verbraucher induktiv ist und die Tendenz besteht, daß der Laststrom dauernd fließt, wie es bei einem Motor als Verbraucher der Fall ist, kann man bekanntlich durch eine zusätzliche Freilaufdiodenschaltung die Welligkeit der Verbraucherspannung bei niedrigen Ausgangsspannungen verringern und den Leistungsfaktor erhöhen. Einrichtungen dieser Art ermöglichen jedoch keinen Vierquadrantenbetrieb und die Steuerungsmöglichkeit bleibt begrenzt. Dies und andere Eigenschaften von steuerbaren Gleichrichterschaltungen sind im einzelnen in dem Buch von B. R. Pelly "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", Verlag John Wiley and Sons, Inc., 1971 (Kongreßbibliothek-Katalog-Nummer 70-125 276) beschrieben und auf diese Veröffentlichung kann Bezug genommen werden, wenn eine eingehendere Behandlung erwünscht ist. Es ist weiterhin bekannt, daß der Eingangsleistungsfaktor einer phasengesteuerten Sechspuls- oder Dreiphasendoppelweg-Thyristorbrücken-Gleichrichterschaltung, die einen induktiven Verbraucher speist, für einen Betrieb bei niedriger Spannung durch Hinzufügen zweier weiterer Thyristoren verbessert werden kann, die von der positiven und negativen Leiterschiene über den Verbraucher zum Null- oder Sternpunkt des Wechselspannungssystems geschaltet sind. Schaltungen dieser Art sind beispielsweise in der eingangs genannten DE-OS 27 46 685 beschrieben.

Eine ähnliche gesteuerte Gleichrichterschaltung ist auch aus dem Buch von R. Jötten "Leistungselektronik", Band 1, "Stromrichter-Schaltungstechnik", Braunschweig 1977, Seiten 142-147 bekannt.

Wie noch näher erläutert werden wird, treten beim Betrieb eines Gleichrichters der aus der oben erwähnten Offenlegungsschrift bekannten Art bei niedriger Ausgangsgleichspannung und kontinuierlich fließendem Strom im ersten Quadranten innerhalb des Zyklus Intervalle auf, in denen die beiden Null-Ventile leiten. In der Ausgangsgleichspannung treten dabei Intervalle auf, die der Ausgangsspannung Null entsprechen, da die Wechselspannungsquelle in diesem Betriebszustand überbrückt ist und eine Verzögerung während der Spannungsumkehr auftritt, wenn der Gleichrichter von einem Betrieb im ersten Quadranten in einen Betrieb im vierten Quadranten übergeht.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem obengenannten Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren für einen Gleichrichter anzugeben, welches insbesondere bei niedrigen Ausgangsspannungen eine höhere Ansprechgeschwindigkeit des Gleichrichters bei Spannungsumkehr ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilahfte Asugestaltungen sowie vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält eine verbesserte Zündsteuerschaltung, welche auf ein analoges Steuersignal anspricht und die gesteuerten Ventile (Thyristoren) in einer Brückenschaltung individuell durchschaltet (leitend macht), die zwischen eine mehrphasige Wechselspannungsquelle mit einem Nullpunkt und die Last geschaltet ist. Die Steuerschaltung enthält eine mit der Wechselspannungsquelle gekoppelte und durch diese gesteuerte Anordnung eines Satzes von Nulleitersignalen bestimmter zeitlicher Zuordnung, deren relative zeitliche Beziehungen bezüglich den Phasenspannungen einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle fest sind, ferner eine der Anzahl der Phasenventile in der Wandlerschaltung gleiche Anzahl von Schwingungsgeneratoren, die selektiv mit einer bestimmten Anzahl der in fester Zeitbeziehung stehenden Logiksignale gekoppelt sind, um entsprechende Zündreferenzschwingungen zu erzeugen, welche eine zeitlich veränderliche Flanken- oder Abfallcharakteristik haben, die sich periodisch für eine Periode, die größer ist als ein halber Zyklus jeder Phasenspannung mit sukzessiven Schwingungen wiederholt, die Teilperioden von sich gegenseitig überlappenden Flankencharakteristiken haben, so daß jedes Ventil von zwei benachbarten Zündreferenzschwingungen gezündet werden kann; ferner eine mit den Schwingungsgeneratoren und dem analogen Steuersignal gekoppelte Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Satzes zeitlich veränderbarer Logiksignale abhängig vom Vergleich der amplitudenveränderlichen Charakteristik der Zündreferenzschwingungen und des analogen Steuersignals, und eine digitale Logikschaltung, die mit den Sätzen der festen und zeitveränderlichen Logiksignale gekoppelt ist, um diese entsprechend einem vorgegebenen Steuerlogikalgorithmus zu kombinieren und Zündsignale für die Ventile zu erzeugen und ihnen zuzuführen.

Für eine Dreiphasenbrückenschaltung werden sechs Schwingungsgeneratoren verwendet, welche 240°-Spannungsrampen negativer Neigung erzeugen, die voneinander um 60° getrennt sind. Die Überkreuzungspunkte zwischen den jeweiligen Rampen und der analogen Steuergleichspannung werden durch Vergleicherschaltungen festgestellt, die eine Reihe von Rechtecksschwingungs- Logiksignalen erzeugen, deren Vorderflanken entsprechend der Größe der Steuerspannung variieren. Durch andere Vergleicherschaltungen werden die Überkreuzungspunkte zwischen Phase und Nulleiter und Phase und Phase ermittelt, um einen Satz von Rechteckschwingungen mit festen Vorderflanken zu erzeugen. Die digitale Logikschaltung spricht selektiv auf die beiden Typen von Rechteckschwingungen an und erzeugt Zündsignale in Abhängigkeit von einer Kombinationslogikfunktion, mit der eine Steuerung über fünf verschiedene Betriebsarten entsprechend der zeitlichen Relation zwischen den Logiksignalen mit fester und variabler Vorderflanke bei beliebiger, der Wandlerschaltung zugeführter Steuerspannung möglich ist.

Durch die Erfindung ist insbesondere ein Betrieb bei relativ niedrigen Spannungswerten möglich, bei welchem das System dadurch verbessert wird, daß man die Phasenventile für mindestens 60° durchschaltet, worauf sie in den Nullventilen für den Rest des Intervalles von 120° zwischen den Phasenspannungen eines Dreiphasensystems leiten, wobei die Zündwinkel für die Phasenventile im Bereich von 90 bis 120° liegen. Bei einem solchen Betrieb wird ein gleichzeitiges Leiten der Nullventile vermieden und man vermeidet die Transportverzögerung oder Zeitverzögerung beim Kommutieren, wenn ein Umkehrspannungskommando angelegt wird.

Im foglenden werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Dreiphasen-Gleichrichters in Brückenschaltung mit Nullventilen und einer Zündsteuerschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2A und 2B graphsiche Darstellungen des zeitlichen Verlaufes eines Satzes von Signalen zur Erläuterung einer bekannten Arbeitsweise eines Gleichrichters in Brückenschaltung mit Nullventilen beim Betrieb im ersten Quadranten und niedriger Ausgangsleistung;

Fig. 3 eine graphsiche Darstellung des zeitlichen Verlaufes eines Satzes von Signalen zur Erläuterung einer bekannten Betriebsweise im vierten Quadranten;

Fig. 4 eine graphsiche Darstellung eines Satzes von Signalen zur Erläuterung des Überganges vom ersten auf den vierten Quadranten bei einer bekannten Betriebsweise;

Fig. 5A und 5B graphische Darstellungen eines Satzes von Signalen zur Erläuterung einer erwünschten Betriebsweise gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Satzes von Signalen zur Erläuterung der Ansprachecharakteristik auf Spannungsumkehrkommandos bei der anhand der Fig. 5A und 5B erläuterten Arbeitsweise;

Fig. 7 ein mehr ins einzelne gehendes Schaltbild für eine Zündsteuerschaltung;

Fig. 8 ein Schaltbild von Detektorschaltungen, die in der Schaltung gemäß Fig. 7 nur schematisch dargestellt sind;

Fig. 9 ein Schaltbild eines typischen Schwingungsgenerators für die Schaltung gemäß Fig. 7;

Fig. 10 ein genaueres Schaltbild eines digitalen, logischen Schaltwerks für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7;

Fig. 11 ein Schaltbild für eine der sechs ersten Logikschaltungen, die in Fig. 10 dargestellt sind;

Fig. 12 ein Schaltbild einer der zweiten Logikschaltungen, die in Fig. 10 dargestellt sind;

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Verlaufes von Rampensignalen, die von der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 7 erzeugt werden und einen Satz von Zündreferenzschwingungen zur Steuerung des vorliegenden Gleichrichters darstellen;

Fig. 14 eine graphsiche Darstellung der fünf Betriebsarten, die der vorliegende Gleichrichter ermöglicht und von denen eine, die Betriebsaart III, ein Beispiel für das anhand der Fig. 5A und 5B erläuterte verbesserte Verfahren darstellt;

Fig. 15 eine graphsiche Darstellung des zeitlichen Verlaufes von Spannungen, wie sie bei den in Fig. 14 dargestellten fünf Betriebsarten auftreten;

Fig. 16 eine graphische Darstellung eines Satzes von Schwingungen, die zeigt, wie ein Zündsignal für ein Phasenventil bei einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung durch logische Verknüpfung erzeugt wird, und

Fig. 17 eine graphische Darstellung eines Satzes von Schwingungen, die zeigt, wie das Zündsignal für ein Nullventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung logisch erzeugt wird.

Fig. 1 zeigt u. a. eine Gleichrichterschaltung (Wechselspannungs- Gleichspannungs-Leistungswandlerschaltung), wie sie aus der DE-OS 27 46 685 bekannt ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Es dürfte zweckmäßig sein, vor Beginn der Beschreibung der vorliegenden Erfindung kurz auf den hier interessierenden Typ von gesteuerten Gleichrichtern einzugehen, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Fig. 1 zeigt eine steuerbare Gleichrichterschaltung, der Wechselstromleistung von einer mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Wechselspannungsquelle über Klemmen L 1, L 2 und L 3 zugeführt wird, die mit der in Dreieckschaltung geschalteten Primärseite 10 eines Transformators verbunden sind. Die Sekundärseite 12 des Transformators ist in Sternschaltung geschaltet und enthält drei Wicklungen AN, BN und CN, die mit einem Null- Leiter oder Sternpunkt N verbunden sind. Die Wechselspannung wird durch eine Reihenschaltung aus einer positiven und einer negativen Gruppe 16 bzw. 18 aus jeweils vier gesteuerten Ventilen in Gleichspannung umgewandelt und einem Verbraucher 14 zugeführt. Die gesteuerten Ventile sind als steuerbare Siliziumgleichrichter (SCR) dargestellt, welche zu einer Klasse von Halbleiterbauelementen gehören, die als Thyristoren bezeichnet werden; dieser Begriff wird daher im folgenden der Einfachheit halber verwendet, ohne daß hierdurch irgendeine Einschränkung beabsichtigt ist.

Die positive Gruppe 16 wird durch vier Thyristoren 20, 22, 24 und 26 gebildet, die auch mit A+ bis N+ bezeichnet werden können, während die negative Gruppe aus vier Thyristoren 28, 30, 32 und 34 bzw. A- bis N- gebildet wird. Die Kathoden der Thyristoren der positiven Gruppe 16 sind miteinander an eine positive Leiterschiene 36 angeschlossen, die mit der einen Seite des Verbrauchers 14 gekoppelt ist, während die Anoden der Thyristoren der negativen Gruppe 18 alle an eine negative Leiterschiene 38 angeschlossen sind, die mit der anderen Seite des Verbrauchers 14 verbunden ist. Die Thyristoren 20, 22, 24, 28, 30 und 32 werden im folgenden als Phasenventile, die Thyristoren 26 und 34 als Nullventile bezeichnet.

Die Thyristoren 20 bis 34 der beiden Gruppen sind mit ihren Steuerelektroden jeweils mit einer Zündsteuerschaltung 40 verbunden, die die Thyristoren selektiv durchzuschalten, d. h. in den leitenden Zustand zu bringen gestattet, d. h. sie zu einem gewünschten Zeitpunkt der Spannung zwischen einer Leitung oder Phase und dem Nulleiter, mit denen sie verbunden sind, zu zünden, um die Spannung, die dem Verbraucher zugeführt wird, entsprechend einer zugeführten Steuerspannung zu steuern. Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung beziehen sich auf die Zündsteuerung der Thyristoren.

Es genügt hier zu bemerken, daß durch die zusätzlichen Sternpunkt- oder Nullventile 26 und 34 gemäß den Lehren der DE-OS 27 46 685 ein erheblicher Vorteil gegenüber bekannten steuerbaren Gleichrichterschaltungen ohne solche Nullventile erzielt wird, da eine solche Schaltung für einen Betrieb im ersten und vierten Quadranten geeignet ist und gleichzeitig einen besseren Leistungsfaktor sowie eine niedrigere Welligkeit bei Betrieb mit niedrigeren Ausgangsspannungen hat. Ein solcher Betrieb im ersten und vierten Quadranten ist in den Fig. 2A bis 3 dargestellt. Bei diesen Figuren muß man zwei Zündwinkel Alpha (α) und Beta (β) in Betracht ziehen. Mit α wird der Zündwinkel eines speziellen Phasenventils bezeichnet, während der Zündwinkel β den Zündwinkel des Nullventils bedeutet, dasselbe gilt für die anderen entsprechenden Ventile. Beide Zündwinkel werden vom Überkreuzungspunkt der Spannungen zwischen der benachbarten Leitung oder Phase und dem Nulleiter gerechnet.

Fig. 2A zeigt die Verhältnisse bei dem typischen Betrieb gemäß dem Stand der Technik für α=135° und β=150°. Unterhalb der Spannungen AN, BN und CN zwischen den jeweiligen Phasen und dem Nulleiter ist eine Anzahl zeitlich zugeordneter Spannungen und Ströme für die acht Ventile 20 bis 34 dargestellt. Die Spannung +V₁ ist die Spannung auf der positiven Leiterschiene 36 (Fig. 1) bezüglich des Eingangsnulleiters NN für die positive Ventilgruppe, während mit -V₁ die Spannung auf der negativen Leiterschiene 38 der negativen Ventilgruppe dargestellt ist. Die jeweiligen Ströme sind mit A+, B+, C+ usw. bezeichnet. Aus dem Verlauf des Stromes N+ des Nullventils 26 ist ersichtlich, daß wenn dieses nach dem Durchschalten eines Phasenventils 20, 22 oder 24 durchgeschaltet wird, der Strom auf das leitende Nullventil 26 übergeht, wodurch die Spannung +V₁ auf Null bzw. NN abfällt und wenn die Stromflußdauer der jeweiligen Phasenventile kleiner als 60° ist, zeigt der Verlauf der Ströme N+ und N-, daß die Nullventile 26 und 34 zwischen den Impulsperioden der Phasenventile gleichzeitig leiten, was aus den ebenen Bereichen in den Spannungskurven +V₁ und -V₁, die dem Spannungswert Null entsprechen sowie der kombinierten Verbraucherspannung V₂ ersichtlich ist.

Fig. 2B zeigt einen Satz entsprechender Kurven wie in Fig. 2A mit der Ausnahme, daß der Zündwinkel α nun 120° ist, was eine längere Stromflußperiode für jedes der Phasenventile bedeutet, während der Zündwinkel β der Nullventile der gleiche ist. Aus dem Verlauf der Spannung +V₁ und -V₁ ist ersichtlich, daß bei Zunahme des Stromflußwinkels eines Phasenventils bei gleichbleibendem Zündwinkel des Nullvetnils die Verbraucherspannung V₂ und dementsprechend auch die dem Verbraucher zugeführte Leistung bei einer entsprechenden Abnehme der gleichzeitigen Stromflußwinkel oder -perioden der Nullventile zunimmt. Dieses Verhalten ist von Bedeutung, wie sich aus der folgenden Diskussion ergeben wird.

Fig. 3 zeigt die Verhältnisse bei einem normalen Betrieb im vierten Quadranten, bei dem eine Stromkommutation vom Nullventil auf ein Phasenventil erfolgen muß, die positiv ist und das Leiten in den Bereich negativer Spannung fortschretien läßt. Derartige Bedingungen liegen z. B. bei einem α von 120° und einem β von 210° vor. Die kann dann zu Verhältnissen führen, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Wenn ein Umkehrspannungsbefehl im Intervall zwischen t₁ und t₂ zugeführt wird, spricht die Schaltung nicht an, da beide Nullventile leiten, wie oben erläutert wurde. Die Schaltungsanordnung muß bis zum Zeitpunkt t₂ warten, in dem ein positives Phasenventil gezündet wird. Die Spannungsumkehr tritt im Zeitpunkt t₃ ein und die Schaltung geht dann in einen normalen Betrieb im vierten Quadranten über.

Die Ansprechgeschwindigkeit der Schaltung ließe sich offensichtlich verbessern, wenn die anhand von Fig. 4 erläuterte Verzögerung zwischen t₁ und t₂ vermieden werden kann. Eine Lösung dieses Problems ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt; sie besteht darin, die Phasen- und Nullventile bei beispielsweise einem Dreiphasensystem so zu steuern, daß die Phasenventile für mindestens 60 elektrische Grade leiten, auf die unmittelbar eine Stromflußperiode des jeweiligen Nullventils für den Rest der Phasen-Nulleiter- Spannungen folgt.

Allgemein gesprochen kann gesagt werden, daß die Phasenventile in den jeweiligen aufeinanderfolgenden Zyklen der mehrphasigen Eingangsspannung für mindestens n/2 Grade durchgeschaltet werden, wobei n der elektrische Abstand zwischen den Spannungen zwischen Phase und Nulleiter sind, während die Nullventile für den Rest des Abstandsintervalles zwischen den Phasen-Nulleiter-Spannungen durchgeschaltet werden. Bei einem Dreiphasensystem ist beispielsweise aus Fig. 5A ersichtlich, daß n=120° beträgt und daß bei einem Zündwinkel α der Phasenventile von 120° ein Leitintervall oder Stromflußwinkel von 60° erhalten werden kann, indem man den Zündwinkel β der Nullventile gleich 180° macht, so daß sich auch für die Nullventile ein Leitintervall oder Stromflußwinkel von 60° ergibt. Wie der Verlauf der Verbrauchergleichspannung V₂ zeigt, treten dabei keine ebenen Bereiche im Spanmnungsverlauf auf, da die Nullventile nicht gleichzeitig leiten, wie aus den Stromkurven N+ und N- ersichtlich ist. Mit anderen Worten gesagt, leiten und sperren die Nullventile innerhalb jedes Mehrphasenzyklus abwechselnd. Der Verlauf der Spannung V₂ in Fig. 5A entspricht zwar einer mittleren Verbraucherspannung des Wertes null, da die Perioden des Betriebes mit positiver und negativer Spannung gleich sind, die Zündwinkel α und β können jedoch verschoben werden, solange die Differenz zwischen ihnen gleich oder größer als 60° ist. Für eine niedrige positive Gleichspannung läßt sich aus Fig. 5B entnehmen, daß der Zündwinkel α zwischen 90 und 120° verändert werden kann, während der Winkel β sich gleichzeitig zwischen 150° und 180° so ändert, daß die Differenz von 60° zwischen den Zündwinkeln erhalten bleibt. Diese Arbeitsweise ist in Fig. 14 als Betriebsart II bezeichnet und wird noch näher erläutert werden.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß bei Aufrechterhaltung eines Mindeststromflußwinkels von 60° für jedes Phasenventil sich ein schnelleres Ansprechen auf einen Spannungsumkehrbefehl ergibt, was bedeutet, daß die bisher vorhandene Transport- oder Zeitverzögerung zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ in Fig. 4 entfällt. Wenn die Umkehrsteuerspannung im wesentlichen gleichzeitig mit dem Durchschalten eines positiven Phasenventils angelegt wird, entfällt dementsprechend die Zeitspanne zwischen t₁ und t₂, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Wenn der Umkehrbefehl vor oder nach dem Zeitpunkt t₁ in Fig. 6 auftritt, ist die Zeit für die Spannungsumkehr sogar noch kleiner. Eine Zündsteuerung der acht Ventile der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung gemäß dem oben unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 erläuterten Verfahren verbessert also die dynamische Ansprache der Gleichrichterschaltung bei einem Betrieb im Bereich niederiger Spannungen, insbesondere die Ansprache bei einber Spannungsumkehr und einem Übergang vom Betrieb im ersten Quadranten auf den Betrieb im vierten Quadranten.

In den Fig. 7 bis 12, auf die nun eingegangen werden soll, sind Anordnungen dargestellt, mit denen nicht nur das oben erläuterte Verfahren durchgeführt werden kann, sondern auch Zündimpulse entsprechend einer Digitallogiksequenz (die noch erläutert werden wird) in einem weiten Betriebsbereich erzeugt werden können, der beispielsweise fünf verschiedene Betriebsarten einschließlich des oben erwähnten Verfahrens in Abhängigkeit vom Wert der zugeführten Steuergleichspannung enthalten kann. Der Betriebsbereich ist in Fig. 14 graphisch dargestellt, auf die bei den folgenden Erläuterungen von Zeit zu Zeit Bezug genommen werden wird.

In Fig. 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Zündsteuerschaltung 40 für die gesteuerte Brückengleichrichterschaltung gemäß Fig. 1 dargestellt, die in einer gewünschten Reihenfolge acht Zündimpulse A+, B+, . . . N- für die Ventile 20 bis 34 zu liefern vermag, die die positive und die negative Gruppe 16 bzw. 18 bilden, wobei die Ausgangsgleichspannung entsprechend der Änderung der Zündwinkel in Abhängigkeit von der Zuführung der Zündimpulse gesteuert wird.

Während bei den bekannten Dreiphasenzündimpulsgeneratoren typischerweise die Zündwinkel der Ventile durch den Schnitt einer einzigen Zündreferenzschwingung, z. B. einer Cosinusschwingung oder linearen Rampe (Sägezahn) von 180°, mit einer Steuergleichspannung bestimmt werden, werden bei der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise mehrere Zündreferenzschwingungen verwendet und zwar ebensoviele wie Phasenventile vorhanden sind. Die Schwingungen sind zeitlich aufeinander bezogen und haben einen elektrischen Abstand gleich der Hälfte des elektrischen Abstandes zwischen den Phasen-Nulleiter-Spannungen, z. B. 120 oder 180°, und dienen zur Erzeugung von zeitlich veränderlichen logischen Signalen. Die logischen Signale werden logisch verknüpft mit logischen Signalen, die eine feste zeitliche Beziehung zur Zeitrelation der Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle haben, um automatisch sowohl die richtige Betriebsart als auch einen stetigen Übergang zwischen den Betriebsarten zu gewährleisten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 werden sechs Schwingungsgeneratoren 42 a, 42 b, 42 c . . . 42 f verwendet, die jeweils eine rampenförmige Schwingung liefern und daher im foglenden auch als "Rampensignalgeneratoren" bezeichnet werden. Sie sind entsprechenden UND-Gliedern 43 a, . . . 43 f gekoppelt. Außer den Rampengeneratoren sind eine Phasen-Null-Spannungsdurchgangsdetektorschaltung 44 und eine Phasen-Phasen-Überkreuzungsdetektorschaltung 46 vorgesehen. Die Phasen-Null-Spannungsdurchgangsdetektorschaltung 44 liefert einen ersten Satz von logischen Rechteckschwingungssignalen A, B, C und deren Komplemente , und . Diese Signale haben feste zeitliche Beziehungen in bezug aufeinander entsprechend den zyklischen Änderungen der Phaseneingangsspannungen AN, BN und CN, die den ein erstes Logikschaltwerk bildenden Schaltungen 44 und 46 zugeführt sind. Die Vorder- und Rückflanken dieser Rechteckschwingungen treten dann auf, wenn die entsprechenden sinusförmigen Phaseneingangsspannungen durch die Spannung am Nulleiter NN, also durch den Spannungswert Null gehen. Die Phasen-Phasen-Überkreuzungsdetektorschaltung 46 ist mit den sinusförmigen Phaseneingangsspannungen AN, BN sowie CN gekoppelt und liefert einen zweiten Satz von logischen Rechteckschwingungssignalen A 1, B 1, C 1 und deren Komplemente 1, 1 und 1, die selektiv paarweise den UND-Gliedern 43 a . . . 43 f zugeführt werden. Die Flanken dieser Signale werden durch die Überrkreuzungen der Phasenspannungen bestimmt und haben daher bezüglich des ersten Satzes von Referenz-Rechteckschwingungen A, B . . . eine Phasenverschiebung von 30 elektrischen Graden.

Der Zündwinkelbezugswert Null für α und β wird durch die Schwingungen A 1, B 1 usw. bestimmt, während die Schwingungen A, B usw. ein bequemes Mittel für das Festsetzen von Betriebsartänderungen und einer Wechselrichtergrenze- oder Endhaltsteuerung darstellen, wie noch dargelegt werden wird. Die Detektorschaltungen 44 und 46 sind in Fig. 8 genauer dargestellt, sie enthalten jeweils drei Vergleicher 48, 50 und 52 bzw. 54, 56 und 58. Diese Vergleicher sind so ausgebildet, daß sie entsprechend den ihnen zugeführten Eingangssignalen eine Rechteckschwingung zu liefern vermögen. Die Vergleicher 48, 50 und 52 sind jeweils mit einem Eingang an eine Bezugsspannung NN angeschlossen, die die Spannung des Sternpunktes der Sekundärwicklung 12 der Spannungsquelle ist (Fig. 1). Der andere Eingang der Vergleicher ist mit einer entsprechenden Phasenspannung AN, BN und CN gekoppelt. Die Vergleicher 48, 50 und 52 liefern dementsprechend an ihrem Ausgang die Rechteckschwingungen A, B bzw. C. Mit den Ausgängen der Vergleicher 48, 50 und 52 ist jeweils eine von drei Inverterschaltungen 60, 62 und 64 gekoppelt, an deren Ausgängen die Rechteckschwingungen , bzw. zur Verfügung stehen.

Die Detektorschaltung 46 unterscheidet sich von der Detektorschaltung 44 durch die den Vergleichern 54, 56 und 58 zugeführten Eingangssignale. Wie Fig. 8 zeigt, sind den beiden Eingängen des Vergleichers 54 die Phaseneingangsspannungen AN und CN zugeführt, so daß dieser Vergleicher die Rechteckschwingung A 1 liefert. In entsprechender Weise liefern die Vergleicher 56 und 58 die Rechteckschwingungen B 1 bzw. C 1. Durch entsprechende Inverter 66, 68 und 70 werden die Komplemente 1, 1 bzw. 1 der Rechteckschwingungen erzeugt. Da die Phasenspannungen AN, BN und CN gegeneinander um 120° in der Phase verschoben sind, sind auch die Rechteckschwingungen A 1, B 1 und C 1 um 120° getrennt, durch Verwendung der Komplemente 1, 1 und 1 stehen jedoch sechs Rechteckschwingungen zur Verfügung, die sukzessive um 60° getrennt bzw. phasenverschoben sind und jeweils einem der Rampensignalgeneratoren 42 a, . . . 42 f in der Reihenfolge A 1, 1, B 1, 1, C 1 und 1 zugeführt werden.

Die Rampensignalgeneratoren sind gleich aufgebaut und ein typisches Beispiel für eine geeignete Schaltung ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9 zeigt beispielsweise die Schaltungsanordnung des Rampensignalgenerators 42 a (Fig. 7) und enthält zwei Differenz- oder Operationsverstärker 72 und 74, welche durch einen Analogschalter 76 in der dargestellten Weise verbunden sind, welcher durch eine Signalspannung auf einer Leitung 78 steuerbar ist, welche beim vorliegenden Falle die logisch verknüpfte 120°- Schwingung ₁ · ₁ vom UND-Glied 43 führt. Die Operationsverstärker 72 und 74 können, falls erwünscht, durch eine kommerziell verfügbare integrierte Paarschaltung gebildet werden. Außer Schaltungsteilen zum Zuführen von Gleichvorspannungen -V und +V enthält die Schaltungsanordnung einen dem Operationsverstärker 74 zugeordneten Millerintegrator-Kondensator 80 sowie einen Rückkopplungs- oder Rückführwiderstand 82 zum Eingang des Operationsverstärkers 72, der außerdem mit einem Rückführungskondensator 84 versehen ist. Wenn der Schaltung im Betrieb das Signal ₁ · C₁ zugeführt wird, steuert der Analogschalter 76 das Ausgangssignal F₁ des Operationsverstärkers 74 derart, daß es für eine Periode von 120° einen hohen Wert hat und öffnet dann den Schalter, so daß der Millerintegrator- Kondensator die ins Negative gehende, 240° dauernde Rampe oder Sägezahnflanke erzeugt.

Die anderen fünf Rampensignalgeneratoren 42 b bis 42 f stimmen mit der in Fig. 9 dargestellten Schaltungsanordnung überein und liefern als Ausgangssignale die rampenförmigen Zündreferenzschwingungen F₂, F₃, F₄, F₅ und F₆ derart, daß die aufeinanderfolgenden Zündreferenzschwingungen von dem jeweiligen Vorgänger einen Abstand von 60° haben. Diese Relation ist in Fig. 13 dargestellt, wo beispielsweise die Zündreferenzschwingung F 1 im Intervall von 0 bis 240° die absinkende Rampe enthält, anschließend einen hohenWert annimmt und diesen für weitere 120° beibehält, bevor die nächste, 240° dauernde abfallende Rampe auftritt. Fig. 13 zeigt ferner, daß die Zündreferenzschwingung F 2, die durch den von der Rechteckreferenzschwingung C₁ · ₁ gesteuerten Rampensignalgenerator 42 b (Fig. 7) erzeugt wird, gegenüber F 1 um 60° in der Phase verzögert ist. Man beachte ferner, daß die zwei Zündreferenzschwingungen F₁ und F₂ Rampenteile, die sich um 180° überlappen, enthalten. Diese Beziehungen sind auch für alle anderen Paare aufeinanderfolgender Zündreferenzschwingungen F₃, F₄ usw. sowie für F₁ bezüglich F₆ erfüllt. Dadurch, daß man die Rampen negativer Neigung für 240° erzeugt, tritt eine Überlappung um 180° ein, die beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung für einen vollen Steuerungsbereich erforderlich ist, da jedes Phasenvetnil in Ansprache auf zwei aufeinanderfolgende Zündreferenzschwingungen zündbar sein muß, wie noch erläutert werden wird, um einen Mehrbetriebsartenbetrieb zu realisieren.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 werden die sechs Zündreferenzschwingungen F₁ bisF₆ zwei Überkreuzungsdetektor- Schaltungen 86 und 88 zugeführt, denen außerdem die Nulleiterspannung NN und das veränderbare Steuer- oder Referenzgleichspannungssignal zugeführt werden. Die letzte Überkreuzungsdetektorschaltung 86 wird durch ein zweites Logikschaltwerk aus sechs Vergleichern 90, 92, . . . 100 gebildet und liefert einen dritten Satz von festen logischen Rechteckschwingungen I₁, I₂, I₃ . . . I₆ in Ansprache auf die Durchgänge der Zündreferenzschwingungen F₁ bis F₆ durch die Nulleiterspannung bzw. die Spannung Null Volt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, geht die Zündreferenzschwingung F₁ bei 120° durch den Spannungswert null. Dementsprechend liefern die Rechteckschwingungen I₁ bis I₆ ein Logiksignal, das bei einem Zündwinkel von 120° auf seinen hohen Wert übergeht.

Die zweite Überkreuzungsdetektorschaltung 88 wird durch ein drittes Logikschaltwerk aus sechs Vergleichern 102, 104, 106, 108, 110 und 112 gebildet. Sie vergleicht die zugeführte Steuer- oder Referenzgleichspannung mit den Spannungsrampen der Zündreferenzschwingungen F₁ bis F₆ und erzeugt entsprechende sechs logische Rechteckschwingungssignale X₁, X₂ . . . X₆ mit Vorderflanken, deren Auftreten sich entsprechend dem Überkreuzungspunkt zwischen der zugehörigen Rampenspannung und der Steuer- oder Referenzgleichspannung ändert, wie in Fig. 13 anhand des dort dargestellten Signales X₁ gezeigt ist. Mit den Ausgängen der Vergleicher sind jeweils entsprechende Inverter 114, 116, 118 . . . 124 gekoppelt, die die komplementären Logiksignale ₁, ₂ . . . ₆ erzeugen.

Die Zündsignale A+, B+, . . . N+ und N- werden in einem digitalen logischen Schaltwerk 126, nachfolgend Zündschaltnetz 126 genannt, aus den beiden Sätzen von logischen Signalen A, , B, . . . und I₁, I₂, . . . I₆, die eine feste gegenseitige zeitliche Beziehung haben, sowie dem Satz von logischen Rechteckschwingungssignalen X₁, X₂, . . . X₆ und deren Komplementen ₁, . . . ₆, deren Vorderflanken variabel sind, erzeugt.

Das Zündschaltnetz 126 ist in den Fig. 10, 11 und 12 genauer dargestellt und realisiert digitale logische Verknüpfungen der allgemeinen Form

X _n +X _n · (Z _n +X _n-1+N*) und

X _n+1 · Z _n · _n+2 · Y _n

wobei das Multiplikationszeichen die UND-Verknüpfung und das Pluszeichen die ODER-Verknüpfung bedeuten. Diese Verknüpfungen definieren die Zündung bzw. das Durchschalten der Phasenventile bzw. Nullventile und in ihnen ist X eines der Logiksignale X₁ . . . ₆, Y enthält eines der Signale I₁ . . . I₆ und Z ist eines der Signale A, B . . . , wobei Z₁= , Z₂=C, Z₃= , Z₄=A, Z₅=C und Z₆=B sind. Für N=1 bedeutet der Term X _n-1 das Signal X₆. Der Term N* bedeutet N+ für die positiven Phasenventile und N- für die negativen Phasenventile.

Es soll nun gezeigt werden, wie durch diese logischen Verknüpfungen die Zündwinkel der Phasenventile 20, 24 und 28, 30 und 32 sowie der Nullventile 26 und 34 gesteuert werden kann. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß sechs Phasenschaltnetze 128 a, 128 b, 128 c . . . 128 f und zwei Nulleiterschaltnetze 130 a und 130 b vorgesehen sind, die aus bestimmten Kombinationen der oben erwähnten Logiksignale die acht Zündsignale A+ . . . N- für die positive und negative Ventilgruppe 16 bis 18 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erzeugen.

Ein typisches Phasenventilschaltwerk 128 ist in Fig. 11 dargestellt, es enthält ein Flipflop 132, das setzbar und rücksetzbar ist. Einer Setzklemme S des Flipflops 132 ist ein Setzsignal SA+ zugeführt, das aus der Kombination der Logiksignale X₁, I₁, , X₆ und N+ (Fig. 12) resultiert, die durch zwei ODER-Glieder 134 und 136 sowie ein UND-Glied 138 bewirkt wird, die die Gleichung

SA+ = X₁+I₁ · ( +X₆+N+)

realisieren.

Das Flip-Flop 132 ist durch ein seiner Rücksetzklemme R zugeführtes Signal RA+ rücksetzbar, welches durch ein drittes ODER-Glied erzeugt wird, dessen beiden Eingängen Signale SB+ und SNA+ zugeführt werden, die wie folgt definiert sind:

SB+ = X₃+I₃ · ( +X₂+N+)

SNA+ = X₂ · · ₃ · I₁

Das Flipflop 132 liefert den Zündimpuls A+ für das Ventil 20, wenn es gesetzt wird, und es wird durch das Zünden des N+ Nullventils 26 der positiven Gruppe oder das Zünden des nächsten B+ Phasenventils 22 zurückgesetzt, je nachdem, welcher dieser beiden Ventile zuerst durchschaltet.

In Fig. 12 ist das Nulleiter-Schaltwerk 130 a für das Nullventil 26 der positiven Impulsgruppe dargestellt. Es enthält ein Flipflop 172 mit Setzeingang S und Rücksetzeingang R. Dem Setzeingang wird ein Setzsignal SN+ zugeführt, das durch ein ODER-Glied 144 erzeugt wird, das drei Eingänge hat, welche mit dem Ausgang jeweils eines von drei UND-Gliedern 146, 148 und 150 gekoppelt sind, die ihrerseits jeweils vier Eingänge haben. Das Signal SN+ wird immer dann erzeugt, wenn irgend einer von drei Sätzen neutraler oder Nulleitersignale für das A+, B+ und C+-Ventil 20, 22 bzw. 24 entsprechend der oben generell besprochenen Logik erzeugt werden. Ein typisches Beispiel ist das Signal SNA+, das durch die UND-Verknüpfung X₂ · · ₃ und I₁ erzeugt wird. Das Flipflop 142 wird durch ein seiner Rücksetzklemme R zugeführtes Signal RN+ zurückgesetzt, das von einem ODER-Glied 152 stammt, dessen Eingängen Signale zugeführt sind, die dem Durchschalten irgend eines Ventils der positiven Gruppe durch die Signale SA+, SB+ und SC+ entsprechen.

In der folgenden Tabelle I sind all die verschiedenen Kombinationen von logischen Signalen dargestellt, die den in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellten Phasen- und Nulleiterschaltwerken 128 und 130 zugeführt werden.

Tabelle I

SA+ = X₁+I₁ · ( +X₆+N+)
SB+ = X₃+I₃ · ( +X₂+N+)
SC+ = X₅+I₅ · ( +X₄+N+)
SA- = X₄+I₄ · (A+X₃+N-)
SB- = X₆+I₆ · (B+X₅+N-)
SC- = X₂+I₂ · (C+X₁+N-)
N+ = SN+ = (SNA+)+(SNB+)+(SNC+)
N- = SN- = (SNA-)+(SNB-)+(SNC-)
SNA+ = X₂ · · ₃ · I₁
SNB+ = X₄ · · ₅ · I₃
SNC+ = X₆ · · ₁ · I₅
SNA- = X₅ · A · ₆ · I₄
SNB- = X₁ · B · ₂ · I₆
SNC- = X₃ · C · ₄ · I₂
RA+ = (SNA+)+(SB+)
RB+ = (SNB+)+(SC+)
RC+ = (SNC+)+(SA+)
RA- = (SNA-)+(SB-)
RB- = (SNB-)+(SC-)
RC- = (SNC-)+(SA-)
RN+ = (SA+)+(SB+)+(SC+)
RN- = (SA-)+(SB-)+(SC-)

Die Schaltungsanordnung und die ihr zugeführte Kombination von Logiksignalen, die oben beschrieben wurden, ermöglichen fünf getrennte und unterschiedliche Betriebsarten. Die Betriebsarten sind hinsichtlich der Art und Weise definiert, in der die Phasen- und Nullventile gezündet bzw. nicht gezündet werden und dementsprechend eine Ausgangsspannung positiver Polarität beim Gleichrichterbetrieb und eine Ausgangsspannung negativer Polarität bei Invertieroperationen ergeben. Unter Zugrundelegung einer normierten Ausgangsspannung Va(norm), die als Verhältnis der tatsächlichen Ausgangsgleichspannung zur maximal möglichen Spannung definiert ist, sind in der folgenden Tabelle II die verschiedenen Betriebsarten aufgeführt, die sich für die verschiedenen Phasen und Nullventil-Zündwinkel für den vollen Bereich der Steuerspannung ergeben.

Tabelle II

Diese fünf Betriebsarten sind außerdem in Fig. 14 graphisch dargestellt. Fig. 15 zeigt zusätzlich die positiven Phasenspannungen für die verschiedenen Betriebsarten. Wie aus diesen Fig. 14 und 15 ersichtlich ist, umfaßt die Betriebsart I den Betriebsbereich, in dem α zwischen 0 und 30° veränderbar ist, während die Nullventile nicht durchgeschaltet werden. Es gibt hier also keinen Zündwinkel β und die normierte Ausgangsspannung ist inzwischen 1,0 und 0,866 veränderbar. Die Betriebsart I entspricht der Arbeitsweise eines bekannten Dreiphasen-Einwegsystems (Dreiimpulysystem) ohne Nullventil. Die Ausgangsspannungen der Phasenventile der positiven Gruppe sind in Fig. 15 durch die Kurve V _I dargestellt.

Die Betriebsart II liegt vor, wenn der Phasenventil- Zündwinkel α zwischen 30 und 90° geändert wird und der Nullventil-Zündwinkel β auf dem konstanten Wert 150° gehalten wird. Bei diesem Betrieb ergeben sich die durch die Kurven +V _II in Fig. 15 dargestellten Phasenspannungen und die Einrichtung arbeitet wie die in der DE-OS 27 46 685 beschriebene gesteuerte Gleichrichterschaltung.

Bei der hier hauptsächlich interessierenden Betriebsart III ist α zwischen den Grenzen 90° und 120° veränderbar, während die Nullventile bei 60° und dann im Bereich von 150° bis 180° gezündet werden. Bei dieser Betriebsart werden die Phasenventile für eine Periode von 60° durchgeschaltet, auf die Durchschaltperioden von 60° der Nullventile foglen. Diese Betriebsart wurde oben diskutiert und es sei darauf hingewiesen, daß die Betriebsart III bei relativ niedrigen Ausgangsspannungswerten vorliegt, d. h. bei normierten Ausgangsspannungen im Bereich von +0,5 bis herunter zu Null, was durch die Kurven +V _III in Fig. 15 dargestellt ist, für die die dem Verbraucher 14 (Fig. 1) zugeführte mittlere Leistung gleich Null ist.

In der Betriebsart IV wird schließlich der Phasenventil- Zündwinkel α auf dem konstanten Wert 120° gehalten, während der Nullventil-Zündwinkel β im Bereich von 180° bis 240° veränderbar ist. In dieser Betriebsart findet ein Übergang des Systems in den Betrieb im zweiten Quadranten statt, in dem Leistung vom Verbraucher in die Leistungsquelle zurückgespeist wird. Ferner arbeitet die Einrichtung in dieser Betriebsart mit normierten Ausgangsspannungen zwischen Null und -0,5. Der Verlauf einer typischen Ausgangsspannung der Ventile der positiven Gruppe ist durch die Kurve +V _IV dargestellt.

Ein Betrieb im zweiten Quadranten mit einer normierten Ausgangsspannung von -0,5 bis -1,0 stellt die Betriebsart V dar, in der die Nullventile nicht gezündet werden, sondern lediglich der Zündwinkel der Phasenventile von 120° bis 150° veränderbar ist; der letzterwähnte Wert stellt dabei eine Wechselrichtegrenze oder ein Bereichsende dar, das sich 30° vor dem theoretischen oberen Grenzwert 180° befindet. Diese Betriebsart ist durch die Kurve V _V in Fig. 15 dargestellt. Da die Vorderflanke der logischen Signale X₁ . . . X₆ und ₁ . . . ₆ durch den Durchgang der negativ gerichteten Rampenteile der Zündreferenzschwingungen F₁ bis F₆ durch die Steuergleichspannung bestimmt wird, bestimmt das zeitliche Verhältnis dieser veränderlichen logischen Signale bezüglich der festen logischen Signale die Ausgangsspannung des Leistungswandlers und damit die Betriebsart (Betriebsarten I bis V).

Anhand der Fig. 16 und 17 soll nun die Realisierung der Logik oder Verknüpfungen erläutert werden, durch die ein stetiger Übergang zwischen den Betriebsarten und der Steuerung durch die Amplitude der Steuergleichspannung bezüglich der Nullleiterspannung (Null Volt) automatisch bewirkt wird. In Fig. 16 ist beispielsweise die Verknüpfung der logischen Signale zur Erzeugung des Zündimpulses für das (A+)-Phasenventil 20 (Fig. 1) dargestellt. Aus der Tabelle I kann entnommen werden, daß die Verknüpfung für die Zündung dieses Ventils durch die Gleichung

SA+ = X₁+I₁ · ( +X₆+N+)

dargestellt werden kann, was bedeutet, daß die Zündung durch das Signal X₁ oder I₁ · oder I₁ · X₆ oder I₁ · N+ gesteuert wird. Aus der in Fig. 16 dargestellten zeitlichen Lage dieser Signale in bezug aufeinander ist ersichtlich, daß wenn die Steuergleichspannung größer als Null ist, das Signal X₁ vor dem Signal I₁, dessen Vorderflanke unveränderbar bei 120° auftritt, von einem niedrigen Logikwert auf einen hohen Logikwert ansteigt. Unter diesen Umständen wird das Zündsignal für das (A+)-Ventil 20 durch die Vorderflanke der Rechteckschwingung X₁ gesteuert. Dies umfaßt dann die Betriebsarten I, II und III, da der Bereich von 0 bis 120° umfaßt wird, welcher auch in Fig. 14 graphisch dargestellt ist. Wenn die Steuergleichspannung etwas unter Null abgesenkt wird, tritt die Vorderflanke des Signals X₁ zeitlich später auf als die Vorderflanke der festen Rechteckschwingung I₁, deren Vorderflanke bei 120° auftritt. Die Zündung des Thyristors 20 wird nun durch das Signal I₁ bestimmt. Bei weiterem Absenken der Steuergleichspannung bleibt die Zündung unter der Steuerung des Signals I₁, bis die Vorderflanke des kombinierten Signals + I₆ hinter 120° abfällt, worauf dann die Ventilsteuerung durch das Signal X₆ bestimmt wird. Der Bereich der Steuerspannung, in dem der Zündwinkel α durch I₁ fixiert wird, reicht also von Null bis -0,5, was der Betriebsart IV gemäß Tabelle I entspricht und auch in Fig. 14 dargestellt ist.

Wenn die Steuergleichspannung negativer als das -0,5fache des Maximalwerts ist, wird die Zündung des (A+)-Phasenventils 20 durch X₆ gesteuert. Der Zündwinkel kann also von 120° bis 150° verändert werden, wo er durch die ansteigende Vorderflanke des Signals fixiert wird und dadurch die Betriebsart V ergibt.

Das Signal wurde gewählt, da es sich besonders für die Festsetzung einer Wechselrichtergrenze des Zündwinkels a eignet. Der Bereich des Zündwinkels α erstreckt sich in der Betriebsart 5 theoretisch an sich bis α=180°, damit jedoch der Strom von einem Ventil auf ein anderes umgeschaltet werden kann, muß der Zündwinkel α auf einen Maximalwert begrenzt werden, der kleiner als 180° ist und als Grenzzündwinkel bezeichnet werden kann. Da die Phasen-Null-Spannungsdurchgangsdetektorschaltung 44 unter anderem feste Referenzschwingungen oder Referenzsignale A und A liefert, die einen Übergang bei 150° aufweisen und da durchgehend mit einer positiven Logik gearbeitet wird, ist die Referenzschwingung bequem verfügbar und wird daher zur Festlegung des Grenzzündwinkels α=150° verwendet. Dieser Zustand ist in Fig. 14 als normale Wechselrichtergrenze bezeichnet.

Zusätzlich zu der in Fig. 14 dargestellten "normalen" Wechselrichtergrenze können beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch Maßnahmen zur Realisierung einer "Spezial-" Wechselrichtergrenze vorgesehen sein, um eine Stromübernahme durch ein Phasenventil bei α=120° sicherzustellen, im Falle daß ein Nullventil leitet, wenn beispielsweise eine schnelle Änderung der Betriebsart gefordert wird, z. B. ein Sprung im Steuersignal, der einen Übergang von einer Betriebsart in die Betriebsart V fordert. Dies wird durch das logische Signal In · N* bewirkt, wofür als typisches Beispiel das Signal I₁ · N+ in Fig. 16 dargestellt ist. Wenn dieses Signal vor der zeitlich veränderlichen Vorderflanke von +X₆ auftritt, bewirkt es das Durchschalten des (A+)-Phasenventils 20. Im normalen Betrieb tritt dies nicht ein. Wenn jedoch der Zustand vorliegt, daß ein Nullventil leitet, wenn das Signal I₁ auf seinen hohen Wert übergeht, d. h. bei α=120°, dann wird das Phasenventil durchgeschaltet. Das Durchschalten des Phasenventils bei α=120°, wenn ein Nullventil leitet, gewährleistet, daß der Strom vom Nullventil auf das Phasenventil übergeht, solange die Phasenspannung noch positiv ist, was eine bekannte Voraussetzung für ein einwandfreies Kommutieren darstellt. Da es für die Einrichtung gemäß der Erfindung wesentlich ist, daß sie rasch tief in den invertierten Betrieb (Betriebsart V) übergehen kann, liefert I _n · N* die erforderliche Steuerfunktion.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Durchschalten des (A+)-Phasenventils 20 zuerst durch die rampenförmige Zündreferenzschwingung F₁ und dann durch eine benachbarte oder unmittelbar vorangehende Zündreferenzschwingung F gesteuert wird und daß die Überlappung für den Übergang notwendig ist. Dies macht dann für einen vollen Steuerbereich erforderlich, daß die in negativer Richtung abfallenden Rampen von F₁ bis F₆ sich über 240 elektrische Grade erstrecken. Da das Durchschalten des (A+)-Phasenventils 20 durch das Flipflop 132 (Fig. 11) gesteuert wird, wird das Durchschalten daher beendet, wenn entweder das (N+)-Nullventil 26 oder der folgende (B+)-Phasenventil 22 durchgeschaltet werden.

Aus den obigen Erläuterungen ist ersichtlich, daß sich in den Betriebsarten II, III und IV eine Zündfolge ergibt, bei welcher das (N+)-Nullventil 26 nach jeder Leitperiode der entsprechenden positiven (A+)- (B+)- und (C+)-Phasenventile 20, 22 bzw. 24 durchgeschaltet wird. Dieses Durchschalten kann durch die logische Gleichung

SN+ = (SNA+)+(SNB+)+(SNC+)

dargestellt werden. In entsprechender Weise wird das negative oder (N-)-Nullventil 24 im Anschluß an die jeweiligen Durchschaltperioden der (A-)-, (B-)- und (C-)- Phasenventile 28, 30 und 32 gezündet, was durch die logische Gleichung

SN- = (SNA-)+(SNB-)+(SNC-)

ausgedrückt werden kann. In der Tabelle I bezieht sich der Kern SNA+ typischerweise auf das Durchschalten des (N+)-Ventils 26 im Anschluß an das Leiten des (A+)-Phasenventils 20. Der logische Ausdruck für die Zündperiode ist SNA+ = X₂ · · ₃ · I₁. In der Tabelle I sind auch die entsprechenden Ausdrücke für die Durchschaltperioden des anderen Nullventils dargestellt. Das Zeitsignal, das durch den logischen Ausdruck für SNA+ gebildet wird, kann gemäß Fig. 14 wie folgt definiert werden: Das Nullventil (neutrale Zelle) wird 60° nach der normalen Zündzeit des Phasenventils für eine Periode von nicht mehr als 60° durchgeschaltet, die nicht eher als bei 150° beginnt und nicht später als bei 240° endet.

Diese Logik ist außerdem in Fig. 17 dargestellt, die die zeitliche Lage verschiedener Signale in bezug aufeinander zeigt, auf die nun eingegangen werden soll. Während der Zeitpunkt des Durchschaltens des (A+)-Phasenventils 20 anfänglich durch den ins Negative gerichteten Rampenteil der Zündreferenzschwingung F₁ bestimmt wird, wird der Zeitpunkt des Durchschaltens des (N+)-Ventils 26 für die Stromflußperiode SNA+ durch die folgende Schwingung F₂ bestimmt und dementsprechend das logische Signal X₂, das von F₁ und X₁ um 60° getrennt ist. Das Durchschaltsignal SNA+ wird dementsprechend beim Auftreten der letzten ansteigenden Vorderflanke der vier Signale X₂, ₃, und I₁ erzeugt. Dieses Durchschalten wird 60° nicht überschreiten, da durch die UND-Verknüpfung der Signale X₂ und ₃ ein entsprechender Bereich (Fenster) gebildet wird. Außerdem ist die ins Positive gehende Vorderflanke des kombinierten Signals · I₁ auf 150° fixiert, während die Rückflanke bei 240° auftritt. Dies bildet einen Ausschlußbereich (Maske), der das Durchschalten des Nullventils auf den Bereich zwischen den Grenzen β=150° bis 240° begrenzt, wie die Tabelle II fordert und Fig. 14 zeigt, so daß die Bedingungen für die Betriebsarten II, III und IV erfüllt sind und ein Durchschalten der Nullventile in den Betriebsarten I und V verhindert wird.

Das Verfahren und die Einrichtung, die oben beschrieben wurden, stellen nach derzeitigen Erkenntnissen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, die jedoch in der Praxis selbstverständlich abgewandelt werden können. So können beispielsweise die festen Referenzschwingungen A, B, C usw. A₁, B₁, C₁ usw. sowie I₁ bis I₆ gewünschtenfalls alle mittels eines Modulo-Sechs-Ringzähler abgenommen werden, der durch einen Impulsoszillator mit dem Sechsfachen der Frequenz der Wechselspannungsquelle gesteuert wird; der Oszillator wird dabei durch eine Phasenregelschleife derart geregelt, daß die Referenzsignale mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert wird. Gewünschtenfalls kann man selbstverständlich auch eine durchgehend digitale Schaltung verwenden, bei der an die Stelle der Rampenspannungen und des analogen Steuersignals digitale Rampen bzw. digitale Wörter treten. Die Rampen können beispielsweise durch Digitalzähler erzeugt werden, die durch einen spannungsgesteuerten Oszillator gesteuert werden, der mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert ist und mit einem hohen Vielfachen der Frequenz der Wechselspannungsquelle arbeitet. Die Vergleicher werden dann digitale Vergleicher.

Claims (25)

1. Verfahren zum Betrieb eines gesteuerten Gleichrichters in Brückenschaltung, der einen Verbraucher mit kontinuierlich fließendem Strom speist und bei welchem

• - die Phasen einer mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Spannungsquelle über eine mit dem positiven Pol des Verbrauchers verbundene Gruppe und über eine mit dem negativen Pol des Verbrauchers verbundene Gruppe von steuerbaren Ventilen (Phasenventile) an den Verbraucher geschaltet sind, und
• - der Nulleiter der Spannungsquelle mit einem steuerbaren Ventil an den positiven Pol und mit einem steuerbaren Ventil an den negativen Pol des Verbrauchers geschaltet ist (Null-Ventile),

dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung eines gleichzeitigen Leitens der beiden Null-Ventile (26, 34),

• - jedes Phasenventil (20, 22, 24, 28, 30, 32) für mindestens n/2 elektrische Grade während einer Periode der Eingangsspannung durchgeschaltet wird, wobei n die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Phasenspannungen ist,
• - und daß ein mit dem positiven bzw. negativen Pol des Verbrauchers verbundenes Null-Ventil (26, 34) unmittelbar nach jeder Durchschaltperiode eines am gleichen Pol des Verbrauchers liegenden Phasenventils (20, 22, 24, 28, 30, 32) durchgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Phasenwinkeldifferenz 120 Grad beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromflußwinkel jedes Phasenventils (20, 22, 24, 28, 30, 32) und der anschließende Stromflußwinkel des zugehörigen Null-Ventils (26, 34) jeweils gleich 60 Grad beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Eingangsspannungsquelle eine dreiphasige Wechselspannungsquelle mit einer Phasenwinkeldifferenz von 120 Grad ist, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem positiven Überkreuzungspunkt der Phasenspannungen gemessene Zündwinkel für die positiven Phasenventile (20, 22, 24) von 90 bis 120 Grad veränderbar ist und der Zündwinkel des positiven Null-Ventils (26) dementsprechend von 150 Grad bis 180 Grad variiert.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von steuerbaren Ventilen (Phasenventile 20, 22, 24 bzw. 28, 30, 32), über die die Phasen einer mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Spannungsquelle an einen positiven bzw. einen negativen Pol eines Verbrauchers (14) geschaltet sind, und mit zwei weiteren steuerbaren Ventilen (Null-Ventile 26, 34) über die der Null-Leiter (N) der Spannungsquelle an den positiven bzw. einen negativen Pol des Verbrauchers geschaltet ist, ferner mit einer durch ein Steuersignal steuerbaren Zündschaltung zum individuellen Zünden der verschiedenen Ventile bei vorgegebenen Zündwinkeln bezüglich der Überkreuzungen der Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle, wobei die Zündschaltung eine mit der Wechselspannungsquelle (12) gekoppeltes erstes Logikschaltwerk (44, 46) das mehrere in zeitlicher Beziehung zueinander stehende Logiksignale erzeugt, die eine feste zeitliche Beziehung zu den Phasenspannungen der mehrphasigen Wechselspannungsquelle haben, und eine der Anzahl der Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) gleiche Anzahl von Schwingungsgeneratoren (42), die mit dem ersten Logikschaltwerk (44, 46) gekoppelt sowie durch eine vorgegebene Anzahl der erwähnten Logiksignale gesteuert sind und jeweils eine Zündreferenzschwingung (F₁ bis F₆) erzeugen, dessen Amplitude einen sich periodisch ändernden Verlauf aufweist, enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündschaltung die Zündreferenzschwingungen (F₁ bis F₆) mit einer Amplitude liefert, die sich jeweils für Intervalle, die größer als ein halber Zyklus jeder Phasenspannung sind, in einer einzigen bestimmten Richtung ändert, wobei sich die Intervalle aufeinanderfolgender Zündreferenzschwingungen, in denen sich die Amplitude in der vorgegebenen Richtung ändert, so überlappen, daß jedes Phasenventil durch zwei benachbarte Zündreferenzschwingungen durchschaltbar ist;
daß mit den Schwingungsgeneratoren (42) und der Wechselspannungsquelle (12) ein zweites Logikschaltwerk (86) gekoppelt ist, das weitere Logiksignale erzeugt, deren zeitliche Lage in bezug aufeinander eine vorgegebene Funktion der Zündreferenzschwingungen bezüglich der Null-Leiterspannung ist;
daß das Steuersignal einem mit den Schwingungsgeneratoren (42) gekoppelten dritten Logikschaltwerk (88) zugeführt ist, das zusätzliche Logiksignale (X₁ . . . X₆) erzeugt, deren zeitlicher Verlauf in bezug aufeinander in Abhängigkeit von der Relation der Zündreferenzschwingungen bezüglich des Steuersignals veränderbar ist, und
daß mit den erwähnten Logikschaltwerken ein durch die Logiksignale gesteuertes digitales logisches Schaltwerk (126) gekoppelt ist, welches die Logiksignale und das Steuersignal miteinander verknüpft und Zündsignale für die Ventile liefert, welche jedes Pahsenventil (20, 22, 24, 28, 30, 32) für mindestens n/2 elektrische Grade während einer Periode der Eingangsspannung durchschaltet, wobei n die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Phasenspannungen ist, und das Null-Ventil (26, 34) unmittelbar nach jeder Durchschaltperiode eines Phasenventiles (20, 22, 24, 28, 30, 32) durchschaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündreferenzschwingungen (F₁ bis F₆) einen gegenseitigen elektrischen Abstand von n/2 elektrischen Graden haben, wobei n die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Phasenspannungen (A, B, C) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenverlauf der Zündreferenzschwingungen bei einer dreiphasigen Eingangsspannung eine sich über eine Periode von 240 Grad erstreckende, im wesentlichen lineare Amplitudenänderung aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Zündreferenzschwingungen während der erwähnten Intervalle in gleicher Weise progressiv abnimmt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Logikschaltwerk (44, 46) eine erste Schaltung (44), die in einer durch das Steuersignal gesteuerten ersten Betriebsart ein Zündsignal mit einem zwischen 0 und 30 Grad veränderbaren Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) liefert, und eine zweite Schaltung (46), die die Nullventile (26, 34) in dieser Betriebsart gesperrt hält, aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung (44) in einer durch das Steuersignal gesteuerten zweiten Betriebsart ein Zündsignal mit einem zwischen 30 und 90 Grad veränderbaren Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) erzeugt, und daß die zweite Schaltung (46) in dieser Betriebsart ein Zündsignal mit festem Zündwinkel für die Nullventile (26, 34) erzeugt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Zündwinkel für die Nullventile (26, 34) im wesentlichen 150 Grad beträgt.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung (44) in einer durch das Steuersignal gesteuerten dritten Betriebsart ein Zündsignal mit einem zwischen 90 und 120 Grad veränderbaren Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) liefert, und daß die zweite Schaltung (46) in dieser Betriebsart ein Zündsignal mit einem Zündwinkel für die Nullventile (26, 34) liefert, welcher 60 Grad größer ist als der Zündwinkel der Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32).

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung (44) in einer durch das Steuersignal gesteuerten vierten Betriebsart ein Zündsignal mit einem festen Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) liefert, und daß die zweite Schaltung (46) in dieser Betriebsart für die Nullventile (26, 34) ein Zündsignal mit einem Zündwinkel liefert, der zwischen 180 Grad und 240 Grad veränderlich ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) im wesentlichen 120 Grad beträgt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einer fünften Betriebsart die erste Schaltung (44) für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) ein Zündsignal mit einem Zündwinkel, der zwischen 120 Grad und einem bestimmten Wechselrichtergrenzwinkel liegt, liefert, und daß die zweite Schaltung (46) die Nullventile (26, 34) in dieser Betriebsart gesperrt hält.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichtergrenzwinkel im wesentlichen 150 Grad beträgt.

16. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündwinkel so gewählt sind, daß sich für jedes Phasenventil (20, 22, 24, 28, 30, 32) eine Durchschaltperiode von mindestens 60 Grad ergibt, auf die eine maximale Durchschaltperiode von 60 Grad eines Nullventils (26, 34) folgt.

17. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie sechs Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) und zwei Nullventile (26, 34) enthält, und daß sechs Schwingungsgeneratoren (42 a-42 f) vorgesehen sind, die sechs Zündreferenzschwingungen (F₁-F₆) erzeugen, welche jeweils um 60 elektrische Grade in bezug aufeinander phasenverschoben sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 4 für eine dreiphasige Wechselspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Logikschaltwerk (44, 46) eine Phasen-Null-Spannungsdurchgangsdetektorschaltung (44), die durch die drei Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle gesteuert ist und einen ersten Satz von Rechtecksignalen (A, B, C) und deren Komplemente (, und ) liefert sowie eine mit den drei Phasenspannungen der Wechselspannungsquelle gekoppelte Phasen-Phasen-Überkreuzungsdetektorschaltung (46) enthält, welche einen zweiten Satz von Rechtecksschwingungsignalen (₁, ₁, ₁) und deren Komplemente (₁, ₁, ₁) liefert, der gegenüber dem ersten Satz von Rechtecksignalen um 30° phasenverschoben ist;
daß sechs Schwingungsgeneratoren (42 a-42 f) vorgesehen sind, die mit den Rechtecksignalen (A₁, B₁ . . . ₁) gespeist sind und sechs Zündreferenzschwingungen (F₁, F₂ . . . F₆) liefern, die jeweils um 60° in bezug aufeinander in der Phase verschoben sind;
daß das zweite Logikschaltwerk (86) einen Zündreferenzschwingungs-Nulldurchgangsdetektor enthält, der mit den sechs Zündreferenzschwingungen (F₁ . . . F₆) gespeist ist und einen dritten Satz aus sechs Rechteckschwingungssignalen (I₁, I₂ . . . I₆) liefert, wenn die Zündreferenzschwingungen (F₁ . . . F₆) durch die Spannung Null gehen;
daß das dritte Logikschaltwerk (88) einen Zündreferenzschwingung-Steuersignal- Überkreuzungsdetektor enthält, der einen vierten Satz von Rechteckschwingungssignalen (X₁, X₂ . . . X₆) sowie deren Komplemente (₁, ₂ . . . ₆) liefert, und
daß das digitale logische Schaltwerk (126) eine erste Logikschaltung (128 a-128 f) zum Erzeugen von Zündsignalen für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) entsprechend der logischen Verknüpfung X _n +Y _n · (Z _n +X _n-1)und eine zweite Logikschaltung (130 a, 130 b) zum Erzeugen von Zündsignalen für die Nullventile (26, 34) entsprechend der logischen VerknüpfungX _n+1 · Z _n · X _n+2 · Y _n enthält, wobei die Pluszeichen die ODER-Verknüpfung und das Malzeichen die UND-Verknüpfung bedeuten und X eines der Signale X₁ . . . ₆, Y eines der Signale I₁ . . . I₆ und Z eines der Signale A, B . . . C ist und wobei Z₁= , Z₂=C, Z₃= , Z₄=A, Z₅= und Z₆=B sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Logikschaltung (128 a-128 f) entsprechend der logischen Verknüpfung X _n +Y _n · (Z _n +X _n-1+N*)arbeitet, wobei N* der Verknüpfung X _n+1 · Z _n · _n+2 · Y _n entspricht, die durch die zweite Logikschaltung (130 a, 130 b) realisiert wird.

20. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsgeneratoren (42) jeweils Zündreferenzschwingungen erzeugen, deren Amplitude ein Rampensignal negativer Steigung und einer Dauer von größer als 180° enthalten.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Rampensignal negativer Steigung eine Dauer von 240 elektrischen Graden hat.

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündreferenzschwingungen anfänglich einen Teil konstanter Amplitude haben, der sich über 120° erstreckt und auf den eine Rampe mit negativer Steigung folgt, die sich über 240° erstreckt.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale logische Schaltwerk (126) eine Schaltungsanordnung enthält, die entsprechend dem Steueralgorithmus eine Wechselrichtergrenze festsetzt, die den Zündwinkel für die Phasenventile (20, 22, 24, 28, 30, 32) auf einen Maximalwert von 150° begrenzt.

24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale logische Schaltwerk (126) außerdem eine Schaltungsanordnung enthält, welche ein Phasenventil (20, 22, 24, 28, 30, 32) durchschaltet, wenn der Zündwinkel mindestens 120° beträgt und ein Nullventil (26, 34) durchgeschaltet ist.