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Verfahren zum Starten eines n-phasigen Stromrichters in
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Brückenschaltung mit Phasenfolgelöschung.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines n-phasigen
Stromrichters in Brückenschaltung mit Phasenfolgelöschung, der einen mittels einer
Einspeiseschaltung und einer Zwischenkreisdrossel erzeugten eingeprägten Gleichstrom
einem n-phasigen Drehstrom-Verbraucher in der Weise zuführt, daß dort ein Drehspannungssystem
gebildet wird, wobei die Kommutierungskondensatoren des Stromrichters über eine
gesonderte Aufladeschaltung voraufgeläden werden. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der DE-Zeitschrift "ETZ-A", Bd. 96 (1975), H. 11, Seiten 520 bis
523 sind Aufbau und Wirkungsweise eines Umrichters mit selbstgeführtem Stromrichter
in Brückenschaltung mit Phasefolgelöschung sowie mit einem eingeprägtem Zwischenkreisstrom
beschrieben. Bei der dort dargestellten
Schaltung erfolgt die Speisung
aus einem dreiphasigen Drehstromnetz mit einer als netzgeführter Stromrichter ausgebildeten
Einspeiseschaltung. Die Einspeiseschaltung kann auch als Gleichrichter oder selbstgeführter
Stromrichter, falls die Speisung aus einem Wechselstromnetz erfolgt, oder als Gleichstromsteller,
falls die Speisung aus einem Cleichspannungsnetz erfolgt, ausgebildet sein. Die
Einspeiseschaltung wirkt zusammen mit einer zusätzlich vorhandenen Zwischenkreisdrossel
als Stromquelle.
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Bei dem selbstgeführten Stromrichter, der beispielsweise als Wechselrichter
arbeitet, handelt es sich um eine dreiphasige Brückenschaltung. Jede der beiden
Brückenhälften des Wechselrichters weist Kommutierungseinrichtungen auf, die aus
Kondensatoren und Dioden bestehen. Im stationären Betrieb werden die Ventile mit
eingeprägtem Strom mit nahezu rechteckförmigen Stromblöcken belastet, deren Länge
einem Drittel der Periodendauer der Ausgangsfrequenz entspricht.
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Das Löschen der jeweils Strom führenden Ventile erfolgt durch Zünden
des jeweiligen Folgeventils in derselben Kommutierungsgruppe. Dies wird als Phasenfolgelöschung
bezeichnet Die für die Löschung erforderliche Kommutierungsspannung wird von dem
in der jeweiligen Kommutierungsgruppe zwischen den Phasen angeordneten Kommutierungskondensatoren
bereitgestellt. Die passende Aufladung dieser Kodensatoren erfolgt in stationärem
Betrieb ohne zusätzliche Maßnahmen.
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Beim Einschalten des Wechselrichters steht im allgemeinen keine Kommutierungsspannung
zum Löschen der Ventile zur Verfügung. Die Kommutierungskondensatoren müssen deshalb
über eine gesonderte Aufladeschaltung auf die Kommutierungsspannung voraufgeladen
werden. Eine bekannte, handelsübliche Voraufladeschaltung ist in Fig. 1 dargestellt.
Sie besteht aus einer externen Ladespannungsquelle QL, zwei
Sicherungen
Si, acht Widerständen R1, R2, R3, R4 und acht Dioden D7, D8, Dg, D1O. Über diese
Dioden wird die Voraufladeschaltung im stationären Betrieb vom Stromrichter entkoppelt.
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Es ist leicht einzusehen, daß eine derartige Aufladeschaltung, die
nur beim Start des Stromrichters einmal für kurze Zeit benötigt wird, zusätzliche
Kosten verursacht sowie Gewicht und Platzbedarf der Stromrichterschaltung vergrößert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dem es möglich ist, im Starkstromteil des Stromrichters den Aufwand
für die Voraufladung zu verringern.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem Zünden des ersten Stromrichterventils
nur ein Kommutierungskondensator in einer Brückenhälfte mit richtiger Polarität
voraufgeladen wird, daß als erstes Ventil dasjenige gezündet wird, das mit dem für
die spätere Phasenfolgelöschung auf die richtige Polarität voraufgeladenen Kommutierungskondensator
verbunden ist und daß anschließend die Ventile in der für den stationären Betrieb
gültigen Reihenfolge gezündet werden.
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Dadurch ergeben sich die Vorteile, daß der Bauteile-Aufwand für die
Voraufladeschaltung drastisch reduziert werden kann und daß trotzdem ein schnelles
Starten des Stromrichters möglich ist. Das ist besonders dann wichtig, wenn der
angeschlossene Verbraucher ein Drehstrom-Asynchronmotor ist, der im Start-Stop-Betrieb
laufen muß. Durch den Schaltungsaufbau des selbstgeführten Stromrichters bedingt,
werden die nicht voraufgeladenen Kommutierungskondensatoren der anderen Brückenhälfte
während des ersten Kommutierungsschrittes selbsttätig auf die richtige Polarität
aufgeladen,
so daß auch dort die zum Löschen der Ventile benötigten
Kommutierungsspannungen zur Verfügung stehen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist keine Anderung der Schaltung zur Erzeugung der Zündimpulse für die
Ventile erforderlich; es muß lediglich sichergestellt werden, daß als erstes Ventil
immer das mit dem für die spätere Phasenfolgelöschung auf die richtige Polarität
voraufgeladenen Kommutierungskondensator verbundene gezündet wird.
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Vorzugsweise wird die Spannung zum Voraufladen des Kommutierungskondensators
dem Gleichstromkreis zwischen Einspeiseschaltung und Stromrichter entnommen. Auf
diese Weise wird eine gesonderte Spannungsquelle eingespart. Kommutierungsfehler
können nicht auftreten, da die Aufladung erfindungsgemäß vor dem Zünden des ersten
Ventils erfolgt und infolgedessen durch die Ventile des Stromrichters noch kein
Strom fließt; der Zündimpuls für das erste Stromrichterventil wird erst freigegeben,
wenn der zugehörige Kommutierungskondensator voll geladen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird bis zum Erreichen des
stationären Stromrichterbetriebs,der.eingeprägte Gleichstrom reduziert. Die Reduzierung
erfolgt durch Verstellen des Stromsollwertes in einem in der Einspeiseschaltung
üblicherweise vorhandenen Stromregler. Diese Maßnahme ist jedoch nur dann erforderlich,
wenn der Anstieg des Stroms durch den Stromrichter nicht von der Zwischenkreisdrossel
allein ausreichend verlangsamt wird. Der stationäre Stromrichterbetrieb ist erreicht,
sobald alle Ventile des Stromrichters einmal gezündet waren.
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Die Voraufladung des Kommutierungskondensators bei gesperrten Stromrichterventilen
kann auf mehrere Arten erfolgen.
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Besonders einfach erfolgt die Voraufladung über einen zweipoligen
Schalter, der während des Aufladevorgangs geschlossen wird und anschließend geöffnet
bleibt. Die Kontakte des Schalters müssen für die Größe der Kondensatorspannung
bemessen sein.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung ersetzt den mechanischen Schalter
durch Halbleiterschalter, z.B. durch Thyristoren. Diese Thyristoren, die den Voraufladestrom
führen, verlöschen selbsttätig, sobald der Kommutierungskondensator auf die volle
Spannung aufgeladen ist und der Aufladestrom unter den Wert des Haltestroms sinkt.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Spannung zum Voraufladen
über Widerstände zu entnehmen. Dabei können die Widerstände in Serie zu den zuvor
erwähnten Thyristoren oder Schalterkontakten liegen; es ist jedoch auch möglich,
nur Widerstände zu verwenden. Die Widerstandswerte müssen dann so groß gewählt werden,
daß keine nennenswerte Auf- oder Entladung während des stationären Stromrichterbetriebs
erfolgen kann. Dabei ergeben sich jedoch größere Zeitkonstanten als bei der Verwendung
von Schaltern oder steuerbaren Ventilen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zunächst
die Einspeiseschaltung für die Dauer der Voraufladung des Kommutierungskondensators
freigegeben, nach aureichender Voraufladung wieder gesperrt und anschließend Einspeiseschaltung
und Stromrichter gemeinsam freigegeben.
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Auf diese Weise können Kommutierungsfehler infolge fehlender oder
zu geringer Kommutierungsspannung nicht auftreten, außerdem besteht keine Gefahr,
daß die Spannung im Gleichstromzwischenkreis zu groß wird, da der Stromrichter noch
keinen Strom führt.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Startverfahrens mit einem n-phasigen Strom richter in Brückenschaltung mit Phasefolgenlöschung
besteht aus Thryristoren, Dioden und Kommutierungskonden- -satoren und besitzt eine
Einspeiseschaltung und eine Zwischenkreisdrossel zur Erzeugung eines eingeprägten
Gleich-
stromes zur Speisung des Stromrichters und eine Einrichtung
zum Voraufladen der Kommutierungskondensatoren, wobei die Voraufladeeinrichtung
erfindungsgemäß nur für einen Kondensator einer Brückenhälfte vorgesehen ist.
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Vorzugsweise entnimmt die Einrichtung zum Voraufladen die Voraufladespannung
dem Gleichstromkreis, und zwar entweder über einen zweipoligen Schalter, über zwei
steuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Thyristoren, und bzw. oder über zwei
Widerstände.
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Anhand der Zeichnung sollen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die
dazu geeigneten Vorrichtungen in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden.
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Es zeigen: Fig. 1 die schon erläuterte, bekannte Schaltungsanordnung
nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine erste Ausführungsform nach der Erfindung,
Fig. 3 bis 6 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schaltung nach
Fig. 2, Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel.
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In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Mit Blick auf Fig. 1 soll nochmals die bekannte Ladeschaltung erläutert
werden. Zur Aufladung der Kommutierungskondensatoren CK1, CK3, CK5 der oberen Brückenhälfte
des Stromrichters SR dienen zwei Widerstands-Dioden-Kombinationen R3, D9 bzw. R1,
D7, die die Spannung der Voraufladequelle QL über zwei Sicherungen Si so verteilen,
dual3 beim Zünden beispielsweise des Thyristors T1 der zugehörige
Kommutierungskondensator
CK1 auf die richtige Polarität und richtige Spannung aufgeladen wird.
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Zur Aufladung der Kommutierungskondensatoren CK2, CK4' CK6 der unteren
Brückenhälfte des Stromrichters SR dienen die Widerstands-Dioden-Kombinationen R4,
D10, bzw. R2, D8.
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Die Speisung des Stromrichters SR erfolgt mit eingeprägtem Cleichstrom
Id, der durch eine Einspeiseschaltung E und eine Zwischenkreisdrossel Ld erzeugt
wird. An die Ausgangsklemmen X, Y, Z des Stromrichters SR ist als Verbraucher eine
Drehstrom-Asynchronmaschine ASM angeschlossen.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die mit Ausnahme der Aufladeschaltung
für die Voraufladung der Kommutierungskondensatoren mit der Schaltung der Fig. 1
übereinstimmt.
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Die Aufladeschaltung besteht aus einem zweipoligen Schalter S und
einem Widerstand R10, der die Ausgangsspannung A der Einspeiseschaltung E an den
Kommutierungskondensator CK1 führt, sobald die Schalterkontakte geschlossen werden.
Der Widerstand R10 hat eine strombegrenzende Wirkung.
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Anhand der Figuren 3 bis 6 kann man erkennen, daß durch die gezielte
Aufladung nur des einen Kommutierungskondensators CK1 mit richtiger Polarität in
Verbindung mit der Freigabe der Zündimpulse für die Thyristoren in einer festgelegten
Anfangskonfiguration auch die ungeladenen Kondensatoren der anderen Brückenhälfte
während des ersten Kommutierungsschrittes selbsttätig auf die richtige Polarität
aufgeladen werden, so daß auch dort die zum Löschen der Ventile benötigten Kommutierungsspannungen
zur Verfügung stehen.
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In Fig. 3 sind die Kontakte des Schalters S geschlossen und die Kommutierungskondensatoren
der oberen Brückenhälfte sind
mit den eingezeichneten Polaritäten
und Spannungswerten aufgeladen. Die Kommutierungskondensatoren der unteren Brückenhälfte
bleiben ungeladen. Alle Ventile T1,...T6 sind gesperrt.
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In Fig. 4 sind die Kontakte des Schalters S wieder geöffnet und die
ersten beiden Ventile T1, T2 gezündet. Der Strom Id fließt vom Pluspol des Zwischenkreises
über das Ventil T1, die Diode D1, die Klemme X, die Asynchronmaschine ASM, die Klemme
Z, die Diode D2 und das Ventil T2 zum Minuspol des Zwischenkreises. Die Ladung der
Kommtitierungskondensatoren CK1 ... CK6 bleibt unverändert.
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In Fig. 5 ist das zweite Ventil T3 der oberen Brückenhälfte gezündet.
Das Ventil T1 ist bereits gelöscht. FJU bildet sich ein Stromfluß aus, der vom Pluspol
des %wischenkreises über das Ventil T3, den Kommutierungskondersator CK1 und parallel
dazu über die Kommutierungskondensatoren CK3 und CK5, über die Diode D1, die Klemme
X, dif Asynchronmaschine ASM, die Klemme Z, die Diode D2 und di: weiterhin leitende
Ventil T2 zum Minuspol des Zwischenkreises führt. Die Kommutierungskondensatoren
der oberen Brückenhälfte werden dabei umgeladen.
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Fig. 6 läßt erkennen, daß der Strom aus dem Zweig der Diode D1 auf
den nachfolgenden Zweig mit der Diode D3 kommutiert, sobald die Kommutierungskondensatoren
CK1, CK3, CK5 der oberen Brückenhälfte umgeladen sind. Es bildet sich dann ein Stromfluß
aus, der vom Pluspol des Y,wischenkreises über das Ventil T3, die Diode D3, die
Klemme Y, die Asynchronmaschine ASM, die Klemme Z, die Diode D2 und das weiterhin
leitende Ventil T2 zum Minuspol des Zwischenkreises führt. Sobald an der Klemme
Y positive S-nung anliegt, wird die Diode D6 leitend. Dadurch werden die Kommutierungskondensatoren
CK2, CK14, CK6 der unter
Brückenhälfte mit den eingezeichneten
Spannungen und Polaritäten aufgeladen. Jetzt sind auch die Kommutierungskondensatoren
der unteren Brückenhälfte des Stromrichters Stt mit den für eine Kommutierung des
Stromes aus dem Zweig mit dem Ventil T2 auf den folgenden Zweig mit dem Ventil T14
erforderlichen Kommutierungsspannungen aufgeladen.
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Da der für die Kommutierung des Stromes vom Ventil T2 auf das in der
Phasenfolge folgende Ventil T4 verantwortliche Kommutierungskondensator CK2 nur
auf die halbe Vorauf]adespannung aufgeladen ist und deshalb auch nur den halben
maximalen Strom löschen kann, kann es sich empfehlen, durch externe Eingriffe in
die Einspeiseschaltung E, insbesondere durch Beeinflussung des Sollwertgebers des
dort üblicherweise vorhandenen Stromregelkreises, den Zwischen kreisstrom Id zu
reduzieren. üblicherweise genügt jedoch die durch die Zwischenkreisdrossel L d bewirkte
Verringerung des Zwischenkreisstromes 1d Ein Eingriff in den Stromregler kann jedoch
dann erforderlich werden, wenn der Stromrichter mehr als drei Phasen, z.B. fünf
oder sieben Phasen enthält.
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Fig. 7 zeigt einen Stromrichter, bei dem die zur Voraufladung des
Kommutierungskondensators CK1 dienende Spannung UA über zwei Widerstände R5 dem
Gleichspannungszwischenkreis entnommen wird. Die Widerstandswerte müssen so groß
gewählt werden, daß eine nennenswerte Auf- oder Entladung während des stationären
Stromrichterbetriebs nicht erfolgen kann. Diese Schaltung zeichnet sich durch besondere
Einfachheit aus, führt jedoch zu relativ großen Zeitkonstanten bei der Voraufladung
der Kommutierungskondensatoren.
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Fig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der die Dauer der Voraufladung dadurch
reduziert ist, daß die Widerstandswerte der
Voraufladewiderstände
R6 gegenüber den Werten der Widerstände R5 reduziert wurden. In Serie zu den Widerständen
R6 ist je ein steuerbares Ventil T7, T8 angeordnet. Wärend der Vorladephase werden
diese Ventile T7, T8 mit Zündimpulsen versehen. Sobald die Kommutierungskondensatoren
der oberen Brückenhälfte aufgeladen sind, sinkt der Aufladestrom unter den Wert
des Ventil-Haltestroms und die Ventile T7, T8 verlöschen. Während des weiteren Betriebs
des Stromrichters bleiben die Zündimpulse für die Ventile T7, T8 gesperrt.
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Bei der Entnahme der Voraufladespannung UA aus dem Gleichspannungszwischenkreis
muß die Einspeiseschaltung E freigegeben werden, bevor der Stromrichter SR gestartet
wird.
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Um zu verhindern, daß dadurch im Zwischenkreis irreguläre Verhältnisse
entstehen, wird die Einspeiseschaltung E wieder gesperrt, sobald die Kommutierungskondensatoren
voriufgeladen sind. Anschließend werden Einspeiseschaltung E und Stromrichter SR
gemeinsam freigegeben.
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