-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft eine schaltbare Gleichrichteranordnung gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In der Energietechnl wird zum Gleichrichten überwiegend
die Drehstrombrückenschaltung 'B6) verwendet, wie sie z.B. in Heumann/Stumpe "Thyristoren"
1969 auf den Seiten 97 und 98 angegeben ist.
-
Die Brückenschaltung arbeitet in der Regel auf eine okmschinduktive
Last.
-
Soll die Energiezufuhr von der Drehstromseite zur Gleichstromseite
unterbrochen werden, muß das Drehspannungsnetz abgeschaltet werden. Dies kann auf
vielfältige Weise geschehen, z.B. mittels mechanisch betätigter oder elektronischer
Sch<.lter. Des weiteren ist es bekannt, parallel zur induktiven Last eine Freilaufdiode
anzuordnen, die den Strom nach dem Öffnen des Schalters weiterfließen läßt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde bei einer schaltbaren Gleichrichteranordnung
in Drehstrombrückenschaltung der genannten Art den Aufwand an Thyristoren zu vermindern
und den
Freilaufkreis in die Brückenschaltung zu integrieren.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ETnteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Anwendungsfälle der Erfindung sind bei der schleifringic:ser E-regereinrichtung
für Synchronmaschinen kleiner und mittlerer Leistungen mit einer rotierenden, schaltbaren
Gleichricht£---anordnung, bei im Zwei-Pulsbetrieb arbeitenden Gleichrichter zur
Speisung von Gleichstrommaschinen mittlerer Leistung un bei untersynchronen Stromrichterkaskaden
gegeben.
-
Fig. 1 zeigt die schaltbare Gleichrichteranordnung in Drehstrombrückenschaltung
gemäß der Erfindung Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen
der Gleichrichteranordnung, wenn im Moment des Ausschaltens ein gesteuertes und
ein ungesteuertes Ventil den Strom führen.
-
Fig. 3 zeigt das Ubersichtschaltbild einer schleifrlnglosen Erregereinrichtung
für Synchronmaschinen mit einer rotierenden, schaltbaren Gleichrichteranordnung
Fig.
4 zeigt die schaltbare Gleichrichter3nordnung als Bestandteil einer untersynchronen
Stromrichterkaskade.
-
Fig. 5 zeigt die schaltbare Gleichrichteranordnung als Bestandteil
einer untersynchrcnen Stromrichterkaskade mit Kurzschließer Thyristor.
-
In der Fig. 1 ist ein Drehspannungssystem UR, Us, UT über Widerstände
R1, R2, R3 und Induktivitäten L1, L2, L an cie Anschlußpunkte R, S, T einer Drehstrombrückenschaltung
angeschlossen. In zwei ihrer Zweigpaare sind je zwei steuerbare Ventile T1, T4 und
T2, T3 angeordnet. Das dritte Zweigpaar besteht aus zwei ungesteuerten Ventilen
D1 und D. An c>e Gleichstromseite der Brücke ist eine ohmsch-induktive Last,
bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes RD mit einer Induktivität LD,
angeschlossen. Die Steuereingänge der steuerbaren Ventile g 4 sind zusammengeschaltet.
Sie sind mit einem in der Fig. 1 nicht dargestelltem Steuergerät verbunden, welches
im eingeschaltetem Zustand Dauerimpulse liCfCi Im folgenden soll die Wirkungsweise
der schaltbaren Gleichrichteranordnung näher beschrieben werden. Der Grundgedanke
der Schaltung geht davon aus, daß ein Energietransport von der DS- zur GS-Seite
nur stattfinden kann, wenn mindestens zwei der drei Stränge des Drehspannungssystems
angeschlossen sind. Werden zwei davon abgetrennt, was hier mit Hilfe der
steuerbaren
Ventile T1-T4 geschieht, wird der Energietransport unterbunden.
-
Soll die Gleichrichteranordnung eingeschaltet werden, müssen alle
vier steuerbaren Ventile T1-T4 von dem Impulsgenerator Dauerimpulse erhalten. Diese
haben damit Diodenfunktion und die Wirkungsweise der Schaltung unterscheidet sich
nicht von einer B6-Schaltung.
-
Zum Abschalten des Gleichstromes wird die Drehspannungsquelle von
der Last getrennt, indem die Dauerimpulse mit denen die steuerbaren Ventile T 4
angesteuert werden, gesperrt werden.
-
Nach einer Totzeit t, , deren Länge vom Abschaltaugenblick abhängt,
wird die Ausgangsspannung der Brücke zu Null. Der Gleichstrom kommutiert in den
Freilauf zweig, der durch die ungesteuerten Ventile D1 und D2 gebildet wird, und
klingt mit der Lastzeitkonstante ab.
-
Werden die Zündimpulse der steuerbaren Ventile T1-T4 gesperrt, hängt
der weitere Verlauf der Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung davon ab, ob
gerade. zwei steuerbare Ventile oder ein steuerbares und ein ungesteuertes Ventil
den Laststrom führen.
-
In der Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf von Spannungen und Strömen
der Gleichrichteranordnung für den Fall dargestellt,
daß beim Ausschalten
zum Zeitpunkt t1 das gesteuerte Ventil T4 und das ungesteurte Ventil D1 den Strom
führen.
-
In der Fig. 2a ist der zeitliche Verlauf der Phasenspanrung UR und
des Stromes IR, in Fig. 2b derer Phasenspannung U5 und des Stromes IS dargestellt.
U5 bzw. IS sind gegenüber UR bzw. IR jeweils um 1200 phasenverschoben.
-
Fig. 2c zeigt den Strom ID1, der durch das ungesteuerte Ventil D1
fließt und der für positive Werte des Stromes 1R mit diesem identisch ist.
-
In Fig. 2d ist der Strom 1T1 dargestellt, der durch das steuebare
Ventil T1 fließt und der für positive Werte des Stromes IS mit diesem identisch
ist.
-
Die an der Last liegende Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung
UD und der durch die Last fließende Strom sind in Fig. 2e dargestellt.
-
Zum Zeitpunkt t1 werden die Dauerimpulse, mit denen die steuerbaren
Ventile beaufschlagt werden, gesperrt. Da, wie oben angegeben und in Fig. 2 dargestellt,
zum Zeitpunkt t1 ein steuerbares Ventil T4 und ein ungesteuertes Ventil D1 den Strom
führen, kommutiert der Strom hier nach ca 90° el., spätestens,-åedoch nach 1200
el. in das zweite ungesteuerte Ventil D2 ? das zusammen mit Ventil D1 den Freilaufkreis
bildet.
-
Leiten zum Zeitpunkt des Abschaltens gerade zwei steuerbare Ventile
(z.B. T1, T2) kommutiert der Laststrom spätestens nach 1800 el. in den Freilauf
zweig.
-
Der angegebene Abschaltverzögerungswinkel von 1800 el.
-
stellt einen Höchstwert dar, der auch bei Überlappung nicht überschritten
werden kann. Die Ausschaltverzögerungszeit ,& ist also abhängig vom Ausschaltzeitpunkt
und schwankt zwischen 600 el./gvN t 1800 el./;f N. Die Totzeiten sind nicht gleichverteilt.
Die mittlere Totzeit beträgt 11 T/36 (T: Periodcndauer der Spannung).
-
Wenn die schaltbare Gleichrichteranordnung nach der Erfindung so gesteuert
wird, daß sie im Zweipulsbetrieb arbeitet, kann an deren Ausgang z.B. eine Gleichstrommaschine
angeschlossen werden, deren Ankerstrom über das Tastverhältnis geregelt erden kann
UR, US, UT nach Fig. 1 stellen dann das Drehstromnetz, R1, R2, R3;ohmsche Leitungswiderständerstände
und L1, L2, L3 Streuinduktivitäten dar.
-
In der Fig. 3 ist das Ubersichtschaltbild einer schleifringlosen Erregereinrichtung
für Synchronmaschinen mit einer rotierenden, schaltbaren Gleichrichteranordnung
dargestellt.
-
Diese Anordnung besteht aus einer Erregermaschine der Außenpolart,
deren Wechselstromwicklung 1 mit der schaltbaren
Gleichrichteranordnung
4 verbunden ist. Die in der Wechselstromwicklung 1 induzierte EME der Erregermaschine
entspricht dem Drehspannungssystem UR, Us, UT nach Fig. 1. Die GleicG-spannung UD
wird der Polradwicklung der Synchronmaschine, d3-gestellt durch einen Feldwiderstand
6 und einer Feldinduktivität 7 zugeführt. Diese entsprechen der ohmsch-induktiven
Last RD, LD nach Fig. 1.
-
Mit 8 ist die Drehstromwicklung der Synchronmaschine dargestellt,
die an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Stmomaufnahme der Drehstromwicklung
8 und die Spannung werden erfaßt und als Istwerte einem Regler 11 zugeführt, an
dessen Ausgang ein Zündimpuls-Drehübertrager 5 angeschlossen ist.
-
Im Normalbetrieb werden im Regler 11 erzeugte Dauerimpulse an die
steuerbaren Ventile der schaltbaren Gleichrichteranordnung 4 übertragen, die dann
als B6 Schaltung arbeitet.
-
Werden die Zündimpulse der steuerbaren Ventile gesperrt, wIrd, wie
breits in der Beschreibung der Figuren 1 und 2 angegeben, die Ausgangs spannung
der Brücke zu Null. Das Ein- und ksschalten der speisenden Gleichspannung soll zur
Beeinflussung der Größe des Erregerstromes und damit zur lastunabangiGen Konstanthaltung
der Klemmenspannung des Synchrongenerators dienen.
-
Ein weiterer Anwendungsfall der schaltbaren Gleichrichteranordnung
nach der Erfindung ist bei einer untersynchronen
Stromrichterkaskade
(USK) gegeben. Die USK arbeitet nach dem Prinzip, daß ein Asynchron-Schleifringläufermotor
ari.
-
ein Drehstromnetz angeschlossen ist, an dessen Schleifringläufer
ein Umrichter angeschlossen ist, der aus einem Gleichrichter, einer Glättungsdrossel
und. einem im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Stromrichter besteht. Der Ausgang
des Umrichters ist an das Drehstromnetz angeschlossen, damit wird die Schlupfleistung
in das Netz zurückgespeist.
-
Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter als schaltbare Gleichrichteranordnung
ausgeführt. Hier dient sie zur Unterbrechung des Energieflusses vom Läufer zum Wechselrichter
im Fall der Techselrichterkippung. Die Totzeit von # 180° el. /#N J Nbei der Abschaltung
stört dabei nicht. Sie hilft sogar bei der Vermeidung von Überspannungen, die durch
Ausgleichsvorgänge in der Maschine am läuferseitigen Gleichrichter auftreten können.
Es ist bekannt, daß im Fall von Uberspannungen der Gleichstromkreis nicht sofort
geöfnet werden sollte. Die Überspannung sollte v-sr:, der Öffnung erst abklingen.
Dies ist durch die Totzeit immer gegeben.
-
Im folgenden wird an einem Ausführungsbeispiel einer sechspulsigen
Schaltung nach Fig. 4 beschrieben, wie die Schaltabläufe bei Störungen im GS-Zwischenkreis
oder im Wechselrichter zum Schutz der USK mit schaltbarem Gleichrichter ablaufen.
-
An ein Drehstromnetz R, S, T ist über einen Schalter ein Asynchron-Schleifringläufermotor
7 angeschlossen. Die Schleifringe des Läufers sind mit den Wechselstromeingängen
der schaltbaren Gleichrichteranordnung nach der Erfindung 8 verbunden. Dessen Gleichstromausgänge
führen über Glättungsdrosseln 9 zu dem Eingang eines Wechselrichters 10. Die Ausgänge
des Wechselrichters 10 sind über einen Transformator 11 mit dem Drehstromnetz R,
S, g verbunden. Zwischen den Ausgängen der schaltbaren Gleichrichteranordnung 8
i zu 7; ein Überstromschalter 12 vorgesehen, dessen Ausgangssignczb auf eine Steuereinheit
3 zum Abschalten bei Überspannung im Gleichstromzwischenkreis wirkt. Die Ausgänge
der Steuereinheit 3 führen zu einem Steuergerät 1 mit Wechselrichterkipperfassung'und
zu einem Steuergerät für die schaltbare Gleichrichteranordnung 2. Dem Steuergerät
1 wird der Wechselrichterstrom und die Netzspannung zur Kipperfassung zugeführt,
es ist außerdem mit dem Steuergerät für die schaltbare Gleichrichteranordnung 8
verbunden, an deren Ausgang 4 die steuerbaren Ventile in zwei Zweigen der Drehstrombrückenschaltung
angeschlossen sind.
-
Die Schaltabläufe im Störungsfall sind folgende: 1. Fall (keine Überspannung
im Zwischenkreis) Das Steuergerät 1 stellt eine WR-Eippung fest, obwohl keine Überspannung
im Zwischenkreis auftritt.
-
Die Dauerimpulse zur Ansteuerung der steuerbaren Ventile werden gesperrt.
Dadurch wird die Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung 8 nach ca. ',9/- 1800
M: : Läuferkreisfrequenz der Maschine) zu Null und der Strom im Zwischenkreis fließt
über die ungesteuerten Ventile der Gleichrichteranordnung 8 weiter.
-
Der Zwischenkreis klingt nach einer e-Funktion ab. Ist die Netzspannung
noch vorhanden, und sind die Steuerimpulse in WR-Endlage, wird der Gleichstrom durch
die Ausgangswechselspannung des WR moduliert und geht früher durch Null, als es
ohne Spannung der Fall wäre.
-
Ist der Zwischenkreisstrom Null, können alle steuerbaren Ventile der
Gleichrichteranordnung 8 erneut gezündet werden und der Zwischenkreisstrom kanh
erneut auf seinen Betriebswert ansteigen.
-
2. Fall (mit Überspannung im Zwischenkreis) Bei ständerseitigem Kurzschluß
des Asynchron-Schleifringläufermotors 7 oder Ausfall einer oder mehrerer NetzphasenS
sowie bei Schaltungen in Phasenopposition ergeben sich im Zwischenkreis Überspannungen,
die insbesondere die Ventile der Gleichrichteranordnung 8 gefährden. Es muß deshalb
dafür gesorgt werden, daß diese während der Dauer der Überspannung eingeschaltet
bleibt. Dafür sorgt die Steuereinheit 3
Zur Entlastung der Ventile
des Wechselrichters 10 werden diese für die Dauer der Überspannung durch ein Signal
der Steuereinheit 1 dauergezündet.
-
Ist die Überspannungsphase beendet, werden die Zündimpulse für die
steuerbaren Ventile in der Gleichrichteranordnung 3 gesperrt.
-
Der weitere Ablauf gleicht dem im 1. Fall.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer untersynchronen Stromrichterkaskade
mit einer schaltbaren Gleichrichteranordnung und einem Kurzschließer-Thyristor ist
in Fig. 5 dargestellt.
-
Der Kurzschließer-Thyristor 13 wird dann eingesetzt, wenn die Schutzmaßnahme
t'Durchzünden des Wechselrichters" nicht ausreicht. An Stelle des Wechselrichters
10 wird dann in Störungsfall der Kurzschließer-Thyristor 13 gezündet. Der weitere
Stromanstieg im Wechselrichter 10 und in den Glättwn,sdrosseln 9 wird damit sofort
unterbunden. Da der Asynchron-Schleifringläufermotor 7 nun läuferseitig über den
ELurzschließer-Thyristor 13 und über die schaltbare Gleichrichteranordnung 8 kurzgeschlossen
ist, beginnt dieser bei vorhandener Netzspannung zu beschleunigen. Ist die Störung
vorüber, känn der läuferseitige Kurzschluß durch Abschalten der schaltbaren Gleichrichteranordnung
8 aufgehoben werden. Der Eurzschließer
-Thyristor 13 wird stromlos.
In diesem Monent beginnt der Asynchron-Schleifringläufermotor 7 auszulauen.
-
Wird nun die schaltbare Gleichrichteranordnung 8 und der Wechselrichter
10 erneut eingeschaltet, kann der Auslaufvorgang unterbroohen und der gewünschte
Betriebszustand wieder eingestellt werden.