DE4022033A1 - Schaltungsanordnung fuer umkehrstromrichter mit zwei kompakt-drehstrombruecken in gegenparallelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Umkehrstrom­ richter mit zwei Kompakt-Drehstrombrücken in Gegenparallelschal­ tung, wobei bei jeder Kompakt-Drehstrombrücke, die in herkömm­ licher Weise je eine aus jeweils drei Ventilen bestehende, als positiv und negativ definierbare dreipulsige Sternschaltung aufweist, die über den Gleichstromkreis in Reihe schaltbar sind, alle Ventile in einem Gehäuse angeordnet und mit dessen isolier­ ter Bodenplatte optimal wärmeleitend verbunden sind und die An­ schlußpunkte für den Drehstrom, die beiden Sternpunkte als An­ schlußpunkte für den Gleichstrom und die Anschlußpunkte für die Ansteuerleitungen an Gehäuseklemmen geführt sind.

Aus dem russischen Abstract "Soviet inventions illustrated, Section E1, week KO8, 6. April 83, Derwent Publications LTD, SU 913-529 sind Drehstrom-Gleichstrom-Spannungsumsetzer be­ kannt, bei denen zur Hauptthyristorbrücke ein aus zwei in Reihe geschalteten Dioden gebildeter Stromkreis vorgesehen ist. Ferner ist ein Stromteiler vorgesehen, dessen Wicklungs­ anfang an die zusammengeschalteten Anoden und Kathoden einer ersten zusätzlichen Thyristorbrücke angeschlossen ist und dessen Wicklungsende mit den zusammengeschalteten Anoden und Kathoden einer weiteren zusätzlichen Thyristorbrücke verbun­ den ist. Die Anzapfung, durch die das Windungsverhältnis des Stromteilers auf 0,732 : 0,268 festgelegt ist, ist mit dem Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Dioden ver­ bunden. Diese Schaltung dient bei Stromversorgungen mit regel­ barer Gleichspannung, bei der größere Anforderungen hinsicht­ lich der Eingangs- und Ausgangsströme bestehen, zur Verbesserung der Kurvenform des dem Netz entnommenen Stromes und zur Ver­ kleinerung des Brumms der gleichgerichteten Spannung.

Bei herkömmlichen Brückenschaltungen ist jedes der Ventile auf einem eigenen Kühlkörper befestigt. Insgesamt bedingt dies ne­ ben dem Arbeitsaufwand für die elektrische Verdrahtung auch einen großen mechanischen Aufwand. Daher wurden für geringere bis mittlere Leistungen Kompaktbrücken entwickelt, bei denen alle Ventile einer Brücke in einem Gehäuse angeordnet und ther­ misch optimal mit dem Gehäuse verbunden sind, wobei die An­ schlüsse an Gehäuseklemmen herausgeführt werden. Dabei ist das Entfallen des Verdrahtungsaufwandes sowie die vereinfach­ te Montage des Gehäuses, die lediglich mittels zweier Schrau­ ben auf einem einzigen Kühlkörper erfolgt, von Vorteil. Es er­ gibt sich somit eine kompakte, platzsparende Ausführung.

Bei der einfachen Stromrichterschaltung mit einer Drehstrom- Brückenschaltung ist durch die Ventile eine Stromrichtung und damit für einen gespeisten Antrieb eine Momentenrichtung fest­ gelegt. Bei sogenannten Mehrquadrantenantrieben erfolgt der Betrieb so, daß nicht nur Treiben in einer Drehrichtung, son­ dern Treiben und Bremsen in zwei Drehrichtungen möglich ist. Dies ist dann erforderlich, wenn häufiges Beschleunigen und Verzögern oder häufiger Drehrichtungswechsel erforderlich sind und die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten klein gehalten werden sollen. Um eine Umkehr der Stromrichtung bzw. Momenten­ richtung zu erreichen, muß daher die Schaltung im Leistungsteil erweitert werden.

Wenn man von Ankerkreis- oder Feldkreisumschaltung absieht, kommt dafür die Gegenparallelschaltung in Frage. Bei dieser verwendet man zwei netzgeführte gegenparallelgeschaltete Strom­ richter, je einen für jede der beiden zueinander entgegenge­ setzten Stromrichtungen. Bei der kreisstromfreien Gegenparallel­ schaltung ist immer nur einer der beiden Stromrichter in Betrieb, bei dem zweiten sind die Impulse gesperrt. Der Steuer- und der Regelteil müssen dabei verschiedene bekannte Zusatzbedingungen gegenüber dem Einquadrantenantrieb erfüllen können. Hier sind für jede Stromrichtung alle sechs Ventile der zugeordneten Dreh­ strombrücke zyklisch in Betrieb und zwar in der bekannten Ein­ schaltreihenfolge, bei der jeweils zwei Ventile überlappend stromführend sind. Es tritt also bei Kompaktbrücken, auf die die Erfindung bezogen ist, während der Stromführungszeit einer Brücke in deren Gehäuse die volle Verlustleistung auf, die über den Gehäuseboden an den Kühlkörper abgeführt werden muß. In der anderen stromlosen Brücke tritt während dieser Zeit keine Verlustleistung auf. Dies stellt eine sehr unrationelle Auf­ teilung der Verlustleistung dar, die auch zu mechanischen Be­ anspruchungen führen kann. Erfindungsgemäß wird demgegenüber eine Schaltungsanordnung vorgesehen, bei der bei jeder der beiden Kompaktbrücken die Sternpunkte an ihren Gehäuseklemmen in an sich bekannter Weise zusammengeschaltet sind und je einen Gleichspannungs-Anschlußpunkt bilden und für jede Stromrichtung die Ventile der positiven Sternschaltung einer der beiden Kom­ paktbrücken zusammen mit den Ventilen der negativen Sternschal­ tung der jeweils anderen Kompaktbrücke in der bekannten Zünd­ reihenfolge angesteuert sind. Der erzielbare Vorteil liegt da­ rin, daß der Strom jeweils auf je eine halbe Kompaktbrücke ver­ teilt wird, wodurch die Gegenparallelschaltung mehr Strom führen kann, da nur die halbe Verlustleistung in einem Brücken­ gehäuse entsteht, die über die gleiche Brückenbodenfläche abge­ führt wird, wie die volle Verlustleistung. Gleichzeitig wird auch eine bessere Wärmeverteilung auf dem Kühlkörper erreicht, die dessen Wärmewiderstand verringert.

Anhand von Zeichnungsfiguren soll nachfolgend die erfindungs­ gemäße Schaltungsanordnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die bekannte Standardschaltungsanordnung und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für Umkehrstrom­ richter mit zwei Kompakt-Drehstrombrücken in Gegenparal­ lelschaltung.

Fig. 1 zeigt zwei aus je sechs Ventilen 1-6, 1′-6′ aufge­ baute Drehstrombrückenschaltungen 7, 8. Aus diesen jeweils sechs Ventilen 1-6 und 1′-6′ sind zwei unterschiedliche Brückenhälften 9, 10 und 9′, 10′ in Form von dreipulsigen Stern- oder Mittelpunktschaltungen gebildet, die drehstrom­ seitig parallelgeschaltet und angespeist sind und über einen äußeren Gleichstromkreis in Reihe geschaltet werden. Bei den ersten Brückenhälften 9, 9′, die aus den Ventilen 2, 4, 6 bzw. 2′, 4′, 6′ gebildet sind, sind die Anoden dieser Ventile mit­ einander und mit einer ersten Klemme 11, 11′ galvanisch ver­ bunden, die einen negativen Anschlußpunkt für den Gleich­ stromkreis bildet. Diese ersten Brückenhälften 9, 9′ können daher auch als "negative" Brückenhälften bezeichnet werden. In analoger Weise sind bei den zweiten Brückenhälften 10, 10′, die aus den Ventilen 1, 3, 5 bzw. 1′, 3′, 5′ bestehen, die Kathoden dieser Ventile galvanisch miteinander und mit einer zweiten Klemme 12, 12′ verbunden, die einen positiven Anschlußpunkt für den Gleichstromkreis bildet. Diese zweite Brückenhälfte 10, 10′ wird daher auch als "positive" Brückenhälfte bezeichnet.

Zur Schaffung eines kreisstromfreien Umkehrstromrichters wird der negative Anschlußpunkt 11 der beschriebenen ersten Brücken­ schaltung 7 mit dem positiven Anschlußpunkt 12′ einer identisch aufgebauten zweiten Brückenschaltung 8 galvanisch verbunden und bildet einen ersten Gleichstromausgang 13 des Umkehrstrom­ richters. ln gleicher Weise wird der positive Anschlußpunkt 12 der ersten Brückenschaltung 7 mit dem negativen Anschlußpunkt 11′ der zweiten Brückenschaltung 8 verbunden und stellt einen zweiten Gleichstromausgang 14 des Umkehrstromrichters dar. Die Stromflußrichtung durch einen an diese beiden Gleichstromaus­ gänge 13, 14 angeschlossenen Gleichstromkreis 15 hängt nun davon ab, welche der beiden, antiparallel zusammengeschalteten Brückenschaltungen 7, 8 angesteuert wird, was mit der bekannten Einschaltreihenfolge für die Ventile geschieht, die der Reihen­ folge ihrer Bezeichnung entspricht. Durch die bekannte, hier nicht dargestellte Impulssperreinrichtung ist dafür zu sorgen, daß nur jeweils eine Brückenschaltung 7 oder 8 angesteuert sein kann und die Impulse für die jeweils andere Brückenschaltung gesperrt sind. Die Umschaltung darf erst dann erfolgen, wenn durch eine sogenannte Stromnullmeldungseinrichtung das Abklin­ gen des im Gleichstromkreis 15 fließenden Stromes auf den Wert Null festgestellt wird.

Es ist also durch wahlweise Ansteuerung einer der beiden Brücken­ schaltungen 7, 8 möglich, im Gleichstromkreis 15 Stromfluß in entgegengesetzten Richtungen zu bewirken, der etwa bei Anord­ nung eines Antriebes in diesem Kreis vier Betriebszustände er­ möglicht, nämlich Antreiben und Bremsen in je zwei Drehrichtun­ gen. Für jeden dieser Betriebszustände erfolgt der Stromfluß nur durch jeweils eine der beiden Brückenschaltungen 7, 8, so­ daß in dieser die gesamte Verlustleistung und somit Verlust­ wärme auftritt.

Für geringere Stromstärken im Gleichstromkreis, die derzeit etwa bis zur Größenordnung von 100 A gehen, kann ein derarti­ ger Umkehrstromrichter vorteilhaft aus zwei handelsüblichen Kompaktbrücken aufgebaut werden. Bei derartigen Kompaktbrücken sind alle Ventile in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Sie sind optimal wärmeleitend auf einer großen isolierten Boden­ platte des Gehäuses befestigt, untereinander verdrahtet und die erforderlichen Anschlüsse sind an Schraub- bzw. Steckan­ schlüsse herausgeführt, die am Kunststoff-Gehäusedeckel ange­ ordnet sind. Es sind dies im speziellen drei Schraubklemmen für die Drehstromanspeisung und zwei Schraubklemmen für die Speisepunkte des Gleichstromkreises sowie sechs Flachstecker für die Steuerleitungen. Diese Kompaktbrücken haben den Vorteil, daß jeder anwenderseitige Verdrahtungsaufwand entfällt und zur Befestigung auf einem einzigen Kühlkörper lediglich zwei Schrau­ ben erforderlich sind.

Das oben bezüglich der ungleichen Verlustwärmeverteilung ge­ sagte gilt selbstverständlich auch hier. Herstellerseitig wer­ den die Nennstromstärken für eine Gehäusetempetatur von 84°C angegeben, wobei diese Temperatur bei Nennstromstärke und ei­ nem gesamten thermischen Widerstand des Gehäuses von 0,141°C/W auftritt.

Der Erfindungsgedanke liegt nun darin, in jedem Betriebszustand je eine Hälfte der zwei Kompaktbrücken und zwar je eine posi­ tive und je eine negative Sternschaltung gemeinsam gleichzeitig zur Stromführung heranzuziehen und dadurch die gesamte auftre­ tende Verlustleistung bzw. Verlustwärme gleichmäßig, je zur Hälfte, auf die beiden Kompaktbrücken aufzuteilen. Da in jeder Kompaktbrücke die Hälfte der augenblicklichen Gesamtverlust­ leistung auftritt und zur Abfuhr der dabei entstehenden Ver­ lustwärme zwei parallele Wärmeleitstrecken zur Verfügung ste­ hen, tritt erst bei höheren Lastströmen die erlaubte Gehäuse­ temperatur auf, sodaß der erfindungsgemäße Umkehrstromrichter mit einer Stromstärke belastet werden darf, die beträchtlich über der Nennstromstärke der verwendeten Kompaktbrücken liegt. Da auch bei jedem Betriebszustand der durch das Fließen eines Laststromes gekennzeichnet ist, jede der beiden Kompaktbrücken stromführend ist, tritt in diesen kein so starkes Temperatur­ spiel auf, wie bei der herkömmlichen Anordnung, bei der ja immer eine Kompaktbrücke stromführend und die andere Kompakt­ brücke stromlos ist. Dieser Umstand wirkt sich vorhersehbar günstig auf die Lebensdauer aus.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ohne wesentlichen zusätzlichen Schaltungsaufwand lediglich durch Schaltungs­ änderungen zu realisieren, wie aus Fig. 2 erkennbar ist. So sind bei der ersten Kompaktbrücke 7 der positive Anschlußpunkt 12 für die Gleichspannung und der negative Anschlußpunkt 11 für die Gleichspannung zusammengeschaltet und bilden den ersten Gleichspannungsanschlußpunkt 16. Analog sind bei der zweiten Kompaktbrücke 8 der positive Anschlußpunkt 12′ für die Gleich­ spannung und der negative Anschlußpunkt 11′ für die Gleich­ spannung zusammengeschaltet und bilden den zweiten Gleichspan­ nungsanschlußpunkt 17.

Außerdem erfolgt eine Änderung bei der Ansteuerung eines Teiles der Ventile, wobei die Steuerleitungen, die zur Übertragung der Zündimpulse, die von einer hier unter dem Begriff Steuersatz zusammengefaßten Einrichtung 18 erzeugt werden, an die Steuer­ elektroden der Ventile dienen, für zwei gleich definierte Halb­ brücken vertauscht werden. So ist dies im Beispiel für die Steuerleitungen der Ventile der positiven Brückenhälften vorge­ nommen.

Die Steuerleitungen 21, 23, 25, die in Fig. 1 als zu den Steuer­ elektroden der Ventile 1, 3, 5, der positiven Brückenhälfte 10 der ersten Kompaktbrücke 7 führend gezeichnet sind, führen nun­ mehr (Fig. 2) zu den Steuerelektroden der Ventile 1′, 3′, 5′, der positiven Brückenhälfte 10′ der zweiten Kompaktbrücke 8. Analog führen die Steuerleitungen 31, 33, 35, die in Fig. 1 als zu den Steuerelektroden der Ventile 1′, 3′, 5′, der positiven Brücken­ hälfte 10′ der zweiten Kompaktbrücke 8 führend gezeichnet sind, nunmehr (Fig. 2) zu den Steuerelektroden der Ventile 1, 3, 5, der positiven Brückenhälfte 10 der ersten Kompaktbrücke 7. Dies soll in Fig. 2 auch durch die überkreuzte Linienführung für die entsprechenden Leitungsstränge hervorgehoben werden. Durch Schraffur der an der Stromführung beteiligten Ventile - für eine Stromrichtung - wird der durch die Erfindung erzielte Effekt, nämlich die gleichmäßige Aufteilung der Verlustleistung auf die beiden Kompaktbrücken unmittelbar anschaulich.

Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung mit gleicher Wirkung anstelle der hier dargestellten Vertauschung der An­ steuerleitungen für die Ventile der positiven Brückenhälften 10, 10′, die Ansteuerleitungen für die Ventile der negativen Brückenhälften 9, 9′, der Kompaktbrücken 7, 8, in der beschrie­ benen Weise vertauscht werden.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung für Umkehrstromrichter mit zwei Kompakt- Drehstrombrücken in Gegenparallelschaltung, wobei bei jeder Kom­ pakt-Drehstrombrücke, die in herkömmlicher Weise je eine aus je­ weils drei Ventilen bestehende, als positiv und negativ defi­ nierbare dreipulsige Sternschaltung aufweist, die über den Gleichstromkreis in Reihe schaltbar sind, alle Ventile in einem Gehäuse angeordnet und mit dessen isolierter Bodenplatte opti­ mal wärmeleitend verbunden sind und die Anschlußpunkte für den Drehstrom, die beiden Sternpunkte als Anschlußpunkte für den Gleichstrom und die Anschlußpunkte für die Ansteuerleitungen an Gehäuseklemmen geführt sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei jeder der beiden Kompaktbrücken (7, 8) die Sternpunkte an ihren Gehäuseklemmen (11, 12 bzw. 11′, 12′) in an sich bekannter Weise zusammengeschaltet sind und einen Gleichspannungs-Anschlußpunkt (16, 17) bilden und daß für jede Stromrichtung die Ventile (1, 3, 5 bzw. 1′, 3′, 5′) der posi­ tiven Sternschaltung (10, 10′) einer der beiden Kompaktbrücken (7, 8) zusammen mit den Ventilen (2, 4, 6 bzw. 2′, 4′, 6′) der ne­ gativen Sternschaltung (9, 9′) der jeweils anderen Kompaktbrücke (8, 7) in der bekannten Zündreihenfolge angesteuert sind.