DE4413382C2 - Drehstrom-Gleichrichterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Drehstrom-Gleichrichterschaltung ist aus dem Aufsatz: Perrin, E. M.: Fundamental Operation of Rectifiers with Thyristor AC Power Control in: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-9, Nr. 4, July/August 1973, Seiten 453 bis 461, bekannt. Auf der Sekundärseite weist der Transformator der Drehstrom-Gleichrichterschaltung eine Wicklung in Stern-Schaltung auf.

Aus der DE 36 19 801 A1 ist ebenfalls eine Drehstrom-Gleichrichter­ schaltung bekannt. Die dort beschriebene Schaltung wird eingesetzt für Verbraucher, die während des Betriebes bisweilen Kurzschlüsse erzeugen. Die Schaltung dient einer Verkürzung der Abschaltzeiten im Falle von auftretenden Kurzschlüssen. Dabei soll der beim Abschalten der Stromversorgung auf das Netz wirkende Stromstoß weitgehend reduziert werden. Das Problem einer Verminderung der Netzrückwirkungen während einer (längeren und störungsfreien) Versorgung eines Gleichstromverbrauchers mit Hilfe eines Gleichrichters wird nicht erwähnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehstrom-Gleichrichterschaltung bereitzustellen, die mit besonders geringem Ansteueraufwand auskommt und bei der die Netzrückwirkungen minimiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1 gelöst.

Von Vorteil ist es, die Einrichtungen, die je nach Ansteuerung den Betriebsstrom in einer der beiden möglichen Richtungen durchlassen, auf der Primärseite des Drehstromtransformators anzuordnen - insbesondere bei Drehstrom-Gleichrichterschaltungen mit kleinen Ausgangsspannungen -, denn in diesem Fall sind die Ströme auf der Primärseite relativ gering; folglich müssen die Einrichtungen an jedem der drei Phasenanschlüsse lediglich für die geringen Ströme auf der Primärseite ausgelegt werden; üblicherweise sind derartige Einrichtungen, die für kleine Ströme ausgelegt sind, kostengünstiger erhältlich als solche für große Ströme. Die Drosseln am Ausgang des Drehstrom-Transformators sorgen dafür, daß der Netzstrom einer jeden Phase sich nicht sprungartig verändert, sondern einen trapezförmigen Verlauf annimmt.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Verschaltung der Bauteile, durch ein geeignetes Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen auf jedem Schenkel des Drehstromtransformators innerhalb der Zickzackwicklung, durch das Verfahren zur Ansteuerung der Einrichtungen an den Primärwicklungen und durch geeignete Wahl der Induktivität der (Kommutierungs-)Drosseln am Ausgang des Drehstromtransformators im Arbeitsbereich der Drehstrom-Gleichrichterschaltung die Kommutierung wesentlich länger andauert als in üblichen Drehstrom-Gleichrichterschaltungen und sich somit eine Stromflußdauer während der Kommutierung von 180°el ergibt. Eine volle Netzperiode hat eine Stromflußdauer von 360°el.

Auf diese Weise erhalten die in jede Phase von Netz einströmenden Wechselströme einen trapezförmigen Verlauf mit flachen Flanken, wodurch eine Sinusform angenähert wird. Folglich sind durch diese Drehstrom-Gleichrichterschaltung die Netzrückwirkungen besonders niedrig. Der gewünschte Verlauf der Wechselströme in jeder Phase läßt sich durch einfache Versuche mit einer Anpassung der zuvor angegebenen Parameter einstellen.

Durch den Arbeitsbericht der Drehstrom-Gleichrichterschaltung wird das erforderliche Verhältnis der Windungen in den Phasen der Zickzack-Wicklung des Drehstromtransformators bestimmt.

Die energiespeichernde Vorrichtung am Ausgang der Drehstrom-Gleichrichterschaltung bewirkt eine Glättung der Gleichspannung. Die Drehstrom-Gleichrichterschaltung reduziert den Oberschwingungsgehalt des Netzstromes. In bezug auf den Gesamtklirrfaktor des Stromes erreicht die Drehstrom-Gleichrichterschaltung im wesentlichen das Verhalten einer 12pulsigen Gleichrichterschaltung, sie kommt jedoch mit einem geringeren Aufwand für Ansteuerung und Stellglieder aus.

Vorzugsweise werden gemäß Anspruch 3 insgesamt sechs Thyristoren eingesetzt, damit braucht die Drehstromgleichrichterschaltung lediglich so viele Thyristoren wie üblicherweise für eine 6pulsige Gleichrichterschaltung benötigt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand zweier Figuren näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Drehstrom-Gleichrichterschaltung,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Strom-Klirrfaktors von der Spannung pro Zelle bei Einsatz der Drehstrom-Gleichrichterschaltung als Batterieladegerät mit mehreren Zellen.

In Fig. 1 ist der Schaltplan für eine Drehstrom-Gleichrichterschaltung dargestellt, die an ein Drehstromnetz mit den drei Phasen (L1, L2, L3) angeschlossen wird. Die Drehstrom-Gleichrichterschaltung weist einen Drehstromtransformator (1) auf mit drei Primärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) und mit sechs Sekundärwicklungen (2U, 2V, 2W, 2U′, 2V′, 2W′). Den drei Primärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) sind eingangsseitig unmittelbar jeweils zwei Thyristoren (3) vorgeschaltet, und zwar derart, daß die beiden Thyristoren (3) mit gegensinniger Polung direkt parallel geschaltet sind. Damit ist sichergestellt, daß in jede Primärwicklung (1U1, 1V1, 1W1) - je nach Ansteuerung der Thyristoren (3) - grundsätzlich ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich ist.

Die Primärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) sind im Dreieck geschaltet, dabei liegen die Primärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) mit den zwei unmittelbar davor verschalteten Thyristoren (3) jeweils im selben Stromzweig.

Die Sekundärwicklungen (2U, 2V, 2W, 2U′, 2V′, 2W′) des Drehstrom-Transformators (1) weisen drei erste und drei zweite Sekundärwicklungen (erste Sekundärwicklungen [2U, 2V, 2W], zweite Sekundärwicklungen [2U′, 2V′, 2W′]) auf, also insgesamt sechs Wicklungen. Jeweils zwei Wicklungen sind auf einem gemeinsamen Schenkel des Drehstrom-Transformators (1) angebracht, jeder Schenkel ist einer der drei Phasen (L1, L1, L2) zuzuordnen; alle Wicklungen bilden zusammen eine Zickzack-Wicklung.

Dazu sind die drei ersten Sekundärwicklungen (2U, 2V, 2W) an ihrer der Energieflußrichtung abgewandten Seite untereinander elektrisch leitend verbunden; an ihrer anderen Seite sind sie jeweils mit einer der zweiten Sekundärwicklungen (2U′, 2V′, 2W′) verbunden, und zwar ist die erste Sekundärwicklung (2U′) auf dem Schenkel, der für die Phase (L1) des Drehstromnetzes bestimmt ist, mit der zweiten Sekundärwicklung (2W), die auf dem Schenkel der Phase (L3) befestigt ist, verbunden. In ähnlicher Weise ist die erste Sekundärwicklung (2V′) des Schenkels für die Phase (L2) mit der zweiten Sekundärwicklung (2U) auf dem Schenkel der Phase (L1) verbunden. Schließlich ist die erste Sekundärwicklung (2W′), die der Phase (L3) zuzuordnen ist, mit der zweiten Sekundärwicklung (2V) der Phase (L2) verbunden.

An diejenigen Seiten der zweiten Sekundärwicklungen (2U, 2V, 2W), die nicht in der zuvor beschriebenen Weise mit den ersten Sekundärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) verbunden sind, ist jeweils eine Drossel (2) angeschlossen. Die drei Drosseln (2) sind an eine Dioden-Brücke (4) mit sechs ungesteuerten Dioden angeschlossen.

Die Dioden-Brücke (4) gibt - in an sich bekannter Weise - an zwei Ausgängen (eine mehr oder weniger wellige) Gleichspannung ab. Zwischen die beiden Ausgänge ist ein Kondensator (5) zur Glättung der Gleichspannung angeschlossen.

Parallel zu dem Kondensator (5) sind in einer Reihenschaltung mehrere (nicht dargestellte) aufzuladende Batterien ("Zellen") geschaltet. Die Batterien sind von gleicher Bauart (beispielsweise Bleibatterien); infolgedessen liegt an jeder einzelnen Batterie die gleiche Spannung. Bei Bleibatterien ist zum Aufrechterhalten der Ladung eine Spannung von 2,23 V notwendig. Bei 30 Zellen ergibt sich für die Reihenschaltung eine Ladeerhaltungsspannung von insgesamt 67V. Im Falle eines Stromausfalls im speisenden Drehstromnetz übernehmen die Zellen die (Gleich-)Stromversorgung nachgeschalteter Verbraucher; beispielsweise die Stromversorgung einer automatischen Fernsprechvermittlungsstelle. Nach einem Stromausfall sinkt die an jeder Zelle verfügbare Spannung während des Betriebes ("Notstromversorgung") sehr bald auf 2 V (Nennspannung); bei dreißig Zellen ergibt sich damit eine Nennspannung von 60 V.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Stromklirrfaktors (L1) (Ordinate links) von der Spannung je Zelle (in Volt/Zelle: V/Z) bei einer Schaltung, wie sie oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben ist. Die Drosseln (2) haben eine Induktivität von 0,086 mH, die Netzspannung liegt bei 400 V, die Leiterspannung auf der Sekundärseite hat einen Wert von 73,5 V, der Nennstrom (Gleichstrom) am Ausgang der Dioden-Brücke (4) auf der Sekundärseite liegt bei 500 A.

In dem für Bleibatterien wichtigen Bereich für die Spannung je Zelle, nämlich in dem Bereich (6) um 2,23 V, ist der Klirrfaktor (L1) besonders klein.

Zusätzlich ist in Fig. 2 die Amplitude der fünften (5.) und die siebenten (7.) Oberschwingung in Abhängigkeit von der Spannung je Zelle aufgetragen. Bei herkömmlichen 12pulsigen Schaltungen heben sich diese beiden Oberschwingungen bezüglich der Netzbelastung zwar auf, aus der Fig. 2 ist jedoch ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Drehstrom-Gleichrichterschaltung diese Oberschwingungen einen vertretbar geringen Wert haben. Insbesondere fallen die günstigen niedrigen Werte im Bereich einer Spannung um 2,23 V auf. Bezüglich der geringen Netzrückwirkungen kommt die erfindungsgemäße Drehstromgleichrichterschaltung nahe an das Verhalten der herkömmlichen 12pulsigen Schaltungen heran, für die allerdings ein ungleich höherer Aufwand für Ansteuerung und Stellglieder erforderlich ist.

Schließlich ist in der rechten Ordinate der Anteil der fünften (5.) und der siebten (7.) Oberschwingung am Nennstrom (→100%) abzulesen. Das Zeichen (id) bezeichnet den tatsächlich aus der Dioden-Brücke (4) fließenden Gleichstrom.

Claims (6)

1. Drehstrom-Gleichrichterschaltung mit sechs ungesteuerten, nur in einer Richtung Betriebsstrom durchlassenden und in ihrer Verschaltung eine Gleichrichtung bewirkenden Bauelementen, mit einem Drehstromtransformator, dessen Primärwicklungen eine Dreieckswicklung bilden und an dessen drei Ausgangsanschlüssen die sechs Bauelemente liegen und an dessen drei Primärwicklungen jeweils eine Einrichtung angeschlossen ist, die in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung den Betriebsstrom in einer der beiden möglichen Richtungen durchläßt, wobei diese Einrichtungen einzeln jeweils unmittelbar vor die Primärwicklungen innerhalb der Dreieckswicklung geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (2U, 2V, 2W, 2U′, 2V′, 2W′) eine Zickzack-Wicklung bilden, daß an die drei Ausgangsanschlüsse des Drehstromtransformators (1) jeweils mindestens eine Drossel (2) geschaltet ist, daß die Drehstrom-Gleichrichterschaltung ausgangsseitig eine elektrische Ladung speichernde Vorrichtung aufweist und daß durch das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen (2U und 2U′, 2V und 2V′ und 2W und 2W′) auf jedem Schenkel, durch das Ansteuern der Einrichtungen an den Primärwicklungen (1U1, 1V1, 1W1) und durch die Wahl der Induktivität der Drosseln (2) erreicht wird, daß im Arbeitsbereich der Drehstrom-Gleichrichterschaltung die Kommutierung so lange dauert, daß sich eine Stromflußdauer für den jeweiligen Phasenstrom von 180°el ergibt.

2. Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Richtung Betriebsstrom durchlassenden Bauelemente Dioden sind und zusammen eine Dioden-Brücke (4) bilden.

3. Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Parallelschaltung zweier gegensinnig angeordneter Thyristoren (3) ist.

4. Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ladung speichernde Vorrichtung ein einzelner Kondensator (5) oder die Verschaltung mehrerer Kondensatoren ist.

5. Verwendung einer Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Batterieladegerät.

6. Verwendung einer Drehstrom-Gleichrichterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Einrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung.