DE60210334T2 - Spannungsabfall und überspannungkompensationsvorrichtung mit pulsweitenmoduliertem transformator - Google Patents

Spannungsabfall und überspannungkompensationsvorrichtung mit pulsweitenmoduliertem transformator Download PDF

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Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich elektrischer Stromverteilungssysteme und insbesondere eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung für ein Wechselstromverteilungssystem, das einen Transformator mit Pulsweitenmodulation einsetzt.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Spannungsdurchhänge und Überspannungszustände treten in Wechselstromverteilungssystemen gelegentlich aus einer Reihe verschiedener Gründe auf, wie hochohmige Störungen im Verteilungssystem, Fehlerbehebung, Schalten großer Lasten, gekennzeichnet durch Lichtbogen während Anschließen oder Abtrennen der Last, andere Arten vorübergehender Stromkreisüberlastung (z.B. dynamische Störungen), hohe Lastinduktanz während Perioden ungewöhnlich großer Last und Leitungskapazitanz während Perioden ungewöhnlich leichter Last. Diese Spannungszustände sind zwar eventuell kurzlebig, z.B. einige wenige Zyklen in einem elektrischen Stromsystem mit 50 oder 60 Hertz für vorübergehende Störungen und Fehlerbehebungsereignisse, sie können aber trotzdem verursachen, dass empfindliche Lasten wie Computersysteme und Herstellungsbetriebe Anlagenschäden und in einigen Fällen einen Stromausfall erfahren. Daher dienen Vorrichtungen, die diese Spannungsdurchhänge und Überspannungszustände ausgleichen, so dass die Lasten eine ununterbrochene Speisung mit der vorgesehenen Leitungsspannung erhalten, einer wichtigen Funktion für diese Arten empfindlicher Lasten.
  • Gewisse konventionelle Ansätze für den Wechselspannungsausgleich verwenden traditionelle Wechselrichtertechnologie, die während des normalen Systembetriebs den Wechselspannungsleitungsstrom in Gleichstrom gleichrichtet und die Gleichstromenergiespeichert, im typischen Fall in Kondensatoren, Batterien oder einem Schwungrad. Während eines Spannungsdurchhangs wechselrichtet die Spannungsdurchhangsunterstützungsvorrichtung dann die gespeicherte Gleichstromenergie in Wechselstrom und gibt diesen Strom durch einen reihengeschalteten Transformator zum Anlegen der fehlenden Spannung ab. Dieser konventionelle Wechselrichteransatz ist komplex und erfordert eine große Anzahl von Stromschaltelementen zum Erzeugen des Ersatzspannungsprofils. Die Schaltelemente sind relativ teuer und lassen den Spannungsdurchhangunterstützer für viele Anwendungen finanziell untragbar werden. Außerdem ist die Dauer der verfügbaren Spannungsunterstützung durch die Energiemenge begrenzt, die vor dem Spannungsdurchhang gespeichert werden kann, und kann daher große Speichervorrichtungen erfordern. Große Speichervorrichtungen können die Größe der Vorrichtung bedeutend vergrößern, was polmontierte Konfigurationen oft unpraktisch macht.
  • Alternativ stellt die Schaltungsanordnung, die zum wiederholten Entladen und Laden von Kondensatoren während des Spannungsdurchhangszustands erforderlich ist, komplexe Herausforderungen bezüglich Steuerung und zeitlicher Steuerung dar, die mit dem kontinuierlichen Wiederaufladen der Kondensatoren auf den richtigen Pegel verbunden sind, und erhöht die Kosten und die Kompliziertheit der Vorrichtung noch mehr. Außerdem verursacht die Anwesenheit des reihengeschalteten Transformators in der Stromleitung während des normalen Schaltungsbetriebs bedeutende Stromverluste, selbst wenn keine Spannungsunterstützung erforderlich ist.
  • Bei einem weiteren konventionellen Ansatz kann ein reihengeschalteter Transformator mit Stufenumschaltung, oft Spannungsregler genannt, zum Ausgleichen von Spannungsdurchhangszuständen verwendet werden. Die große Zahl von Wicklungen und Schaltelementen, die zum Bereitstellen eines Spannungsdurchhangsausgleichbereichs erforderlich ist, erhöht aber die Kosten des Spannungsreglers und begrenzt auf jeden Fall die Vorrichtung darauf, eine diskrete Anzahl von Spannungsstufen in der Ausgangsstromversorgung bereitzustellen. Außerdem eignen sich diese Systeme auf Grund der für Stufenumschaltungs-Spannungskorrektur benötigten Durchführungszeit schlecht dazu, schnell wechselnden Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignissen zu folgen, die gewöhnlich auftreten, wenn die Ursache des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses ein durch Lichtbogen gekennzeichnetes Fehler- oder Schaltereignis beinhaltet. Die Bogenbildung ist schon von sich aus ein wechselhaftes Verhalten und wechselt während des Ereignisses schnell, während Anbringungspunkte wechseln. Auch bei diesem Vorrichtungstyp verursacht die Anwesenheit eines reihengeschalteten Transformators in der Stromleitung während des normalen Betriebs bedeutende Stromverluste.
  • Durch den reihengeschalteten Transformator mit Stufenumschaltung verursachte vorübergehende Überspannungszustände stellen einen weiteren bedeutenden Nachteil des Ansatzes mit einem Spannungsregler mit Stufenumschaltung dar. Im typischen Fall findet dies statt, wenn ein Unterbrecher oder eine Sicherung einen den Spannungsdurchhang verursachenden Fehler behebt, wodurch das System abrupt wieder auf Normalspannung gebracht wird. Dies findet meist bei einem Nullstromzustand statt, dem das Steigern der Spannung durch den reihengeschalteten Transformator an seinem Ausgang für etwa 8 Millisekunden weit über ihren normalen Pegel folgt, bis der Transformator wieder auf seine normale Einstellung zurückgebracht werden kann, was gewöhnlich beim nächsten Nullstromzustand stattfindet. Die Begrenzung durch dieses „Nullstromschalten" tritt bei diesen Vorrichtungen auf, weil sie gewöhnlich Thyristorschaltelemente einsetzen, die nur während Nullstromzuständen schalten können. Diese Systeme können daher am Abschluss vieler Spannungsdurchhangereignisse trotz mehreren Wicklungsverhältnissen und mehreren Schaltelementen immer noch eine bedeutende Überspannung an die Last legen.
  • Aus diesem Grund besteht in der Technik ein Bedarf für eine kompakte kostengünstige Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung, die nicht routinemäßig Überspannungszustände auf die Lasten ausübt, für deren Schutz sie ausgelegt sind. Außerdem besteht ein Bedarf für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung, die während des normalen Betriebs der Schaltung keine große Zahl von Schaltvorrichtungen, keine großen Stromspeichervorrichtungen und keinen reihengeschalteten Transformator in der Stromleitung benötigt.
  • Karady G. G. et al: "Integrated PWM and transformer switching technique for AC voltage regulation", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1994. APEC '94. Conference Proceedings 1994, Ninth Annual Orlando, FL, USA, 13. –17. Februar 1994, New York, USA, IEEE, 13. Februar 1994, Seiten 961–967, XP010118467, ISBN: 0-7803-1456-5, beschreibt ein integriertes Transformatorumschalt- und PWM-Steuerungsschema für Spannungsregelung zum Erzielen eines schnell wirkenden ruhigen Spannungsreglers, dessen Ausgangsspannung stufenlos verstellt werden kann und eine sehr kleine gesamte harmonische Verzerrung hat. Der Haupttransformator steuert Spannung stufenweise mithilfe von SCR-Schaltern. Die PWM-Steuerung regelt die Spannung stufenlos zwischen diesen Stufen. Der Transformator hat zwei oder drei Steuerwicklungen. Jeder Zweig der Brücke enthält einen bidirektionalen Thyristorschalter. Diese Anordnung lässt das Hinzufügen oder Wegnehmen der Spannung der Steuerwicklung zu bzw. von der Ausgangsspannung zu. Die Thyristorpaare werden bei Nullstrom geschaltet. Das System wird von einem Hilfstransformator gespeist. Die Primärwicklung des Transformators ist parallel zu der Speisespannung geschaltet und die Sekundärwicklung ist mit dem Haupttransformator in Reihe geschaltet. Ein bidirektionaler selbstgeführter Schalter und ein Metalloxidvaristor (MOV) sind parallel zu der Sekundärwicklung des Hilfstransformators geschaltet. Der Schalter wird ein- und ausgeschaltet, um den PWM-Betrieb zu erzeugen. Der MOV reduziert die durch das Öffnen des Schalters erzeugten Überspannungen. Wenn der Schalter offen ist, wird die Sekundärspannung des Hilfstransformators zu der Speisespannung hinzugefügt. Die vom Regler zum Systembus hinzugefügte Spannung ist ein Höchstwert und die Lastspannung ist daher ein Höchstwert. Wenn der Schalter geschlossen wird, wird die Sekundärwicklung des Hilfstransformators kurzgeschlossen, keine Spannung wird zur Speisespannung hinzugefügt und die Lastspannung ist ein Mindestwert. Das Ein- und Ausschalten des Schalters regelt den Effektivwert der Reglerspannung, die zu dem Systembus hinzugefügt wird, zwischen Null und der Hilfstransformatorsekundärspannung. Die Wirkspannung des Reglers wird von der relativen Einschaltdauer des Schalters bestimmt.
  • US-A-4713619 offenbart eine Transformatorschaltung zum Steuern einer mit zwei verschiedenen Spannungen zyklisch zu speisenden Ionenpumpe. Der Transformator ist entweder an seiner Primär- oder seiner Sekundärwicklung in zwei Abschnitte geteilt. Das Steuern der Ionenpumpe über den Transformator ist möglich, weil die zwei Abschnitte der Transformatorprimär-/-sekundärwicklung von Schaltern verbunden oder getrennt werden, die von Schwingkreisen entsprechend gesteuert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt den oben beschriebenen Bedarf in einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung, die einen Transformator mit Pulsweitenmodulation einsetzt, bei dem es sich um einen Spartransformator oder einen Aufwärtstransformator wie einen Zweiwicklungstransformator handeln kann. In verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet sein oder der Modulationsschalter kann mit einer Wicklung des Transformators parallel geschaltet sein. Alle diese Konfigurationen können in verschiedenen Betriebsarten betätigt werden, um die Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Außerdem wird die Vorrichtung vorzugsweise bei Wechselstromverteilungssystemspannungen betrieben, kann aber zum Funktionieren bei anderen Spannungspegeln ausgelegt sein.
  • Die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung, die einen Transformator mit Pulsweitenmodulation einsetzt, ist gegenüber konventioneller Wechselrichtertechnologie insofern bedeutend besser, als keine Energiespeichervorrichtungen benötigt werden. Außerdem ist die vorliegende Erfindung gegenüber konventioneller Stufenumschaltungstransformatortechnologie insofern besser, als keine Überspannung an die Last gelegt wird, wenn ein Spannungsdurchhangereignis vorüber ist. Darüber hinaus ist die Technologie der vorliegenden Erfindung viel einfacher als Ansätze für Wechselspannungsausgleich vom Stand der Technik, da sie die Zahl aktiver Schaltelemente reduziert und gut entwickelte Transformatortechnologie als grundlegendes Konstruktionselement verwendet. Dies erlaubt vorteilhaft, dass das Schalten bei höheren Spannungen mit niedrigeren Strömen stattfindet als in früheren Konstruktionen. Außerdem wird die Konstruktion und Ausführung des Steuersystems für die vorliegende Erfindung durch eine einzelne Schaltfrequenz mit einer einzelnen Pulsweite für jeden beliebigen Spannungsdurchhangs- oder Überspannungszustand relativ einfach. Das Endergebnis ist eine vergleichsweise unkomplizierte Konstruktion, die geringere Kosten und größere Zuverlässigkeit aufweist, während sie im Vergleich zu Spannungsausgleichtechnologien vom Stand der Technik gleichwertige oder bessere Funktionalität bereitstellt.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum selektiven Empfangen von elektrischem Strom von einer Wechselstromquelle vorgesehen, die mit einer Systemfrequenz oszilliert, Einstellen der Spannung des Stroms und Zuführen eines entsprechenden spannungskorrigierten Speisewechselstroms zu einer angeschlossenen Last; die folgendes umfasst:
    einen Transformator;
    pro Phase einen Modulationsschalter, der zwischen einer offenen Konfiguration und einer geschlossenen Konfiguration betätigt werden kann, um die Wechselstromquelle selektiv an einem Stromanschlusspunkt des Transformators anzuschließen; und einen zweiten Stromschalter, der zwischen einer offenen Konfiguration und einer geschlossenen Konfiguration betätigt werden kann, um die Wechselstromquelle selektiv an einem anderen Stromanschlusspunkt des Transformators anzuschließen; und
    eine Steuereinheit mit den folgenden Aufgaben:
    als Reaktion auf einen Spannungsdurchhang oder Überspannungszustand der Wechselstromquelle, selektives Torsteuern des Modulationsschalters zwischen der offenen Konfiguration und der geschlossenen Konfiguration mehrere Male pro Zyklus der Systemfrequenz, um den spannungskorrigierten Speisewechselstrom zum Zuführen zur Last zu erzeugen, während entweder der zweite Stromschalter offen gehalten oder der zweite Stromschalter in entgegengesetztem Synchronismus mit dem Modulationsschalter moduliert wird, und
    als Reaktion auf eine Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Abtrennen des Modulationsschalters.
  • Der Modulationsschalter befindet sich vorzugsweise in einer Vollbrückengleichrichterschaltung. Außerdem weist die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung günstigerweise ferner ein Überspannungsschutzelement auf, das parallel zu dem Modulationsschalter geschaltet ist. Insbesondere ist ein Überspannungsschutzelement parallel zu dem Modulationsschalter geschaltet und befindet sich in einer Vollbrückengleichrichterschaltung.
  • Ferner weist der Modulationsschalter eine Kaskade von individuellen Modulationsschaltervorrichtungen auf, die in Reihe geschaltet sind und im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden. In diesem Fall befindet sich jede individuelle Schaltvorrichtung in einer individuellen Vollbrückengleichrichterschaltung und kann ferner vorzugsweise eine Mehrzahl von Überspannungsschutzschaltungen umfassen, die jeweils parallel zu einer der individuellen Schaltvorrichtungen geschaltet sind und sich in einer entsprechenden Vollbrückengleichrichterschaltung befinden. Die Überspannungsschutzschaltungen können einen Widerstand und einen in Reihe geschalteten Kondensator und eine parallel zu dem Widerstand geschaltete Diode aufweisen.
  • Zum Glätten des spannungskorrigierten Speisewechselstroms in Richtung auf eine sinusförmige Stromversorgung auf der Systemfrequenz weist die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung auch einen Filterkondensator auf, der zwischen dem neutralen und dem oberen Pol des Transformators geschaltet ist. Die Steuereinheit torsteuert im typischen Fall den Modulationsschalter auf einer Torsteuerungsfrequenz und die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung weist zum Entfernen von durch die Schaltelemente erzeugtem Rauschen im typischen Fall einen zwischen dem neutralen und oberen Pol oder dem Transformator geschalteten Notch-Filter auf, der so konfiguriert ist, dass er Stromstörungen reduziert, die in dem spannungskorrigierten Speisewechselstrom in einem Filterfrequenzbereich um die Torsteuerfrequenz auftreten. Spezifisch kann der Notch-Filter einen Induktor, einen Widerstand und einen in Reihe geschalteten Kondensator aufweisen.
  • Um den normalen Betrieb des Stromkreises zuzulassen, ohne dass der Transformator in der Stromleitung in Reihe geschaltet ist, weist der zweite Stromschalter im typischen Fall einen Oberpolschalter zum selektiven Schalten der Wechselstromquelle zwischen dem neutralen und dem oberen Pol auf, wenn der Oberpolschalter in eine geschlossene Konfiguration torgesteuert ist, und zum selektiven Abtrennen der Wechselstromquelle von der Verbindung zwischen dem neutralen und dem oberen Pol, wenn der Oberpolschalter in eine offene Konfiguration torgesteuert ist. Um die durch das Umschalten des Speisestroms auf den Transformator unter Nicht-Nullstrom-Bedingungen verursachte Stromentladung zu absorbieren, weist die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung im typischen Fall ein Oberpol-Überspannungsschutzelement auf, das parallel zu dem Oberpolschalter geschaltet ist. Für Anwendungen mit relativ hoher Spannung kann der Oberpolschalter eine Kaskade von individuellen Oberpol-Schaltvorrichtungen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind und im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden. In diesem Fall kann sich jede individuelle Oberpol-Schaltvorrichtung in einer individuellen Vollbrückengleichrichterschaltung befinden. Ferner kann eine Mehrzahl von Oberpol-Überspannungsschutzschaltungen vorgesehen sein, die jeweils in einer entsprechenden Vollbrückengleichrichterschaltung parallel zu einer der individuellen Schaltvorrichtungen geschaltet sind. Jede Oberpol-Überspannungsschutzschaltung kann einen Widerstand und einen in Reihe geschalteten Kondensator sowie eine parallel zu dem Widerstand geschaltete Diode aufweisen.
  • Die Steuereinheit ist vorzugsweise zum Torsteuern der Oberpol- und Schaltvorrichtungen im Wesentlichen im Einklang konfiguriert, um diese Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten. Das heißt, dass der Oberpolschalter auf ausgeschaltet torgesteuert ist, wenn der Modulationsschalter auf eingeschaltet torgesteuert ist, und umgekehrt. Spezifischer ist die Steuereinheit konfiguriert zum: Erkennen eines Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; als Reaktion auf die Erkennung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, kontinuierliches Torsteuern der Oberpol- und der Schaltvorichtungen im Wesentlichen im Einklang, um diese Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten, um einen gewünschten spannungskorrigierten Speisewechselstrom zu erzeugen; Erkennen einer Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; und als Reaktion auf die Erkennung der Beendigung des Zustands, Torsteuern des Modulationsschalters in eine offene Konfiguration, Torsteuern der Oberpolschaltvorrichtung in eine geschlossene Konfiguration und Unterbrechen einer weiteren Torsteuerung der Schaltvorrichtung.
  • Die Steuereinheit ist alternativ konfiguriert zum: Erkennen eines Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; als Reaktion auf die Erkennung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Torsteuern des Oberpolschalters in eine offene (d.h. Bypass-) Konfiguration; während der Oberpolschalter in der offenen (d.h. Bypass-) Konfiguration ist, kontinuierliches Torsteuern des Modulationsschalters zwischen der offenen und der geschlossenen Konfiguration zum Erzeugen eines gewünschten spannungskorrigierten Speisewechselstroms; Erkennen einer Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; und als Reaktion auf die Erkennung der Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Torsteuern des Modulationsschalters in eine offene Konfiguration, Torsteuern des Oberpolschalters in eine geschlossene Konfiguration und Unterbrechen der weiteren Torsteuerung der Schaltvorrichtung.
  • Angesichts des Vorangehenden wird man erkennen, dass die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine vergleichsweise unkomplizierte Konstruktion hat, die niedrigere Kosten und höhere Zuverlässigkeit aufweist, während sie im Vergleich zu Technologien vom Stand der Technik gleichwertige oder bessere Funktionalität bereitstellt. Die vorliegende Erfindung ist auch insofern eine Verbesserung gegenüber Wechselspannungsausgleichtechnologie vom Stand der Technik, als keine Energiespeichervorrichtungen benötigt werden und am Abschluss eines Spannungsdurchhangereignisses keine Überspannung an die Last gelegt wird. Die spezifischen Methoden und Strukturen, die von der Erfindung zum Verbessern gegenüber den Nachteilen der Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtungen vom Stand der Technik und zum Erzielen der oben beschriebenen Vorteile eingesetzt werden, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausgestaltungen der Erfindung und den angefügten Zeichnungen und Ansprüchen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schaltbild einer dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung für ein Wechselstromverteilungssystem.
  • 2 ist ein Schaltbild einer Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 3 ist ein Schaltbild von Kaskadenschaltvorrichtungen in einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 4 ist ein Schaltbild einer Schaltvorrichtung und eines Überspannungsschutzelements, die sich in einem Vollbrückengleichrichter in einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung befinden.
  • 5A ist ein Schaltbild eines Notch-Filters in einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 5B ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ausgangsspannung einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung ohne einen Notch-Filter illustriert.
  • 5C ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ausgangsspannung einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einem Notch-Filter illustriert.
  • 6 ist ein logisches Flussdiagramm für eine erste Betriebsar einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 7 ist ein logisches Flussdiagramm für eine zweite Betriebsart einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 8 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die eine Eingangsquellenspannung für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 9 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die eine ungetaktete Ausgangsspannung für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 10 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Eingangsquellenspannung mit der ungetakteten Ausgangsspannung für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung vergleicht.
  • 11 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die eine getaktete Leerlaufausgangsspannung in einer ersten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert und punktierte Linien aufweist.
  • 12 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung in einer ersten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert, ohne punktierte Linien.
  • 13 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Ausgangsspannung bei angeschlossener Last in einer ersten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 14 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert und punktierte Linien aufweist.
  • 15 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung in der zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert, ohne punktierte Linien.
  • 16 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Ausgangsspannung bei angeschlossener Last in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 17 ist ein Ersatzschaltbild für eine zur Computermodellierung der Schaltung geeignete, Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung.
  • 18 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung illustriert und punktierte Linien aufweist.
  • 19 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung in der zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung illustriert, ohne punktierte Linien.
  • 20 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die getaktete Ausgangsspannung bei angeschlossener Last in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung illustriert.
  • 21 ist ein Ersatzschaltbild für eine zur Computermodellierung der Schaltung geeignete Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung.
  • 22 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ergebnisse eines Computermodells einer zur Spannungsverstärkung (z.B. Spannungsdurchhangsausgleich) verwendeten Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 23 ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ergebnisse eines Computermodells einer zur Spannungsverkleinerung (z.B. Überspannungsausgleich) verwendeten Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung illustriert.
  • 24 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist.
  • 25 ist ein Schaltbild noch eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist.
  • 26 ist ein Schaltbild eines weiteren veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist.
  • 27 ist ein Schaltbild noch eines weiteren veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist.
  • 28 ist ein Schaltbild noch eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, die einen Zweiwicklungstransformator mit Pulsweitenmodulation verwendet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung kann in einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung für ein Wechselstromverteilungssystem ausgestaltet werden, die kaskadierte Schaltvorrichtungen und einen Transformator mit Pulsweitenmodulation einsetzt. In diversen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet sein oder der Modulationsschalter kann parallel zu einer Wicklung des Transformators geschaltet sein, wie in der mitanhängigen US-Patentanmeldung der Seriennummer 10/091.866 beschrieben wird, die durch Bezugnahme hierin eingebunden ist. Außerdem kann der Transformator ein Spartransformator oder ein konventioneller Aufwärtstransformator wie ein Zweiwicklungstransformator sein. Außerdem kann der Transformator mit Pulsweitenmodulation ein Spartransformator oder konventioneller Zweiwicklungs-Aufwärtstransformator sein.
  • Im Besonderen illustrieren 1 bis 17 ausführlich die Konfiguration und Funktionsweise einer Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung, bei der der Modulationsschalter parallel zu einem Spartransformator geschaltet ist, wie in 2 gezeigt wird. Für dieses Beispiel weist die parallel zu dem Modulationsschalter geschaltete Überspannungsschutzschaltung einen mit einem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand und eine parallel zu dem Widerstand geschaltete Diode auf, wie in 4 und 17 gezeigt wird. 18 bis 21 illustrieren die Funktionsweise einer ähnlichen Vorrichtung mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung, die einen mit einem Kondensator in Reihe geschalteten Widerstand aufweist (d.h. keine parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand geschaltete Diode aufweist), wie in 21 gezeigt wird. 22 und 23 illustrieren die Ergebnisse einer Computersimulation für die in 17 gezeigte Ersatzschaltung.
  • Außerdem können die in 6 und 7 illustrierten gleichen Betriebsarten zum Erreichen ähnlicher Ergebnisse mit verschiedenen Schaltungskonfigurationen eingesetzt werden. Zum Beispiel illustrieren 24 bis 27 mehrere verschiedene veranschaulichende Beispiele in Bezug auf die Erfindung, bei denen der Modulationsschalter mit einem Spartransformator in Reihe geschaltet ist. Ferner illustriert 28 eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung mit einem Zweiwicklungs-Aufwärtstransformator anstelle eines Spartransformators. Bei diesen verschiedenen veranschaulichenden Beispielen werden zwar verschiedene Spannungsnennwerte und Isolierungsanforderungen bezüglich verschiedenen Komponenten in Betracht gezogen, die Funktionsweise der verschiedenen Schaltungskonfigurationen ist aber analog. Es sollte sich daher verstehen, dass alle in den 24 bis 28 gezeigten veranschaulichenden Beispiele in den gleichen in 6 und 7 gezeigten Betriebsarten betätigt werden können.
  • Für Ausgestaltungen, die einen Spartransformator einsetzen, weist der Transformator im typischen Fall einen unteren, mittleren und oberen Pol oder Abgriff mit kaskadierten Schaltvorrichtungen zum selektiven Schalten der Spannungsquelle (d.h. einer Phase der Verteilungsleitung) zwischen dem unteren Pol und dem mittleren oder oberen Pol auf. Jede Stufe der kaskadierten Schaltvorrichtung weist ein Schaltelement auf, das sich in einer Vollbrückengleichrichterschaltung befindet, um bidirektionales Schalten durch jedes Schaltelement zuzulassen (d.h. Schalten durch dasselbe Schaltelement während der positiven und negativen Abschnitte des Wechselspannungszyklus). Jeder Vollbrückengleichrichter weist auch eine Überspannungsschutzschaltung auf, die parallel zu einem entsprechenden Schaltelement geschaltet ist zum Absorbieren der Stromentladung, die durch Schalten der Eingangsstromversorgung unter Nicht-Nullstrom-Bedingungen durch die ensprechende Schaltvorrichtung zum Transformator verursacht wird. Auf der Ausgangsseite hat die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung einen Filterkondensator zum Glätten des spannungskorrigierten Speisewechselstroms in Richtung auf eine sinusförmige Stromversorgung auf der Systemfrequenz und einen Notch-Filter zum Beseitigen von von den Schaltelementen verursachtem Rauschen.
  • Weil es wünschenswert ist, dass verhindert wird, dass die Spannung am Standort des Kunden bedeutend größer oder kleiner als der normale Wert wird, kann die Pulsweitenmodulationstechnologie (PWM-Technologie) verwendet werden, um die Ausgangsspannung der Ausgleichvorrichtung in Bezug auf die Eingangsquellenspannung zu vergrößern oder zu verkleinern. Dieser Steuerungsbereich ist möglich, weil der Eingang zum Transformator durch den Anteil der „Aus"-Zeit im Impuls zum Transformator reduziert wird. Das System kann daher die Ausgangsspannung des Transformators kontinuierlich von dem Transformatorwindungsverhältnis mal der Eingangsquellenspannung (z.B. in einem Transformator mit einem Windungsverhältnis von 1:2 das Zweifache der Eingangsquellenspannung) bis null variieren, indem das Verhältnis der „Ein"- zur „Aus"-Zeit für das Verbinden der Eingangsstromversorgung mit dem Transformator geändert wird. Unerwünschte Harmonische werden durch die Verwendung von Notch-Filtern und Filterkondensatoren gemildert.
  • Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Technologie ist, dass sie die Notwendigkeit für das Gleichrichten des Wechselstroms in Gleichstrom und das anschließende Wechselrichten von Gleichstrom wieder in Wechselstrom eliminiert, während sie einen kontinuierlichen Bereich verfügbarer Ausgangsspannungspegel bereitstellt. Das heißt, die von der vorliegenden Erfindung zum Erreichen des gewünschten Ausgangswechselstroms verwendete PWM-Methode eliminiert die Notwendigkeit für eine Gleichstromstufe, während sie einen kontinuierlichen Spannungsverstärkungs- oder -verringerungsbereich im gesamten Betriebsbereich der Vorrichtung erlaubt. Daher kann jeder gewünschte Ausgangsspannungspegel von null bis zum Transformatorwindungsverhältnis mal der Eingangsquellenspannung durch Auswählen einer geeigneten Schaltfrequenz und Pulsweite für den vollständigen Zyklus erreicht werden.
  • Die Verringerung der Zahl von Schaltelementen ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Technologie. Gleichstromwechselrichter beispielsweise benötigen im typischen Fall ein Schaltelement für jede Polarität (d.h. separate Schaltelemente für die positiven und negativen Abschnitte der Wechselspannung), während die vorliegende Technologie dieselben Schaltvorrichtungen für die positiven und negativen Abschnitte der Wechselspannung verwendet, indem jede der Schaltvorrichtungen in eine Vollbrückengleichrichterschaltung eingebettet wird. Entsprechende Überspannungsschutzschaltungen sind auch parallel zu entsprechenden Schaltelementen geschaltet und in entsprechenden Vollbrückengleichrichterschaltungen eingebettet, so dass für jedes Schaltelement nur eine Überspannungsschutzschaltung eingesetzt wird.
  • Hochspannungs-Schwachstrom-Schalten ist ein weitere Vorteil der vorliegenden Technologie. Reihengeschaltete Kaskaden von Schaltelementen werden zum Aufbauen des gewünschten Hochspannungsschaltpegels mit relativ kostengünstigen, im Handel erhältlichen Schaltvorrichtungen verwendet. Die zu jedem Schaltelement parallel geschalteten Überspannungsschutzschaltungen tragen dazu bei, die Leitungsspannung gleichmäßig auf die Schaltelementkaskade zu verteilen. Weil das Schalten bei hoher Spannung erfolgt, fließt bedeutend weniger Strom durch die Schaltelemente, was die Verwendung von kostengünstigen, im Handel erhältlichen Schaltvorrichtungen ermöglicht.
  • Die Überspannungsschutzschaltungen können in einer beliebigen geeigneten Konfiguration sein, wie einem Widerstand und einem in Reihe geschalteten Kondensator oder einem Widerstand und einem in Reihe geschalteten Kondensator mit einer parallel zu dem Widerstand geschalteten Diode. Die Aufgabe des Überspannungsschutzwiderstands ist es, den Entladungsstrom durch den Überspannungsschutzkondensator zu begrenzen, wenn der entsprechende Schalter einschaltet. Der Überspannungsschutzkondensator leitet auch die in der Transformatorstreuinduktivität und in der Impedanz der Quellenverteilungsleitung gespeicherte Energie ab, während der Strom durch den Widerstands-Kondensator-Überspannungsschutzelement-Weg strömt. Auch empfängt der Überspannungsschutzkondensator diese Energie und speichert sie vorübergehend, was eine Spannung an den Kondensator legt, wenn der entsprechende Schalter ausschaltet. Um eine Überlastung des Schalters zu verhindern, sollte der Wert des Überspannungsschutzkondensators sorgfältig ausgewählt werden, so dass er die Spannung am Kondensator auf einen Wert begrenzt, der kleiner als der Spannungsnennwert des entsprechenden Schalters ist. Beispielsweise kann für eine Phasenspannung von fünfzehntausend Volt (15 kV) und einen Stromnennwert von zweieinhalb Millionen Volt-Ampere (2,5 MWA) der Wert des Überspannungsschutzwiderstands sieben Ohm (7 Ω) und der Wert des Überspannungsschutzkondensators fünfunddreißig Mikrofarad (35 μF) sein. Fachleute sind in der Lage, geeignete Elementwerte für andere Spannungs- und Stromanforderungen auszuwählen.
  • Niedrige Standby-Verluste, wenn die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung nicht in einem Steuerbetrieb ist, bilden einen weiteren Vorteil der vorliegenden Technologie. Weil der Transformator in dem Stromkreis nur während Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignissen in Reihe geschaltet ist (d.h. wenn die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung in einem Steuerbetrieb ist), erzeugt er keine bedeutenden kontinuierlichen Verluste (d.h. weniger als 1 %), wenn die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung im Standby-Betrieb betätigt wird.
  • Das Vermeiden kostspieliger und physikalisch großer Energiespeichervorrichtungen und die Fähigkeit zum Ausgleichen von Spannungsdurchhängen unbegrenzter Dauer sind zusätzliche Vorteile der vorliegenden Technologie. Weil die vorliegende Technologie keine gespeicherte Energie zum Wiederherstellen der/des „fehlenden" Spannung und Stroms während Spannungsdurchhangereignissen verwendet, ist die Zeitdauer, für die die vorliegende Technologie ein Spannungsdurchhangereignis ausgleichen kann, in ihrer Dauer nicht durch die Größe der Energiespeichervorrichtungen begrenzt. Praktisch alle Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichtertechnologien weisen diese wichtige technische Begrenzung auf oder sie weisen eine extreme Steigerung der Steuerungskomplexität auf, um die Energiespeichervorrichtungen während des Spannungsdurchhangereignisses kontinuierlich auf die richtigen Spannungspegel zu laden und zu entladen. Außerdem verringert das Eliminieren der Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichterschaltungsanordnung die erforderliche Anzahl von Schaltelementen beträchtlich, während die Verwendung von Vollbrückenwechselrichterschaltungen die Anzahl von Schaltelementen weiter verringert. Diese Vorteile der vorliegenden Technologie führen zu einer relativ einfachen Schaltungstopologie, relativ einfachen Steuerverfahren, bedeutend weniger Schaltelementen, beträchtlich niedrigeren Kosten und einer besseren Betriebsleistung als Spannungsausgleichtechnologien vom Stand der Technik.
  • In einer ersten Betriebsart torschaltet die Steuereinheit die Oberpol- und Schaltvorrichtungen im Wesentlichen im Einklang, um diese Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten. Diese Betriebsart überträgt einen relativ hohen Strombetrag für eine bestimmte Pulsweite, erfordert aber Nicht-Nullstrom-Schaltvorrichtungen (z.B. IGBTs) am mittleren und am oberen Pol. Alternativ schaltet in einer zweiten Betriebsart die Steuereinheit während der gesteuerten Betätigung den oberen Pol aus der Schaltung (d.h. Bypass-Modus), moduliert den mittleren Pol, während der obere Pol aus der Schaltung gehalten wird, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen, und schaltet dann am Ende des Steuerbetriebs den mittleren Pol aus der und den oberen Pol wieder in die Schaltung. Diese Betriebsart überträgt weniger Strom für eine bestimmte Pulsweite, verwendet aber Nicht-Nullstrom-Schaltvorrichtungen (z.B. IGBTs) nur für den mittleren Pol und erlaubt die Verwendung weniger kostspieliger Nullstrom-Schaltvorrichtungen (z.B. Thyristoren) für den oberen Pol.
  • Die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsschutzvorrichtung kann einen konventionellen Spartransformator mit einer einzelnen Wicklung nutzen, die auf einem einzelnen kraftlinienverkettenden Kern mit einem mittleren Wicklungsabgriff, meist in der Mitte der Wicklung, aufgebaut ist. Ein Zweiwicklungstransformator kann aber zu einem Transformator konfiguriert werden, indem der hohe Pol der Primärwicklung mit dem niedrigen Pol der Sekundärwicklung verbunden wird oder umgekehrt, was als „Hintereinanderschalten" der Wicklungen beschrieben werden kann. Desgleichen können Transformatoren mit höherer Wicklungszahl durch Hintereinanderschalten der Wicklungen, wie oben beschrieben, zu einem Spartransformator konfiguriert werden. Dementsprechend kann die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung jeden beliebigen Transformatortyp nutzen, ganz gleich, wie viele Einzelwicklungen er aufweist. Außerdem beträgt das Windungsverhältnis des Spartransformators vorzugsweise etwa eins zu zwei (1:2) (d.h. zwei Wicklungen mit der gleichen Anzahl von Windungen oder eine Wicklung mit einem mittleren Abgriff), was zu einem Eingangs-/Ausgangsspannungs-Nennverhältnis von eins zu zwei (1:2) für die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung führt. Die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung kann einen konventionellen Zweiwicklungstransformator oder einen Transformator mit einem anderen Windungsverhältnis, falls erwünscht, verwenden, was zu einem Unterschied in der zum Erzeugen einer gewünschten Ausgangsspannung erforderlichen Pulsweite führt. Modifikationen dieser Art liegen gut innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten in der Stromverteilungstechnik.
  • Fachleute erkennen auch, dass die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung Thyristor- oder IBGT-Schaltvorrichtungen aufweisen kann, wie oben beschrieben. Trotzdem kann die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung andere, die gewünschten Schaltfähigkeiten aufweisende Schaltvorrichtungstypen aufweisen, die zur Zeit erhältlich oder in Zukunft noch entwickelt werden. Ferner funktioniert die für die Vollbrückengleichrichter, Überspannungsschutzelemente und Notch-Filter gezeigte Schaltungskonfiguration gut für ihre vorgesehenen Zwecke, sie kann aber von Fachleuten variiert werden, solange die erwünschte Funktionalität erreicht werden kann. Desgleichen können Variationen für die oben beschriebenen Steuerschemata für die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung entwickelt werden, solange die gewünschte Ausgangsspannung erreicht werden kann.
  • Außerdem kann die vorliegende Erfindung zum Aufbauen von Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtungen für andere Spannungen als Verteilungsspannungen verwendet werden, wie z.B. Kundenabgabespannungen, die Spannungen spezifischer Anlagenteile, umgespannte Spannungen oder sogar Übertragungsspannungen, vorausgesetzt, dass elektrische Vorrichtungen und insbesondere in erster Linie schaltende Vorrichtungen mit der gewünschten Charakteristik aufgebaut werden können. Angesichts des derzeitigen Zustands elektrischer Stromvorrichtungen sind Verteilungsspannungen gegenwärtig aber die vorteilhaftesten Spannungspegel für das Implementieren der Spannüngsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtungen unter Verwendung der vorliegenden Technologie. Es ist zu beachten, dass die obige Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung insofern eine bedeutende Verbesserung gegenüber Spannungsausgleichvorrichtungen vom Stand der Technik ist, als keine Energiespeichervorrichtungen benötigt werden und am Abschluss eines Spannungsdurchhangereignisses keine Überspannungsbedingungen auf die Last ausgeübt werden. Die vorliegende Technologie ist viel einfacher als die Spannungsausgleichtechnologien vom Stand der Technik, da sie Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom-Stromumwandlung vermeidet, Vollbrückengleichrichter zum Verringern der Anzahl aktiver Schaltelemente verwendet und gut entwickelte Transformatortechnologie als das grundlegende Konstruktionselement verwendet. Kaskadieren der Schalteelemente lässt die vorliegende Technologie bei hoher Spannung mit niedrigeren Strömen schalten. Außerdem werden Konstruktion und Ausführung des Steuersystems durch eine Einzelschaltfrequenz mit einer einzelnen Pulsweite für jeden beliebigen Spannungsausgleichzustand relativ einfach. Die Kombination dieser Vorteile führt zu einer vergleichsweise unkomplizierten Konstruktion, die geringere Kosten und höhere Zuverlässigkeit aufweist, während sie eine verbesserte Spannungsausgleichleistung bereitstellt.
  • Jetzt bezugnehmend auf die Figuren, in denen in den mehreren Figuren gleiche Nummern sich durchgehend auf gleiche Elemente beziehen, ist 1 ein Schaltbild einer dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 für ein Wechselstromverteilungssystem. Die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 ist im typischen Fall zwischen einer elektrischen Stromverteilungsumspannanlage 12 und einer Last 14 angeschlossen, die mit Spannungsdurchhangs- und Überspannungsschutz zu versehen sind. Um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass Fehler der Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 nachgeschaltet auftreten, kann sich die Vorrichtung physikalisch so nahe am Lastende wie möglich befinden, zum Beispiel auf der Hochspannungsseite des Kundenabgabespannungstransformators.
  • Insbesondere kann die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 oft neben dem polmontierten Abgabespannungstransformator des Kunden sein. Jede Phase der elektrischen Stromverteilung 16a–c weist gewöhnlich ihre eigene entsprechende Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 18a–c auf. Die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 wird zwar in einer „Stern"-Schaltungskonfiguration gezeigt, sie kann aber alternativ in einer „Delta"-Konfiguration geschaltet sein. Das heißt, die Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 ist im typischen Fall für eine „Stern"-geschaltete Verteilungsschaltung in einer „Stern"-Konfiguration geschaltet, während sie im typischen Fall für eine „Delta"-geschaltete Verteilungsschaltung in einer „Delta"-Konfiguration geschaltet ist.
  • Außerdem kann es in einigen Fällen praktisch sein, eine Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 nahe oder neben einem besonders empfindlichen Anlagenteil wie einer Steuerung für einen Herstellungsbetrieb zu installieren und die Vorrichtung bei der Betriebsspannung dieses Anlagenteils zu betreiben. Die Spannungsausgleichvorrichtung könnte dadurch das empfindliche Anlagenteil vor durch andere Anlagenteile in den Räumlichkeiten des Kunden verursachten Spannungsdurchhängen und Überspannungszuständen schützen. Trotzdem wird derzeit erwartet, dass die vielen möglichen Installationen der vorliegenden Technologie unterbaumontierte, polmontierte oder Untergrundkonfigurationen auf Verteilungsleitungsspannungen sein werden, die sich nahe eines Abgabetransformators eines Kunden befinden. Insbesondere wird erwartet, dass für viele Installationen ein dreiphasiger Transformator in einem ersten Gehäuse untergebracht sein kann und dass drei Phasen von Schalt- und Überspannungsschutzschaltungen sich in einem zweiten Gehäuse befinden können, wobei beide Gehäuse größenmäßig für unterbaumontierte, polmontierte oder Untergrundkonfigurationen bemessen sind.
  • 2 ist ein Schaltbild einer Phase der dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung 10 (d.h. einer von 18a–c), die als die „Spannungsausgleichvorrichtung 18" bezeichnet wird. Diese Spannungsausgleichvorrichtung 18 hat einen Transformator 20, der funktionell mit einem Pulsweitenmodulationsschalter 30 gekoppelt ist. Der Transformator 20 weist einen unteren Pol 22, einen mittleren Pol 24 und einen oberen Pol 26 auf. Der Pulsweitenmodulationsschalter 30 weist einen Mittelpolschalter 52 auf, der die Spannungsquelle 16, im typischen Fall eine entsprechende Phase 16a–c der elektrischen Stromverteilungsleitung, selektiv zwischen dem unteren Pol 22 und dem mittleren Pol 24 schaltet. Der Mittelpolschalter 52 weist eine Mittelpolschaltvorrichtung 32 und ein Mittelpolüberspannungsschutzelement 34 auf, das parallel zu der Mittelpolschaltvorrichtung 32 geschaltet ist. Desgleichen weist der Pulsweitenmodulationsschalter 30 einen Oberpolschalter 54 auf, der die Spannungsquelle 16 selektiv zwischen dem unteren Pol 22 und dem oberen Pol 26 schaltet. Der Oberpolschalter 54 weist eine Oberpolschaltvorrichtung 36 und ein Oberpolüberspannungsschutzelement 38 auf, das parallel zur Oberpolschaltvorrichtung 36 geschaltet ist.
  • Die Spannungsausgleichvorrichtung 18 hat auch einen Lastschalter 40, der auf der Lastseite des Transformators 20 gezeigt wird zum Zweck der Veranschaulichung der Betriebsbedingungen der Spannungsausgleichvorrichtung 17, wenn sie belastet ist (d.h. an die Last 14 angeschlossen ist) und wenn sie unbelastet ist (d.h. nicht an die Last 14 angeschlossen ist). Das heißt, dass der Lastschalter 40 eventuell nicht tatsächlich als Teil der Spannungsausgleichvorrichtung 18 ausgeführt ist, dass seine Anwesenheit aber für den Zweck des Beschreibens der belasteten und unbelasteten Betriebsgrundsätze der Vorrichtung nützlich ist.
  • Auf der Ausgangsseite weist die Spannungsausgleichvorrichtung 18 einen parallel zur Last 14 geschalteten Filterkondensator 44 auf zum Glätten des spannungskorrigierten Speisewechselstroms in Richtung auf eine sinusförmige Stromversorgung auf der Systemfrequenz. Der Filterkondensator 44 kann alternativ als zwischen dem oberen Pol 26 und dem unteren Pol 22 des Transformators 20 geschaltet beschrieben werden. Die Spannungsausgleichvorrichtung 18 hat auch einen parallel zur Last 14 geschalteten Notch-Filter 46, um von den Schaltelementen erzeugtes Rauschen zu beseitigen. Der Notch-Filter 46 kann ebenfalls als zwischen dem oberen Pol 26 und dem unteren Pol 22 des Transformators geschaltet beschrieben werden. Die Spannungsausgleichvorrichtung 18 weist auch eine Steuereinheit 50 zum selektiven Torsteuern des Oberpolschalters 54 und des Mittelpolschalters 52 auf, um eine erwünschte Ausgangsspannung (VO) zwischen dem oberen Pol 26 und dem unteren Pol 22 des Transformators 20 zu erzeugen. Im typischen Fall empfängt die Steuereinheit 50 ein der gemessenen Lastspannung (VL) entsprechendes Steuersignal als eine Steuervariable, ein der gemessenen Quellenspannung (VS) entsprechendes Steuersignal als eine Steuervariable und wird betätigt, um den Fehler zwischen diesem Signal und einer berechneten oder empfangenen Steuerspannung (VC) zu verringern, die die gewünschte Ausgangsspannung der Spannungsausgleichvorrichtung 18 darstellt. Speziell kann die Steuereinheit 50 die Steuerspannung (VC) auf der Basis der Rückkopplungsmessung der Quellenspannung (VS) und eines voreingestellten Spitzenspannungspegels berechnen, an einer Speicherstelle nachschlagen oder von einer fernen Stelle empfangen.
  • 3 ist ein Schaltbild des Pulsweitenmodulationsschalters 30, das vorzugsweise als zwei parallele Sätze oder Kaskaden von in Reihe geschalteten Schaltern 52a–n und 54a–n implementiert ist. Eine der Kaskaden 52a–n bildet den Mittelpolschalter 52, während die andere Kaskade 54a–n den Oberpolschalter 54 bildet. Das Kaskadenschaltkonzept ist angebracht, weil die für elektrische Stromverteilung verwendeten Spannungspegel im typischen Fall höher als die Schwellenspannungen sind, die konventionelle IGBT- und Thyristor-Schaltvorrichtungen aushalten können, ohne zu versagen (d.h. unbeabsichtigtes Leiten von Strom). Daher sind der Oberpolschalter 54 und der Mittelpolschalter 52 jeweils aus einer Kaskade von in Reihe geschalteten Schaltern (S1–Sn) aufgebaut, bei denen die gesamte Schaltspannung relativ gleichmäßig auf die Modulationsschalter der Kaskade verteilt ist. Noch spezifischer weist jede Stufe der Mittelpolkaskade 52a–n eine im Wesentlichen identische Schaltvorrichtung 32a–n auf, jeweils mit einem jeweiligen parallel geschalteten Überspannungsschutzelement 34a–n. Im typischen Fall wird jede Schaltvorrichtung 32a–n gleichzeitig betätigt, zum Beispiel von demselben Torsteuersignal. Die im Wesentlichen identischen Überspannungsschutzelemente 34a–n helfen die gesamte Schaltspannung relativ gleichmäßig über die entsprechenden Schalter 32a–n aufzuteilen. Desgleichen hat jede Stufe der Oberpolkaskade 54a–n eine im Wesentlichen identische Schaltvorrichtung 36a–n, jeweils mit einer jeweiligen parallel geschalteten Überspannungsschutzvorrichtung 38a–n. Auch hier wird jede Schaltvorrichtung im typischen Fall gleichzeitig betätigt, zum Beispiel von demselben Torsteuersignal, und die im Wesentlichen identischen Überspannungsschutzelemente 38a–n helfen die Spannung über die entsprechenden Schaltvorrichtungen 36a–n gleichmäßig aufzuteilen.
  • 4 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Schalters 52a, der eine Schaltvorrichtung 32a und ein Überspannungsschutzelement 34a aufweist, die sich in einem Vollbrückengleichrichter 62a befinden. Das heißt, dass jeder Schalter 52a–n und 54a–n eine entsprechende Schaltvorrichtung und ein entsprechendes parallel geschaltetes Überspannungsschutzelement enthält, die sich in einem jeweiligen Vollbrückengleichrichter befinden, der von dem in 4 gezeigten typischen Vollbrückengleichrichter 62a repräsentiert wird. Der Vollbrückengleichrichter 62a erlaubt bidirektionales Schalten durch das Schaltelement 32a (d.h. Schalten durch dasselbe Schaltelement 32a während der positiven und negativen Abschnitte des Wechselstromzyklus). Der Vollbrückengleichrichter 62a weist entgegengesetzte parallel geschaltete Sätze von rückwärts leitenden Dioden 64a–b und 66a–b auf, wie Fachleuten vertraut ist. Die Schaltvorrichtung 32a und das Überspannungsschutzelement 34a sind in der Mitte des Vollbrückengleichrichters 62a zwischen Diodensätzen 64a–b und 66a–b parallel geschaltet. Dies ist eine typische Schaltungsanordnung, die für alle Modulationsschalter 52a–n und 54a–n gelten kann. Wie in 3 im Hinblick auf 4 gezeigt wird, verbindet eine Kaskade von Vollbrückengleichrichterschaltungen mit eingebetteten Schaltelementen und Überspannungsschutzelementen selektiv die Spannungsquelle 16 mit dem mittleren Pol 24 oder dem oberen Pol 26 des Transformators 20. Es ist aber zu beachten, dass die Überspannungsschutzelemente 38a–n eliminiert oder durch weniger kostspielige Spannungsaufteilungsschaltungsanordnungen für die Oberpolschalter 54a–n ersetzt werden können, wenn diese Vorrichtungen Thyristoren oder andere Schaltvorrichtungen sind, die nur unter Nullstrom-Bedingungen schalten können.
  • Jedes Überspannungsschutzelement, wie von dem Überspannungsschutzelement 34a dargestellt, weist im typischen Fall einen Überspannungsschutzwiderstand 66 und Überspannungsschutzkondensator 68, die in Reihe geschaltet sind, und eine parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand geschaltete Überspannungsschutzdiode 70 auf. Ein Durchschnittsfachmann kann die Nennwerte und technischen Gerätedaten für diese Elemente entsprechend der jeweiligen Anwendung auswählen. Beispielsweise könnten für eine Verteilungsschaltung von 15 kV, 2,5 MWA die Vorrichtungen für 15 kV, 2,5 MVA bemessen sein und der Überspannungsschutzwiderstand 66 kann im Bereich von fünf bis zehn Ohm (RS = 5–100 Ω) sein und der Überspannungsschutzkondensator 68 kann im Bereich von zwanzig bis fünfunddreißig Mikrofarad sein (CS = 20–35 μF). Außerdem sollte der in 4 gezeigte Torsteuerungswiderstand 72 für die Schaltvorrichtung 32a geeignet sein, in diesem Beipiel im Bereich von zwei bis zehn Ohm (RG = 2–100 Ω).
  • 5A ist ein Schaltbild eines Notch-Filters 46 für die Spannungsausgleichvorrichtung 18. Um das durch Torsteuern der Schaltelemente auf einer Torsteuerungsfrequenz, in diesem Beispiel eintausend Hertz (1 kHz), erzeugte Rauschen zu beseitigen, weist die Spannungsausgleichvorrichtung 18 den zwischen dem neutralen Pol 22 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20 geschalteten Notch-Filter 46 auf, wie in 2 gezeigt. Der Notch-Filter 46 ist vorzugsweise zum Reduzieren von Stromstörungen konfiguriert, die in dem spannungskorrigierten Speisewechselstrom in einem Filterfrequenzbereich um die Torsteuerfrequenz auftreten. Speziell kann der Notch-Filter für eine Schaltfrequenz von eintausend Hertz (1 kHz) einen Filterinduktor 80 mit einem Wert von fünf Milli-Henry (LF = 5 mH), einen Filterwiderstand 82 mit einem Wert von einem Ohm (RF = 1 Ω) und einen Filterkondensator 84 mit einem Wert von fünf Mikro-Farad (CF = 5 μF) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Ein Durchschnittsfachmann kann die Nennwerte und technischen Gerätedaten für die Schaltungselemente entsprechend einer jeweiligen Anwendung auswählen.
  • 5B ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ausgangsspannung 90 der Spannungsausgleichvorrichtung 18 ohne den Notch-Filter 46 in der Schaltung illustriert. Diese Ausgangsspannungs-Wellenformdarstellung wird mit der Eingangsspannung 92 (d.h. VS) verglichen, um die in der Ausgangsspannung 90 auftretenden Welligkeiten zu illustrieren, die durch Torsteuern der Schaltelemente auf einer Torsteuerungsfrequenz, in diesem Beispiel eintausend Hertz (1 kHz), ohne den Notch-Filter 46 in der Schaltung verursacht werden. 5C ist eine Spannungswellenformdarstellung, die die Ausgangsspannung 94 von Spannungsausgleichvorrichtung 18 mit dem Notch-Filter 46 in der Schaltung illustriert. Wie gezeigt, reduziert in 5C der Notch-Filter 46 die Welligkeiten in der Ausgangsspannung 94 bedeutend im Vergleich mit denen, die in der in 5B gezeigten Ausgangsspannung 90 auftreten.
  • 6 ist ein logisches Flussdiagramm für Routine 600 für eine erste Betriebsart der Spannungsausgleichvorrichtung 18. Der Einfachheit halber betrifft die folgende Beschreibung der Steuerroutine 600 die in 2 gezeigten Elemente. Steuerroutine 600 beginnt in Schritt 602, in dem die Steuereinheit 50 einen Spannungsdurchhang oder einen Überspannungszustand in einer Echtzeitmessung der Quellenspannung (VS) erkennt. Dieser Schritt 602 findet bei geschlossenem Oberpolschalter 54 und offenem Mittelpolschalter 52 statt, was der Nichtsteuerungs- oder „Standby"-Zustand der Spannungsausgleichvorrichtung 18 ist. Auf Schritt 602 folgt Schritt 604, bei dem die Steuereinheit 50 eine gewünschte Nennsteuerspannung (VC) erzeugt oder empfängt, wie z.B. eine eins-normierte sinusförmige Ausgangsspannung bei der Nennspannung und dem gewünschten Phasenwinkel. Auf Schritt 604 folgt Schritt 606, bei dem die Steuereinheit 50 ein anfängliches pulsweitenmoduliertes Torsteuerungssignal, um die Lastspannung (VL) wieder auf die gewünschte Nennsteuerspannung (VC) zu bringen, berechnet. Auf Schritt 606 folgt Schritt 608, bei dem die Steuereinheit 50 den Mittelpolschalter 52 und den Oberpolschalter 54 im Wesentlichen in Einklang torsteuert, um diese Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten. Das heißt, die Steuereinheit 50 torsteuert den Mittelpolschalter 52 auf ausgeschaltet, wenn sie den Oberpolschalter 54 auf eingeschaltet torsteuert, und umgekehrt während der gesamten Steuerungsperiode.
  • Auf Schritt 608 folgt Schritt 610, bei dem die Steuereinheit 50 ein Echtzeit-Steuersignal erhält, das einen Messwert für die Lastspannung (VL) angibt. Auf Schritt 610 folgt Schritt 612, bei dem die Steuereinheit 50 das Torsteuerungssignal zum Ansteuern des Fehlers zwischen der gemessenen Lastspannung (VL) und der Steuerspannung (VC) in Richtung auf null einstellt. Auf Schritt 612 folgt Schritt 614, bei dem die Steuereinheit 50 ermittelt, ob ein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses eingetreten ist. Wenn kein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses erkannt wurde, bildet der „NEIN"-Zweig eine Schleife zu Schritt 608 zurück und der Steuerbetrieb wird fortgesetzt. Wenn ein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses erkannt wurde, wird dem „JA"-Zweig zu Schritt 616 gefolgt, bei dem die Steuereinheit 50 den Steuerbetrieb beendet. Speziell schaltet die Steuereinheit 50 beim nächsten vorkommenden Nullstromzustand den Mittelpolschalter 52 offen und den Oberpolschalter 54 geschlossen. Auf Schritt 616 folgt der Schritt „ENDE", der den Abschluss von Routine 600 anzeigt.
  • 7 ist ein logisches Flussdiagramm für Routine 700 für eine zweite Betriebsart der Spannungsausgleichvorrichtung 18. Der Einfachheit halber bezieht sich die folgende Beschreibung von Steuerroutine 700 auf die in 2 gezeigten Elemente. Steuerroutine 700 beginnt in Schritt 702, bei dem die Steuereinheit 50 einen Spannungsdurchhang oder Überspannungszustand in einer Echtzeitmessung der Quellenspannung (VS) erkennt. Dieser Schritt 702 findet bei geschlossenem Oberpolschalter 54 und offenem Mittelpolschalter 52 statt, was der Nichtsteuerungs- oder „Standby"-Zustand der Spannungsausgleichvorrichtung 18 ist. Auf Schritt 702 folgt Schritt 704, bei dem die Steuereinheit 50 eine gewünschte Nennsteuerspannung (VC) erzeugt oder empfängt, wie z.B. eine eins-normierte sinusförmige Ausgangsspannung bei der Nennspannung und dem gewünschten Phasenwinkel. Auf Schritt 704 folgt Schritt 706, bei dem die Steuereinheit 50 ein anfängliches pulsweitenmoduliertes Torsteuerungssignal berechnet, um die Lastspannung (VL) wieder auf die gewünschte Nennsteuerspannung (VC) zu bringen. Auf Schritt 606 folgt Schritt 608, bei dem die Steuereinheit 50 den Oberpolschalter 54 auf offen torsteuert. Der obere Pol wird dadurch in einen Bypass-Modus versetzt. Auf Schritt 708 folgt Schritt 709, bei dem die Steuereinheit 50 das Torsteuern des Mittelpolschalters 52 verzögert, bis die Spannung und der Strom durch den Oberpolschalter 54 die gleiche Polarität haben, falls notwendig. Auf Schritt 709 folgt Schritt 710, bei dem die Steuereinheit 50 den Mittelpolschalter 52 zum Erzeugen der gewünschten Lastspannung (VL) torsteuert. Das heißt, dass der Oberpolschalter 54 als Bypass verwendet wird und der Mittelpolschalter 52 zum Erzeugen der gewünschten Lastspannung (VL) während des Steuerbetriebs torgesteuert wird.
  • Auf Schritt 710 folgt Schritt 712, bei dem die Steuereinheit 50 ein Echtzeit-Steuersignal erhält, das einen Messwert für die Lastspannung (VL) angibt. Auf Schritt 712 folgt Schritt 714, bei dem die Steuereinheit 50 das Torsteuerungssignal zum Ansteuern des Fehlers zwischen der gemessenen Lastspannung (VL) und der Steuerspannung (VC) in Richtung auf null einstellt. Auf Schritt 714 folgt Schritt 716, bei dem die Steuereinheit 50 ermittelt, ob ein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses eingetreten ist. Wenn kein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses erkannt wurde, bildet der „NEIN"-Zweig eine Schleife zurück zu Schritt 710 und der Steuerbetrieb wird fortgesetzt. Wenn ein Ende des Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisses erkannt wurde, wird dem „JA"-Zweig zu Schritt 718 gefolgt, bei dem die Steuereinheit 50 den Steuerbetrieb beendet. Speziell torsteuert die Steuereinheit 50 den Mittelpolschalter 52 offen und torsteuert den Oberpolschalter 54 geschlossen, was dazu führt, dass sich der Oberpolschalter beim nächsten vorkommenden Nullstromzustand schließt. Dies beendet den Bypass-Modus für den Oberpolschalter 54. Auf Schritt 718 folgt der Schritt „ENDE", der den Abschluss von Routine 700 anzeigt.
  • 8 bis 20 sind Spannungswellenformdarstellungen, die den Betrieb der Spannungsausgleichvorrichtung 18 während der ersten und zweiten oben beschriebenen Betriebsart illustrieren. Der Einfachheit halber bezieht sich die folgende Beschreibung von 8 bis 16 auf die in 2 gezeigten Elemente. 8 ist eine Spannungswellenformdarstellung 800, die die Quellenspannung 802 (VS) (z.B. die Leitungsspannung für eine der Leitungen 16a–c) für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Im typischen Fall ist die Quellenspannung 802 (VS) nominell eine eins-normierte sinusförmige Wellenform, die von Zeit zu Zeit Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisse erfahren kann. Zweck der Spannungsausgleichvorrichtung 18 ist es, diese Spannungsdurchhänge oder Überspannung auszugleichen, so dass die Spannung an der Last 14 (VL) keine Spannungsdurchhang- oder Überspannungsereignisse erfährt.
  • 9 ist eine Spannungswellenformdarstellung 900, die eine ungetaktete Ausgangsspannung 902 (VO) für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Das heißt, die Ausgangsspannung 902 (VO) repräsentiert die Spannung zwischen dem unteren Pol 22 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) geschlossen ist, der Oberpolschalter 54 (S2) offen ist und der Lastschalter 40 (SL) offen ist. Wie gezeigt wird, ist die Ausgangsspannung 902 (VO) im Wesentlichen gleich der Quellenspannung 802 (VS) multipliziert mit dem Windungsverhältnis des Transformators 20, [(n1 + n2)/n1], wobei n1 die Zahl der Windungen zwischen dem unteren Pol 22 und dem mittleren Pol 24 des Transformators 20 darstellt und n2 die Zahl der Windungen zwischen dem mittleren Pol 24 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20 darstellt. In diesem betreffenden Beispiel ist n1 gleich n2, was ein Windungsverhältnis von zwei ergibt.
  • 10 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1000, die die Quellenspannung 802 (VS) mit der ungetakteten Ausgangsspannung 902 (VO) vergleicht, die mit punktierten Linien dargestellt sind. 11 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1100, die eine getaktete Leerlaufausgangsspannung 1102 (VO) in einer ersten Betriebsart für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Diese erste Betriebsart entspricht Steuerroutine 600, die bereits mit Bezug auf 6 beschrieben wurde. Das heißt, Ausgangsspannung 1102 (VO) stellt die Spannung zwischen dem unteren Pol 22 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20 dar, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) und der Oberpolschalter 54 (S2) im Wesentlichen im Einklang geschaltet sind, um diese Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten, und der Lastschalter 40 (SL) offen ist.
  • Wie in 11 gezeigt wird, verusacht der Schaltvorgang das Wechseln der Ausgangsspannung 1102 (VO) zwischen den Spannungswellenformen 802 und 902, die mit punktierten Linien gezeigt werden. Insbesondere folgt die Ausgangsspannung 1102 (VO) der Spannungswellenform 802, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) ausgeschaltet ist und der Oberpolschalter 54 (S2) eingeschaltet ist. Alternativ folgt die Ausgangsspannung 1102 (VO) der Spannungswellenform 902, wenn der Mittelpolschalter 52 (St) eingeschaltet und der Oberpolschalter 54 (S2) ausgeschaltet ist. Zur Verdeutlichung ist 12 eine Spannungswellenformdarstellung 1200, die die resultierende getaktete Leerlaufausgangsspannung 1102 (VO) in der ersten Betriebsart ohne gestrichelte Linien illustriert. 13 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1300, die die getaktete Ausgangsspannung 1302 (VO) bei angeschlossener Last für die erste Betriebsart für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Das heißt, dass 13 die Ausgangsspannung 1302 (VO) illustriert, nachdem der Lastschalter 40 (SL) geschlossen worden ist, was den Filterkondensator 44, den Notch-Filter 46 und die Last 14 parallel zu dem Transformator 20 in die Schaltung bringt. Die getaktete Leerlaufausgangsspannung 1102 (VO) ist zu Vergleichszwecken als punktierte Linie dargestellt. Wie in 13 gezeigt wird, steuert das Schließen des Lastschalters 40 (SL) die Ausgangsspannung 1302 (VO) in Richtung auf eine einsnormierte sinusförmige Wellenform an, was einen Ausgleich des in der Quellenspannung 802 (VS) auftretenden Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands darstellt. Es ist zu beachten, dass Filterkondensator 44 in dieser Betriebsart im Wesentlichen den gesamten Laststrom trägt und glättet. Der Fachmann erkennt, dass der Bereich unter der Kurve 1102 der gleiche ist wie der Bereich unter der Kurve 1302, was das Einstellen des Spitzenpegels der Ausgangsspannung 1302 (VO) durch Steuern des Pulsweitenmodulationsschemas zum Torsteuern der Modulationsschalter 52, 54 ermöglicht.
  • 14 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1400, die die getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402 (VO) in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Diese zweite Betriebsart entspricht Steuerroutine 700, die bereits mit Bezug auf 7 beschrieben wurde. Das heißt, dass die Ausgangsspannung 1402 (VO) die Spannung zwischen dem unteren Pol 22 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20 darstellt, wenn der Oberpolschalter 54 (S2) offen gehalten wird (d.h. Bypass-Modus) und der Mittelpolschalter 52 (S1) zum Erzeugen der gewünschten Ausgangsspannung (VO) torgesteuert wird. Wie in 14 gezeigt wird, verursacht der Schaltvorgang das Wechseln der Ausgangsspannung 1402 (VO) zwischen der Spannungswellenform und 902, die als punktierte Linie dargestellt wird, und einer in Richtung auf Nullspannung sägezahnförmig ansteigenden Kurve. Insbesondere folgt die Ausgangsspannung 1104 (VO) der Spannungswellenform 902, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) eingeschaltet ist, und fällt durch die Überspannungsschutzschaltung 32 sägezahnförmig in Richtung auf Nullspannung ab, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) ausgeschaltet ist. Es ist zu beachten, dass die hier genannte Überspannungsschutzschaltung 32 parallel zu dem Modulationsschalter 34 geschaltet ist, wobei beide Komponenten des Mittelpolschalters 52 sind, wie in 2 gezeigt wird. Zur Verdeutlichung ist 15 eine Spannungswellenformdarstellung 1500, die diese getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402 (VO) in der zweiten Betriebsart ohne gestrichelte Linien illustriert.
  • 16 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1600, die die getaktete Ausgangsspannung 1602 bei angeschlossener Last (VO) für die zweite Betriebsart für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 illustriert. Das heißt, dass 16 die Ausgangsspannung 1602 (VO) illustriert, nachdem der Lastschalter 40 (SL) geschlossen worden ist, was den Filterkondensator 44, den Notch-Filter 46 und die Last 14 parallel zu dem Transformator 20 in die Schaltung bringt. Die getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402 (VO) ist zu Vergleichszwecken als punktierte Linie dargestellt. Wie in 16 gezeigt wird, steuert das Schließen des Lastschalters 40 (SL) die Ausgangsspannung 1602 (VO) in Richtung auf eine einsnormierte sinusförmige Wellenform an, was einen Ausgleich des in der Quellenspannung 802 (VS) auftretenden Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands darstellt. Es ist zu beachten, dass Filterkondensator 44 in dieser Betriebsart im Wesentlichen den gesamten Laststrom trägt und glättet. Auch hier erkennt der Fachmann, dass der Bereich unter der Kurve 1402 der gleiche ist wie der Bereich unter der Kurve 1602, was das Einstellen des Spitzenpegels der Ausgangsspannung 1602 (VO) durch Steuern des Pulsweitenmodulationsschemas zum Torsteuern des Modulationsschalters 52 ermöglicht.
  • 17 ist ein Ersatzschaltbild 1700 für die Spannungsausgleichvorrichtung 18. Die Ersatzschaltung für den Kaskadenschalter 30 mit den Modulations-Vollbrückenwechselrichtern ist links in 17 dargestellt. Die Ersatzschaltung für den Transformator 20 ist in der Mitte von 17 dargestellt. Rechts von Transformator 20 zeigt 17 von links nach rechts in Parallelschaltung die Ersatzschaltungen für den Filterkondensator 44, den Notch-Filter 46 und die Last 14. Außerdem ist zu beachten, dass in dieser betreffenden Schaltung das Überspannungsschutzelement in dieser Schaltung 1700 einen Widerstand (Rsnub), der mit einem Kondensator (Csnub) in Reihe geschaltet ist, und eine Diode aufweist, die parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand (Dsnub) geschaltet ist.
  • 18 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1400', die die getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402' (VO) in einer zweiten Betriebsart für eine Spannungsausgleichvorrichtung 18 mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung illustriert, die keine parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand (siehe 21) geschaltete Diode aufweist. Diese zweite Betriebsart entspricht der bereits mit Bezug auf 7 beschriebenen Steuerroutine 700. Das heißt, dass die Ausgangsspannung 1402' (VO) die Spannung zwischen dem unteren Pol 22 und dem oberen Pol 26 des Transformators 20 darstellt, wenn der Oberpolschalter 54 (S2) offen gehalten wird (d.h. Bypass-Modus) und der Mittelpolschalter 52 (S1) zum Erzeugen der gewünschten Ausgangsspannung (VO) torgesteuert wird. Wie in 18 gezeigt wird, verursacht der Schaltvorgang das Wechseln der Ausgangsspannung 1402' (VO) zwischen der Spannungswellenform und 902, die als punktierte Linie dargestellt wird, und einer in Richtung auf Nullspannung sägezahnförmig ansteigenden Kurve. Insbesondere folgt die Ausgangsspannung 1402' (VO) der Spannungswellenform 902, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) eingeschaltet ist, und fällt durch die alternative Überspannungsschutzschaltung sägezahnförmig in Richtung auf Nullspannung ab, wenn der Mittelpolschalter 52 (S1) ausgeschaltet ist. Zur Verdeutlichung ist 19 eine Spannungswellenformdarstellung 1500', die diese getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402' (VO) in der zweiten Betriebsart ohne gestrichelte Linien illustriert.
  • 19 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1600', die die getaktete Ausgangsspannung 1602' (VO) bei angeschlossener Last für die zweite Betriebsart für die Spannungsausgleichvorrichtung 18 mit einer alternativen Überspannungsschutzschaltung illustriert, die keine parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand geschaltete Diode aufweist (siehe 21). Das heißt, dass 19 die Ausgangsspannung 1602' (VO) illustriert, nachdem der Lastschalter 40 (SL) geschlossen worden ist, was den Filterkondensator 44, den Notch-Filter 46 und die Last 14 parallel zu dem Transformator 20 in die Schaltung bringt. Die getaktete Leerlaufausgangsspannung 1402' (VO) ist zu Vergleichszwecken als punktierte Linie dargestellt. Wie in 20 gezeigt wird, steuert das Schließen des Lastschalters 40 (SL) die Ausgangsspannung 1602 (VO) in Richtung auf eine eins-normierte sinusförmige Wellenform an, was einen Ausgleich des in der Quellenspannung 802 (VS) auftretenden Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands darstellt. Es ist zu beachten, dass Filterkondensator 44 in dieser Betriebsart im Wesentlichen den gesamten Laststrom trägt und glättet. Auch hier erkennt der Fachmann, dass der Bereich unter der Kurve 1402 der gleiche ist wie der Bereich unter der Kurve 1602, was das Einstellen des Spitzenpegels der Ausgangsspannung 1602 (VO) durch Steuern des Pulsweitenmodulationsschemas zum Torsteuern des Modulationsschalters 52 ermöglicht.
  • 21 ist ein Ersatzschaltbild 1700' für die Spannungsausgleichvorrichtung 18. Diese Ersatzelektrik ist die gleiche wie die in 17 gezeigte Ersatzschaltung mit der Ausnahme, dass das Überspannungsschutzelement 1700' einen Widerstand (Rsnub) aufweist, der mit einem Kondensator (Csnub) in Reihe geschaltet ist, und keine Diode aufweist, die parallel zu dem Überspannungsschutzwiderstand geschaltet ist. Dieser Unterschied führt zu dem Unterschied zwischen der in 14 gezeigten Wellenform 1402 und der in 18 gezeigten 1402'.
  • 22 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1800, die die Ergebnisse einer Computersimulation illustriert, die das zur Spannungsverstärkung (d.h. Spannungsdurchhangsausgleich) verwendete Ersatzschaltbild 1700 verwendet. Das heißt, die Eingangsspannung 1802 ist kleiner als die Ausgangsspannung 1804. 23 ist eine Spannungswellenformdarstellung 1900, die die Ergebnisse eines Computermodells des zur Spannungsverkleinerung (d.h. Überspannungsausgleich) verwendeten Ersatzschaltbilds 1700 illustriert. Das heißt, die Eingangsspannung 1802 ist größer als die Ausgangsspannung 1804. Der Fachmann erkennt, dass das Pulsweitenmodulationsschema zum Torsteuern der Modulationsschalter 52 und 54 (in der ersten Betriebsart, Steuerroutine 600) oder zum Torsteuern des Modulationsschalters 52 (in der zweiten Betriebsart, Steuerroutine 700) ausgewählt werden kann, um innerhalb des Betriebsbereichs der Spannungsausgleichvorrichtung 18 eine Ausgangsspannung (VO) zu erzeugen, die größer bzw. kleiner als die Eingangsquellenspannung 902 (VS) ist. Es ist auch zu beachten, dass die zum Erzeugen einer gewünschten Ausgangsspannung von der Spannungsausgleichvorrichtung 18 erforderliche Pulsweite in der zweiten Betriebsart, Steuerroutine 700, verglichen mit der ersten Betriebsart, Steuerroutine 600, etwas größer ist. Die Schaltvorrichtungen sind aber für die zweite Betriebsart weniger kostspielig, weil die Oberpolschaltvorrichtungen weniger kostspielige Nullstrom-Schaltvorrichtungen, wie z.B. Thyristoren, sein können, anstatt Nicht-Nullstrom-Schaltvorrichtungen, wie z.B. IGBTs. Außerdem können die Oberpol-Überspannungsschutzelemente eliminiert oder durch kostengünstigere Spannungsteilungsschaltanordnungen ersetzt werden, wenn die Oberpolschalter nur unter Nullstrom-Bedingungen schalten können.
  • 24 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist. Diese in 24 gezeigte Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie die in 2 gezeigte Verbindung, mit der Ausnahme, dass der Modulationsschalter 52 mit dem Transformator 20 in Reihe geschaltet ist. Insbesondere ist der Modulationsschalter 52 zwischen dem unteren Pol 22 des Transformators 20 und dem neutralen Schenkel der Stromquelle Vs geschaltet. In dieser Konfiguration ist die Schaltspannung am Modulationsschalter 52 die Spannung an beiden Wicklungen des Transformators 20, die miteinander in Reihe geschaltet sind. In der in 2 gezeigten Mittelpolschaltkonfiguration ist vergleichsweise die Schaltspannung am Modulationsschalter 52 die Spannung an nur einer Wicklung des Transformators 20. Mit anderen Worten heißt das, dass der Modulationsschalter 52 in der in 24 gezeigten Konfiguration mit beiden Wicklungen des Transformators 20 in Reihe geschaltet ist, während der Modulationsschalter 52 in der in 2 gezeigten Konfiguration parallel zu einer Wicklung des Transformators geschaltet ist.
  • Infolgedessen führt die in 24 gezeigte Modulationskonfiguration beim Vergleich mit der in 2 gezeigten Mittelpol- (parallel geschalteten) Konfiguration zu einer Vergrößerung der Schaltspannung am Modulationsschalter 52, während der Schaltstrom durch den Modulationsschalter verkleinert wird, was im typischen Fall die Kosten des Modulationsschalters reduziert, weil Schaltvorrichtungen für höheren Strom allgemein teuerer sind. Wenn beispielsweise das Windungsverhältnis des Transformators eins zu zwei (1:2) ist (d.h. zwei Wicklungen mit der gleichen Windungszahl oder eine Wicklung mit einem mittleren Abgriff), verdoppelt die in 24 gezeigte Modulationsverbindung die Schaltspannung am Modulationsschalter 52 und reduziert den Schaltstrom durch den Modulationsschalter 52 um die Hälfte, verglichen mit der in 2 gezeigten Mittelpolschaltkonfiguration. Der Fachmann erkennt, dass Strom- und Spannungsvergleiche für Schalter 52 für die Konfiguration von 2 und das veranschaulichende Beispiel von 24 sich in umgekehrtem Verhältnis zueinander ändern, wenn sich das Windungsverhältnis des Transformators 20 ändert. Das grundlegende Ergebnis des Verringerns des Schaltstroms durch den Modulationsschalter 52, während die Schaltspannung am Modulationsschalter in umgekehrtem Verhältnis erhöht wird, bleibt aber für jedes beliebige ausgewählte Windungsverhältnis für den Transformator gültig.
  • Die in 24 gezeigte Modulationskonfiguration kann in der mit Bezug auf 6 beschriebenen ersten Betriebsart (Steuerroutine 600) oder in der mit Bezug auf 7 beschriebenen zweiten Betriebsart (Steuerroutine 700) betätigt werden. Daher kann der Oberpolschalter 54 in der in 24 gezeigten Konfiguration eine Nullstrom-Schaltvorrichtung wie ein Thyristor oder eine Nicht-Nullstrom-Schaltvorrichtung wie ein IGBT sein.
  • 25 ist ein Schaltbild eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist. Die Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie die in 24 gezeigte Konfiguration mit der Ausnahme, dass der Modulationsschalter 52 dem Oberpolschalter 54 elektrisch nachgeschaltet (d.h. in Richtung auf die Last) zwischen dem oberen Pol 26 des Transformators 20 und dem neutralen Schenkel der Stromquelle Vs geschaltet ist. Diese Konfiguration ist funktionell ähnlich der in 24 gezeigten Konfiguration mit der Ausnahme, dass der Transformator 20 in der in 25 gezeigten Konfiguration auf Leitungsspannung ist, wenn der Modulationsschalter 52 offen ist, während der Transformator 20 in der in 24 gezeigten Konfiguration auf Erdungsspannung ist, wenn der Modulationsschalter 52 offen ist. Daher sind die erregerstromverwandten Verluste in der Konfiguration von 25 geringfügig höher.
  • Außerdem erfordert der Niederspannungspol des Transformators 20 in der Konfiguration von 24 Hochspannungsisolierung, die ein „serienmäßiger" Standard-Transformator gewöhnlich nicht aufweist. In der Konfiguration von 25 benötigen aber beide Seiten des Modulationsschalters 52 Hochspannungsisolierung, während in der Konfiguration von 24 nur eine Seite des Modulationsschalters eine Hochspannungsisolierung benötigt. Daher kann die eine oder die andere Konfiguration geeignet sein, je nach dem Typ und den Kosten der verfügbaren Anlage. Es ist auch zu beachten, dass der Transformator 20 in den Konfigurationen der 24 und 25 mit Ausnahme der für den niedrigen Pol des Transformators 20 der Konfiguration in 24 erforderlichen zusätzlichen Isolierung ein „serienmäßiger" Standard-Transformator sein kann, was unter den meisten Umständen ein Konstruktionsvorteil ist.
  • 26 ist ein Schaltbild eines weiteren veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist. Diese Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie die in 24 gezeigte Konfiguration mit der Ausnahme, dass der Modulationsschalter 52 zwischen den Wicklungen n1 und n2 des Transformators 20 in Reihe geschaltet ist, wobei Wicklung n1 an die Hochspannungsseite der Stromquelle VS angeschlossen ist. Diese Konfiguration ist funktionell ähnlich der in 24 gezeigten Konfiguration mit der Ausnahme, dass in der in 26 gezeigten Konfiguration nur Wicklung n1 des Transformators 20 auf Leitungsspannung ist, wenn der Modulationsschalter 52 offen ist. Daher liegen die erregerstromverwandten Verluste in der Konfiguration von 26 zwischen denen, die in den Konfigurationen von 24 und 25 vorkommen. In dieser Konfiguration benötigt der Transformator 20 keine Isolierung außer der Standardisolierung und beide Seiten des Modulationsschalters 52 benötigen Hochspannungsisolierung.
  • 27 ist ein Schaltbild noch eines weiteren veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, in der der Modulationsschalter mit dem Transformator in Reihe geschaltet ist. Diese Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie die in 24 gezeigte Konfiguration mit der Ausnahme, dass Modulationsschalter 52 zwischen den Wicklungen n1 und n2 des Transformators 20 geschaltet ist, wobei die Wicklung n2 an die Hochspannungsseite der Stromquelle VS angeschlossen ist. Diese Konfiguration ist funktionell ähnlich der in 24 gezeigten Konfiguration mit der Ausnahme, dass in der in 26 gezeigten Konfiguration nur Wicklung n2 des Transformators 20 auf Leitungsspannung ist, wenn der Modulationsschalter 52 offen ist. Es ist auch zu beachten, dass der Transformator 20 in den Konfigurationen der 26 und 27 ein serienmäßiger Zweiwicklungstransformator sein kann, der wie abgebildet geschaltet ist, um einen Transformator mit einem Modulationsschalter zu schaffen.
  • 28 ist ein Schaltbild noch eines veranschaulichenden Beispiels in Bezug auf die Erfindung, das eine Phase der in 1 gezeigten dreiphasigen Spannungsdurchhangs- und Überspannungsausgleichvorrichtung zeigt, die einen Zweiwicklungstransformator mit Pulsweitenmodulation 2802 verwendet. In diesem veranschaulichenden Beispiel wird die normale Quellenspannung VS an die Last 14 angelegt, wenn der Modulationsschalter 54 offen ist und der Bypass-Schalter 52 geschlossen ist. Zum Korrigieren eines erkannten Spannungsdurchhangs kann der Bypass-Schalter 52 offen gehalten werden und der Modulationsschalter 54 kann betätigt werden, um pulsweitenmodulierte Ausgangsspannungen zu erzeugen. Dies entspricht der in 15 illustrierten Funktionsweise der „Betriebsart 2". Alternativ können die Modulationsschalter 52 und 54 in entgegengesetztem Einklang betätigt werden, um die in 11 illustrierte Funktionsweise der „Betriebsart 1" zu ergeben.

Claims (20)

  1. Vorrichtung (10) zum selektiven Empfangen von elektrischem Strom von einer Wechselstromquelle (12), die mit einer Systemfrequenz oszilliert, Einstellen der Spannung des Stroms und Zuführen eines entsprechenden spannungskorrigierten Speisewechselstroms zu einer angeschlossenen Last (14); die folgendes umfasst: einen Transformator (20); pro Phase einen Modulationsschalter (52, 32), der zwischen einer offenen Konfiguration und einer geschlossenen Konfiguration betätigt werden kann, um die Wechselstromquelle selektiv an einem Stromanschlusspunkt des Transformators anzuschließen; und einen zweiten Stromschalter (54, 36), der zwischen einer offenen Konfiguration und einer geschlossenen Konfiguration betätigt werden kann, um die Wechselstromquelle selektiv an einem anderen Stromanschlusspunkt des Transformators anzuschließen; und eine Steuereinheit (50) mit den folgenden Aufgaben: als Reaktion auf einen Spannungsdurchhang oder Überspannungszustand der Wechselstromquelle, selektives Torsteuern des Modulationsschalters zwischen der offenen Konfiguration und der geschlossenen Konfiguration mehrere Male pro Zyklus der Systemfrequenz, um den spannungskorrigierten Speisewechselstrom zum Zuführen zur Last zu erzeugen, während entweder der zweite Stromschalter offen gehalten oder der zweite Stromschalter in entgegengesetztem Synchronismus mit dem Modulationsschalter moduliert wird, und als Reaktion auf eine Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Abtrennen des Modulationsschalters.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Modulationsschalter in einer Vollbrückengleichrichterschaltung (62a) befindet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Überspannungsschutzelement (34) umfasst, das parallel zu dem Modulationsschalter geschaltet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: ein parallel zu dem Modulationsschalter geschaltetes Überspannungsschutzelement (34); und wobei sich der Modulationsschalter und das Überspannungsschutzelement in einer Vollbrückengleichrichterschaltung (62a) befinden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Modulationsschalter eine Kaskade von individuellen Modulationsschaltervorrichtungen (52a–52n, 32a–32n) umfasst, die im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der sich jede individuelle Schaltvorrichtung in einer individuellen Vollbrückengleichrichterschaltung (62a) befindet.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Mehrzahl von Überspannungsschutzschaltungen (34a–34n) umfasst, die jeweils parallel zu einer der individuellen Schaltvorrichtungen geschaltet sind und sich in einer entsprechenden Vollbrückengleichrichterschaltung (62a) befinden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der jede Überspannungsschutzschaltung einen Widerstand (66) und einen in Reihe geschalteten Kondensator (68) und eine parallel zu dem Widerstand geschaltete Diode (70) umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen zwischen dem neutralen (22) und dem oberen (26) Pol geschalteten Kondensator (44) umfasst und zum Glätten des spannungskorrigierten Speisewechselstrom in Richtung auf eine sinusförmige Stromversorgung auf der Systemfrequenz konfiguriert ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinheit den Modulationsschalter auf einer Torsteuerungsfrequenz torsteuert und die ferner einen zwischen dem neutralen (22) und oberen (26) Pol geschalteten Notch-Filter (46) umfasst, der so konfiguriert ist, dass er Stromstörungen reduziert, die in dem spannungskorrigierten Speisewechselstrom in einem Filterfrequenzbereich auftreten, der die Torsteuerfrequenz beinhaltet.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Notch-Filter einen Induktor (80), einen Widerstand (82) und einen in Reihe geschalteten Kondensator (84) umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite Stromschalter (54, 36) einen Oberpolschalter (36) zum selektiven Schalten der Wechselstromquelle zwischen dem neutralen (22) und dem oberen (26) Pol umfasst, wenn der Oberpolschalter in eine geschlossene Konfiguration torgesteuert ist, und zum selektiven Abtrennen der Wechselstromquelle von der Verbindung zwischen dem neutralen und dem oberen Pol, wenn der Oberpolschalter in eine offene Konfiguration torgesteuert ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner ein Oberpol-Überspannungsschutzelement (38) umfasst, das parallel zu dem Oberpolschalter geschaltet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der Oberpolschalter eine Kaskade von individuellen Oberpol-Schaltvorrichtungen (54a–54n, 36a–36n) umfasst, die in Reihe geschaltet sind und im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der sich jede individuelle Oberpol-Schaltvorrichtung in einer individuellen Vollbrückengleichrichterschaltung befindet.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, die ferner eine Mehrzahl von Oberpol-Überspannungsschutzschaltungen (38a–38n) umfasst, die jeweils parallel zu einer der individuellen Schaltvorrichtungen geschaltet sind und sich in einer entsprechenden Vollbrückengleichrichterschaltung befinden.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der jede Oberpol-Überspannungsschutzschaltung einen Widerstand und einen in Reihe geschalteten Kondensator sowie eine parallel zu dem Widerstand geschaltete Diode umfasst.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuereinheit zum Torsteuern der Oberpol- und Schaltvorrichtungen im Wesentlichen im Einklang konfiguriert ist, um die genannten Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuereinheit konfiguriert ist zum: Erkennen eines Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; als Reaktion auf die Erkennung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, kontinuierliches Torsteuern des Oberpol- (36) und des Modulationsschalters (32) im Wesentlichen im Einklang, um die genannten Schalter in entgegengesetzten Konfigurationen zu halten, um einen gewünschten spannungskorrigierten Speisewechselstrom zu erzeugen; Erkennen einer Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; als Reaktion auf die Erkennung der Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Torsteuern des Modulationsschalters in eine offene Konfiguration, Torsteuern der Oberpolschaltvorrichtung in eine geschlossene Konfiguration und Unterbrechen einer weiteren Torsteuerung der Schaltvorrichtung.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuereinheit konfiguriert ist zum: Erkennen eines Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; als Reaktion auf die Erkennung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Torsteuern des Oberpolschalters (36) in eine offene Konfiguration; während der Oberpolschalter in der offenen Konfiguration ist, kontinuierliches Torsteuern des Modulationsschalters (32) zwischen der offenen und der geschlossenen Konfiguration zum Erzeugen eines gewünschten spannungskorrigierten Speisewechselstroms; Erkennen einer Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands in der Wechselstromquelle; und als Reaktion auf die Erkennung der Beendigung des Spannungsdurchhangs oder Überspannungszustands, Torsteuern des Modulationsschalters in eine offene Konfiguration, Torsteuern des Oberpolschalters in eine geschlossene Konfiguration und Unterbrechen der weiteren Torsteuerung der Schaltvorrichtung.
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