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Anordnung zur Gittersteuerung von Stromrichtern, insbesondere Umrichtern
Bei Umrichtern, insbesondere bei elastischen Umrichtern, muß die Gittersteuerung
im allgemeinen sowohl von der höherfrequenten als auch von der niederfrequenten
Seite her beeinflußt werden. Weiterhin müssen bei Umrichtern entsprechend der wechselnden
Richtung des Energieflusses für jede Entladungsstrecke zwei Steuerwege, und zwar
je einer für Gleich- und für Wechselrichterbetrieb, vorgesehen sein. Dabei
erhalten, wenn ein einwandfreier Umrichterbetrieb erzielt werden soll, die im Gleichrichterbetrieb
arbeitenden Entladungsstrecken nacheilende und die im Wechselrichterbetrieb arbeitenden
Entladungsstrecken voreilende Zündimpulse. Eine solche Steuerung läßt sich im allgemeinen
nicht mit einer einzigen Steuerspannung durchführen, deren Phasenlage bei der Umschaltung
von Gleich- in Wechselrichterbetrieb einfach um 18o ' verdreht wird. Es ist
deshalb vorgeschlagen worden, die einzelnen Entladungsstrecken mit zwei Teilwechselspannungen
mit verschieden großer Amplitude zu steuern, wobei die Teilwechselspannung mit der
größeren Amplitude beim Ehergierichtungswechsel in der Umformungseinrichtung um
18o'-in der Phasenlage verdreht wird, während die Teilwechselspannung mit der kleineren
Amplitude stets die gleiche Phasenlage beibehält. Hierdurch wird selbsttätig eine
Umsteuerung von voreilenden Wechselrichterimpulsen in nacheilende Gleichrichterimpulse
erzielt. Bei den bisher vorgeschlagenen Anordnungen wurden hierzu entweder mit Synchronmotoren
gekuppelte Schaltwalzen verwendet, oder es> wurde eine in mehrere Stufen unterteilte
Hilfsentladungsstreckensteuerung durchgeführt. Es sind ferner auch Anordnungen vorgeschlagen
worden, bei denen zwar ebenfalls zwei Steuerwege für jedes Gitter vorhanden sind,
bei denen diese beiden Stenerwege aber in Reihe hintereinanderliegen. Bei diesen
Anordnungen sind für jeden Steuerweg einer Hauptentladungsstrecke je ein
besonderer Gittertransformator vorgesehen, der zufolge seiner hohen Sättigung eine
Steuerspannung spitzer Wellenform liefert und wobei
die Verschiebung
der Gleich- und Wechselrichterimpulse durch entsprechende Vormagnetisierung erreicht
wird. -
Die vorliegende Erfindung erfüllt die mehrfachen an die Gittersteuerang
eines Umrichters gestellten Bedingungen mit Hilfe einer besonders einfachen und
vorteilhaften Transformatoranordnung, die außerdem eine gleichzeitige Erzeugung
der Vor- und Nacheilung gestattet und eine erhebliche Ersparnis an Transformatoren
und Wicklungen aufweist. Die Steuerungsanordnung arbeitet mit gesättigten Transformatoren,
die die sinusförmig dargebotene Eingangsspannung in eine rechteckförmige Ausgangsspannung
verwandeln. Erfindungsgemäß ist für die Steuerung in jedem Gitterkreis außer einem
einzigen, dem niederfrequenten Netz zugeordneten und allen Gitterkreisen der betreffenden
Gruppe angehörenden gesättigten Transformator ein weiterer einziger, dein höherfrequenten
Netz zugeordneter und durch Gleichstrom gesättigter Transformator mit zwei Sekundärwicklungen
in Reihe ge-.schaltet. Dabei sollen die die Steuerimpulse entsprechend der höherfrequenten
Seite liefernden Transformatoren mit einer derartigen Gleichstrommagnetisierung
versehen sein, daß sie in Verbindung mit dem rechteckförmigen Impuls des niederfrequenten
Transformators eine zur Zündung der Entladungsstrecken ausreichende Gesamtspannung
ergeben. Weiterhin sind diese Transformatoren so aufgebaut, daß die höherfrequenten
Impulse sowohl nacheilend (für den Gleichrichterbetrieb) als auch voreilend (für
den Wechselrichterbetrieb) erteilt werden können, und zwar beide Impulse von ein
und demselben Transformator.
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Die Auswahl derjenigen Impulse, die entsprechend der Energierichtung
zur Erteilung gelangen sollen, erfolgt vom niedrigerfrequenten Transformator her.
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An Hand der Abb. i soll der Erfindungsgedanke näher erläutert werden.
Der dort dargestellte dreiphasige Umrichter enthält den Eingangstransformator mit
den Sekundärwicklungen i' bis 5' und i"' bis 5" sowie einen nicht
näher bezeichneten Einphasentransformator und die Drossel D. Die Gitterstenerungsanordnung
St besitzt einen Transformator T2, der der niedrigerfrequenten Seite zugeordnet
ist; ferner ist einer der drei notwendigen Transformatoren T, die der höherfrequenten
Seite zugeordnet sind, dargestellt. Der Transformator T, erzeugt die in Abb.:z gezeigte
rechteckfönnige Teilsteuerspannung UT2, deren Breite zweckmäßigerweise etwas kleiner
als die der niederfrequenten Halbwelle gewählt wird. Wie der Abb. i zu entnehmen
ist, ist die Sekundärwicklung des Transformators T2 in Reihe mit den Sekundärwicklungen
des Transformators T, geschaltet. Die von den Transformatoren T., gelieferten Ausgangsspannungen
haben die in Abb. 9, dargestellte Kurvenform U-I-1 und werden annähernd gleich
der Brenndauer der einzelnen Entladungsstrecken gewählt. Wie der Abb. 2 zu entnehmen
ist, wird die Zündspannung Uz der Entladungsstrecken erst dann erreicht, wenn sich
beide Teilsteuerspannungen überlagern. Zur Einstellung der. richtigen Spannungshöhe
der zusammengesetzten Teilsteuerspannung dient die Vorspannungsbatterie Ul,-. Die
von den beiden Steuertransformatoren erzeugte Steuerspannung wird den Gittern über
Trockengleichrichter 6, die einen Kurzschluß der Sekundärwicklungen vermeiden,
und über -Begrenzungswiderstände 7 zugeführt. Die Gleichrichter sind so einzuschalten,
daß sie nur die positive Spannungsspitze der Transformatoren T, auf die Gitter gelangen
lassen. Zur Wirkungsweise der Steueranordnung ist folgendes zu sagen: Zu einem betrachteten
Zeitpunkt ist die linke Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators T, positiv
und erzeugt somit die Spannungskurve U-j-, in der Abb. 2. Gleichzeitig werden von
der höherfrequenten Seite her die über Kreuz geschalteten Wicklungen 8
und
9 des Transformators T" die über die Leitungen 17 und 18.zu den entsprechenden
Gittern führen, an der linken Seite ebenfalls positiv und erzeugen die Spannung
U7-,. Bei Fehlen der Gleichstromvormagnetisierung würde alsdann an das Gitter der
Entladungsstrecke i' wie auch an das der Entladungsstrecke i" je
ein positiver
Impuls geleitet werden, die beide gleiche Phasenlage besitzen würden. je nach der
Größe der die Vormagnetisierung bewirkenden Gleichspannung UG an der Wicklung iverschiebt
sich nun der an das Gitter der Entladungsstrecke i', von der angenommen sei, daß
sie mit Gleichrichterbetrieb arbeitet, gelangende Impuls in nacheilendem Sinne,
der Impuls, der an das Gitter der Entladungsstrecke i" anliegt, im voreilenden Sinne.
Die Richtung dieser Verschiebung wird so lange beibehalten, bis sich die Richtung
der Einphasenspannung umkehrt. Dann vertauschen die Gruppen A' und
A" des Umrichters ihre Betriebsbedingungen, d. h. A'
übernimmt
den Wechselrichterbetrieb und A"
den Gleichrichterbetrieb. Dementsprechend
wird nun die rechte Seite des Transformators TI positiv, die mit der rechten oberen
Seite des Transformators T, (Wicklung io) für die Gleichrichtersteuerung von Teil
A" und mit der linken unteren Seite (Wicklung ii) für die Wechselrichtersteuerung
von Teil A' verbunden ist. Auf diese Weise erhalten die Gitter der einzelnen
Gruppen von Entladungsstrecken über die entsprechenden Zuleitungen ig bzw. 16 Steuerimpulse,
die im umgekehrten Sinne vor- und nacheflend verschoben sind. Die Anzapfungen
3
und 5, die am Transformator T, vorgesehen sind, führen zu den für
die Steuerung der Entladungsstrecken
3', 5' bzw.
3", 5" notwendigen, der höherfrequenten Seite zugeordneten Transformatoren.
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Zufolge des hohen Ohmschen Widerstandes im Gitterzuleitungskreis,
der durch die Trockengleichrichter 6 hervorgerufen wird, tritt eine Erschwerung
des Entionisierungsvorganges der einzelnen Entladungsstrecken ein. Gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung gelingt es, die Entionisierungsverzögerung dadurch - zu vermeiden,
daß die Gitterzuleitung über einen Widerstand 15 gleichzeitig dauernd an eine passend
zu wählende negative Vorspannung gelegt wird. Der Widerstand 15 ist dabei so zu
bemessen, daß keine die Steuerspannungshöhe beeinträchtigende Belastung auftritt.
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Bei sehr hohen, dem Steuerungstransformator zugeführten Spannungen
kann es vorkommen, daß die erzeugten Steuerspannungen von der Rechteckform abweichen.
Zur Vermeidung bzw. zur Begrenzung dieser Abweichung kann über der Sekundärwicklung
des Transformators T, einÜberspannungsableiter2o vorgesehenwerden.
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In Abb. 3 ist nochmals die konstruktive Durchbildung einer
der Gittertransformatoren T, dargestellt. Die Primärwicklung wird von der Spannung
mit der Frequenz fl gespeist. Die Sekundärwicklungen 8 bis ii werden über
Kreuz geschaltet; ihre Anzapfungen führen zu den gleichen Ziffern wie in der Abb.
i bezeichneten Anschlüssen. Die Vor- und Nachellung der einzelnen Steuerungsimpulse
wird durch die Gleichstrommagnetisierungswicklung, die von der Gleichspannung U#
gespeist wird, eingestellt.
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Sind, wie in dem Ausführungsbeispiel Abb. i angedeutet wurde, Sternpunktsentladungsvorgesehen,
so kann deren Steuerung von einem einzelnen Transformator T., der der niedrigerfrequenten
Seite zugeordnet ist, erfolgen.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann die für jede
Entladungsstrecke im Transformator T, erforderliche doppelte Sekundärwicklungszahl
bei Verwendung von acht Trockengleichrichtern vermieden werden. Wie eine derartige
Anordnung auszuführen ist, zeigt die Abb. 4, bei der der Übersichtlichkeit halber
die Primärwicklungen der Transformatoren T, und T, sowie die Gleichstromvormagnetisierungswicklung
weggelassen wurde. An Stelle der Sekundärwicklungen 6, 8, 9, io und ii des
Transformators T, in der Abb. i sind hier nur die beiden Sekundärwicklungen 13 und
14 erforderlich. Durch die für jede Sekundärwicklung vorgesehenen zusätzlichen zwei
Trockengleichrichter 6' werden jeweils die positiven Gitterspannungen mit
der richtigen Vor-und Nacheilung hintereinandergeschaltet und den Gittern über die
Begrenzungswiderstände 7
zugeführt. Für das einwandfreie Arbeiten der Steuerungsanordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, daß ein festes Frequenzübersetzungsverhältnis
gewahrt bleibt, sondern es kann jede beliebige Frequenzveränderung im höher- oder
niedrigerfrequenten Netz ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Umrichters gewährleisten.
Die Anordnung hat# also auch, und das in erhöhtem Maße sogar, Bedeutung für den
sogenannten elastischen Betrieb. Für eine einwandfreie Kommutierung von einer an
einer Phasenspannung liegenden Entladungsstrec ' ke auf die Sternpunktsentladungsstrecke
muß dafür gesorgt werden, daß beim Gleichrichterbetrieb. die rechteckförmige Steuerspannung
der niedrigerfrequenten Seite bei den an Phasenspannungen liegenden Entladungsstrecken
bereits vor Einleitung der Zündung der Sternpunktsentladungsstrecke den Wert Null
erreicht hat. Ebenfalls muß zwischen dem Steuerungsimpuls der Sternpunktsentladungsstrecke
und dem nachfolgenden niedrigerfrequenten Impuls für Gleich- und Wechselrichterbetrieb
eine entsprechende Lücke vorhanden sein.
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Die bisher dargestellten Anordnungen weisen jedoch noch Mängel auf:
Es macht zunächst Schwierigkeiten, selbst bei konstanter Spannung beider Netze,
die rechteckförmigen Steuerspannungen für die Sternpunktsentladungsstrecken und
die Steuerspannungen der übrigen Entladungsstrecken, insbesondere die niedrigere
Frequenz, zeitlich so aneinander anzuschließen, daß keine unbeabsichtigte Lücke
zwischen ihnen auftritt und dadurch etwa eine Stromunterbrechung im Hauptstromkreis
erfolgt. Andererseits kann aber auch beim Absinken der Spannung, vorzugsweise auf
der Seite niedrigerer Frequenz, die Breite der rechteckförmigen Teilspannung sich
vergrößern, so daß dann eine sichere Kommutierung zwischen den einzelnen Entladungsstrecken
nicht unter allen Umständen gewährleistet werden kann. Gleichzeitig ergibt sich
eine Gegenläufigkeit der Spannungscharakteristik des Umrichters und der Netzspannungsschwankungen
dadurch, daß die beim Absinken der Netzspannung schon relativ größere Umrichterausgangsspannung
durch die Verbreiterung der niedrigerfrequenten Teilsteuerspannung nunmehr unter
Umständen noch weiter ansteigt. Soweit bisher - gleichgültig ob nacheilende
oder voreilende Aussteuerung vorliegt - die rechteckförinigen Teilsteuerspannungen
der höherfrequenten Seite in ihrer zeitlichen Folge Lücken enthielten, werden diese
dann bei Schwankungen der höherfrequenten Netzspannung sich gegebenenfalls schließen.
Dabei wird aber nicht etwa die Umrichterausgangsspannung in irgendeiner Art günstig
geregelt, sondern nur zufolge der frühzeitigeren Zündung der einzelnen Entladungsstrecken
die erzeugte Ausgangsspannung in
ihrer Phasenlage verschoben. Weiterhin
macht es sich nachteilig bemerkbar, daß durch die große Breite der niederfrequenten,
rechteckförmigen Teilspannung nur unier Schwierigkeiten eine genügende Steilheit
des Anstieges erhalten werden kann. Außerdem muß, wie das in der Abb. i angedeutet
wurde, die eindeutige Höhe der Rechteckform durch Überspannungsableiter sichergestellt
werden. Alle diese Nachteile vermeidet die in Abb. 5 dargestellte Schaltung.
Für je, zwei gegensinnig parallel geschaltete Entladungsstrecken (i', i" bzw.
3', 3" bzw. 5', 5") ist die Phasenzahl entsprechend je ein
Transformator T, - der bereits in Abb. i beschrieben wurde - vorgesehen.
Für die Steuerung des Umrichters werden ferner noch die Transformatoren T, und T,
für die gesamte Schaltung jedoch nur einmal, benötigt. Die Wirkungsweise der Anordnung
ist nun folgende: In dem Transformator T, wird -
wie in Abb. 2 - durch
die höherfrequente Spannung in den Sekundärwicklungen 8 bis ii die rechteckförmige
Teilsteuerspannung UT1, die nochmals in Abb. 6 dargestellt ist, erzeugt.
Dabei ist, wie der Abb. 6 entnommen werden kann, zu berücksichtigen, daß
die höherfrequenten Teilsteuerspannungen je nachdem, ob sie die Entladungsstrecken
im Gleichrichter-oder Wechselrichterbetrieb freigeben, eine entsprechende Phasenverschiebung,
die durch den Winkel 23 angedeutet wurde, besitzen müssen. Es sind daher
in der Abb. 6 Teilsteuerspannungen U7-i' und U-i-," angegeben worden. Diese
Phasenverschiebung kann, wie bereits in der Beschreibung bezüglich Abb. i erwähnt
wurde, in Abhängigkeit von der Gleichstrommagnetisierung Ue- erzeugt werden. Durch
die Einschaltung der Trockengleichrichter 6 in die Leitung,16 bis 18 werden
wieder nur die positiven Teilstenerspannungen wirksam. Während in der bisher beschriebenen
Anordnung (Abb. i) die einzelnen höherfrequenten und niedrigerfrequenfen Teilsteuerspannungen
gewissermaßen addiert wurden, wird nun in der Schaltanordnung gemäß Abb.
5 ein subtraktives Verfahren angewendet. Der Transformator T, erzeugt die
in Abb. 6 angegebene Spannung U7-, wobei, wie den Abb. 5 und
6 entnommen werden kann, die positiven Halbwellen dieser Steuerspannung über
Gleichrichter 6', gegebenenfalls unter Zwischenschaltung geeignet bemessener
Widerstände, unterdrückt werden. Diese niederfrequente Teilsteuerspannung wird nun
(vgl. Bereich III in Abb. 6 letztes Diagramm) mit den höherfrequenten Teilsteudrspannungen
so in Verbindung gebracht, daß nur die der Energierichtung entsprechenden höherfrequenten
Teilsteuerspannungen zur Erteilung gelangen. Diese niederfrequente Teilsteuerspannung
blendet also gewissermaßen aus den dauernd erzeugten einzelnen höherfrequenten Teilsteuerspannungen
diej enigen heraus, die nicht erteilt werden sollen. Gleichzeitig aber müssen auch
noch diejenigen höherfrequenten Teästeuerspannungen unwirksam gemacht werden, die
dem Zeitintervall II in Abb, 6, letztes Diagramin, entsprechen. Es ist dies
der Bereich, innerhalb dessen die Sternpunktsentladungsstrecken wirksam sein sollen.
Infolgedessen wird in dem Transformator T, dessen Primäxwicklung um go' gegenüber
denen der Transformatoren T, und T. versetzt ist, die Spannung U-r, in den Wicklungen
2o und --i erzeugt. Gleichzeitig wird in diesem Transformator in den Wicklungen
?,2 und 23 die Spannung UT", d. h. die Steuerspannung für die Sternpunktsentladungsstrecken,
hergestellt. Die Spannung U-I#, entsteht durch Gleichrichtung über die Gleichrichter
2,5 und bildet gewissermaßen eine Korrektionsspannung. Sie wird daher, wie
dem letzten Diagramm der Abb. 6 zu entnehmen ist (Bereich II bzw. II'), teilweise
auch noch in das Gebiet der niederfrequenten Teilspannung U-F,' hereinragen und
dann eine verstärkte negative Spannung hervorrufen, die jedoch keineswegs störend
wirkt. Es genügt daher, wenn die Teilsteuerspannung U-p, zunächst nur grob die Auswahl
unter den höherfrequenten Teilspannungen trifft, die Feineinstellung und Korrektion
erfolgt- durch die Teilspannung UT, Das letzte Diagramm der Abb. 6 zeigt,
wie für eine Energierichtung, z. B. Wechselrichterbetrieb, die Steuerspannungskurven
sich ergeben. Dabei sei angenommen, daß der mit U, bezeichnete Gleichstromwert
die Zündkennlinie der Entladungsstrecken darstellt -, gleiches gilt für die Steuerspannung
U-1." der Sternpunktsentladungsstrecken.
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Die Einschaltung der Trockengleichrichter 24 und 2,5 an den
Sekundärwicklungen des Transforrnators T, kann, wie dargestellt, erfolgen, gegebenenfalls
wird es sich als günstig erweisen, das Kurzschließen einzelner Wicklungen über geeignet
bemessene Widerstände vorzunehmen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die gegenüber
der Frequenz f, doppeltfrequente Teilsteuerspannung mit Hilfe einer bekannten Gleichrichterzweiwegschaltung
herzustellen. Zur schnelleren Entionisierung der einzelnen Entladungsstrecken wird
man auch hier wie die Gitterzuleitungen über Widerstände 15 an ein geeignetes negatives
Potential legen.
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Mit Hilfe7 der in Abb. 5 beschriebenen Steuerungsanordnung
gelingt es, einen einwandfreien Umrichterbetrieb, auch bei sogenannten Mehrphasenumrichtern,
durchzuführen. Dabei kann auch ohne weiteres eine Ausgangsspannungsregelung dadurch
erzielt werden, daß sowohl die Breite der niederfrequenten Teilsteuerspannung UT,
als auch die Breite der Korrektionsspannung UT3 verändert wird.
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Die Erfindung hat aber auch Bedeutung für elastisch arbeitende Umrichteranlagen
und
solche, die mit abgestuften Phasenspannungen arbeiten. Wie bereits
an anderen Stellen (vgl. Patentschrift 640 40o) ausgeführt wurde, ergibt sich bei
derartigen Anordnungen dann, wenn während der Kommutierungszeit - die nahezu
6o' betragen kann - ein Energierichtungswechsel stattfindet, die Möglichkeit,
daß innere Kurzschlüsse auftreten. Es kommt dann z. B. vor, daß ein Kurzschlußstrom
zwischen zwei Anzapfungen ein und derselben Phase oder benachbarterPhasenfließt.
(#emäßeinerWeiterbildung der Erfindung kann in Abhängigkeit von dem in der zyklisch
vorher arbeitenden Entladungsstrecke fließenden Strom der fälschlicherweise zur
Erteilung gelangende Steuerungsimpuls für die nachfolgende Entladungsstrecke durch
eine entsprechende Gleichstromvormagnetisierung im Transformator T, unterdrückt
werden.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, die Steuerung gemäß der Erfindung
so auszubilden, daß, in Abhängigkeit vom Betriebsstrom, die GleichundWechselrichterimpulse
so verschoben werden, daß eine vorgegebene Spannungscharakteristik bzw. Spannungskonstanthaltung
bei allen Belastungsstufen erreicht wird; und zwar einfach dadurch,- daß in Abhängigkeit
vom Betriebsstrom eine zusätzliche Magnetisierung der höherfrequenten Transformatoren
erfolgt. Tritt ein über das zulässige Maß hinausgehender Überstrom am Umrichter
auf, so können auch wieder mit Hilfe der Gleichstrommagnetisierung sämtliche an
das Gitter sonst zur Erteilung gelangende Impulse verschoben oder auch unterdrückt
werden, so daß entweder der Umrichter bis zum Abklingen des Kurzschlußstromes mit
verminderter Spannung betrieben wird oder aber die gesamte Umrichteranlage außer
Betrieb gesetzt wird.
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Der hier für den Fall eines Umrichters dargestellte Erfindungsgedanke
kann sinngemäß auch Anwendung auf Gleichrichter mit Sternpunktsentladungsstrecken,
Wechselrichter, insbesondere Mehrfachwechselricliter und Umkehrstromrichter, finden.