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Die Erfindung betrifft einen dreiphasiger Stromrichter mit
fester Spannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein Stromrichter mit fester Spannung ist ein
selbstkommutierender Stromrichter, dessen Gleichspannung zumindest
kurzzeitig im wesentlichen konstant ist. Dies kann
beispielsweise erreicht werden mit Hilfe einer Kondensatorbank,
die an die Gleichspannungsklemmen des Stromrichters
angeschlossen ist. Ein solcher Stromrichter kann zur
Kompensation von Blindleistung in einem Wechselstromnetz verwendet
werden. Der Stromrichter ist dann über eine kleine
Induktivität an das Wechselstromnetz angeschlossen, wobei diese
kleine Induktivität aus der Streuinduktivität eines
Transformators bestehen kann, der zwischen den Stromrichter und
das Netz geschaltet ist. Der Blindleistungsfluß zwischen dem
Stromrichter und dem Netz kann durch Änderung der Amplitude
der Wechselspannung gesteuert werden. Ein Wirkleistungsfluß
zwischen dem Stromrichter und dem Netz kann durch Änderung
den Phasenwinkels zwischen dem Wechselspannungen des
Stromrichters und des Netzes gesteuert werden.
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Um unerwünschte Wirkungen des Stromrichters auf das Netz zu
reduzieren, ist es erwünscht, daß die Wechselspannung des
Stromrichters eine gute Sinusform hat, das heißt, relativ
frei von Oberwellen ist. Eine Möglichkeit zur Reduzierung
des Oberwellengehalts der Wechselspannung besteht in der
Anwendung einer sogenannten Pulsbreitenmodulation für den
Stromrichter. Die große Anzahl von Kommutierungen pro
Periode bei einem solchen Stromrichter verursacht jedoch hohe
Verluste, die den Stromrichter für hohe Nennleistungen
weniger geeignet machen. Stromrichter der obengenannten Art mit
fester Spannung werden beschrieben von Ned Mohan et al in
"Power Electronics: Converters, Applications, and Design",
Seite 131.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer besseren
Kurvenform besteht darin, die Pulszahl des Stromrichters, das
heißt, die Anzahl der Kommutierungen pro Periode der
Wechselspannung, zu vergrößern. Ein dreiphasiger Stromrichter
mit Rückenschaltung seiner Ventile hat in seiner einfachsten
Form die Pulszahl sechs. Eine beachtliche Verbesserung der
Kurvenform kann durch Verdoppelung der Pulszahl des
Stromrichters erreicht werden. Dies kann in bekannter Weise durch
eine sogenannte zwölfpulsige Schaltung erreicht werden, in
welcher die Spannungen von zwei phasenverschobenen
sechspulsigen Stromrichtern kombiniert werden. Es gibt zwei Typen
von zwölfpulsigen Schaltungen. Bei der ersten bekannten
Schaltung dieser Art sind zwei separate Transformatoren
erforderlich, wodurch der Schaltungsaufwand kompliziert und
teuer wird. Bei der zweiten bekannten Stromrichterschaltung
dieser Art ist nur ein Transformator erforderlich; aber
diese Schaltung hat den Nachteil, daß Kreisströme zwischen
den beiden sechspulsigen Stromrichtern fließen. Spezielle
Maßnahmen in Gestalt vergrößerter Streublindwiderstände des
Transformators oder in Gestalt separater Induktoren sind zur
Begrenzung dieser Kreisströme erforderlich, was zu einer
erhöhten Kompliziertheit des Stromrichters führt. Ferner
verursachen die Kreisströme, die nicht vollständig unterdrückt
werden können, zusätzliche Verluste in den Stromrichtern, so
daß diese überdimensioniert werden müssen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung einer verbesserten
Kurvenform besteht in der Verwendung der sogenannten
doppelten sechspulsigen Schaltung. Diese wird beispielsweise
beschrieben in der US 4 870 557. In diesem Falle wird nur ein
einziger Transformator verwendet, der eine offene Wicklung
zum Anschluß an zwei sechspulsige Stromrichter mit einer
gemeinsamen Gleichspannungquelle hat. Unter einer offenen
Wicklung wird eine Wicklung verstanden, bei der beide Enden
jeder Phasenwicklung für äußere Anschlüsse zugänglich sind.
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Jede Phasenwicklung ist mit einem ihrer Enden an eine
Wechselspannungsklemme eines der Teilstromrichter angeschlossen
und mit ihrem anderen Ende an die entsprechende
Wechselspannungklemme des anderen Teilstromrichters. Die drei Phasen an
einem Ende dieses Wicklungssystems können als ein erstes
Dreiphasensystem angesehen werden und die drei Phasen des
anderen Endes des Wicklungssystems können als ein zweites
Dreiphasensystem angesehen werden. Die Differenz zwischen
diesen beiden Spannungs System stellt das an den
Transformator angeschlossene Spannungssystem dar. Diese bekannte
Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß ein
Nullspannungssystem am Transformator anliegt, so daß dieses
Nullspannungssystem in das Wechselspannungnetz eingespeist wird, an
welches die Stromrichteranlage angeschlossen ist. Dieses
Nullspannungssystem kann dadurch begrenzt werden, daß ein
Nullspannungsinduktor in der Stromrichteranlage vorgesehen wird,
welcher das Nullspannungssystem absorbiert. Ein solcher
Induktor stellt jedoch eine beträchtliche Komplizierung der
Anlage dar und macht sie bedeutend teurer. Gemäß einem
anderen Verfahren kann der Transformator mit einem zusätzlich
unbewickelten Schenkel versehen werden, wodurch der
Transformator als Nullspannungsinduktor arbeitet. Dies bedeutet
jedoch eine bedeutende Komplizierung des Transformators.
Ferner kann bei einem solchen Transformator die
Transformatorwicklung, die an das Netz angeschlossen ist, nicht mit
ihrem Sternpunkt geerdet werden, was bedeutet, daß die
Wicklung voll isoliert werden muß, wodurch der Transformator
noch teurer wird.
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Eine sogenannte doppelte sechspulsige Schaltung eines der
beiden oben genannten Typen zeigt Figur 1. Die beiden
sechspulsigen Stromrichter SRA und SRB sind auf ihrer
Gleichspannungsseite an eine gemeinsame Gleichspannungquelle
angeschlossen, die in dem gezeigten Beispiel aus einer
Kondensatorbank C besteht. Die Wechselspannungseiten der
Stromrichter sind über einen Transformator TR und Induktoren LA,
LB, LC an das dreiphasige Netz N angeschlossen. Die
Stromrichter werden so gesteuert, daß ihre Wechselspannungen
ungefähr 150º phasenverschoben zueinander sind. Der
Transformator hat einen zusätzlichen unbewickelten Schenkel XL.
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Eine doppelte sechspulsige Schaltung der zweiten der beiden
oben genannten Typen zeigt Figur 2. Sie hat einen
Nullspannungsinduktor LC mit drei Phasenwicklungen auf einem
gemeinsamen Kern.
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Eine dritte Möglichkeit zur Verwirklichung einer
zwölfpulsigen Arbeitsweise und folglich einer verbesserten Kurvenform
besteht in der Verwendung eines sogenannten
NPC-Stromrichters (NPC = Neutral Point Clamped). Ein solcher Stromrichter
wird beschrieben von A. Nabae et al in "A neutral-point-
clamped PWM inverter", Seite 518-523, (IEEE Transaction on
industry applications Band I 1-17, Nr. 5, September/October
1981. Ein solcher Stromrichter hat jedoch einen
komplizierteren Hauptkreis und erfordert mehr Halbleiterelemente als
eine traditionelle doppelte sechspulsige oder zwölfpulsige
Schaltung. Ferner sind in einem solchen Stromrichter
bestimmte Halbleiterkomponenten stärker belastet als andere,
was für eine bestimmte gegebene Last eine
Überdimensionierung der erstgenannten Halbleiterelemente erfordert und
folglich den Stromrichter teurer macht beziehungsweise seine
maximale Nennlast vermindert.
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In all den oben erwähnten bekannten Fällen wird daher eine
Verminderung der Oberwellen durch eine Vergrößerung der
Verluste und/oder eine beträchtliche Komplizierung entweder
des Transformators oder des Stromrichters erkauft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dreiphasigen
Stromrichter mit steifer Spannung der eingangs genannten Art
zu entwickeln, bei welchen
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- einfache sechspulsige Brücken verwendet werden können,
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- ein konventioneller einfacher Dreischenkel-Transformator
verwendet werden kann,
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- der Sternpunkt der Netzwicklung des Transformators
geerdet werden kann, wodurch die Isolationsanforderungen an
den Transformator vermindert werden, und
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- eine gute Kurvenform erreicht wird mit niedrigen
Koinmutierungfrequenzen und folglich niedrigen
Stromrichterverlusten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird einen dreiphasiger
Stromrichter mit steifer Spannung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
zusätzlichen Ansprüchen genannt.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Figuren 1 und 2 zwei bekannte sogenannte doppelte
sechspulsige Schaltungen,
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Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters gemäß
der Erfindung zur Kompensation von Blindleistung in
einem Wechselspannungnetz,
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Figur 4 schematisch den Aufbau des Hauptkreises eines der
beiden Teilstromrichter in Figur 3,
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Figuren sa und sb in Gestalt eines Blockdiagramms den Aufbau
des Steuersystems für den Stromrichter gemäß Figur
3,
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Figuren 6 und 7 für zwei alternative Steuerverfahren den
Kurvenverlauf einiger in dem Stromrichter gemäß
Figur 3 auftretenden elektrischer Größen,
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Figur 8 wie, das in den Figuren sa und sb gezeigte
Steuersystem verändert werden muß, um die in Figur 7
gezeigte Arbeitsweise zu erreichen,
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Figur 9 in schematischer Weise, wie der Stromrichter gemäß
der Erfindung alternativ verwendet werden kann, um
Spitzenlasten in einem Wechselspannungnetz durch
Energiespeicherung auszugleichen.
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Figur 3 zeigt einen Stromrichter SR gemäß der Erfindung, der
über Induktoren LA, LB, LC an ein dreiphasiges
Wechselspannungleistungsnetz N angeschlossen ist. Der Stromrichter soll
der Kompensation von Blindleistung im Netz dienen, worunter
verstanden wird, daß der Stromrichter eine veränderliche
Blindleistung erzeugen oder verbrauchen kann, beispielsweise
zur Verbesserung des Leistungsfaktors des Netzes oder zur
Steuerung der Spannung des Netzes. Die gerade genannten
Induktoren liegen in Reihe mit den Streublindwiderständen
des Stromrichtertransformators und sie können entfallen,
wenn die genannten Streublindwiderstände groß genug sind.
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Der Stromrichter enthält zwei selbstkoinmutierende
Stromrichter SR1 und SR2 mit steifer Spannung, die aus sechspulsigen
Brücken, einem Transformator TR und Steuergliedern SD
bestehen. Jeder Teilstromrichter hat Wechselspannungklemmen a1,
b1, c1 beziehungsweise a2, 21, c2. An die
Gleichspannungklemmen D1u und DIN des Teilstromrichters SR1 ist eine erste
Kondensatorbank C1 angeschlossen, und an die
Gleichspannungklemmen D2u und D2n des Teilstromrichters SR2 ist eine
zweite Kondensatorbank C2 angeschlossen. In einer unten
beschriebenen Weise werden die beiden Kondensatoren C1 und C2
auf eine geeignete Spannung geladen gehalten und bilden
selbständige und galvanisch getrennte Gleichspannungquellen,
je eine für jeden Teilstromrichter. Der Transformator TR hat
auf der Stromrichterseite eine offene Dreiphasenwicklung AS,
BS und CS und auf der Netzseite eine sterngeschaltete
Dreiphasenwicklung AN, BN, CN. Der Transformator hat eine Klemme
GC, die an den Sternpunkt der Netzwicklung zwecks Erdung der
Netzwicklung angeschlossen ist. Die Netzwicklung hat ferner
Klemrnen A, B, C zum Anschluß an das Netzwerk N. Jede der
drei Phasenwicklungen AS, BS, CS ist mit ihrem einen Ende an
eine Wechselspannungklemme des einen Teilstromrichters
angeschlossen und mit ihrem anderen Ende an die entsprechende
Wechselspannungklexnme des anderen Teilstromrichters.
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Der Stromrichter hat eine Steuervorrichtung SD zur Steuerung
der Arbeitsweise des Stromrichters. In Figur 3 sind nur die
Steuerimpulsgeber SD1 und SD2 gezeigt, welche Steuerimpulse
sa1, sb1, sc1 an den Teilstromrichter SR1 und sa2, sb2, sc2
an den Stromrichter SR2 liefern.
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Figur 4 zeigt den Aufbau eines Teilstromrichters SR1. Der
Teilstromrichter SR2 ist in genau der gleichen Weise
aufgebaut. Jede Phase des Stromrichters hat zwei in Reihe
geschaltete Halbleiterventile, zum Beispiel Tau und Tan. Wie
Figur 4 zeigt, können diese als Ausschalt-Thyristoren
(sogenannte GTO - Tyristoren) ausgebildet sein. Alternativ
können die Ventile auch als Nicht-Ausschalt-Thyristoren
ausgebildet sein, die dann mit Unterdrückerkreisen, oder
eventuell Transistoren oder anderen Steuerventilen versehen
sind. Jedes Ventil kann aus einer Vielzahl von in Reihe
geschalteten Halbleiterelementen bestehen. Antiparallel zu
jedem Ventil ist eine Nebensdhlußdiode, beispielsweise Bau,
Ban, angeordnet. Die Diode kann mit dem steuerbaren
Halbleiterelement integriert sein. Der Verbindungspunkt zwischen
den Ventilen und Dioden ist an eine Wechselspannungklemme a1
des Stromrichterns angeschlossen. Die anderen beiden Phasen
sind in gleicher Weise aufgebaut. Die beiden Ventile der
gleichen Phase werden derart gesteuert, daß ein Ventil stets
leitend und das andere Ventil nicht leitend ist. Die drei
Phasen werden mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von
120º gesteuert, wodurch ein dreiphasiges Spannungssystem an
den Wechselspannungklemmen a1, b1, c1 des Stromrichters
erzeugt wird.
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Jeder Teilstromrichter erzeugt ein sechspulsiges
dreiphasiges Spannungssystem. Die Differenzspannung aus diesen
beiden Systemen ist an die Stromrichterwicklung des
Transformators angeschlossen. Wenn die Teilstromrichter gleiche
Phasenlage haben, dann ist die Differenzspannung und folglich
die Transformatorspannung Null. Wenn die Teilstromrichter
mit einer Phasenverschiebung von 180º betrieben werden,
erscheint am Transformator eine sechspulsige Spannung mit
einer doppelt so großen Amplitude wie die Spannung jedes
Teilstromrichters. Gemäß der Erfindung werden die
Teilstromrichter jedoch mit einer Phasenverschiebung von +150º oder -150º
betrieben, wobei eine zwölfpulsige Spannung mit geringem
Oberwellengehalt am Transformator erscheint.
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Die oben genannte Phasenverschiebung zwischen den beiden
Teilstromrichtern bedeutet, daß zumindest einer der
Teilstromrichter mit einer Phasenverschiebung relativ zum Netz
betrieben werden muß, die von den Phasenverschiebungswerten
0º und 180º verschieden ist, bei welcher der
Wirkleistungsfluß zwischen dem Netzwert und dem Teilstromrichter Null
ist. Dies bedeutet, daß die Kondensatorbank mindestens des
einen Stromrichters kontinuierlich geladen und entladen
wird, was einen stationären Betrieb unmöglich machen würde.
Bei dem Stromrichter gemäß der Erfindung wird dieses Problem
dadurch gelöst, daß kontinuierlich das Vorzeichen der
Phasenverschiebung zwischen den Teilstromrichtern während des
Betriebes geändert wird.
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Figur sa zeigt eine Steuervorrichtung für einen Stromrichter
gemäß Figur 3. Jeder Teilstromrichter hat einen
Steuerimpulsgeber SD1 beziehungsweise SD2, der in bekannter Weise
Steuerimpulse an die Stromrichter liefert. Die
Leitungsspannung wird mit Hilfe eines Spannungsmeßgerätes UAM gemessen,
zum Beispiel einem Spannungswandler, und wird einem
Synchronisierungsglied SY zugeführt, welches ein
Synchronisierungssignal φn liefert, welches ein Maß für die Phasenlage der
Leitungsspannung ist und welches beim Fehlen eines
zusätzlichen Steuersignals von der Steuervorrichtung die beiden
Steuerimpulsgeber in einer solchen Phasenlage gegenüber der
Leitungsspannung hält, daß einerseits die Teilstromrichter
im Gegentakt zueinander arbeiten und andererseits die
Wechselspannung des Stromrichters (die Differenz zwischen den
Spannungen der beiden Teilstromrichter) in Phase mit der
Wechselspannungspannung des Netzes ist.
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Die Spannung "un" von dem Spannungsmeßglied UAM wird einem
Blindleistungsmeßglied QM zugeführt. Diesem Glied wird auch
ein Signal "in" zugeführt, welches dem Strom des
Stromrichter entspricht und welches mit Hilfe eines Strommeßgliedes
IM gewonnen wird, welches zwischen dem Stromrichter und dem
Netz angeordnet ist. Das Blindleistungsmeßglied QM bildet
ein Signal Q, welches der Blindleistung proportional ist,
die zwischen dem Stromrichter und dem Netz fließt, und
welches einem Summierungsglied SML zugeführt wird. Diesem
Summierungsglied wird auch ein Sollwert Qr für die
Blindleistung zugeführt, welcher mit Hilfe eines Sollwertübertragers
QP gewonnen wird. Die Differenz zwischen den Signalen QR und
Q wird einem Blindleistungregler QR mit PI-charakteristik
zugeführt. Das Ausgangssignal uDr des Reglers stellt einen
Sollwert für die Gleichspannung der beiden Kondensatoren C1
und C2 dar. Die Kondensatorspannungen werden mit Hilfe von
Spannungsmeßgliedern UDM1 und UDM2 gemessen und den
Summierungsgliedern DM2 und SM3 zugeführt, wo sie mit dem Sollwert
uDr verglichen werden. Die mit Hilfe der Summierungsglieder
gewonnenen Differenzsignale werden Gleichspannungregler UDR1
und UDR2 mit P-Charakteristik zugeführt. Die Ausgangssignale
φ10 und φ20 der Regler werden Summierungsgliedern SM4 und
SMS zugeführt, deren Ausgangssignale φ1 und φ2 den beiden
Steuerimpulsgebern SD1 und SD2 zugeführt werden. Wenn die
Signale φ1 und φ2 Null sind, arbeiten die beiden
Teilstromrichter im Gegentakt, das heißt, jede Kommutierung in einem
Teilstromrichter ist 180º phasenverschoben gegenüber der
entsprechenden Kommutierung in dem anderen Teilstromrichter.
Ferner sind in diesem Falle in jedem Teilstromrichter die
drei Phasen gegenseitig um 120º phasenverschoben, und die
beiden Ventile in derselben Phase arbeiten mit einer
gegenseitigen Phasenverschiebung von 180º. Ferner ist die
Phasenlage so, daß die resultierende Wechselspannung jedes
Stromrichters in Phase mit der Leitungswechselspannung ist, so
daß keine Wirkleistung zwischen dem Netz und den
Stromrichtern fließt. Da die Stromrichter im Gegentakt arbeiten, ist
die resultierende Wechselspannung, wie oben erwähnt, eine
sechspulsige Spannung, das heißt, eine Spannung mit einem
relativ hohen Oberwellengehalt.
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Ein positiver Wert des Signals φ1 oder φ2 eilt in der Phase
den Steuerimpulsen der entsprechenden Steuerimpulsgeber und
folglich auch den Kommutierungen und den Wechselspannungen
des entsprechenden Teilstromrichters voraus (erscheint
früher). In entsprechender Weise ist ein negativer Wert des
Signals φ1 oder φ2 gegenüber dem Steuerimpuls des
entsprechenden Steuerimpulsgebers phasenverzögert (nacheilen).
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Eine Größe φdiff, die einer Phasenverschiebung von 15º
entspricht, wird einem schaltbaren Vorzeichenumkehrer SA
zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird einem Summierungsglied SM4
mit positiven Vorzeichen und einem Summierungsglied SMS mit
negativem Vorzeichen zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des
Vorzeichenumkehrers positiv ist, eilen die Kommutierungen
des Stromrichters SR1 um 150 in der Phase voraus, und die
Kommutierungen des Stromrichters SR2 um 15º nach. Das
Umgekehrte ist der Fall, wenn das Ausgangssignal des
Vorzeichenumkehrers ein negatives Vorzeichen hat. Die
Steuerimpulse der Steuerimpulsgeber SD1 und SD2 werden einer
logischen Schaltung LN zugeführt, die einen Ausgangsimpuls
liefert, wenn die Ausgangssignale der beiden Teilstromrichter
entgegengesetzte Werte haben. Der Ausgangsimpuls der
Schaltung LN wird dem Vorzeichenumkehrer SA zugeführt, der mit
jedem Ausgangsimpuls der Schaltung LN einen Wechsel
vollzieht.
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Die logische Schaltung LN in Figur sa ist in der in Figur sb
gezeigten Weise aufgebaut. Sie enthält drei exklusive ODER-
Glieder OG1, OG2, OG3 und ein UND-Glied AG. Jedes ODER-Glied
liefert ein Ausgangssignal, wenn seine beiden
Eingangssignale untereinander verschieden sind. Jede positive Flanke
eines Ausgangssignals des UND-Gliedes AG schaltet den
Vorzeichenumkehrer SA um. Wenn die Steuersignale sa1 und sa2
unterschiedlich sind, erhält man von dem Glied OG1 ein
Ausgangssignal, wenn sb1 und sb2 unterschiedlich sind, erhält
man ein Ausgangssignal vom Glied OG2, und wenn sc1 und sc2
unterschiedlich sind, erhält man ein Ausgangssignal vom
Glied OG3. Ein Steuervektor für den Teilstromrichter SR1
wird durch die Größen sa1, sb1, sc1 definiert und ein
Steuervektor für den Stromrichter SR2 durch dieφGrößen sa2, sb2,
sc2. Einer der Steuervektoren ist die Umkehrung (der inverse
Wert) des anderen, wenn sa1 ≠ sa2 und sb1 ≠ sb2 und sc1 ≠
sc2, und wenn dies der Fall ist, erhält man Ausgangssignale
von allen drei ODER-Gliedern, und ein man erhält
Ausgangssignal von dem UND-Glied AG an den Vorzeichenumkehrer zur
Herbeiführung einer Vorzeichenumkehrung.
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Im stationären Betrieb entspricht die Blindleistung Q dem
gewünschten Wert (Qr). Das Ausgangssignal des
Blindleistungsreglers Qr ist daher konstant und gleich dem
Wert der Kondensatorspannungen, welcher Wert für die
gewünschte Blindleistung sorgt. Ferner sind die beiden
Kondensatorspannungen gleich dem vom Blindleistungsregler
gelieferten Sollwert udr, und beide Signale φ10 und φ20 sind
Null. In einem bestimmten Augenblick ist das Ausgangssignal
vom vo+ SA Positiv. Die nächste Koinrnutierung ist daher um
15º in der Phase voreilend im Stromrichter SR1 und um 15º in
der Phase nacheilend im Stromrichter SR2, das heißt, die
Kommutierungen finden mit einer Phasenverschiebung von 30º
statt. Während dieser Kommutierung findet ein Wechsel des
Vorzeichenumkehrers statt und φ1 und φ2 ändern ihr
Vorzeichen. Die nächste Kommutierung ist daher um 15º in der Phase
verzögert im Stromrichter SR1 und um 15º phasenvoreilend im
Stromrichter SR2. Auf diese Weise arbeiten die beiden
Teilstromrichter mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung,
die abwechselnd +150º und -150º beträgt. Eine Kommutierung
findet in jedem Teilstromrichter alle 300 statt, und die
resultierende Wechselspannung des Stromrichters ist eine
zwölfpulsige Spannung mit niedrigem Oberwellengehalt. Jeder
Teilstromrichter ist abwechslend 15º phasenvoreilend
beziehungsweise 15º phasennacheilend im Verhältnis zu der
Phasenlage, in welcher der Wirkleistungsfluß Null ist. Dies
bedeutet, daß abwechselnd Leistung aus dem Kondensator des
Teilstromrichters abfließt und in denselben Kondensator
zurückfließt. Mit dem im folgenden beschriebenen Steuerprinzip
wird jedoch erreicht, daß der Mittelwert dieses Stromes Null
ist, das heißt, die Kondensatorladung konstant ist.
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Die sechs oberen Kurven (Diagramme) in Figur 6 zeigen die
Steuerimpulse der Teilstromrichter. Wenn ein Steuerimpuls
den Wert "1" hat, ist das obere Ventil der entsprechenden
Phase leitend, und wenn der Steuerimpuls den Wert "0" hat,
ist das untere Ventil der entsprechenden Phase ieitend.
Darunter in Figur 6 sind als Beispiel die Phasenspannungen ua1
und ua2 der beiden Teilstromrichter gezeigt. Darunter ist
die zur Phase A gehörende resultierende Wechselspannung
gezeigt, welche die Differenz zwischen den Spannungen ua1 und
ua2 darstellt. Unten in Figur 6 sind die beiden Ströme iD1
und iD2 gezeigt, die zu den Kondensatorbänken fließen.
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Durch Beeinflussung der Phasenlage der an den Stromrichter
SR1 gelieferten Steuerimpulse und folglich des Flusses an
aktiver Leistung und des Kondensatorstromes iD1 hält der aus
den Gliedern UDM1, SM2, UDR1, SD1 und SR1 bestehende
geschlossene Steuerkreis die Spannung des Kondensators C1
kontinuierlich auf den Wert des Sollwertes uDr. In
entsprechender Weise wird die Spannung des Kondensator C2 auf demselben
Sollwert gehalten. Der übergeordnete Kreis zur Steuerung der
Blindleistung enthält die Glieder QM, QP, SM1 und QR. So
führt zum Beispiel eine Vergrößerung des Sollwertes QR zu
einer Vergrößerung des Spannungssollwertes uDr und folglich,
in der oben beschriebenen Weise, zu einer Vergrößerung der
Kondensatorspannung und damit der gesamten
Ausgangsspannungsamplitude des Stromrichters bis der Blindleistungsfluß
Q des Stromrichters dem Sollwert QR entspricht.
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Die Beeinflussung der Steuerung der Teilstromrichter durch
die oben genannten Steuerkreise ist vorzugsweise gering und
berührt nicht die zuvor beschriebene prinzipielle
Arbeitsweise des Stromrichters.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung
sind, wie aus Figur 6 ersichtlich, die leitenden Intervalle
des oberen Halbleiterventils in jeder Phase kürzer als die
leitenden Intervalle für die unteren Ventile in derselben
Phase. Die zuletzt genannten Ventile sind daher einer
stärkeren thermischen Belastung ausgesetzt, wodurch die
maximale Leistung des Stromrichters herabgesetzt wird. Der
Ausgangszustand des Vorzeichenumkehrers SA entscheidet
darüber, welche der Ventile die längeren beziehungsweise
kürzeren leitenden Intervalle haben, das heißt, in welchem
der beiden möglichen Zustände das System arbeitet.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung findet periodisch
ein Wechsel des Modus statt, in welchem die Stromrichter
arbeiten. Dies kann durch eine Steuerung der Stromrichter
gemäß den Diagrammen der Figur 7 erfolgen. Kurz gesagt,
bedeutet die Steuerstrategie, daß einer der wiederkehrenden
Vorzeichenwechsel in SA unterdrückt wird. In Figur 7
arbeitet das System vor dem Zeitpunkt t = t1 in einem ersten
Modus. Im Zeitpunkt t = t1 wird ein Wechsel des Modus
eingeleitet, der in Zeitpunkt t = t2 abgeschlossen ist, wonach
das System in seinem zweiten Modus arbeitet.
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Durch periodischen Wechsel des Arbeitsmodus in der genannten
Weise gehört jedes einzelne Stromrichterventil abwechselnd
zu der Ventilgruppe, die mit langen leitenden Intervallen
arbeitet, und zu der Gruppe, die mit kurzen leitenden
Intervallen arbeitet. Wenn die Periode des so stattfindenden
Wechsels des Arbeitsmodus kurz ist oder mit der thermischen
Zeitkonstante des Ventils vergleichbar ist, wird der durch
die Verluste auftretende Temperaturanstieg in allen Ventilen
des Stromrichters gleich groß sein. Diese können dann in
einer wirtschaftlich optimalen Weise genutzt werden. Der
Wechsel des Modus kann mit jeder zweiten Komnutierung
stattfinden, das heißt, die Folge des Vorzeichenwechsels ist ++--++
--++-- usw.
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Figur 8 zeigt eine Schaltung zur Ausführung des Wechsels im
Modus in der oben beschriebenen Weise. Die Schaltung enthält
einen zusätzlichen Vorzeichenumkehrer SB in Form eines
Multiplizierers, der das Vorzeichen des Ausgangssignals des
Vorzeichenumkehrers SA (siehe Figur 5b) umkehrt. Der
Multiplizierer wird von dem Ausgangssignal eines bistabilen
Gliedes BC gesteuert. Dieses hat einen vorbereitenden D-Eingang,
der an einen Oscillator OSC angeschlossen ist, der eine
Rechteckwelle erzeugt, deren Frequenz kleiner ist als die
Kommutierungfrequenz des Stromrichters. Bei derjenigen
Kommutierung, die unmittelbar nach jedem Wechsel des Zustandes
des Ausgangssignals des Oscillators folgt, wechselt das
Ausgangssignal des Kreises BC sein Vorzeichen, was bedeutet,
daß das System den Arbeitsmodus wechselt.
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Statt durch Steuerung durch den freischwingenden Oscillator
gemäß Figur 8, kann der Wechsel des Modus auch in anderer
Weise gesteuert werden, beispielsweise in Abhängigkeit einer
gemessenen Systemgröße, zum Beispiel der Temperatur der
Halbleiterelemente.
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Figur 9 zeigt eine alternative Anwendung eines Stromrichters
gemäß der Erfindung. Die Gleichspannungquelle der beiden
Teilstromrichter besteht hier aus Akkumulatorenbatterien B1
und B2. Bei geringer Last des Netzes N wird der Stromrichter
so gesteuert, daß Wirkleistung aus dem Netz in die
Akkumulatorenbatterien fließt und dort gespeichert wird. Bei
hoher Last wird der Stromrichter so gesteuert, daß die
Wirkleistung aus der Batterie in das Netz fließt. Auf diese
Weise kann die Lastanforderung an die leistungserzeugenden
Quellen des Netzes in einer an sich bekannten Weise
vergleichmäßigt werden. Steuerung und Arbeitsweise des
Stromrichters können im Prinzip die gleichen sein, die oben
anhand der Figuren 3 bis 8 beschrieben wurden, wobei jedoch
die Steuerkreise zur Steuerung der einzelnen
Kondensatorspannungen natürlich durch Steuerkreise ersetzt werden,
welche den Strom durch jede der Akkumulatorenbatterien steuern.
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Die individuelle Steuerung stellt dann sicher, daß der
mittlere Strom durch jede Batterie den Wert des gemeinsamen
Sollwertes annimmt, der von einer übergeordneten Steuerung
geliefert wird. In gleicher Weise werden die in Figur 5
gezeigten Steuerkreise zweckmäßigerweise ergänzt durch Glieder
zur Steuerung des Wirkleistungsflusses durch gemeinsame
Phasenvoreilung beziehungsweise Phasenverzögerung der beiden
Teilstromrichter.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und Anwendungen
sind lediglich Beispiele, und sowohl andere
Ausführungsbeispiele als auch andere Anwendungsgebiete sind im Rahmen der
Erfindung denkbar. So wurde das Prinzip der Erfindung für
sechspulsige Stromrichter beschrieben, deren
Ausgangsspannungen so kombiniert werden, daß man eine zwölfpulsige
Spannung erhält; das Prinzip der Erfindung kann aber auch bei
anderen Pulszahlen als die oben genannten angewendet werden.
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Der oben genannte Wert für das Signalφdiff, der eine
gegenseitige Phasenverschiebung von 150º zwischen den beiden
Teilstromrichter ergibt, ergibt den niedrigsten
Oberwellengehalt; jedoch können auch andere Werte für die
Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilstromrichter angewendet
werden. In einer an sich bekannten Weise können in einem
Stromrichter gemäß der Erfindung eine oder mehrere
Kommutierungen während jeder Halbperiode stattfinden, um den
Oberwellengehalt der Ausgangsspannung weiter zu verkleinern. Die
oben beschriebenen Steuerverfahren sind nur Beispiele.
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Eine weitere Reduzierung des Oberwellengehaltes der
erzeugten Wechselspannung kann dadurch erreicht werden, daß die
beiden Stromrichter gemäß der Erfindung in einer
vielpulsigen Schaltung angeordnet werden. Jeder Stromrichter kann von
der im Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 8 beschriebenen
Art sein. Der Transformator eines ersten der beiden
Stromrichter ist mit seiner Netzwicklung im Dreieck geschaltet.
Der andere der Stromrichter hat einen Transformator, dessen
Netzwicklung eine offene Wicklung ist, wobei jede
Phasenwicklung zwischen einer Klemme der im Dreieck geschalteten
Arbeitswicklung des ersten Stromrichters und der
Wechselspannungleitung angeschlossen ist. In diesem Falle arbeitet
jeder Stromrichter mit einer Phasenverschiebung (φdiff) von
15º. Die beiden Stromrichter arbeiten mit einer
gegenseitigen Phasenverschiebung von 30º. Die durch diese Anordnung
erzeugte resultierende Wechselspannung kommt einer idealen
24-pulsigen Spannung nahe.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, erhält man gemäß
der Erfindung einen Stromrichter, der in der Lage ist, mit
einer niedrigen Kommutierungfrequenz und folglich niedrigen
Verlusten zu arbeiten, wobei er eine Wechselspannung mit
geringem Oberwellengehalt erzeugt. Es treten weder ein
Nullspannungssystem noch Kreisströme auf, und daher sind keine
speziellen Induktoren oder spezielle
Transformatorausführungen erforderlich, um solche Probleme zu beheben. Sowohl die
Hauptkreise der Teilstromrichter als auch der Transformator
haben einen Aufbau, der so einfach und wirtschaftlich wie
möglich ist. Aus diesem Grunde ist ein Stromrichter gemäß der
Erfindung einfach und wirtschaftlich vorteilhaft.