DE69022021T2 - Dreiphasiger Stromrichter mit fester Spannung. - Google Patents

Dreiphasiger Stromrichter mit fester Spannung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen dreiphasiger Stromrichter mit fester Spannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dreiphasigen Stromrichter mit steifer Spannung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei welchen
  • - einfache sechspulsige Brücken verwendet werden können,
  • - ein konventioneller einfacher Dreischenkel-Transformator verwendet werden kann,
  • - der Sternpunkt der Netzwicklung des Transformators geerdet werden kann, wodurch die Isolationsanforderungen an den Transformator vermindert werden, und
  • - eine gute Kurvenform erreicht wird mit niedrigen Koinmutierungfrequenzen und folglich niedrigen Stromrichterverlusten.
  • 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.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zusätzlichen Ansprüchen genannt.
  • Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
  • Figuren 1 und 2 zwei bekannte sogenannte doppelte sechspulsige Schaltungen,
  • Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Stromrichters gemäß der Erfindung zur Kompensation von Blindleistung in einem Wechselspannungnetz,
  • Figur 4 schematisch den Aufbau des Hauptkreises eines der beiden Teilstromrichter in Figur 3,
  • Figuren sa und sb in Gestalt eines Blockdiagramms den Aufbau des Steuersystems für den Stromrichter gemäß Figur 3,
  • Figuren 6 und 7 für zwei alternative Steuerverfahren den Kurvenverlauf einiger in dem Stromrichter gemäß Figur 3 auftretenden elektrischer Größen,
  • Figur 8 wie, das in den Figuren sa und sb gezeigte Steuersystem verändert werden muß, um die in Figur 7 gezeigte Arbeitsweise zu erreichen,
  • Figur 9 in schematischer Weise, wie der Stromrichter gemäß der Erfindung alternativ verwendet werden kann, um Spitzenlasten in einem Wechselspannungnetz durch Energiespeicherung auszugleichen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Beeinflussung der Steuerung der Teilstromrichter durch die oben genannten Steuerkreise ist vorzugsweise gering und berührt nicht die zuvor beschriebene prinzipielle Arbeitsweise des Stromrichters.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

1. Dreiphasiger Stromrichter (SR) mit fester Spannung mit einem ersten (SR1) und einem zweiten (SR2) Teilstromrichter, die vorzugsweise sechs-pulsig sind, wobei jeder Teilstromrichter Wechselspannungklemmen (a1, b1, c1; a2, b2, c2) und Gleichspannungklemmen (D1u, D1n; D2u, D2n) hat, die Teilstromrichter im Verhältnis zueinander phasenverschobenen arbeiten, die Wechselspannungklemmen der Teilstromrichter an einen Transformator (TR) angeschlossen sind zur Bildung der Wechselspannung des Stromrichters durch Kombination der Wechselspannungen der beiden Teilstromrichter und die Gleichspannungklemmen jedes Teilstromrichters an eine Gleichspannungquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter zwei getrennte Gleichspannungsquellen (C1, C2) hat, von denen jede an die Gleichspannungklemmen je eines der Teilstromrichters angeschlossen ist, und daß der Stromrichter mit Steuergliedern (SD) zur Steuerung der Teilstromrichter in solcher Weise ausgerüstet ist, daß die Phasenverschiebung (φdiff) zwischen den beiden Teilstromrichtern periodisch zwischen positiven und negativen Werten wechseln, wobei der Mittelwert dieser Phasenverschiebung (φdiff) Null ist.
2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerglieder die Teilstromrichter derart zu steuern vermögen, daß die Phasenverschiebung (φdiff) zwischen ihnen zwischen einem positiven Wert und einem gleichgroßen negativen Wert wechselt.
3. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstromrichter sechs-pulsige Stromrichter sind und daß die Steuerglieder so beschaffen sind, daß sie die Teilstromrichter derart steuern, daß die Phasenverschiebung (φdiff) zwischen ihnen zwischen zwei Werten wechselt, die im wesentlichen +150º und -150º betragen.
4. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerglieder die Teilstromrichter so zu steuern vermögen, daß die Phasenverschiebung zwischen den Teilstromrichtern das Vorzeichen jedesmal wechselt, wenn ein Steuervektor in einem der Teilstromrichter den entgegengesetztn Wert des Steuervektors in dem anderen Teilstromrichter hat.
5. Stromrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerglieder Glieder (OSC, BC) zur Unterdrückung gelegentlicher Vorzeichenummkehrungen zwecks Erzielung einer Änderung der Betriebsart des Stromrichters enthalten.
6. Strοmrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerglieder Glieder (OSC) zur Unterdrückung gelegentlicher Vorzeichenumkehrungen mit einer Frequenz enthalten, die kleiner ist als die Kommutierungsfrequenz jedes Teilstromrichters.
7. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Anschluß an ein Wechselspannungnetz und zur Lieferung positiver oder negativer Blindleistung an das Netz, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquellen aus Kondensatorbänken (C1, C2) bestehen.
8. Stromrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Gliedern zur Steuerung der Kondensatorspannungen (ud1, ud2) in Abhängigkeit des Blindleistungsflusses (Q) zwischen dem Stromrichter und dem Netz vorhanden sind durch Beeinflussung der Phasenlage der Teilstromrichter relativ zur Leitungsspannung.
9. Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) eine offene Stromrichterwicklung mit drei Phasenwicklungen (AS, BS, CS) hat, wobei der eine Endpunkt jeder Phasenwicklung an eine Wechselspannungklemme (zum Beispiel a1) des einen Teilstromrichters (SR1) angeschlossen ist und der andere Endpunkt an die entsprechende Wechselspannungklemme (a2) des anderen Teilstromrichter (SR2) angeschlossen ist.
10. Stromrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) eine stern-geschaltete Netzwicklung (AN, BN, CN) hat mit einer Klemme (GC) zur Erdung der Wicklung.
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