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Verfahren zur Erzeugung einer über alle Lastbereiche annähernd konstanten
oder innerhalb gewisser Grenzen regelbaren Ausgangsspannung von Stromrichteranordnungen
| Bei den bisher bekanntgewordenen Strom- |
| richteranordnungen. die sich zur Koininutie- |
| rung eines Schwingkreises oder auch nur |
| eines Kondensators bedienen, bestellt die |
| Schwierigkeit, zwischen Leerlauf und Voll- |
| last konstante Spannungsverhältnisse zu er- |
| zielen. Je nach dem Aufbau der L'informungs- |
| einrichtung ist sie entweder im Leerlaut' |
| (Parallelwecliselricllter) oder schon bei gerin- |
| ger Überlast (Serienwechselrichter) nicht |
| mehr arbeitsfähig. Außerdem treten große |
| Spannungsschwankungen in Abhängigkeit von |
| der Last auf. Zur Verdeutlichung (fieses Vor- |
| ganges sei zunächst als dem eilifacllstcn |
| spiel auf die Arbeitsweise eines 1'arallel- |
| wechselrichters eingegangen. |
| Die Abb. i stellt in vereinfachter horte |
| einen derartigen Wechselrichter (lar. 1)ic |
| Gleichspannung (9 wird aller (1e11 Schalter ' )e |
| nach Bedarf mit dein houtakt i ocker - 1cr- |
| bunden. Inl übrigen besteht der \\'erlisel- |
| richter aus (1e111 von der Drossel 5 ulid (lein |
| Kondensator 6 gebildeten Schwingkreis, der |
| durch die zum Kondensator parallel geschal- |
| tete veränderbare Last 7 mehr oder weniger |
| gedämpft wird. Der Kondensator wird, wie |
| der Abb. i zu entnehmen ist, wechselweise |
| durch Umladen des Schalters 8 positiv und |
| negativ geladen. Für die folgenden Betrach- |
| tüllgen katln das Umladen 111 einem festen, |
| von der Eigeilfre(lticilz des Schwingungskrei- |
| ses vollkommen unabhängigen Takt geschehen |
| (Freindstetterung). In der gezeichneten Stel- |
| lung wird der holideiis<itor auf der linken |
| Seite negativ, auf der recllteit Seite positiv |
| aufgeladen; es etitstelit die positive Halbwelle |
| der \\'echselspatitituig. Wird der Schalter 8 |
| auf (l('11 Kontakt ? gelegt, so lallt sich der |
| Kondensator 11111, wobei die rechte Seite |
| lteg;ttiv »»(1 (lie lilike Seite lies Koit(leiis:itol-s |
| positiv wird. Arbeitet der Wechselrichter 1111 |
| Leerlauf, so ist die 1);iiitllftiii;; gering. Der |
| Verlauf der a111 Kondensator 0 auftrcten(lell |
| Spaimmig 1 ,; ist aus Abb. = ersichtlich. Die |
Iiondensatorspannung schwingt bei der ersten Umladung beinahe uni
den doppelten Wert der Schaltspannung
2 U9 über den stationären Wert hinaus.
Theoretisch besteht nun die Möglichkeit, einen Wechselrichterbetrieb dergestalt
durchzuführen, daß an die erste Halbwelle der gedämpft abklingenden Schwingung die
nächste der vom Wechselrichter zu liefernden Spannungshälbwelle angeschlossen wird.
Diese nächstfolgende Halbwelle dürfte jedoch höchstens im Punkte A ansetzen und
würde dann ebenfalls wieder bis auf den @'iTert -+- 3 U9 ansteigen. Setzt die nächstfolgende
Halbwelle etwa bereits im Punkte B ein, so ist die zur Umladung zur Verfügung stehende
Spannung größer als bisher; es werden sich demzufolge die Schwingungen anfachen,
die Kondensatorspannung sich hierbei auf unzulässig hohe Werte aufschaukeln. Ein
ordnungsgemäßer Betrieb des Wechselrichters im Leerlauf ist daher kaum möglich.
Erfolgt die Anfügung der nächstfolgenden Halbwelle erst im Punkte C, so ist die
zur Umladung zur Verfügung stehende Spannung zwar geringer, die Ausbildung der Spannung
des Wechselrichters aber entspricht in ihrer Kurvenform keineswegs den an sie zu
stellenden Anforderungen.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, den Wechselrichter so zu betreiben,
daß erst dann, wenn der Einschwingv organg des Kondensators 6 nach einer logarithmischen
Funktion abgeklungen ist, die Umladung des Kondensators zwecks Bildung der nächsten
Spannungshalbwelle erfolgt. Es bleibt jedoch dann der Nachteil bestehen; daß die
Spannungskurvenform (in diesem Falle sei eine rechteclcförmige Kurvenform der Spannung
als gewünscht vorausgesetzt) durch die Spannungsspitzen des Einschaltungsvorganges
stark beeinträchtigt wird.
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Vergrößert man die Last j, so wird der Einsclnvingvorgang stark gedämpft,
der Kurvenverlauf bildet sich so aus, wie die in Abb. 2 dargestellte Spannung U9
zeigt. Der Einschwingvorgang ist innerhalb kürzerer Zeiten abgeklungen und die Spitzenspannungswerte
der Kondensatorspannung liegen nur geringfügig über der gewünschten Spannungshöhe.
Ein Aufscliaulccln der Kondensatorspannung zufolge einer im falschen Augenblick
erfolgenden Umschaltung des Kondensators kann nun nicht mehr eintreten. Der Unterschied
in der Spannungsbildung bei starleer und bei schwacher Dämpfen- bewirkt einerseits
die Unsicherheit iiii Leerlaufsbetrieb, andererseits die sta rlcen Spannungsschwanlzungen
zwischen Leerlauf und \'ollcist.
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Es ist schon vorgeschlal;en worden. die Kommutieren;; unter Zuhilfenahme
einer Hilfsanode zti bewirken, die kurzzeitig an eine gegeniiber der positiven Gleichspannung
stärker positive Spannung gelegt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer
über alle Lastbereiche annähernd konstanten oder innerhalb gewisser Grenzen regelbaren
Ausgangsspannung von Stromrichteranordnungen, die mit Drossel und Kondensator bzw.
mit einer Kommutierungsanordnung ausgerüstet sind, die während der Kommutierung
.den Laststrom übernimmt, bei der die Kommutierung unter Zuhilfenahme von Zwischenstufen
erfolgt. deren Spannung zwischen der erzeugten Spannung vor und nach der Kominutierung
liegt. Um den Erfindungsgedanken näher zu kennzeichnen, sei zunächst auf die Abb.
3 eingegangen, die im wesentlichen der Abb. i entspricht. Lediglich darin besteht
eine Abweichung von Abb. i, daß der Umschalter 8 während der Umlegung von dem Kontakt
i auf den Kontakt 2 während einer gewissen, einstellbaren Zeit den Kontakt o berührt.
In diesem Falle liegt also die Spannung, über die hinweg die Kommutierung zwischen
positiven und negativen Spannungswerten erfolgt, genau zwischen den beiden zu kommutierenden.
Der Spannungsverlauf, der sich ergibt, wenn der Umschalter 8 vom Kontakt i auf den
Kontakt o gelegt wird, ist aus Abb. 4 ersichtlich. Die zur Umladung zur Verfügung
stehende Spannung hat nur mehr den Wert U", die zur Zeit t1 erreichbare maximale
Spannung erhält daher auch nur den @N'ert - U,9. Unter der Voraussetzung einer geringen
Dämpfung, d. h. also bei Leerlauf. würde sich beim Verbleiben des Umschalters 8
auf dem Kontakt o der Einschwingvorgang der Spannung U,# in der Form vollziehen,
wie sie in Abb. 4. dargestellt ist. Bei Vollast, d. 1i. großer Dämpfung, tritt der
bereits genannte Vorgang der Absenkung der maximalen Überspannung des Kondensators
ein, der Verlauf der Spannung entspricht dem in Abb. 4. finit Uä - bezeichneten.
Der Erfindungsgedanke kann nun so verwirklicht werden, daß bei Leerlauf zunächst
der Umschalter 8 in die Stellung o gebracht wird und dann ini Zeitpunkt t, der -Umschalter
auf den Kontakt 2 gebracht wird. Es ergibt sich dann
die in Abb.5 dargestellte
Kurvenform, die nunmehr jede Überspannungszacke (vgl. Abb. 2, - U9) vermeidet. Mit
steigender Last, d.11. mit größer werdender Dämpfung, wird nun die Unischaltung
So ertol-en, claß zutiüclist die Kondensatorspannung C'9 bis zu ihrem Scheitelwert
bis zur Zeit ti, ausgenutzt wird. Alsdann erfolgt eine Nachladung (@t'eiterführung
des Unischalters 8 in die Kontaktlage s l. Die zur Nachladung zur Verfügung stehende
Spannung J U wird stets einen geringeren Wert als die angelegte Gleichspannung
L'9
besitzen. Das Hinauspendeln der Kondensatorspannung über den Wert -U9 wird daher
nur gcringfugig und das Einschwingen auf den treuen Endzustand in kurzer Zeit beendet
sein. Zwecktnäßigerweise wird man mit steigender Last den Unischalter 8 immer kürzere
Zeit in der Nullstellung belassen und gegebenenfalls bei großer Last annähernd ohne
Nullstellung des Schalters auskommen.
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Um den Schwierigkeiten bei der lastabhängigen Umschaltung auf die
Nullstellung zu begegnen, kann man bei Leerlauf ein geringes Überschwingen der Spannung
über den Sollwert in Kauf nehmen und bei Vollast auf eine volle Ausnutzung des Kondensators
verzichten. Unter dieser Voraussetzung kann das Umschalten des Schalters 8 unabhängig
von der Last stets im gleichen Takt erfolgen. Hierbei wird sich die Kornmutierung
dann stets in zwei Stufen ausbilden. Bei Leerlauf wird sich der Kondensator bzw.
die Kondensatorspannung infolge der geringen Dämpfung bereits bei der ersten Stufe
vom Wert -1- U;, auf den \Vert - L'9 einstellen. Bei der zweiten Stufe erfolgt dann
lediglich das Zuschalten der Spannung - L'9. Bei steigender Last schwingt mit zunehmender
Dämpfung der Kondensator während der ersten L inladung immer weniger über den Spannungswert
des Kontaktes o heraus (U7) und kommt erst durch die der zweiten Stufe folgende
Nachladung auf den Spannungswert - L'9. Die Größe dieser Nachladung stellt sich
dann selbsttätig ein. Es sei noch bemerkt, daß der Spannungswert des Kontaktes o
keineswegs gleich der mittleren Spannung zwischen den erzeugten Spannungen vor und
nach der Kommutierung sein muß; unter gewissen Bedingungen können auch gewisse positive
und negative Sclilvingkreisspannungswerte Verwendung finden.
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In der Abb.6 ist ein Ausführungsbeispiel, das den Erfindungsgedanken
verkörpert, dargestellt, bei dem der Umschalter 8 durch je zwei gegensinnig parallel
geschaltete, gesteuerte Entladungsstrecken ersetzt ist. Zv-eckmäßigerweise finden
hierbei Dampf- oder Gasentladungsstrecken Verwendung. Der Stellung i des Ulnscli;iltcrs
#S entsprechen die Entladungsstrecken t' und t", der Stellung die Entladungsstrecken
=' 1111(l -"; die \ultstellung des Unischalters wird durch die Entladttn -sstrccken
4' und .4" verkörpert. Die Schaltung gcnläß :\111i. () «-cicllt insofern noch von
der Schaltung 11 gcln;il.l .\111. #; ab, als der Kondensator 0 nicht fe-,t an clvn
\-crl>rauchcr angeschaltet ist, sctndent itbur cbeilfalls nesteuerte, gegensinnig
par;:llel :;eschaltcte Hilt-" ;llige;clilcl.a.il ladungsstrccl:cn 3' t11111
3
wurde. Durch die 7.t@i:clienschaltun@ <lie.@.r gesteuerten 1?ntladtnigsstreckcti,
die gewissermaßen als Gleichrichter mit eindeutiger Stromdurchlaltrichtung wirken
und die bei den aufeinanderfolgendcn Kommutierungen, wie auch der Abb. 7 zu entnehmen
ist, abwechselnd freigegeben «-erden, kann die Kondensatoruinladung nur in einer
Richtung vonstatten gehen. Schwingt die Kondensatorspannung Tiber den zu erreichenden
Gleichspannungswert hinaus, so verhindert die Entladungsstrecke 3' bzw. 3" eine
ZurückschwingUng; der Kondensatorspannung. Das bedeutet, beispielsweise in Abb.
a, daß die Kondensatorspannung U" zwangsläufig nach dein Erreichen des Spannungswertes
D auf diesem Wert festgehalten wird; der Kondensatorstroni wird unterbrochen. Der
Kondensator ist von der Last abgeschaltet und wird erst bei der nächsten Kommutierung
durch die entsprechende andere, gegensinnig parallel geschaltete Entladungsstrecke
wieder. zugeschaltet. Während der Zeiten, in denen der Kondensator von der Last
abgeschaltet ist, ist die Lastspannung praktisch gleich der Netzspannung (Gleichspannung
Ufl), da der Spannungsabfall des Laststromes an der Drossel 5 vernachlässigbar klein
ist.
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Der Abb. ; ist die Steuerung der einzelnen Entladungsstrecken zu entnehmen,
bei der im Gegensatz zu bereits vorgeschlagenen Anordnungen mit sog. Sternpunktsentladungsstrekken
die Steuerung der Entladungsstrecken 3' bzw. 3" und . bzw. 4" so eingerichtet ist,
daß beide Entladungsstrecken im gleichen Augenblick leitend gehalten werden.
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Durch Veränderung der Dauer der Konlmutierung über den Zwischenspannungswert
gelingt es, sowohl den Anstieg der erzeugten Ausgangsspannung in seiner zeitlichen
Dauer zu, verändern, als auch gleichzeitig darin, innerhalb gewisser Grenzen, eine
Spannungsregelung herbeizuführen.
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Da der Kondensator 6 auficrhalb der Koininutierungszeiten durch die
Entladungsstreklcen 3' bzw. 3" von der Last abgeschaltet wird, kann er während der
hreibleibezeiten beispielsweise anderen Teilwechselrichtern zugeschaltet werden
und deren Koinnititierung bewirken. Es Ilestcllt auch die Möglichkeit, den Kondensator
in einen derartigen Latlungszustalli1 ztl versetzen, d.11. eine für die nächstfol(Ictitk
hommuticrung notwendige Spannung dadurch zu erzeiigen, daß der Kondensator ;in cinein
ain Konimutierungsvorgalig nicht l)eteiligtcn Spannungswert (Teilstromrirhter) nach-
bzw. umgeladen wird.
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.\11b. 8 zeigt die spalinnngsbildung geniiiß vurliegencler l"i-liiiduiig
nach einer Schal-Ltlll@@all(il'ilililllg entsprechend der Abb. 6, und zwar tllilcr
ilri- Voraussetzung, daß Leerlauf, also ;iut1@#rst -eringe Dämpfuni;, und eine verhältnismäßig
lange
Einschaltzeit des Zwischenkondensatorkomniutierungswertes (Umschalter 8 bleibt lange
in der Stellung o gemäß Abb. 3) vorhanden ist. Die Kondensatorspannung U8 schwingt
über den \Tullspannungswert bis zum Spannungswert- U, hinaus und erreicht theoretisch
zur Zeit t, den Spannungswert o. Der Kondensatorstroin kommt zufolge der Ventilwirkung
der Entladungsstrecken 3' bzw. 3" zum Erlöschen; gleichzeitig wird die Hauptentladungsstrecke
2' bzw. 2" freigegeben. Wie bereits weiter oben angedeutet wurde, erweist es sich
als zweckmäßig, eine mittlere Nullbreite für den Kommutierungsvorgang zu wählen,
d. h.. also bereits vor der Zeit t, die Entladungsstrecken 2' bzw. 2" einzuschalten.
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Die Abb. 9 bis 1 5 stellen Oszillogramme dar, die mit sehr geringer
Belastung (Abb. 9 bis i i) bzw. mit stärkerer Belastung (Abb.12 bis 15) aufgenommen
wurden. Gleichzeitig wurde hierbei die Nullbreite, d. h. der Verbleib während der
Kommutierung auf einem Zwischenspannungswert geändert. Die Oszillogramme zeigen
zunächst den Kondensatorstrorn i,, den Gleichstrom i,, die Drosselspannung U5 und
die erzeugte Ausgangswechselspannung U,. Abb. 9 zeigt eine Ausgangsspannung, die
bei großer Nullbreite eine sehr geringe Belastung aufweist. Beim Übergang von positiven
nach negativen Werten wird der Kondensator 6 mit Hilfe der Entladungsstrecken 3',
3" zugeschaltet. Der Kondensatorstrom steigt an, um dann nach erfolgter Umladung
abzuklingen. Die Wechselspannung U; ist infolge der wenn auch gerin-. gen Dämpfung
bis auf einen Zwischenwert zwischen dem Nullspannungs- und dem ne,-ativen Wert gekommen
und behält wenigstens zunächst diesen \Vert bei. Es wird dann die entsprechende
Hauptentladungsstrecke im negativen Spannungswert geöffnet. Es erfolgt, wie dein
Kondensatorstrom zu entnehtnen ist. eine Nachladung des Kondensators, wobei die
Kondensatorspannung etwas über den zu erreichenden Spannungswert hinausschwingt.
Dann verläuft die Spannung U; auf dem betriebstnäßigeil Gleichstromwert - U,. Dein
Oszillogramin ist ferner zti entnehmen, Llaß der Spannungswert des Kondensators,
den er beine Überschwingen erreicht hatte, erhalten bleibt und beim nächsten Komtnutierun-svor-an-
wieder auftritt. Aus dein Verlauf des Gleichstromes i, wird ersichtlich, daß der
l@onnnutierunQSkondensator beine Einschalten zunächst die -esatnte List überiiimint
und der Gleichstrom Während des Uinladevor-Qanes cles Kondensators Null wird. Erst
der \achladevor-ati- erfordert einen gerinrieren Gleichstromwert, der je nach der
Geschwindigkeit des \achladevorganges abklingt, uui dann in den betriebstnä ßigen
Stromwert überzugehen. Bei idealen Leerlaufsverhältnissen niiißte der gesamte Strombedarf
für den Kommutierungsvorgang vollständig aus der Energie des Kondensators gedeckt
werden können. Der Gleichstrom i9 würde dann keinerlei Zacken aufweisen.
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Abb. io zeigt ein unter gleichen Verhältnissen wie Abb.9 aufgenommenes
Oszillo-U CY amin, bei dem jedoch mit verringerter i Tullbreite gegenüber Abb.9
gearbeitet wurde. Demzufolge erfolgt die Umschaltung von der Nullstellung auf die
Arbeitsstellung bereits dann, wenn der Kondensatorstrom noch nicht den Wert Null
erreicht hat. Demzufolge ist auch der für die Nachladung erforderliche Gleichstromwert
i9 größer als beim vorhergehenden Oszillogramm. Abb. ii zeigt wiederum die gleichen
Verhältnisse. die in Abb. 9 und io vorlagen, nur ist hier mit noch geringerer Nullbreite
gearbeitet worden. Kondensatorstrom und Kondensatornachladestrom sind in ihrem zeitlichen
'\."erlauf kaum noch zu trennen, demzufolge ist auch der benötigte Nachladegleichstrom
unverhältnismäßig hoch. Den Abb. 9 bis i i ist zu entnehmen, daß durch Veränderung
der -Nullbreite sowohl der Effektivwert der erzeugten Aus-angsspannung als auch
der zeitliche Verlauf ihres Anstieges geändert werden kann. Die Abb.12, 13 und 14.
zeigen die Strom- und Spannun,sverhältnissebei' höheren Ohmschen Lasten, wobei die
Abb. 12 mit einer mittleren Nullbreite, die Abb. 13 und 1.4 mit kleineren Nullbreiten
arbeiten und die Abb. i-. gegenüber den Abb. 1-2 und 13 sich durch etwa dreifach
größere Lastverhältnisse auszeichnet. Im übrigen sind die Verhältnisse die gleichen
wie in dem vorhergehenden Oszillogramm. Abb. 15 stellt noch den Fall einer induktiven
Belastung bei mittlerer Nullbreite dar.
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Der Erfindungsgedanke wurde der Einfachheit halber an einem Parallelwecliselrichter
dargestellt, hat jedoch, wie ohne weiteres einzusehen ist, auch für andere Stromrichter,
die sich eines Schwingkreises oder eines Kondensators bedienen, Bedeutung.