DEP0012866DA - Umrichter zur Umformung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom - Google Patents

Description

Es sind Umrichter bekannt, mit deren Hilfe Drehstrom von üblicher Frequenz, beispielsweise 50 Hz, in Einphasenstrom niedrigerer Frequenz, beispielsweise 16 2/3 Hz, umgeformt wird, wie er für den Betrieb elektrischer Fernbahnen benötigt wird. Diese Umrichter verwenden gesteuerte Entladungsstrecken, insbesondere dampf- oder gasgefüllte Entladungsstrecken, wie z.B. gittergesteuerte Quecksilberdampfgefäße.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen zur Erläuterung der Erfindung bekannte Umrichterschaltungen und die Kurvenverläufe der zugehörigen Spannungen und Ströme. In der Fig. 1 ist mit I ein Drehstromumspanner bezeichnet, der mit seinen Primärwicklungen RST an das speisende Drehstromnetz von beispielsweise 50 Hz angeschlossen ist. Er besitzt zwei sechsphasige Sekundärwicklungen mit den Phasenwicklungen 1 bis 6 und 1' bis 6', die mit den entsprechend bezeichneten Anoden des zwölf-anodigen Quecksilberdampfgefäßes G verbunden ist. Die zugehörigen Mittel zur Steuerung des Stromflusses der einzelnen Anoden, beispielsweise Steuergitter, sind der Einfachheit halber in der Fig. 1 fortgelassen worden. Die Kathode des Gefäßes G ist mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung eines Sekundärumspanners II verbunden, deren Enden an die beiden Sternpunkte der Sekundärwicklungen des Umspanners I angeschlossen sind. Der Umspanner II ist für die sekundäre niedrigere Frequenz, beispielsweise 16 2/3 Hz, bemessen; die Sekundärspannung u(sub)fII wird an seiner Sekundärwicklung abgenommen. Die beiden Sekundärwicklungen des Drehstromumspanners I mit den ihnen zugeordneten Anoden bilden zwei parallel geschaltete, selbständig arbeitende Gleichrichter a und b, deren Stromkreise sich über je eine Hälfte der Primärewicklung des sekundären Einphasen-Umspanners II schließen. Die Gleichrichter werden so gesteuert, dass jeweils nur ein Gleichrichter arbeitet und der andere während dieser Zeit gesperrt ist. Da ihre Ströme die Primärwicklung des Umspanners II in entgegengesetzter Richtung durchfließen, erhält man sekundärseitig Wechselstrom von der gewünschten niedrigen Frequenz. Wenn man die Gleichrichter periodisch im Takt von 3 (Pi) elektrischen Graden, bezogen auf die höhere Frequenz, umsteuert. Soll sekundärseitig ein Strom entnommen werden, der gegenüber der Spannung eine Phasenverschiebung, z.B. in nacheilendem Sinne, aufweist, so muss die Steuerung der einzelnen Entladungsstrecken in bekannter Weise entsprechend ausgebildet sein, sodass einige Anoden nach Art eines Wechselrichters arbeiten.

Die sekundärseitig abgegebene Spannung verläuft, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, trapezförmig mit einer ausgeprägten Oberwelle von dreifacher Frequenz, also von 50 Hz, wenn die Frequenz der Grundwelle 10 2/3 Hz beträgt. Ihr Verlauf lässt sich durch Überlagerung einer dem Drehstromnetz entnommenen Zusatzspannung der Sinusform annähern. Die praktische Erfahrung hat ergeben, dass auf die Komplikation der Annäherung von der Trapez- an die Sinusform, für die auch noch verschiedene andere Anordnungen vorgeschlagen sind, insbesondere dann verzichtet werden kann, wenn der sekundäre Wechselstrom über einen verhältnismäßig hochgesättigten Umspanner den Verbrauchermotoren zugeführt wird, wie es beispielsweise bei Verwendung des Umrichters im Betriebe elektrischer Lokomotiven der Fall ist. Dort trägt außerdem eine flach verlaufende Spannungskurve dazu bei, die Kommutierung der Motoren zu verbessern und damit die Abnutzung der Kollektoren und der Bürsten zu verringern.

Die Schaltung nach Fig. 3, die sich von der vorherigen dadurch unterscheidet, dass für jeden Gleichrichter ein besonderes sechs-anodiges Gefäß vorgesehen ist, bietet den Vorteil, dass auf den Sekundärumspanner verzichtet werden kann, oder zumindest, dass ein normaler Zweiwicklungs-Umspanner ohne Anzapfung der Primärwicklung verwendet werden kann. Im übrigen stimmen die Bezugszeichen der Fig. 3 mit denen der Fig. 1 überein, und die in der Fig. 2 dargestellten Spannungsverläufe gelten auch für die Anordnung nach Fig. 3. Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der bisher anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Umrichter. Durch die Verwendung ein-anodiger Gefäße ergibt sich die Möglichkeit,den Drehstromumspanner I wesentlich zu vereinfachen. Man benötigt in diesem Falle nur einen beispielsweise sechs-phasigen Stern als Sekundärwicklung. Während die Typenleistung der Drehstromspanner bei den Schaltungen nach Fig. 1 und 3 etwa 1,9 beträgt, geht sie bei der Schaltung nach Fig. 4 auf etwa 1,5 zurück. Die Beziehungszeichen der Fig. 4 entsprechen denen der Fig. 1.

Diese bisher bekannten Umrichter besitzen außer dem eben erwähnten Nachteil verhälnismäßig großer und teurer Umspanner die weiteren Mängel, dass, abgesehen von den beiden Anoden 1 und 4, sämtliche Anoden in sechs Perioden des 50 Hz-Netzes nur einmal während einer Dauer von nur 60° el. ausgenutzt werden, und dass das Gleiche für die zugehörigen Sekundärwicklungen der Umspanner I gilt. Nur nach der Anordnung nach Fig. 4 ist die Ausnutzung des Transformators I etwas günstiger. In allen Fällen muss die sekundäre Phasenspannung des Umspanners I für die volle Einphasenspannung bemessen sein, derart, dass die Scheitelwerte der Drehstrom- und der Einphasenspannung einander gleich sind. Alle Entladungsstrecken müssen für eine Sperrspannung bemessen sein, die dem doppelten Scheitelwert der Sekundärspannung entspricht. Bei der für den Bahnbetrieb üblichen Fahrdrahtspannung von 16 kV müssen daher die Gefäße für eine Sperrspannung von rund 36 kV vorgesehen werden, da bei trapezförmiger Einphasenspannung deren Effektivwert gleich ist dem 1,25-fachen Betrag der Sternspannung auf der Drehstromseite.

Die Erfindung beseitig die eben erwähnten Mängel der bisher bekannten Umrichter. Sie betrifft Umrichter zur Umformung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom niedrigerer Frequenz mit Hilfe gesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken und ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Phasen des primären Netzes oder Transformators

Gruppen von in Brückenschaltung verbundenen Entladungsstrecken angeschlossen sind, wobei jede Gruppe aus vier Entladungsstrecken besteht, die zwei gegensinnig parallel geschaltete Brückenzweige bilden.

Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, während in der Fig. 6 die zugehörigen Spannungs- und Stromverläufe dargestellt sind. Der an das speisende Drehstromnetz angeschlossene Transformator I besitzt sekundärseitig eine einzige, nur dreiphasige Sternwicklung. Die drei Enden dieser Wicklung sind mit den einanodigen Gefäßen 1 bis 6 und 1`bis 6' nach Art von Brückenschaltungen verbunden, wobei bei dem hier zunächst betrachteten Umrichter zur vorzugsweisen starren Frequenz-Umformung je zwei Brückenzweige unmittelbar antiparallel geschaltet sind. Bei geeigneter Spannungshöhe des primären Drehstromnetzes kann unter Umständen sogar auf den Primärumspanner I ganz verzichtet werden. Der Spannungswechsel auf der Einphasenseite wird dadurch herbeigeführt, dass die Brückensysteme im Takt der gewünschten Periodenzahl wechselweise durch ihre Steuerung eingeschaltet und gesperrt werden, wie dies auch bei den bekannten Umrichtern in ähnlicher Weise durchgeführt wird. Die zugehörigen Spannungsverläufe sind in Fig. 6 dargestellt; die Phasenspannungen des Primärnetzes sind mit den zugehörigen Wicklungen des Primärumspanners nach Fig. 5 gleichlautend bezeichnet. Die Zusammensetzung der sekundären Einphasenspannung aus den Primärspannungen geht aus dem stark ausgezogenen Kurvenverlauf in der oberen Zeile der Fig. 6 hervor, ebenso, wie dies schon in der Fig. 2 gezeigt war. Die sekundär abgegebene Spannung weist den gleichen Verlauf auf wie bei den bisher bekannten Umrichtern.

Die besonderen Vorteile der Anordnung nach der Erfindung seien wiederum anhand des Beispiels einer Umrichtung von 50 Hz Drehstrom in 16 2/3 Hz Einphasenstrom erläutert. Bei der Verwendung eines Umspanners auf der Drehstromseite benötigt man nur einen normalen Umspanner ohne mehrphasige Sekundärwicklungen, wobei dieser Umspanner nur eine Typenleistung von 1,05 aufweisen muss. Die Scheitelwerte der Drehstrom- und Einphasenspannung sind nicht mehr, wie bei den bekannten Schaltungen, einander gleich, vielmehr genügt auf der Drehstromseite eine Sternspannung, deren Scheitelwert <Formel> Teil des Scheitelwertes der trapezförmigen Einphasenspannung beträgt. Für die Effektivwerte ergibt sich die Beziehung:

Alle Entladungsstrecken sind gegenüber den bekannten Anordnungen nur für etwa die Hälfte der Sperrspannungen zu bemessen, nämlich für

Da die Anzahl der Entladungsstrecken die gleiche ist wie bei den bekannten Anordnungen, ergibt sich eine erhebliche Verringung der Gefäßkosten. Die Entladungsstrecken sind bei der Anordnung nach der Erfindung wesentlich besser ausgenutzt als bei den bekannten Umrichtern. Dies ergibt sich aus der verlängerten Brenndauer, mit der sie arbeiten. Diese beträgt für die mittleren Anoden 120° el. anstatt 60° el. und für die beiden Endanoden 300° el. anstatt 240° el.

Bei dem Umrichter nach der Erfindung, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, kann ebenso wie bei den vorher beschriebenen bekannten starren Umrichtern eine Annäherung der Kurvenform der Sekundärspannung an die Sinusform dadurch bewirkt werden, dass aus einem besonderen Zusatztransformator, der an das speisende Drehstromnetz mit passender Phasenlage angeschlossen ist, eine Zusatzspannung in den Sekundärkreis eingefügt wird. Eine Annäherung der Sekundärspannung an die Sinusform durch die Verwendung abgestufter Phasenspannungen des Primärumspanners, wie sie für bekannte Umrichterschaltungen schon früher vorgeschlagen war, ist bei der Anordnung nach Erfindung nicht möglich.

Die übrigen Bezugszeichen der Fig. 5 entsprechen denen der Fig. 1.

Gemäß einem weiteren in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Umrichter auch für elastischen Betrieb mit den gleichen Vorzügen gegenüber den bekannten Anordnungen verwendbar. Die Schaltung nach Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 5 dadurch, dass die Endpunkte der Brückenzweige nicht unmittelbar zusammengefasst, sondern über Umkehrdrosseln A und B miteinander verbunden sind, von deren Mitten die Einphasenspannung U(sub)fII abgenommen wird. Diese Umkehrdrosseln dienen zur Hauptsache dazu, den Kommutierungsstrom zu begrenzen. Sie können gegebenenfalls auch zu einer Drossel mit vier Wicklungen vereinigt werden. Im übrigen stimmt die Anordnung nach Fig. 7 weitgehend mit derjenigen nach Fig. 5 überein, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Claims (4)

1. Umrichter zur Umformung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom niedrigerer Frequenz mit Hilfe gesteuerter Gas- oder Dampfentladungsstrecken, dadurch gekennzeichnet,dass an die Phasen des primären Netzes oder Transformators Gruppen von in Brückenschaltung verbundenen Entladungsstrecken angeschlossen sind, wobei jede Gruppe aus vier Entladungsstrecken besteht, die zwei gegensinnig parallel geschaltete Brückenzweige bilden (Fig. 5).

2. Umrichter zur, vorzugsweisen starren, Umformung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endpunkte der Brückenzweige unmittelbar an die Sammelschienen der Sekundärspannung angeschlossen sind (Fig. 5).

3. Umrichter zur, vorzugsweisen elastischen, Umformung von Mehrphasenstrom nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endpunkte der Brückenzweige über Umkehrdrosseln an die Sammelschienen der Sekundärspannung angeschlossen sind (Fig. 7).

4. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, zur Umwandlung von Mehrphasenstrom in Einphasenstrom von 1/3 Frequenz, dadurch gekennzeichnet, dass zur Annäherung der Kurvenform der Sekundärspannung an die Sinusform ein an das Primärnetz angeschlossener Zusatztransformator vorgesehen ist zur Einfügung einer Zusatzspannung in den Sekundärkreis.