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Anordnung zur Gleichspannungssteuerung von Gleichrichteranlagen mit Halbleiterventilen
Bei Gleichrichteranlagen wird häufig eine stufenlose Veränderbarkeit der Gleichspannung verlangt.
Während man bei Gleichrichtern mit Gasentladungsgefässen, die mit Steuergittem ausgerüstet sind, eine einfache Methode zur stufenlosen Steuerung der Gleichspannung zur Verfügung hat, ist man bei Gleichrichtern mit Halbleiterventilen auf eine stufenlose Veränderung der speisenden Wechselspannung angewiesen, z. B. mittels eines Stelltransformators, was jedoch nur bei kleinen und mittleren Leistungen durchführbar ist und zudem einen grossen Aufwand erfordert.
Eine andere Möglichkeit zur stufenlosen Veränderung der speisenden Wechselspannung des Gleichrichters ist durch eine Verwendung von Transduktoren z. B. nach Art der spannungsgesteuerten Magnetverstärker mit Rücklaufsteuerung bekannt geworden, die in die Ventilleitungen eingeschaltet worden. Werden diese Transduktoren, die während der Stromflussdauer der zugehörigen Halbleiterventile in der magnetischen Sättigung arbeiten, nach Verlöschen des Ventilstromes, also während der Sperrdauer der Ventile durch eine Halbwellen-Steuerspannung, die an eine als Steuerwicklung dienende Spannungswicklung des Transduktors angeschlossen ist, ganz oder teilweise ummagnetisiert, so erfolgt der Wiedereintritt in die Sättigung, also die volle Stromleitfähigkeit des Transduktors um eine bestimmte, veränderbare Zeit verspltet.
Diese Verzögerungszeit des Stromeinsatzes jedes Halbleiterventiles ist bestimmt durch die Proportionalität der Spannungszeitfläche der Steuerspannung der an der Arbeitswicklung des Transduktors vor Einsetzen des Stromes auftretenden Spannungszeitfläche der Arbeitsspannung. Sie liefert eine verander- bare Herabsetzung der mittleren Gleichspannung, ähnlich wie sie bei den gittergesteuerten Gasentladungs-
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ZündverzögerungGleichspannung eintritt, die der Vollaussteuerung des Gleichrichters entspricht. Diese Schaltung setzt indessen voraus, dass jedem Halbleiterventil ein Transduktor zugeordnet ist, sie erfordert daher fUr einen sechspoligen Gleichrichter sechs Transduktoren.
Die Arbeitswicklung jedes Transduktors wird dabei von einem Halbwellenstrom durchflossen, was bedeutet, dass die Transduktoren strommässig nicht voll ausgenutzt sind.
Eine volle Ausnutzung der Transduktoren lässt sich nach einer weiter bekannt gewordenen Anordnung erreichen, wenn diese in die Wechselstromzuleitung der Gleicbr1chterschaltung eingeschaltet werden. Das fuhrt aber nur bei solchen Gleichrichterschaltungen zum Erfolg, deren Wechselströme Strom-
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I1erspannung vor-genommen werden kann. Solche Schaltungen sind beispielsweise die Drehstrom-BrUckenschaltung oder die 2 x 3-Phasen-Schaltung mit zweiphasiger Saugdrossel.
Bei der Anordnung der Transduktoren in den Drehstromzuleitungen dieser Schaltungen sind an Stelle von bisher sechs nur noch drei Transduktoren erforderlich. Bei dieser sogenannten Drei-Drossel-Schaltung fuhren die Transduktoren Vollwellen-Wechseltröme, sie sind damit strommässig voll ausgenutzt. Die Wechselströme setzen sich, wenn man von dem Überlappungs- oder Kommuntierungswinkel der Ventil- ströme absieht, aus einer positiven und einer negativen Halbwelle je von der Stromflussdauer von 1200 eL zusammen, so dass für den Steuereingriff der Steuerspannung etwa 6 () O el. zur Verfugung steht, in der
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die Ummagnetisierung des Transduktors von positiver zu negativer Sättigung oder umgekehrt vor sich gehen muss.
Die Spannungssteuerung der Transduktoren muss in diesem Falle durch eine Wechselspannung erfolgen, deren Phasenlage so zu wahlen ist, dass jeweils eine Ummagnetisierung der Transduktoren in Richtung der folgenden Arbeitsstromhalbwelle erreicht wird. Werden für die Spannungssteuerung der Transduktoren drei um 1200 eL gegeneinander verschobene Wechselspannungen der Netzfrequenz verwendet, so kann nur ein kleiner Ausschnitt der Spannungszeitfläche wirksam werden. Hat der gegebene Ausschnitt der Spannung eine Spannungszeitfläche, die zur vollen Ummagnetisierung von positiver zu
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Nur erfolgt sie hier so, dass bei höchster Steuerwechselspannung eine Vollaussteuerung des Gleichrichters, also die höchste Gleichspannung, bei fehlender Steuerwechselspannung dagegen die stärkste Verminerung der Gleichspannung eintritt.
An dieser Gleichspannungssteuerung ist noch nachteilig. dass sie drei phasenverschobene Wechselspannungen erfordert, von denen nur ein kleiner Ausschnitt ihrer Halbwellen ausgenutzt ist.
Deshalb werden nach der Erfindung in Anordnungen zur Gleichspannungssteuerung von sechspulsigen Gleichrichteranlagen mit Halbleiterventilen und in den Dreiphasenzuleitungen eingeschalteten Trans- duktoren und mit einer Gleichrichterschaltung, deren Wechselströme Stromlücken enthalten, die Transduktoren mit in Reihe geschalteten Steuerwicklungen versehen, die an eine der Steuerung dienende Wechselspannung dreifacher Netzfrequenz angeschlossen sind, so dass eine steuerbare Ummagnetisierung der Transduktoren während der Stromlücken eintritt.
Die Gleichspannungssteuerung erfordert somit nur noch eine einzige Steuerwechselspannung, deren Halbwellen innerhalb der StromlUcken voll ausnutzbar sind. Die steuerbare Ummagnetisierung setzt wieder voraus, dass die wirksame Spannungszeitfll ! che der Steuerspannung veränderbar ist, was erfindunggemäss entweder durch Änderung der Amplitude oder Änderung der Phasenlage der Steuerwechselspannung oder beides möglich ist.
Da während der Verzögerungszeit des Stwmeinsatzes der Ventilströme die der Arbeitswicklung der Transduktoren aufgedruckte Spannung des Hauptstromkreises wirksam ist, an die die Spannung der Spannungswicklung des Transduktors infolge der magnetischen Kopplung gebunden ist, und da während der Überlappungszeit der Ventilströme ebenfalls Spannungsbindungen anderer Art vorliegen, ist erfindunggemäss in dem Stromkreis der Transduktoren eine Drosselspule vorgesehen, die jeweils anfallende Differenzspannungen aufnehmen kann und dadurch den Steuerwechselstrom begrenzt.
Ein Beispiel einer solchen Anordnung. angewendet auf einen Gleichrichter in der Drehstrom-BrUcken- schaltung ist in Fig. l dargestellt. Auf der Wechselstromseite der BrUckenschaltung 1 sind die drei Transduktoren 2 angeordnet, deren in Reihe geschaltete Steuerwicklungen durch den Steuerumformer 3 mit einer Steuerspannung der dreifachen Netzfrequenz gespeist werden. Der synchron betriebene Steuerumformer mit dem Frequenzverh l. tnis 1 ; 3 kann entweder als rotierender Umformer, der beispielsweise aus einem Motor M und einem Generator G besteht oder auch als magnetisch wirkender Frequenzwandler ausgeführt sein.
InFig. 2 sind die Wechselströme iw in den Phasen R, S und T punktiert eingetragen, sowie die Steuerwechselspannung ug-j der dreifachen Netzfrequenz wiedergegeben. Man erkennt, dass zu jedem Zeitpunkt einer der Transduktoren nicht stromführend und demzufolge ungesättigt ist, so dass dieser imstande ist, die Spannungszeitflache der Steuerwechselspannung aufzunehmen und damit die Steuerung zu ermöglichen. Die gezeichneten Strom-Spannungsverläufe beziehen sich auf den voll ausgesteuerten Zustand, in dem die Ventilströme. unverzögert einsetzen. Die von den Transduktoren aufgenommenen Spannungs- leitflächen der Steuerwechselspannung sind schraffiert gekennzeichnet.
Die Steuerung durch Änderung der Amplitude der Steuerspannung kann durch Beeinflussung der Generatorerregung, die Steuerung durch Änderung der Phasenlage der Spannung kann mit Anwendung einer Phasenschiebeeinrichtung erfolgen.
Die erstere Steuerung durch Amplitudenänderung der Steuerspannung ist in Fig. 3, die letztere Steuerung durch Änderung der Phasenlage der Steuerspannung in Fig. Zweiter veranschaulicht. Die Steuerwechselspannung ist wieder mit ugj, der in der Arbeitswicklung der Transduktoren fliessende Wechselstrom mit iw bezeichnet. Die Sperrspannung desjenigen Ventiles, das mit Erscheinen der positivem Halbwelle des Wechselstromes iw stromführend wird, ist in Fig. 3 mit der Bezeichnung Usp eingetragen, sie hat
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auch für Fig. 4 denselben Verlauf. In den Figuren sind zwei Steuerzustunde dargestellt, deren Strom- spannungsverläufe mit a und b gekennzeichnet sind.
Die nach averlaufende Steuerwechselspannung uST mit der grössten Amplitude bzw. mit der Pha- senverschieoung Null hat eine, senkrecht schraffierte. Spannungszeitfllche, der gerade die volle Um- magnetisierung der Transduktoren von positiver zu negativer Sättigung oder umgekehrt entspricht. Unter ihrer Einwirkung fliessen die unter a dargestellten Wechselströme iw.
Nimmt man in Fig. 3 an, dass sich die Amplitude der Steuerspannung verkleinert, so dass an Stelle der Wechselspannung a die Wechselspannung b wirksam wird, so tritt eine Verzögerung des Stromeinsat- zes der Ventile ein, so dass die Wechselstromhalbwellen jetzt ebenfalls dem Verlauf b folgen. FUr die
Ummagnetisierung steht nunmehr die waagrecht schraffierte Spannungszeitfllche bereit. Von dieser wird aber nur der positive Flächenanteil wirksam. Bei Nulldurchgang dieser Spannung ist die Sättigung des
Transduktors noch nicht erreicht, so dass der Transduktor in dem Wechselstromkreis noch mit einer hohen
Induktivität wirksam ist, wodurch die Entstehung eines Arbeitsstromes noch für einige Zeit verhindert wird.
Inzwischen hat sich indessen die negative Sperrspannung uSp in eine positive Spannung umgewan- delt, die nunmehr über das in dieser Richtung leitende Ventil an der Arbeitswicklung des Transduktors liegt. Diese Spannung ist es, die die von der Steuerspannung begonnene Ummagnetisierung des Trans- duktors bis zur Sättigung zu Ende führt. Dies soll nach Ablauf des Verzögerungswinkels vollzogen sein.
Da während der Verzögerungszeit die an der Steuerwicklung des Transduktors auftretende Spannung sich der an der Arbeitswicklung liegenden positiven Sperrspannung uSp angleichen muss, nimmt die Vor- schaltdrossel des Steuerkreises die Differenzspannung zwischen Steuerspannung und positiver Speospan- aung, letztere im Windungsverhältnis der Wicklungen Übersetzt, auf, bis das Ventil seinen in der Figur mit b gekennzeichneten Arbeitsstrom aufgenommen hat und der Transduktor gesättigt ist.
Ähnlich liegen die Verhältnisse bei phasenveischobener Steuerspannung b nach Fig. 4. Hier ist die am Ende der negativen Halbwelle b des Wechselstromes iw einsetzende negative Steuerspannung noch unwirksam, weil sie der Ummagnetisierung entgegenwirkt. Erst mit dem positiven Teil der Steuerspannung setzt die Ummagnetisierung ein, und auch diese Steuerspannung ist wieder unwirksam, wenn die Sperrspannung usp positiv. wird, an der Arbeitswicklung des Transduktors erscheint und sich als die weiter ummagnetisierende Spannung durchsetzt, bis wieder die Sättigung erreicht ist. In diesem Augenblick findet der Einsatz des mit b gekennzeichneten Stromes statt.
Das geschilderte Steuerverfahren kann auch dann Anwendung finden, wenn aus konstruktiven Gründen die Transduktoren nicht mit Spannungswicklungen versehen sind, die Ummagnetisierung also ausschliesslich uber die Arbeitswicklungen erfolgen muss. In diesem Falle lässt sich nach einerWeiterentwicklung der Erfindung die gleiche Steuerung erzielen, indem man die Transduktoren mit der Sekundärwicklung je eines Einphasentransformators verbindet und die Primärwicklungen der drei Transformatoren in Reihe geschaltet an die Steuerwechselspannung der dreifachen Netzfrequenz anschliesst.
Die Anwendung der Erfindung ist weiterhin nicht auf Gleichrichter mit Halbleiterventilen oder ungesteuerten Entladungsgefässen beschränkt, sondern auch bei Kontaktumformer-Anlagen, bei denen die Drosseln zur Erzeugung der Stromstufe zusätzlich zur Spannungssteuerung herangezogen werden, möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Gleichspannungssteuerung von sechspulsigen Gleichrichteranlagen mit Halbleiter" ventilen und in den Dreiphasenzuleitungen eingeschalteten Transduktoren und mit einer Gleichrichterschaltung, deren in den Dreiphasenleitungen fliessende Wechselströme StromlUcken enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Transduktoren mit in Reihe geschalteten Steuerwicklungen versehen sind, die an einer der Steuerung dienenden Wechselspannung dreifacher Netzfrequenz angeschlossen sind, so dass eine steuerbare Ummagnetisierung der Transduktoren während der StromlUcken eintritt.
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