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Drehstrombrückenschaltung
Steuerbare Stromrichter, vorzugsweise steuerbare Siliciumzellen, erlangen in der Antriebstechnik wachsende Bedeutung. Zur besseren Ausnutzung der Sperrspannungen der Zellen bei Anpassung an die üblichen Motorspannungen findet insbesondere die Drehstrombrückenschaltung Anwendung. Sie liefert die doppelte Gleichspannung im Vergleich zu einer Einwegschaltung. Der Laststrom durchfliesst immer nach- einander zwei Ventile. Das gestattet bekanntlich, bei drei Zweigen auf steuerbare Elemente zu verzich- ten und diese durch nicht steuerbare Ventile zu ersetzen (halbgesteuerte Brücke). Allerdings ist dann für den Belastungsmotor ein Wechselrichterbetrieb nicht mehr möglich, der aber in vielen Fällen auch nicht benötigt wird.
Für die gleichgerichtete Ausgangsspannung ergibt sich eine wesentliche betriebliche Schwierigkeit dadurch, dass bei Gleichspannung Null das steuerbare Sternsystem eine der Gleichrichterspannung des un- gesteuerten Sternsystems gleiche Wechselrichterspannung liefern muss. Das bedingt einen Zündverzöge- rungswinkel von 1800. Ein derartig grosser Wechselrichtersteuerbereich ist jedoch bei nicht luckendem
Gleichstrom nicht möglich, da dann zu keiner Zeit an den steuerbaren Zellen eine negative Spannung, die zur Kommutierung des Stromes notwendig ist, wirksam werden kann. Der Zündverzögerungswinkel muss deshalb kleiner als 1800 sein. Deshalb lässt sich die Ausgangsspannung der bekannten halbgesteuerten
Brückenschaltungen nicht bis auf den Wert Null herabsteuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausgangsspannungen auch halbgesteuerter Brücken bis auf Null herabzusteuern.
Erfindungsgemäss erreicht man dies dadurch, dass das die steuerbaren Ventile enthaltende dreiphasige Sternsystem an einer höheren Wechselspeisespannung liegt als das die nicht steuerbaren Ventile enthaltende Sternsystem.
Die höhere Speisespannung für das steuerbare Ventil enthaltende Sternsystem kann mittels eines Transformators aufgebracht werden. Man kann hiezu einen Netztransformator mit zwei verschiedene Spannungen erzeugenden dreiphasigen sekundären Wicklungen vorsehen, wobei die sekundäre Wicklung mit der höheren Spannung das steuerbare Sternsystem speist.
Eine einfachere Ausführung wird durch einen Netztransformator mit einer dreiphasigen sekundären Wicklung erreicht, die eine Anzapfung enthält. Dabei wird das steuerbare Sternsystem mit der vollen sekundären Spannung, das nicht steuerbare Sternsystem mit der niedrigen Spannung der Anzapfung gespeist.
Eine einfachere Ausführung wird durch einen Netztransformator mit einer dreiphasigen sekundären Wicklung erreicht, die eine Anzapfung enthält. Dabei wird das steuerbare Sternsystem mit der niedrigeren Spannung der Anzapfung gespeist. Legt man das nicht steuerbare Sternsystem unmittelbar an Netzspannung, während das steuerbare Sternsystem über einen dreiphasigen Zusatztransformator mit der Netzspannung verbunden ist, so braucht der Transformator nur für einen Bruchteil der Gleichstromleistung bemessen zu werden.
Da die beiden sekundären dreiphasigen Spannungen sich nur wenig unterscheiden, ist der Einsatz eines.
Spartransformators, der in jeder Phase Anzapfungen für die beiden Sternsysteme besitzt, besonders wirtschaftlich. Um in diesem Fall eine Vormagnetisierung der Transformatoren zu vermeiden, die dadurch
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entsteht, dass sich die Gleichstromdurchflutungen in den einzelnen Schenkeln des Transformators nicht mehr aufheben, können die Kerne des Transformators mit Luftspalten versehen werden. Wirtschaftlicher ist es jedoch, die resultierende Gleichstromdurchflutung mittels besonderer, auf den Kernen angeordneter und dem Ausgangsgleichstrom durchflossener Gegenmagnetisierungswicklungen zu beseitigen.
Die DieGleichstromdurchflutungkannfernerauchaufschaltungstechnischemWeg beseitigt werden, indem die gesamten Sekundärwicklungen des Transformators oder der zusätzliche Wicklungsteil der gesteuerten
Brückenhälfte in Zickzack geschaltet werden. In Stromrichterschaltungen werden, insbesondere bei hohen
Stossbelastungen des Motors oder zur Begrenzung der Kurzschlussströme, häufig Drosselspulen vorgesehen, die ebenfalls zur Speisung der beiden Sternsysteme mit unterschiedlicher Wechselspannung benutzt werden können. Nach einem Merkmal der Erfindung kann dies dadurch geschehen, dass in die Netzzuleitungen zu der Brückenschaltung mit Anzapfungen versehene dreiphasige Drosselspulen eingeschaltet sind.
Dem steuerbaren Sternsystem ist dann lediglich ein Teil der gesamten Wicklung der Drosselspule vorgeschaltet, dem nicht steuerbaren Sternsystem die gesamte Wicklung.
Die Erzeugung unterschiedlicher Speisespannungen für die beiden Sternsysteme mittels Drosselspule kann auch dadurch erfolgen, dass die Drosselspulen zwei Wicklungen enthalten, wobei eine Wicklung, die mit dem steuerbaren Sternsystem verbunden ist, der andern Wicklung, die mit dem nicht steuerbaren
Sternsystem verbunden ist, entgegengeschaltet ist. Zur Beseitigung einer resultierenden Gleichstrom- durchflutung können die Kerne der Drosselspulen wieder mit Luftspalten versehen sein. Es ist jedoch auch möglich, zusätzliche, in Reihe geschaltete und von dem gleichgerichteten Laststrom durchflossene Wick- lungen vorzusehen.
Da der maximale Zündverzögerungswinkel mit zunehmender Belastung des Antriebes kleiner wird, müsste bei Antrieben mit hoher kurzzeitiger Strombelastung das Verhältnis der Spannungen an den beiden
Steinsystemen sehr gross gewählt werden, was im Hinblick auf die Welligkeit der Gleichspannung, den
Leistungsfaktor der aufgenommenen Drehstromleistung und die Vormagnetisierung des Transformators un- günstig wäre. Es ist deshalb vorteilhaft, die Differenz zwischen der Spannung, die dem steuerbaren Stern- system zugeführt wird, und der Spannung, die dem nicht steuerbaren Sternsystem zugeführt wird, mit zu- nehmenden Werten des Lastgleichstromes ansteigen zu lassen.
Als steuerbare Ventile eignen sich besonders steuerbare Siliciumzellen, als nicht steuerbare Ventile Siliciumdioden.
In der Zeichnung wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei tragen ent- sprechende Teile gleiche Bezugszeichen. Es zeigt Fig. la den Verlauf der an den Gleichrichtern liegen- den Spannungen, Fig. 1b den Verlauf der gleichgerichteten Ausgangsspannung, Fig. 2 eine erfindungsge- mässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Netztransformator, der zwei Sekundärwicklungen aufweist,
Fig. 3 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Netztransformator in Sparschaltung, der eine zusätzliche, in Reihe geschaltete Gleichstromwicklung aufweist, Fig. 4 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit einem Zusatztransformator zwischen gesteuertem Sternsystem und Netz,
Fig. 5 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit angezapften Drosselspulen in der Netzzu- leitung, Fig.
6 eine erfindungsgemässe Drehstrombrückenschaltung mit Drosselspulen in der Netzzuleitung, die mit einer zusätzlichen Gegenwicklung versehen ist.
In Fig. la ist das Liniendiagrarnm der Wechselspannungen RST dargestellt. Die oberen Halbwellen kennzeichnen den Durchlassbereich der steuerbaren Zellen, die unteren Halbwellen den Durchlassbereich der nicht steuerbaren Zellen. Da erfindungsgemäss die an den zuletzt genannten Zellen liegende Spannung kleiner ist, liefert das ungesteuerte Sternsystem die strichlierte Spannung. Es wird von dem Fall ausgegangen, dass die Ausgangsspannung U A von ihrem vollen Wert auf Null heruntergesteuert wird. Dadurch vergrössert sich, wie aus Fig. la zu ersehen ist, von Zeitabschnitt zu Zeitabschnitt der Zündverzögerungswinkel a. Die Ausgangsspannung UA ist durch Schraffur hervorgehoben.
In dem Diagramm der Fig. lb ist die Ausgangsspannung U A entsprechend den schraffierten Flächen von Fig. la in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Es zeigt sich, dass infolge der für beide Sternsysteme unterschiedlich gewählten Spei- sespannung bei sehr kleinen Werten der Ausgangsspannungen zeitweise negative Spannungswerte vorhanden sind. und dadurch der Mittelwert der Ausgangsspannung bereits bei einem Zündverzögerungswinkel os kleiner als 1800 zu Null gemacht werden kann.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Brückenschaltung, die sich zusammensetzt aus zwei Sternsystemen, von denen das eine die steuerbaren Zellen 1, 3,5, das zweite die nicht steuerbaren Zellen 2,4, 6 ent- hält. Die Belastung bildet der fremderregte Gleichstrommotor 10, dem noch eine Gleichstromglättungsdrossel 11 vorgeschaltet ist. Die Drehzahl des Motors soll im allgemeinen in weiten Grenzen durch Anschnittssteuerung der Ventile 1, 3,5 veränderbar sein, mitunter muss sie sogar bis auf die Drehzahl Null
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herabgesteuert werden. An Stelle der Motorbelastung kann auch eine Wirkbelastung mit und ohne induktiver Komponente treten.
Das durch die steuerbaren Zellen gebildete dreiphasige Sternsystem liegt an einer höheren Wechselspannung als das durch die nicht steuerbaren Zellen gebildete Sternsystem. Der vorgeschaltete Netztransformator besitzt dazu ausser der Primärwicklung 12 zwei Sekundärwicklungen 13 und 14. Es genügt selbstverständlich auch eine Sekundärwicklung mit einer entsprechenden Anzapfung. Die Wechselstromanschlüsse der steuerbaren Zellen liegen an der vollen Sekundärspannung, während die nicht steuerbaren Zellen mit dem Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen je Phase bzw. mit der Anzapfung verbunden sind.
Befindet sich der Transformator in Stern- oder in Sparschaltung, so bringt die unterschiedliche Speisespannung der beiden Sternsysteme eine Schwierigkeit. Ihre Gleichstromdurchflutungen heben sich auf den einzelnen Schenkeln des Transformators nicht mehr auf, so dass er vormagnetisiert wird. Die Sekun-
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Luftspalte erhalten, oder die gesamten Sekundärwicklungen bzw. der zusätzliche Wicklungsteil der gesteuerten Brückenhälfte in Zick-Zack-Schaltung ausgeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht, wie in Fig. 3 gezeigt wird, darin, ihn mit zusätzlichen Wicklungen 15 zu versehen, die beispielsweise ein Drittel der Windungszahl der Wicklungen 14 haben. Die Wicklungen.
15 liegen in Reihe im Gleichstromkreis und kompensieren die Gleichstromvormagnetisierung (Gegenmagnetisierungswicklung).
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Sternsystem mit den nicht steuerbaren Zellen unmittelbar mit der Netzspannung verbunden ist, während zwischen den Netzzuleitungen und den drei Wechselstromanschlüssen des steuerbaren Sternsystems die Sekundärwicklungen 13 eines Zusatztransformators zwischengeschaltet sind, dessen Primärwicklungen 12 mit den Netzzuleitungen verbunden sind.
Der Transformator braucht hier nur für einen Bruchteil der Gleichstromleistung bemessen zu werden. Auch hier erfolgt eine Vormagnetisierung des Transformators, die durch eine nicht dargestellte Gegenmagnetisie- rungswicklung aufzuheben ist. In Anwendungsfällen, bei denen insbesondere infolge hoher Stossbelastung des Motors die Gefahr besteht, dass durch die Überströme die zulässige Wechselrichtergrenze überschritten wird, ist die in Fig. 5 gezeigte Anordnung zweckmässig. In den drei Netzzuleitungen zur Brückenschaltung liegt je eine Drosselspule mit Anzapfung, wobei die Anschlüsse des Gleichrichters so erfolgen, dass dem ungesteuerten Sternsystem die volle Wicklung 16,17, der Drosselspulen, dem gesteuerten Sternsystem dagegen nur die durch die Anzapfung bestimmte Wicklung 16 der Drosselspule vorgeschaltet sind.
Die an den Gleichrichtern liegende Spannung ist um den Spannungsabfall an den Drosselspulen kleiner als die Netzspannung. Durch den Anschluss an die Drosselspulenanzapfung wird erreicht, dass die steuerbaren Zellen eine höhere Wechselspannung erhalten als die nicht steuerbaren Zellen. Der Spannungsabfall an der Drosselspule ist dem Laststrom proportional. In vielen Fällen müssen die Drosselspulen schon mit Rücksicht auf die Begrenzung der Kurzschlussströme vorgesehen werden.
Auf die Drosselanzapfung kann verzichtet werden, wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, die Vorschaltdrosselspulen eine weitere Wicklung 17 besitzen, die der ersten Drosselspulenwicklung 16 entgegengeschaltet wird, mit dieser einpolig verbunden ist und an den freien Enden dieser zweiten Wicklung 17 die Wechselstromanschlüsse des gesteuerten Sternsystems liegen. Auch hiedurch lässt sich erreichen, dass für die gesteuerten Zellen die wirksame Reaktanz kleiner als für die ungesteuerten Zellen ist. Die Drosselspulen werden wie die Transformatoren vormagnetisiert. Sie müssen deshalb einen Lufspalt erhalten. Es ht auch möglich, sie mit einer Gegenmagnetisierungswicklung zu versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehstrombrückenschaltung mit einem gleichpolig miteinander verbundene steuerbare Ventile enthaltenden Sternsystem und einem im Vergleich dazu gegengesetzt gleichpolig miteinander verbundene nicht steuerbare Ventile enthaltenden Sternsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das die steuerbaren Ventile (1, 3,5) enthaltende dreiphasige Sternsystem an einer höheren Wechselspeisespannung liegt als das die nicht steuerbaren Ventile (2,4, 6) enthaltende Sternsystem.