-
Verfahren zur Steuerung eines zur frequenzelastischen Energieübertragung
zwischen einem Mehrphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz niederer
Frequenz dienenden Umrichters Es sind verschiedene Verfahren zur Steuerung von frequenzelastischen,
zur Energieübertragung zwischen einem Mehrphasennetz höherer Frequenz und einem
Einphasennetz niederer Frequenz dienenden Umrichtern bekannt. Besondere Bedeutung
besitzen Umrichter ohne Energiespeicher, die im Prinzip aus zwei in Gegentaktschaltung
arbeitenden, mit gesteuerten Entladungsgefäßen aufgebauten Stromrichterschaltungen
bestehen, die im Takt der Frequenz des Einphasennetzes abwechselnd im Gleichrichter-
und Wechselrichterbetrieb gesteuert werden. Es wurde auch bereits ein solcher Umrichter
in Vorschlag gebracht, bei dein zur Erzielung einer stufenlosen Einstellbarkeit
von Frequenz und Phasenlage der Einphasenspannung der Zündzeitpunkt der jeweils
ersten im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Anode zwischen maximaler Aussteuerung
im Wechselrichterbereich und maximaler Aussteuerung im Gleichrichterbereich stetig
verschiebbar ist, während die Aussteuerung der übrigen Anoden unverändert bleibt.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines zur
frequenzelastischen Energieübertragung zwischen einem MehrphasennetzhöhererFrequenz
und einem Einphasennetz niederer Frequenz dienenden Umrichters, der aus einer oder
mehreren Gruppen von je zwei in Gegentaktschaltung arbeitenden, im Takt der Frequenz
des Einphasennetzes abwechselnd als Gleichrichter und Wechselrichter gesteuerten,
P-phasigen Stromrichteranordnungen besteht, so daß sich insgesamt eine n . ß-phasige
Rückwirkung ergibt, wobei ?a die Zahl der Gruppen mit gegeneinander phasenverschobenen
Anodenspannungen bedeutet. Die Stromrichteranordnungen können dabei aus einanodigen
oder mehranodigen gesteuertenEntladungsgefäßen oder sonstigen steuerbaren Ventilstrecken
bestehen, wobei mehrere Ventilstrecken parallel oder in Reihe geschaltet sein können.
-
Mit Hilfe der in der Stromrichtertechnik bekannten und gebräuchlichen
Steuerverfahren, z. B. rotierende Kontakteinrichtungen, ruhende magnetische Steuersätze
u. dgl., lassen sich die Anforderungen, die an die Steuereinrichtung eines frequenzelastischen
Umrichters zu stellen sind, nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfüllen. Mit
einer bereits vorgeschlagenen, auf dem Prinzip des spannungszeitflächengesteuerten
Magnetverstärkers beruhenden Umrichtersteuerungseinrichtung lassen sich zwar die
Umsteuerungen vom Gleichrichterbetrieb in den Wechselrichterbetrieb und umgekehrt
praktisch verzögerungsfrei durchführen, und es ist auch eine Teilaussteuerung der
Anoden möglich, jedoch bereitet die Verwirklichung eines sprunghaften Umschaltens
von verschiedenen genau definierten Zündwinkeln in Abhängigkeit von einem aus der
Einphasenspannung abgeleiteten Umsteuerbefehl - was bei verschiedenen Umrichtungsverfahren
erforderlich ist - erhebliche Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten sind grundsätzlicher
Art und liegen darin begründet, daß diese Steuereinrichtung - wie alle sonst bekanntgewordenen
- auf analoger Basis arbeitet, wobei die zeitliche Verschiebung der Zündimpulse,
die den Gittern der Entladungsstrecken zugeleitet werden, eine stetige Funktion
der Eingangsgröße der Steuervorrichtung ist.
-
Außerhalb der Stromrichtertechnik sind bereits Steuer-und Regelungseinrichtungen
bekannt, die auf digitaler Basis arbeiten und die Lösung auch schwieriger Aufgaben
mit verhältnismäßig einfachen Mitteln gestatten. Die Steuer- bzw. Regelgrößen werden
dabei im allgemeinen durch elektrische Impulse dargestellt.
-
Nach der Erfindung werden die an einer Steuerungseinrichtung für Umrichter
der obengenannten Art zu stellenden Anforderungen dadurch verwirklicht, daß auf
der Grundlage digitaler Steuerverfahren aus den beiden, durch den Umrichter gekuppelten
Wechselstromnetzen Zeitmarken hergeleitet werden, die je in gleichmäßigen Zeitintervallen
über die Netzperioden beider Netze verteilt sind und die einmal die für den Umrichterbetrieb
in Frage kommenden Zündzeitpunkte bei den verschiedenen Aussteuerungen der einzelnen
Anoden und zum andern die Zeitbereiche, in denen diese Aussteuerungen wirksam werden
sollen, festlegen, wobei zur Zusammenfassung der Zeitmarken beider Netze und zur
Umwandlung in die erforderlichen, den Zeitbereichen verschiedener Aussteuerung entsprechenden
Größen elektrische Netzwerke,
wie Flip-Flop-Geräte, Koinzidenzglieder
und Speicheranordnungen, Verwendung finden.
-
Als Zeitmarken können z. B. Spannungsimpulse dienen, die in hochgesättigten
Übertragern jeweils beim Flußnulldurchgang erzeugt werden. Unter Flip-Flop-Geräten
werden Kippschaltungen mit zwei definierten Betriebszuständen, sogenannte bistabile
Multivibratoren, verstanden, während ein Koinzidenzglied ein Netzwerk mit zwei getrennten
Eingängen ist, das nur dann eine Ausgangsgröße gibt, wenn an beiden Eingängen gleichzeitig
eine Steuergröße ansteht.
-
Eine solche Steuerungseinrichtung gestattet es, die starkstromseitig
möglichen optimalen Eigenschaften eines Urnrichtungsprinzips zu verwirklichen und
läßt sich bei sinngemäßer Abwandlung auch für ähnlich gelagerte Aufgaben der Stromrichtertechnik
einsetzen, z. B. zur Steuerung eines Stromrichtermotors, einer Stromrichterkaskade,
sowie von Stromrichterschaltungen einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungseinrichtung.
-
Als Beispiel wird im folgenden die Anwendung des Erfindungsgedankens
auf die Steuerungseinrichtung für eine Umrichteranordnung beschrieben, bei der zur
Erzielung einer stufenlosen Einstellbaxkeit von Frequenz und Phase der Umrichtereinphasenspannung
der Zündzeitpunkt der jeweils ersten im Wechselrichterbetrieb arbeitenden Anode
zwischen maximaler Aussteuerung im Wechselrichterbereich und maximaler Aussteuerung
im Gleichrichterbereich stetig verschiebbar ist, während die Aussteuerung der übrigen
Anoden unverändert bleibt. Bei dieser Beschreibung wird ein neuartiger Weg zur Erreichung
der stetigen Verschiebung des Zündzeitpunktes der ersten im Wechselrichterbetrieb
arbeitenden Anode gezeigt und darüber hinaus ein neues Verfahren zur Durchführung
des Überganges vom Wechselrichterbereich auf den Gleichrichterbereich angegeben.
Beide Lösungen sind gleichfalls Gegenstand der Erfindung.
-
In der Fig. 1 sind die Spannungsverläufe eines aus zwei dreiphasigen
Stromrichteranordnungen bestehenden Umrichters in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
Die Ausgangsspannung der Stromrichteranordnung I ist dabei durch einen ausgezogenen
und diejenige der Stromrichteranordnung II durch einen aus Kreuzen bestehenden Linienzug
dargestellt. Der oberhalb der Nullinie liegende Teil des Diagramms kennzeichnet
einen Betriebszustand, in welchem die Stromrichteranordnung I als Gleichrichter
und die Stromrichteranordnung II als Wechselrichter arbeitet. Der unterhalb der
Nullinie liegende Teil des Diagramms bezieht sich auf den umgekehrten Betriebszustand.
-
Ein besonderes Problem stellt die Beherrschung der sogenannten Kreisströme
dar, die innerhalb des durch die in Gegentaktschaltung verbundenen Stromrichteranordnungen
gebildeten Stromkreises immer dann entstehen, wenn die Spannung der jeweils als
Gleichrichter arbeitenden Entladungsstrecke größer ist als die Spannung der gleichzeitig
als Wechselrichter arbeitenden Anode. Im Wechselrichterbetrieb muß bekanntlich jede
Anode zu einem Zeitpunkt zünden, in welchem ihre Spannung gegenüber der Kathode
größer ist als die Spannung derjenigen Anode, die sie in der Stromführung ablösen
soll, d. h., die Zündung muß mit einem gewissen zeitlichen »Respektabstand« vor
dem Schnittpunkt der Kennlinien der Anodenspannungen erfolgen. Trotz Steuerung auf
gleiche Mittelwerte von Gleichrichterspannung und Wechselrichterspannungtretenkurzzeitig
zwischen Gleichrichter und Wechselrichter Spannungsunterschiede auf, welche impulsartige
Kreisströme zur Folge haben. Diese Kreisströme können durch Drosselspulen auf unschädliche
Werte begrenzt werden, unter der Bedingung, daß das Zeitintegral des Überschusses
der Gleichrichterspannung über die Wechselrichterspannung nicht größer ist als das
Zeitintegral des Überschusses der Wechselrichterspannung über die Gleichrichterspannung.
Wird diese Bedingung nicht eingehalten, so entsteht in der Kreisstrommasche ein
Gleichspannungsanteil, und der Kreisstrom steigt unzuträglich an.
-
In der Darstellung der Fig. 1 bedeutet die genannte Bedingung für
die Vermeidung eines Gleichspannungsgliedes in der Kreisstrommasche, daß die an
den vollen Spannungszeitflächen bei natürlicher Anodenbrenndauer fehlenden schraffierten
Flächen F1 niemals größer sein dürfen als die Flächen F2. Findet die erste Zündung
einer Anode der Stromrichteranordnung I nach dem Übergang vom Gleichrichterbetrieb
in den Wecbselrichterbetrieb in einem Zeitpunkt statt, bei dem gerade der erwähnte
Respektabstand eingehalten ist, nämlich im Punkt t1, so macht die Einhaltung der
Bedingung, daß F1 nicht größer als FZ sein darf, keine Schwierigkeit. Der Übergang
der Stromrichteranordnung II in den Gleichrichterbetrieh kann z. B. - wie Fig. 1
zeigt - im Zeitpunkt t2 erfolgen.
-
Erfolgt nun aber bei einer Verschiebung der Phasenlage der Einphasenspannung
gegenüber der Phasenlage der Spannungen des Mehrphasennetzes die erste Zündung dieser
Anode im Wechselrichterbetrieb zu einem früheren Zeitpunkt, beispielsweise im Punkt
t3, so müßte, um die Entstehung eines Gleichspannungsgliedes in der Kreisstrommasche
zu verhindern, die Zündung der entsprechenden Anode der Stromrichteranordnung I
im Gleichrichterbetrieb um den gleichen Betrag verzögert werden, also im Punkt t3,
erfolgen. Die beiden Zeitflächen der Spannungsdifferenz wären zwar dann gleich,
aber unter Umständen wesentlich größer als die normalerweise, d. h. außerhalb der
Umsteuerung, auftretenden, in Fig. 1 schraffiert dargestellten Spannungszeitflächen.
Die Kreisstromdrosseln müßten deswegen größer ausgelegt sein und außerdem würde
in der Urnrichterausgangsspannung durch die zusätzliche Zündverzögerung einer Gleichrichteranode
eine starke Verzerrung auftreten. Demgegenüber kann bei dem Verfahren nach der Erfindung
die Entstehung eines Gleichspannungsgliedes in der Gleichstronimasche vorteilhaft
dadurch verhindert werden, daß die Unisteuerung der Stromrichteranordnung II in
den Gleichrichterbetrieb erst zu einem späteren Zeitpunkt als t2 vorgenommen wird.
Hierbei sind dann zeitweilig beide Stromricliteranordnungen als Wechselrichter ausgesteuert,,
ein Kreisstrom kann dann nicht fließen. Bei reiner Widerstandsbelastung des Umrichters
führt dies allerdings zu einer Lücke im Umrichterstrom und entsprechend; auch in
der Einphasenspannung Da jedoch Umrichter der in Rede stehenden Art in erster Linie
zur Speisung von Wechselstrombahnen in Frage kommen, wobei eine reine Widerstandsbelastung
praktisch nicht vorkommt, so ist die gleichzeitige Aussteuerung beider Stronmrichterhälften
im Wechselrichterbetrieb zur Zeit des Spannungsnulldurchganges zulässig, sofern
sie auf eine hinreichend kurze Zeitdauer beschränkt bleibt.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Umrichter der eingangs
erwähnten Art so zu steuern, daß der Übergang der Stromrichteranordnungen vom Wechselrichter-
in den Gleicbrichterbetrieb sa erfolgt, daß einerseits die Entstehung eines Gleichspannungsgliedes
in der Kreisstrommasche sicher verhindert wird und daß andererseits der Bereich
gleichzeitiger Wechselrichteraussteuerung beider Stromrichteranordnungen und damit
die Stromlücke bei reiner Wirkbelastung so klein wie möglich gehalten wird.
-
Die Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch erreicht,
daß die den Übergang einer Stromrichteranordnung vom Wechselrichter- auf Gleichrichterbetrieb
vornehmende Anodemit einem Zündverzögerungswinke
), gezündet wird,
der gleich der Anodenteilung (natürliche Anodenbrenndauer im normalen Gleichrichterbetrieb),
vermindert um den Respektabstand, ist, wobei immer diejenige Anode den Übergang
vom Wechselrichter- auf den Gleichrichterbetrieb vornimmt, bei der der so definierte
Zündzeitpunkt gleich dem Zündzeitpunkt bei maximal zulässiger Wechselrichteraussteuerung
jener Anode der anderen Stromrichteranordnung ist, die den Übergang vom Gleichrichter-
auf den Wechselrichterbetrieb vornimmt.
-
Die Aussteuerung der einen, den Übergang auf Gleichrichterbetrieb
vornehmenden Anode mit einem Zündverzögerungswinkel gleich der Anodenteilung, vermindert
um den Respektabstand, wird im folgenden als »Nullaussteuerung« bezeichnet.
-
Nach dem Beispiel der Fig. 1 wird die den Übergang vom Gleichrichter-
auf den Wechselrichterbetrieb vornehmende Anode der Stromrichteranordnung I im Zeit=
punkt t4 gezündet (maximale Gleichrichteraussteuerung). Dann muß im Zeitpunkt t2
(maximal zulässige Wechselrichteraussteuerung dieser Anode) der Übergang der Stromrichteranordnung
II vom Wechselrichter- auf den Gleichrichterbetrieb erfolgen. Dieser Übergang bleibt
auch dann im Zeitpunkt t2 bestehen, wenn der Zündzeitpunkt der erstgenannten Anode
der Stromrichteranordnung I stetig von t4 nach t2 verschoben wird.
-
Wie ersichtlich, wird dann die Bedingung, daß die Spannungszeitfläche
F1 nicht größer sein darf als die Fläche F2, stets eingehalten.
-
Lediglich zur Einhaltung dieser Bedingung könnte der Übergang der
Stromrichteranordnung II in den Gleichrichterbetrieb auch später erfolgen als im
Zeitpunkt 1" Jedoch würde dies nach dem früher Gesagten eine Vergrößerung des Bereichs
gleichzeitiger Wechselrichteraussteuerung beider Stromrichteranordnungen bedeuten.
Dieser Bereich ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Fall nahezu Null.
-
Erfolgt nun - wie im Beispiel der Fig. 2 dargestellt -die erste Zündung
der Stromrichteranordnung I im Wechselxichterbetrieb erst im Zeitpunkt t5, wird
also der Übergang der Stromrichteranordnung I vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb
erst von der folgenden Anode vorgenommen, so muß nach der Erfindung der Übergang
der Stromrichteranordnung II vom Wechselrichter- in den Gleichrichterbetrieb um
eine Anodenteilung später erfolgen als im Beispiel der Fig. 1, also hier zum Zeitpunkt
t6, denn dieser Zeitpunkt entspricht der maximal zulässigen Wechselrichteraussteuerung
der jetzt den Übergang vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb vornehmenden
Anode der Stromrichteranordnung I.
-
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiele beziehen sich auf
dreiphasigen Betrieb der einzelnen Stromrichteranordnungen mit einer Anodenteilung
von 120° e1. Bei einer aus zwei derartigen Stromrichteranordnungen gebildeten Umrichtereinheit
würde der Zeitwinkel gleichzeitiger Wechselrichteraussteuerung beider Stromrichteranordnungen
im Höchstfalle 150° minus Respektabstand betragen, was bei einer Umrichtung von
Drehstrom 50 Hz in Einphasenstrom 162/3 Hz einem Winkel von etwa 45°, bezogen auf
Einphasenfrequenz, entspricht.
-
Mit Rücksicht auf die Oberwellen in beiden Netzen wird man jedoch
stets eine Anordnung wählen, die zusammengenommen einen Umrichterbetrieb von wesentlich
höherer Phasenzahl ergibt, wobei jedoch die einzelnen Stromrichteranordnungen für
sich dreiphasig arbeiten können. Werden z. B. -wie bereits vorgeschlagen wurdemehrere
Umrichtergruppen mit in der Phasenlage gegeneinandergeschwenkten Anodenspannungen
in Reihe geschaltet, so läßt sich ohne Schwierigkeit eine zwölf- oder auch vierundzwanzigphasige
Betriebsweise erzielen. Hierbei beträut dann der Bereich gleichzeitiger Wechselrichteraussteuerung
beider Stromrichteranordnungen maximal nur noch etwa 15 bzw. 10°; für die in der
Praxis des Bahnbetriebes vorkommenden Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung ist
damit ein lückenloser Stromverlauf sichergestellt. Werden, allgemein gesprochen,
mehrere Umrichtergruppen, die aus je zwei P-phasigen Stromrichteranordnungen bestehen,
deren Anodenspannungen jeweils um den Phasenwinkel
e1. gegeneinandergeschwenkt sind, zu einer Umrichtereinheit zusammengefügt, so ergibt
sich insgesamt eine n#p-phasige Arbeitsweise. Soll auch jetzt erreicht werden, daß
beim Übergang vom Gleichrichter- auf den Wechselrichterbetrieb jeweils nur eine
einzige Anode der gesamten Umrichtereinheit mit Teilaussteuerung betrieben wird,
was für den frequenzelastischen Betrieb ausreicht und mit Rücksicht auf den Leistungsfaktor
im Mehrphasen= netz günstig ist, so muß bei einer Verschiebung der Spannung des
Einphasennetzes gegenüber der Phasenlage des Mehrphasennetzes um einen Winkel der
Zündverzögerungswinkel dieser einen Anode
den gesamten Bereich zwischen maximaler Gleichrichteraussteuerung und maximaler
Wechselrichteraussteuerung durchlaufen. Daran anschließend wird die in ihrer Phasenlage
benachbarte und einer anderen Umrichtergruppe angehörende Anode durchgesteuert,
so daß sich insgesamt eine lückenlose Überdeckung der ganzen Periode durch diep-n-Anoden
einer Umrichterhälfteergibt.
-
Zur Ausführung des geschilderten Verfahrens zur Steuerung eines freqüenzelastischen
Umrichters ist eine Steuerungseinrichtung erforderlich, die in Abhängigkeit von
einem aus der zu bildenden Einphasenspannung hergeleiteten Umsteuerbefehl einen
ständigen Wechsel der Anodenzündzeitpunkte zwischen maximaler Gleichrichteraussteuerung
und maximaler Wechselrichteraussteuerung bewirkt. Daneben muß im Bereich des Überganges
vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb eine stetig veränderbare Teilaussteuerung
und im Bereich des Überganges vom Wechselrichter- auf den Gleichrichterbetrieb eine
sprunghaft von Anode zu Anode wechselnde Nullaussteuerung bewirkt werden.
-
Die Verwirklichung läßt sich auf digitaler Basis durch Kombinationen
von elektrischen Netzwerken auf verschiedene Weise erreichen. Im folgenden ist als
Beispiel eine von mehreren möglichen Ausführungsformen einer Steuerungseinrichtung
für; das im vorstehenden erläuterte Umrichtungsprinzip dargestellt. Hierbeiwird
die Steuerung nur einer EntIadungsstrecke beschrieben, die einem aus dreiphasigen
Stromrichteranordnungen aufgebauten Umrichter angehört.
-
Aus dem Mehrphasennetz werden, in gleichen Winkelgraden über die Periode
verteilt, Spannungsimpulse konstanter Phasenlage nach einem bekannten Verfahren
erzeugt. Der zeitliche Abstand zweier benachbarter Impulse voneinander beträgt bei
einer n# p-phasigen Umrichteranordnung j eweils
Bei einer vierundzwanzigphasigen Umrichteranordnüng, wie sie hier beschrieben werden
soll, sind j e Periode vierundzwanzig Impulse mit einem Abstand von jeweils 15°
erforderlich. Diese Impulse stellen die Zeitmarken des Mehrphasennetzes dar, sie
haben einen festen Bezug zu den Anodenspannungen und legen die verschiedenen möglichen
Zündzeitpunkte jeder Anode fest, und zwar die für maximale Gleichrichteraussteuerung,
maximale Wechselrichteraussteuerung und Nullaussteuerung beim Übergang vom Wechselrichter-
zum Gleichrichterbetrieb.
Aus dem Einphasennetz oder - falls der
Umrichter im Alleinbetrieb arbeiten soll - aus einer Taktgebermaschine wird eine
Steuerwechselspannung entnommen. Diese ist in Fig. 3 im Linienzug a dargestellt.
In einem Impulserzeuger 1 werden aus dieser Spannung schmale Spannungsimpulse im
Nulldurchgang erzeugt (Linien-zug b). Diese Impulse werden einem Flip-Flop-Gerät
2 zugeführt. Der positiv gezeichnete Steuerimpuls bewirkt das Umkippen in den einen,
der negativ gezeichnete Impuls in den anderen Betriebszustand dieses Gerätes. Die
Ausgangsspannung des Flip-Flop-Gerätes ist eine pulsierende Rechteckspannung (Linienzug
c). Solche pulsierende Rechteckspannungen werden in der Folge als Spannungsblöcke
bezeichnet.
-
Zur Verwirklichung des hier zugrunde gelegten Umrichtungsprinzips
muß erreicht werden, daß der Übergang vom Zeitabschnitt Gleichrichterbetrieb auf
den Zeitabschnitt Wechselrichterbetrieb stetig mit der Steuerwechselspannung in
der Phasenlage wandert, während der umgekehrte Übergang vom Zeitabschnitt Wechselrichterbetrieb
auf den Zeitabschnitt Gleichrichterbetrieb dem stetigen Wandern der Phasenlage der
Steuerwechselspannung sprunghaft nachfolgt, und zwar unter Zwischenschaltung des
Zeitabschnittes »Nullaussteuerung«. Dieser Phasensprung hat dabei die Größe der
Anodenteilung einer Stromrichteranordnung. Um diesen Effekt zu erreichen, werden
mit einem Impulserzeugex 3 aus dem Drehstromnetz drei um 120° versetzte Zeitmarken
abgeleitet, und zwar.solche, die, bezogen auf den natürlichen Kommutierungspunkt
der zugehörigen Anode bei -60°, bei +60° und bei 180° stehen (Linienzug d und e).
Diese Impulse sowie der Spannungsblock. (Linienzug c) werden einem Koinzidenzglied
4 zugeführt, das nur dann eine Ausgangsspannung abgibt, wenn an beiden Eingängen
gleichzeitig eine Steuerspannung ansteht; es werden also die ankommenden Impulse
nur in dem Zeitraum des Spannungsblockes des Linienzuges c weitergegeben, wie Linienzug
f zeigt.
-
Diese Impulse werden einem weiteren Flip-Flop-Gerät 5 zugeleitet.
Als Rückholimpuls dient hier der negative Impuls des Linienzuges b. Die Ausgangsspannung
des Flip-Flop-Gerätes 5 ist eine pulsierende Rechteck spannurig, deren vordere Flanke
stets mit einem der drei Impulse des Mehrphasennetzes und - die rückwärtige Flanke
mit dem negativen Impuls des Einphasennetzes zusammenfällt. Dieser Spannungsblock
(Linienzug g) legt nun die Betriebsart der zugehörigen Anode fest, anstehende Spannung
bedeutet Gleichrichterbetrieb, keine Spannung bedeutet Wechselrichterbetrieb. Beim
Verschieben der Phasenlage der Steuerspannung wird die vordere Flanke des Spannungsblockes
(Umschaltbefehl auf Gleichrichterbetrieb) in Sprüngen um 120°, die rückwärtige Flanke
(Umschaltbefehl auf Wechselrichterbetrieb) dagegen stetig wandern.
-
Zwei weitere Zeitmarken werden dem Mehrphasennetz entnommen, von denen
die eine bei der maximal zulässigen Gleichrichteraussteuerung und die zweite im
0 Abstand 3601 zeitlich vorher steht.
-
Bei dem im Beispiel angenommenen vierundzwanzigphasigen Umrichter
und einer maximal zulässigen Gleichrichteraussteuerung bei 15° Zündverzögerung stehen
die beiden Impulse also bei 0° und 15°, bezogen auf den natürlichen Kommutierungspunkt
(Linienzug h). Diese Impulse werden einem Flip-Flop-Gerät 7 zugeleitet, das hieraus
einen Spannungsblock von 15° Breite formt (Linienzug i).
-
In dem nachgeschalteten Koinzidenzglied 8 wird überprüft, ob dieser
Spannungsblock als Gleichrichteraussteuerung für die zugehörige Anode wirksam -
werden . darf. Als zweite Steuerspannung wird hierzu dem Koinzidenzglied 8 die Ausgangsspannung
des Flip-Flop-Gerätes 5 zugeführt, und zwar die Spannung des Gegentaktausganges,
d. h., bei Wechselrichterbetrieb steht Spannung an, bei Gleichrichterbetrieb ist
keine Spannung vorhanden (Linienzug k). Die Ausgangsspannung des Koinzidenzgliedes
8 ist im Linienzug l dargestellt, und zwar wird in dem gewählten Beispiel der erste
15°-Block gesperrt, der zweite wird teilweise, und zwar mit einer Breite von etwa
8° durchgelassen, und der dritte Block wird ganz weitergegeben. Diese Spannung wird
einem Speicherglied 9 zugeführt, das die Aufgabe hat, den Wechselrichter-Zündwinkel
sowie den Zeitpunkt der Zwischenkommutierung festzulegen und an die Steuervorrichtung
weiterzugeben. Nach dem früher Gesagten muß der Zündzeitpunkt der den Übergang vom
Gleichrichter- auf den Wechselrichterbetrieb vornehmenden, Anode gegenläufig zur
Verschiebungsrichtung des Umsteuerbefehls verschoben werden, was erfindungsgemäß
durch Zwischenschaltung eines Speichergliedes erreicht wird.
-
Der in der Steuerung, die dieser Beschreibung zugrunde liegt, vorgesehene
magnetische Speicher 9 besteht aus einer gleichstromvormagnetisierten Ringkerndrossel
und einem Schaltglied (z. B. Transistor). Durch die Gleichstromvormagnetisierung
ist die Drossel, deren Kern eine angenähert rechteckige Magnetisierungsschleife
besitzt, gesättigt. Beim Auftreten des Spannungsblockes am Speicher legt das Schaltglied
eine konstante Gleichspannung an eine zweite Wicklung der Drossel, und zwar gegensinnig
zu der bestehenden Vormagnetisierung. ,je nach Blockbreite erreicht die Drossel
dadurch einen bestimmten Grad der Magnetisierung. Am Ende des Spannungsblockes unterbricht
das Schaltglied den Magnetisierungsstrom und damit die Aufladung des Speichers.
Die hierbei induzierte Drosselspannung bewirkt in einer dritten Wicklung einen Strom,
der den Drosselkern rückmagnetisiert, d. h. den Speicher entlädt. Die während der
Rückmagnetisierung an dieser Wicklung auftretende Spannung wird über Ventile abgenommen
und dient als Ausgangsgröße des Speichers. Der Zeitpunkt der Beendigung des Rückmagnetisierungsvorganges
legt den Zündzeitpunkt der Anode fest. Die Drossel ist so ausgelegt, daß bei einem
in voller Breite von 15° ankommenden Spannungsblock die Rüclnnagnetisierung den
Zeitraum zwischen maximaler Gleichrichteraussteuerung und maximaler Wechselrichteraussteuerung
in Anspruch nimmt, d. h. im erfindungsgemäßen Beispiel bei einem Zündv erzögerungswinkel
von 165° beendet ist. Trifft ein Spannungsblock geringerer Breite auf den Speicher,
so ist auch die Rückmagnetisierung entsprechend früher beendet, und es wird für
die Anode ein entsprechend früherer Zündzeitpunkt, d. h. eine Zwischenkommutierung,
bestimmt. Durch diese Anordnung wird also auf einfache Weise die erforderliche Gegenläufigkeit
der Verschiebungsrichtungen des Umsteuerbefehls und des Zündzeitpunktes der den
Übergang auf Wechselrichterbetrieb übernehmenden Anode erreicht. Da der die Magnetisierung
der Drossel bewirkende Spannungsblock erfindungsgemäß eine Breite von
36 # besitzt, wird sichergestellt, daß bei der gesamten n.p-phasigen Umrichteranordnung
stets eine und nur eine Anode eine Zwischenkommutierung ausführt.
-
Dem Speicher nachgeschaltet ist ein weiteres Schaltglied 10. Ihm werden
die Ausgangsspannung des Speichers und außerdem auf direktem Wege die 15°-Spannungsblöcke
des Flip-Flop-Gerätes 7 zugeführt. Die Ausgangsspannung dieses Schaltgliedes (Linienzug
n) legt nunmehr endgültig die Zündzeitpunkte für die zugehörige Anode
fest,
und zwar bestimmen jeweils die rückwärtigen Flanken der Spannungsblöcke den Zündzeitpunkt.
-
Die Steuerungseinrichtung hat darüber hinaus aber noch das Kommando
für die Nullaussteuerung beim Übergang vom Wechselrichter- auf den Gleichrichterbetrieb
zu geben. Es wird daher die Zeitmarke 105° des Drehstromnetzes zusammen mit der
Ausgangsspannung des Flip-Flop-Gerätes 5 einem weiteren Koinzidenzglied 12 zugeleitet,
so daß nur bei Kommando »Gleichrichterbetrieb« der Impuls weitergegeben wird. Steht
nun bereits vom Schaltglied 10 ein Kommando zur Gleichrichtersteuerung an, so wie
es im Beispiel der Fig.3 der Fall ist, dann kann der 105°-Impuls nicht wirksam werden.
Anders dagegen, wenn sich die Steuerspannung in der Phase so weit verschiebt, daß
der Umsteuerbefehl auf Gleichrichterbetrieb erst mit dem Impuls +60° gegeben wird.
Dann wird nämlich der 15°-Block nicht mehr durchgelassen, und der 105°-Impuls wird
wirksam.
-
Die Ausgangsspannungen des Schaltgliedes 10 sowie des Koinzidenzgliedes
12 gehen dem Gittersteuergerät 13 zu, das hieraus rechteckige Gitterimpulse erzeugt
und dem Gitter der zugehörigen Entladungsstrecke zuleitet (Linienzug q).
-
Eine Vervollkommung der hier beschriebenen Umrichtersteuerung ergibt
sich durch Einfügung einer Stromkompoundierung im Wechselxichterbetrieb. Der Blindstromverbrauch
eines frequenzelastischen Umrichters der beschriebenen Art ist nicht nur von der
Teilaussteuerung der jeweils einen den Übergang auf Wechselrichterbetrieb übernehmenden
Anode, sondern in weit stärkerem Maße von der Aussteuerung der übrigen Anoden der
Umrichtereinheit abhängig, d. h. also von der gleichbleibenden Zündverzögerung im
Gleichrichterbetrieb und Zündverfrühung im Wechselrichterbetrieb (Respektabstand).
Nun ist bekanntlich der notwendige Respektabstand von dem jeweiligen Belastungsstrom
des Wechselrichters abhängig, da die (in den Fig. 1 und 2 nicht berücksichtigte)
für den Übergang des Stromes von einer Anode zur nächsten erforderliche Zeit (Kommutierungszeit)
mit der Stromstärke anwächst. Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann dieser
Umstand zu einer zusätzlichen Verringerung des Blindleistungsbedarfs des Umrichters
in der Weise ausgenutzt werden, daß der Zündverfrühungswinkel des Wechselrichters
mit wachsendem Belastungsstrom vergrößert wird, und zwar annähernd um ebensoviel,
wie die Kommutierungszeit mit dem Belastungsstrom zunimmt. Ist z. B. bei Leerlauf
ein Respektabstand von 15° ausreichend und beträgt die Kommutierungszeit bei vollem
Belastungsstrom ebenfalls 15°, so ist bei einer Zunahme der Belastung von Null auf
Vollast der Respektabstand von 15° auf 30° zu vergrößern, wobei die Kommutierung
in dem Intervall von 30° bis 15° stattfindet, also 15° vor dem Schnittpunkt der
Anodenspannungen beendet ist.
-
Die Einflußgröße einer solchen Stromkompoundierung -die am einfachsten
über einen Stromwandler gewonnen werden kann - kann z. B. direkt in den Gittersteuersatz
eingeführt werden. Die Vorverschiebung der Wechselrichterimpulse läßt sich durch
eine Vertikalsteuerung der Gittersteuervorrichtung erreichen, wobei die Summe aus
einer konstanten, dem Mehrphasennetz entnommenen Hilfswechselspannung und der Bürdenspannung
des Einphasenstromwandlers einer Gleichspannung gegengeschaltet wird. Durch geeignete
Wahl dieser Spannungen kann erreicht werden, daß mit wachsendem Einphasenstrom eine
zeitliche Vorverlagerung des Nulldurchganges der aus den drei Hilfsspannungen resultierenden
Summenspannungen und damit des Gitterzündimpulses um den erforderlichen Winkel bewirkt
wird. Hierbei wird durch die konstante Hilfswechselspannung die notwendige Abhängigkeit
des Verschiebungswinkels von dem Belastungsstrom entsprechend einer cos-Funktion
erreicht. Durch Ventile, die für jede Umrichterhälfte nur eine Stromhalbwelle wirksam
werden lassen, ist dabei sichergestellt, daß nur die Wechselrichter-Gitterimpulse
der gerade stromführenden Umrichterhälfte von der Stromkompoundierung beeinflußt
werden. Eine Stromkompoundierung des Wechselrichters läßt sich natürlich auch an
anderer Stelle in die Umrichtersteuerung einführen, und es sind andere Verfahren
als eine Vertikalsteuerung möglich, ohne daß dadurch das Prinzip der Erfindung geändert
würde. Auch läßt sich das Verfahren mit Vorteil auf Gegentakt- und Kreuzschaltungen
der allgemeinen Stromrichtertechnik anwenden.
-
Für die einwandfreie Verwirklichung der beschriebenen Steuerfunktionen
sind praktisch trägheitslos arbeitende Steuerungsorgane erforderlich. Hierfür eignen
sich z. B. Hochvakuumelektronenröhren. Zur Erreichung einer hohen Betriebssicherheit
und langen Lebensdauer der Steuerungseinrichtung sowie zur Verminderung des Platzbedarfes
werden als Steuerungsorgane Transistoren in an sich bekannten Grundschaltungen bevorzugt.
Hierbei finden die Transistoren nur als Schaltglieder Verwendung, so daß Kennlinienänderungen
als Folge von Alterungserscheinungen und Temperaturabhängigkeiten ohne Einfluß bleiben.