DE1613695A1

DE1613695A1 - Schaltungsanordnung zur Umrichtung einer Mehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz

Info

Publication number: DE1613695A1
Application number: DE19671613695
Authority: DE
Inventors: Lafuze David Logan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-12-30
Filing date: 1967-12-28
Publication date: 1971-05-13
Also published as: US3431483A; GB1212690A; FR1549060A; DE1613695C2

Description

FrcmMuri/Mcdii-.
13

TSt3695

General Electric Company, Scheneetady N.Y., U, S. A,

S! SS = = = JS S = = S SS " = SS" S= '=S Si " SSS 3= = S= = 3= SS-' '"Bi, SZ S S 3 =

Schaltungsanordnting zur Uinriclitiing einer Mehrphasen9pannung in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz Λ

SS SZ SS SS ZS SS SS EE.' S3.' SS SS' SS -.SS SS- ~SS SS SS - SS SS' SS Sä SS'. SS-' SS .3— - SS SS' SS ^SZ SS

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Uinrichtung einer Kehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedrigerer frequenz. . c :

Derartige Umrichterschaltungen und Umrichteranlagen enthalten mehrere steuerbare Schalter. Der Wirlcungsgrad und der Nutzungsgrad derartiger Anlagen ist begrenzt, da jeder steuerbare Schalter nur während einer kurzen Zeit der Betriebs^ Periode leitend ist. Ein weiterer schwerwiegender ITaehteil besteht darin, daß sperrige, schwere und aufwendige Bauteile zum Filtern der Ausgangsspannung bzw» des Ausgangsstromes bei jeder Umrichterschältung notwendig sind, sofern geglättete Ausgangsgrößen gefordert werden.

Diese Nachteile sind eng miteinander verknüpft. Dies kommt daher, daß eine der wirkungsvollsten Maßnahmen zur Verringerung der Anforderungen an die Ausgangsfilter darin besteht, die Anzahl der Eingangsphasen zu erhöhen, so daß die Frequenz der Welligkeit im Ausgangsitrom zunimmt. Bei einer größeren Anzahl von Eingangsphasen benötigt man jedoch auch eine größere Anzahl von steuerbaren Schaltern, um die einzelnen Eingangsphasen anzuschließen. Dadurch ergibt sich eine sehr aufwendige Umrichterschaltung.miteinem ge-

1098 20/0218

ringen Nutzeffekt, da Mit wachsender Phasenzahl die Stromflußzeit jedes einzelnen steuerbaren Schalters im Vergleich zur Betriebsperiode oder Ausgangsperiode abnimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Umrichterschal tung und eine Umriehteranlage zu schaffen, bei denen an die Filter geringere Anforderungen gestellt werden und bei denen gleichzeitig die steuerbaren Schalter und die unmittelbar zugeordneten Schaltungen besser als bei den herkömmlichen Anordnungen ausgenutzt werden.

Eine Schaltungsanordnung zur Umriehtung einer Mehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz mit steuerbaren Schaltern, von denen mindestens zwei an jede Phase der mehrphasigen Spann^ungsqueile angeschlossenen Zündsteuerschaltung, die die steuerbaren Schalter zu vorgewählten Zeitpunkten in der Phase der Mehrphasenspannung zündet, und mit einer an der Zündsteuerschaltung angeschlossenen Sollfrequenzquelle, die zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz die Zündzeitpunkte der steuerbaren Schalter festlegt, löst diese Aufgabe dadurch, daß Zwischenphasenwicklungen ausgewählte Schaltergruppen, die aus den steuerbaren Schaltern aufgebaut sind, miteinander verbinden, daß die Anzahl der steuerbaren Schalter in jeder ausgewählten Schaltergruppe durch die Anzahl der Phasen des Mehrphasennetzes und durch die Stromflußperiode der steuerbaren Schalter bestimmt ist, daß die steuerbaren Schalter die an aufeinanderfolgende Phasen angeschlossen sind, in verschiedenen Gruppen angeordnet sind, und daß eine Ausgangsschaltung, an der der umgerichtete Ausgangswechselstrom abgenommen wird, an die Zwischenphasenwicklungen angeschlossen ist.

Ausführungsbeispielö der Erfindung sollen an Hand von Figuren beschrieben werden..

109820/0218

T613695

Fig. 1 ist das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Umrichterschaltung.

Pig. 2a und 2b zeigen an Hand von Spannungszeitverläufen, wie die in Fig. 1 gezeigte Umrichtersehaltung nach der Erfindung arbeitet.

Fig. 3 ist das Schaltbild einer neunphasigen, nach der Erfindung aufgebauten Umrichterschaltuug, bei der die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkel von 120° Strom führen.

Fig. 4 ist das Schaltbild einer zwölfphasigen, nach der Erfindung aufgebauten umrichterschaltung, bei der die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkel^ von 120° Strom führen.

Fig. 5 ist das Schaltbild eines zwoIfphasigen, nach der Erfindung aufgebauten Leistungsumrichters, bei dem die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkels von 90° Strom führen.

Fig. 6 ist das Blockschaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Umrichteranlage, die aus einer sechsphasigen Wechselspannung veränderlicher Frequenz eine dreiphasige Wechselspannung mit einer Frequenz von 400 Hz erzeugt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung handelt es sich um einen Sechs-Phasen-Umrichter mit Zwischenphasentransformatoren und mit einer herkömmlichen sechsphasigen. Wechselstromquelle 31, die die Wicklungen eines Seche-Phaeen-iDransformators oder die Sta/torwicklungen eines sechsphasigen Wechselstromgenerator mit einem geerdeten Massepunkt 18 enthalten kann. Sie sechsphasige Spannungsquelle 31 weist mehrere Wicklungen auf, von

1098 20/0218

denen jeweils die eine Klemme an den Massepunkt 18 angeschlossen ist. Die anderen Klemmen der Wicklungen sind mit e-j bis eg bezeichnet.

Die sechs Phasen der sechsphasigen Spannungsquelle 31 sind an eine "positive" Schalterbank 32 bis 37 und an eine "negative" Schalterbank 32' bis 37' angeschlossen. Bei den Schaltern 32 bis 37 sowie 32' bis 37' handelt es sich vorzugsweise um steuerbare Siliciumgleichrichter oder Thyristoren.

Jeder Thyristor der negativen Schalterbank 32* bis 37' ist mit dem an dieselbe Phase angeschlossenen Thyristor der positiven Schalterbank 32 bis 37 antiparallel geschaltet. Eine Zündsteuerschaltung (in Mg. 1 nicht gezeigt) ist an die mehrphasige Spannungsquelle 31 und an die Steuer- oder Zündelektroden der Thyristoren 32 bis 37 und 32' bis 37' angeschlossen. Die Zündsteuerschaltung zündet zu ausgewählten Zeitpunkten in der Phase der Netzspannungsquelle 31 ausgewählte Thyristoren, so daß diese stromleitend werden.v

Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 verbinden ausgewählte Gruppen von Thyristoren in der positiven und in der negativen Thyristorbank. Die Anzahl der Thyristoren in jeder ausgewählten Gruppe wird durch die Anzahl der Phasen der mehrphasigen Wechselstromquelle 31 und der gewünschten Stromflußperiode jedes Thyristors bestimmt. Die Zwischenphasenwicklungsschaltungen weisen einzelne lineare Induktionswicklungen 38 und 39 auf, die .über eine leitung 41 miteinander verbunden sind. Die Leitung ist auch an dfe Ausgangsschaltung angeschlossen, die aus einer Filterspule 23 und einem Filterkondensator 24 besteht. Die mit umgekehrter Polarität zueinander parallel geschalteten Thyristoren 32 bis 37 und 32' bis 37· führen den Strom in entgegengesetzten Richtungen. Die Zwischenphasenwicklung 38 ver-

109820/0218

1813895

bindet ausgewählte Gruppen aus den mit positiver Polarität zusämmengeschatteten Thyristoren der positiven Thyristorbank, die den Strom in. positiver Riehtung liefert. Die zweite Zwischenphasenwicklung 39 verbindet, ausgewählte Gruppen aus den mit negativer Polarität zusammengesehalteten Thyristoren 32· bis 37'» dieden Strom in. der entgegengesetzten oder negativen Richtung liefern* -:-, _o '

Die leitung 41 verbindet die beiden Zwischenphasenwicklungen 38 und 39* Bei dem in Pig, I gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer sechsphasigen Wechselspannungsquelle sind fiir jede Phase zwei antiparallel geschaltejte Thyristoren vorgesehen. Die Thyristoren 32 bis 37 der positiven Gleichrichterbank bilden zwei getrennte Thyristorgruppen, von denen die eine als Gleichrichtergruppe A und die andere als Gleichrichtergruppe B bezeichnet wird. Jede Gruppe %esteht aus drei Thyristoren, nämlich den Thyristoren 32 bis 34 der Gruppe A und den Thyristoren 35 bis 57 der Gruppe B. Die beiden Gleichrichtergruppen der positiven Bank sind über die Zwischenphasenwicklung 38 leitend und induktiv miteinander gekoppeIt. Die Thyristoren 32' bis 37', die den negativen Strom führen, bilden zwei zusammengeschaltete Gleichrichtergruppen G und D. Jede Gleichrichtergruppe C und D weist .drei Thyristoren auf. Auch diese beiden Gruppen sind über die ZWischenphasenWicklung 39 leitend und induktiv miteinander gekoppeltv Die beiden Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 sind über die !«eitung 41 miteinander verbunden. ^

Die in Pig. 1 gezeigte sechsphasige Umrichterschältung mit Zwischenphasentransformatoren setzt sich aus zwei einfachen Drei-Phasen-Thyristorschaltungen zusammen, denen zwei weitere einfache Drei-Phasen-Thyristorschaltüngen parallel geschaltet sind, die jedoch um 60° elektrisch gegeneinader gedrehtsind,

109820/0218

so daß die Ausgangsspannung die Welligkeit einer Sechs-Phasen-Schaltung aufweist. Die Zwischenphasentransformatorwicklungen

38 und 39 nehmen die Differenz der momentanen Aus gangs spannung der beiden parallelen Gleichrichtergruppen, beispielsweise der Gleichrichtergruppe A und der Gleichrichtergruppe B, auf. Jede Gleichrichtergruppe liefert den halben Ausgangsstrom.

Da die Zündphasenwinkel der beiden Gleichrichtergruppen, beispielsweise der Gruppe A und der Gruppe B, um 60° gegeneinander verschoben sind, braucht man eine sechsphasige Versorgungsspannungsquelle 31. Die Zwischenphasenwicklungen 38 und

39 können derart ausgelegt sein, daß sie Streuinduktivitäten aufweisen, um im Leiter 41 einen Ausgleichsstrom zwischen der positiven und negativen Gleichrichterbank zu begrenzen und um bereits eine Filterwirkung vorzusehen. In diesem Falle braucht die Filterinduktivität 23 nicht so groß zu sein, wie es sonst notwendig wäre.

Die Zündreihenfolge der Thyristoren ist an .Hand der in Fig. 1 dargestellten Bezugszeichen P^ bis Pg und N,. bis IL- angegeben. Die Zündreihenfolge der Thyristoren jeder Gruppe kann beim Auslegen der Zündsteuerschaltung festgelegt werden. Wenn beispielsweise bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Thyristor 32 gerade leitend ist, dann wird in der positiven Thyristorbank der Thyristor 35 in der Gleichrichtergruppe B als nächster gezündet. Im Αηβοηΐμβ an den Thyristor 35 folgt der Thyristor 33 in der Gleichrichtergruppe A. Das Zünden des Gleichrichters 35 dient nicht zur Kommutierung des Gleichrichters 32, da die beiden Gleichrichtergruppen A und B durch die Zwischenphasenwicklung 38 voneinander isoliert sind. Der Thyristor 32 darf solange im leitenden Zustand bleiben, bis der Thyristor 33 gezündet wird. Erst zu diesem Zeitpunkt wird der Strom im Thyristor 32 durch !Commutation auf Null gebracht.

109820/0218

Ohne die Zwischenphasenwieklung 38 würde der Thyristor 32 bereits beim Zünden des Thyristors 35 kommutieren. Diese beiden Thyristoren könnten daher nicht zur selben Zeit Strom leiten. Die Zwischenphasenwicklungen ermöglichen es* daß die der ersten bzw. zweiten Phase zugeordneten Thyristoren 32 und 35 zur selben Zeit leitend sind und daß diese "beiden Thyristoren den Verbraucherstrom während überlappender Teile ihrer Eingangswellenformen unter sich aufteilen. Dadurch wird die gesamte Schaltung besser ausgenutzt. Die Zwischenphasenwicklung 38 nimmt die Differenz der momentanen Ausgangs spannung der beiden positiven Gleichrichtergruppen A und B auf, und in entsprechender Weise nimmt die Zwischenphasenwicklung 39 die Differenz zwischen den momentanen Ausgangsspannungen der beiden · negativen-GleichrichtergruppenC und D auf.

Die Fig. 2a und 2b dienen zur Erläuterung der Betriebsweise der in Pig. 1 gezeigten Umrichterschaltung. Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise der positiven Thyristorbank 32 bis 37 und Fig. 2b die Arbeitsweise der negativen Thyristorbank 32' bis 37'« In den Fig. 2a und 2b stellen die gestrichelt eingezeichneten Wellenformen mit der höheren Frequenz die mehrphasige Eingangsspannung der Umrichterschaltung dar. Die den einzelnen Eingangsphasen zugeordneten Spannungen sind mit den Bezugs zeichen e.., e₂ usw. versehen. Die niedrigere Sollfrequenz, die in den Fig. 2a und 2b mit 400 Hz angegeben ist, steuert die Thyristoren 32*bis 37^f und legt damit die/Frequenz der Ausgangsspannung fest. Es soll angenommen werden, daß die Ausgangsspannung bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform 400 Hz betragen soll. Die durch die Steuerung der Thyristoren 32 bis 37 der positiven Thyristorbank bestimmten leitenden Teile der Phasenspannungen sind in der Fig. 2a ausgezogen'eingezeichnet. Die Arbeitsweise der Thyristoren 32' bis 37' der

109820/0218

1813695

negativen Thyristorbank ist in der Pig. 2b in ähnlicher Weise eingezeichnet. Die Pig. 2a und 2b zeigen nicht den sich ergebenden Aüsgangsstrom, der an die Pilterschaltung 23»24 geliefert wird. Die Arbeitsweise der Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 ist daher in den Figuren nicht vollkommen erläutert.

Die Pig. 3 zeigt eine nach der Erfindung aufgebaute neunphasige Umrichterschaltung, bei der der Stromflußwinkel der Thyristoren 120° beträgt. Die in Pig. 3 dargestellte Anlage weist eine neunphasige Wechselspannungsquelle 59

ψ auf. An jede Phase der mehrphasigen Wechselspannungsquelle sind zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 61,61' oder 62,62' usw. angeschlossen. Die Thyristoren 61 bis 69 führen den positiven Strom und bilden zusammen drei Thyristorgruppen, die über einen Zwischenphasentransformator 71 mit drei Zwischenphasenwicklungen 71a, 71b und 71c leitend und induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Zwischenphasenwicklung 71a ist an die positive Thyristorgruppe 61 bis 63, die Wicklung 71b an die positive Thyristorgruppe 64 bis 66 und die Wicklung 71e an die positive Thyristorgruppe 67 bis 69 angeschlossen. Die Thyristoren 61' bis 69', die den negativen Strom führen, bilden ebenfalls drei Gruppen aus je drei Thyristoren, die an

. einen weiteren Zwischenphasentransformator 73 angeschlossen sind. Der Zwischenphasentransformator 73 enthält ebenfalls drei Zwischenphasenwicklungen 73a, 73b und 73c. Die Zwischenphasenwicklungen sind induktiv miteinander gekoppelt und über Leiter miteinander verbunden. Jeweils eine Zwischenphasenwicklung ist an eine aus drei Thyristoren bestehende Thyristorgruppe angeschlossen. Die Wicklungen des Zwischenphasentransformators 71 und 73 sind über einen leiter 75 miteinander verbunden. Jeder der beiden Zwischenphasentransformatoren 71 und 73 ist auf einen dreischenkligen Kern 72 bzw. 74 gewickelt. Jeder Kern hat drei getrennte Schenkel 72a, 72b und 72c bzw. 74a,

10 9820/0218

- 9 -■■ - ■".-■■■ -

74b:-und 74c. Auf den Schenkeln befinden sich die Zwischenphasenwicklungen 71ä bis 71c bzw» 75a bis 73c Der dreischenk— lige Aufbau der Kerne 72 bzw, 74 gewährleistet, daß für ;jeden der einzelnen Kernschenkel der magnetische. Rückweg durch die beiden anderen Sehenkel führt, so daß die magnetische Differenzgleichspannung ausgeglichen und eine Sättigung vermieden wird. Die mittlere magnetische G-leichspannung der drei Wieklungsspulen sättigt den Kern nicht, da der durch diese magnetische Spannung erzeugte Magnetfluß über einen langen ■Luftweg zurückkehren muß. Die Zwischenphasentransförmatoren 71 und 73 arbeiten daher linear, wenn sie die positiven und negativen Stromimpulse, die ihnen von den positiven und.nega-* tiven Thyristorgruppen der Gleichriehterbättke geliefertwerden, vereinigen und den vereinigten Ausgangsström der Pilter- · schalter 23,24 zuführen. ; Λ/

Die Zündreihenfolge für die Thyristoren 61 bis 69 und 61' bis 69\ wird durch die Bezugszeichen +la bis +9a und -1a bis -9a an den einzelnen Thyristoren in der 3?ig. 5 angegebeni Diese Zündreihenfolge wird durch die an die Zündelektroden der einzelnen Thyristoren angeschlossene Zündsteuerscbaltung erreicht. Aus der Zündreihenfolge ersieht man, daß jeder Thyristor einen Stromflußwinkel· von 120° hat, da erst nach 120° der Strom durch den nächsten Thyristor in derselben Gruppe zu fließen beginnt· Die in Pig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung liefert daher eine Ausgangsspannung mit einer 9-Phasen-Welligkeit und erlaubt dabei einen Stromflußwinkel von 120° für 3eden Thyristor. Auf diese Weise kann man eine höhere Welligkeit der Ausgangsspannung einer TJmrichterschaltung erreichen, ohne daß der Ausnutzungsgrad eines derartigen Leistungsumrichters darunter leidet. Die Größe der ausgangsseidigen PiIterinduktivität und Pilterkapazität für einen Leistungsumrichter ist bekanntermaßen umgekehrt proportional zur Welligkeits*

109820/0218

1613635

- -ίο -

frequenz. Das Produkt der Filterinduktivität und Filterkapazitat für eine vorgegebene Welligkeit ist der vierten Potenz der Anzahl der Eingangsphasen umgekehrt proportional. Bei neun Eingangspbaaen, wie es bei der Schaltung nach der Fig.3 der Fall ist, kann man eine beträchtliche Verminderung in der Größe der Ausgangsfilterinduktivität und -kapazutät erreichen. Auf diese Weise kann das Gesamtgewicht einer Leistungsumrichteranlage um ein beträchtliches Maß gemindert werden, ohne daß dabei der gesamte Wirkungsgrad oder Nutzeffekt leidet.

Fig. 4 ist das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten 12-phasigen Umrichterschaltung, bei der die Thyristoren einen Stromflußwinkel von 120° aufweisen. Die in Fig. 4 dargestellte 12-phasige Umrichterschaltung enthält eine 12-Phasen-Wechselstromquelle 76, bei der die eine Klemme der Phasenwicklungen miteinander verbunden und gemeinsam an einen geerdeten Massepunkt 18 angeschlossen sind. Die anderen Klemmen der Phasenwicklungen sind jeweils an zwei antiparallel geschalteter Thyristoren, beispielsweise 70,77' oder 78,78^aufgeschlossen. Die den positiven Strom führenden Thyristoren 77 bis 89 bilden vier zusammengeschaltete Thyristorgruppen aus je drei Thyristoren. Die vier Gruppen bilden wiederum zwei Thyri&torgruppenpaare. Das eine Gruppenpaar aus den Thyristoren 77 bis 79 und 81 bis 83 ist über eine Zwischenphasenwicklung 91 leitend und induktiv gekoppelt. Ein weiteres Gruppenpaar der positiven Bank aus den Thyristoren 84 bis 86 und 87 bis 89 ist über eine weitere Zwischenphasenwicklung 92 verbunden und induktiv gekoppelt. Die beiden Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 sind über eine weitere Zwischenphasenwicklung 95 miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Thyristoren 77' bis 89* der negativen Bank in vier Gruppen aus je drei Thyristoren unterteilt, wobei wiederum zwei Gruppenpaare gebildet werden. Das erste Gruppenpaar aus den Thyristoren 77' bis 79' und 81'

1098207 0218

Ms 83' ist über eine vierte Zwischenphasenwicklung 93 verbunden und induktiv gekoppelt. Das zweite Gruppenpaar der negativen Thyristorbank aus den Thyristoren 84' bis 86· und 87 bis 89' ist über eine Zwischenphasenwicklung 94 verbunden und induktiv gekoppelt. Die Zwischenphasenwicklungen 93 und 94 sind über eine Zwischenphasenwicklung 96 miteinander verbunden. Die beiden auch als Hilfszwischenphasenwicklungen bezeichneten Wicklungen 95 und 96 sind wiederum an ein aus einer Spule 25 und einem Kondensator 24 bestehendes Filter angeschlossen das den umgerichteten Wechselstrom abgibt. Die Zündreihenfolge für die positive und negative Gleichrichterbank aus den Thyristoren 77 bis 89 und 77Γ bis 89' ist durch Bezugszeichen +1a, +5a, +9a bzw -1a, -5a, -9a usw. an den einzelnen Thyristoren angegeben. Diese Zahlen geben die Zündreihenfolge der Thyristoren an. Bei der gezeigten 12-Phasen-Wechselspannungsquelle 76 beträgt der Winkel zwischen den einzelnen Phasenspannungen 30°. Wie man aus der Zündreihenfolge erkennen kann, ist für jeden Thyristor eine Stromflußzeit von vier 30°-Intervallen oder von 120 vorgesehen. Die Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 nehmen wieder die Differenz zwischen den momentanen Ausgangsspannungen der beiden Gruppenpaare der positiven Gleichrichterbank auf. In ähnlicher Weise nehmen die Zwischenphasenwicklungen 93 uikL 94 die momentanen Differettzspannungen zwischen den Paaren der beiden Gruppen der negativen Thyristorbank auf. Der mittlere Wert des in den beiden Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 fließenden Stromes erscheint am Leiter 95 und wird über die Zwischenphasenwicklung 97 gekoppelt. Der Durchschnittswert des in den beiden Zwischenphasenwicklungen 93 und 94 fließenden Stromes erscheint im Leiter 96 und wird über die Zwischenphasenwicklung 97 gekoppelt· Der Durchschnittswert von allen vier Gruppen des Gleichrichters erscheint am Mittelpunkt der Zwischenphasenwicklung und wird der ausgangsseitigen Pilterspule 23 und dem iilter-

1098 20/0218

IbI3695

kondensator 24 zugeführt. Durch entsprechendes Gruppieren von ausgewählten Thyristoren und Verbinden dieser Gruppen mit Zwischenphasenwicklungen 91 bis 94 kann man also eine hohe Helligkeit in der Ausgangsspannung erreichen und gleichzeitig dabei einen hohen Stromflußwinkel für die Thyristoren aufrechterhalten, wobei die Kommutierungsverluste gering sind.

Die in Fig. 1 gezeigten Zwischenphasenwicklungen oder Zwischenphasentransformatoren 38 und 39 sind Doppelwicklungen, deren Mittelanzapfungen über den Leiter 41 verbunden sind. Die oberhalb und unterhalb des Mittelabgriffs liegenden Wicklungshälften der Wicklungen 38 kann man als Einzelwicklungen betrachten, die leitend miteinander verbunden und induktiv gekoppelt sind. Die eine von diesen Einzelwicklungen ist jeweils einer Shyristorgruppe A bzw. B zugeordnet, obwohl die in Fig.1 gezeigten Zwischenphasenwicklungen anders dargestellt sind, als die in Fig. 3 gezeigten Wicklungen, üben sie jedoch dieselbe Punktion aus. Dies trifft auch für die in Fig. 4 gezeigten Zwischenphasenwicklungen zu.

Bei der in Pig. 1 gezeigten 6-Phasen-Spannungsquelle und der in Pig. 4 gezeigten 12-Phasen-Spännungsquelle liegen einige Phasen direkt einander gegenüber. Den in Fig. 1 dargestellten Generator 31 kann man daher als einen 3-Phasengenerator mit doppelten Ausgangsklemmen betrachten. In der gleichen Weise kann man den in Fig. 4 gezeigten 12-Phasengenerator 76 als eine besondere Form eines 6-Phasengenerators ansehen. Diese Generatoren sollen jedoch auch im folgenden als 6- bzw. 12-Phasen-Generator bezeichnet werden.

Die Fig. 5 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines 12-Phasen-Umrichters, bei dem die Thyristoren derart gruppiert sind, daß sich Stromflußwinkel von 90° ergeben. Der Netzspan-

109820/0218

1813695

nungsgenerator ist in diesem Seil nicht gezeigt. Es kann der in Pig. 4 gezeigte Generator 76 benutzt werden, der in derselben Weise an die Thyristoren 77 "bis 89 und 77' bis 89^s angeschlossen wird wie bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltung. Ebenso wird der Massepunkt des ausgangsseitigen Filterkondensators 24 mit dem Massepunkt des Generators verbunden. Die Thyristoren 77 bis 89 der positiven Bank sind in drei Gruppen aus je vier Thyristoren 77 bis 81, 82 bis 85 und 86 bis 89 unterteilt. Jede Gruppe ist an eine Zwisehenphasenwicklung 71a¹, 71h⁸ und 71 c^f eines dreischenkligen Zwischentransformators 71' angeschlossen. Dieser Transformator ist ähnlich aufgebaut wie der im Zusammenhang mit der 9-Phasen-Umriohtersehaltung benutzte Zwischenphasentransformator von Fig. 3. Die Thyristoren 77' bis 89' der negativen Bank sind in ähnlicher Weise in drei Gruppen aus je vier Thyristoren unterteilt. Jede Gruppe ist wiederum an eine Zwisehenphasenwicklung 73a¹, 73b¹ und 73c¹ eines zweiten Zwischenphasentransformators 73' angeschlossen. Die Wicklungen der beiden Zwischenphasentransformatoren 71 * und 73^! sind über einen leiter 98 miteinander verbunden, der an die ausgangsseitige Filterspule 23 und den Filterkondensator 24 angeschlossen ist.

Die Zündreihenfolge der Thyristoren injeder Gleichrichterbank ist durch die alphanumerischen Zeichen +1a, +4a ......

-9a, -12a angezeigt. Wie man aus der Zündreihenfolge entnimmt, beträgt der Stromflußwinkel der Thyristoren in der Gruppe 90°. Die Ausgangsspannung der Schaltung hat eine 12-Phasen-Wellig-keit, die von der Ausgangsfilterschaltung 23,24 geglättet wird. Der Stromflußwinkel jedes Thyristors 77 bis 89 und 77' bis 89' beträgt 90°. Während die Kommutierungsverluste bei dieser Schaltungsanordnung etwas größer sind, als bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltung, so gibt es doch viele Anwendungszwecke, bei denen der kürzere Stromflußwinkel von 90° gegenüber dem

109820/0218

längeren Stromflußwinkel von 120° Vorteile bringt. Die Schaltungsanordnung nach Pig. 5 zeigt ferner, wie man durch geeignete Gruppierung von ausgewählten Thyristoren in der negativen und positiven Thyristorbank und durch eine entsprechend gewählte Zündreihenfolge verschiedenartige Schaltungsanordnungen mit hohen Welligkeitsfrequenzen in der Aus gangs spannung zusammen mit einem großen Stromflußwinkel schaffen kann.

6 ist ein Blockschaltbild einer großen ümrichteranlage, die eine dreiphasige Wechselspannung mit einer Frequenz von 400 Hz aus einer sechsphasigen Netzwechselspannung mit veränderlicher Frequenz herstellt. Die Anlage enthält drei einphasige Iieistungsumrichter 101a, 101b und 101c, die nach den Lehren der Erfindung aufgebaut sind und die drei 400-Hz-Wechselspannungen V₀, V, und V_n liefern, deren Phasen um 120° gegeneinander verschoben sind. Jede. Umrichterschaltung 101a, 101b und 101c kann eine Einphasen-Umrichterschaltung enthalten, wie sie in den Pig. 1, 3, 4 oder 5 gezeigt ist. Die Leistungsumrichterschaltungen 101a, 101b und 101c werden von ihren zugeordneten Zündsteuerschaltungen 102a, 102b und 102c gesteuert. Zur Verbesserung der Linearität und Stabilisierung der Anlage sind Rückführschaltungen 103A, 103B und 103C vorgesehen.

An jeder Zündsteuerschaltung 102A, 102B und 102C liegt ein Steuersignal, das von einer Summierschaltung 104a, 104b und 104c geliefert wird. Jede Summierschaltung summiert ein 400-Hz-Sollsignal und das Rückführsignal der zugehörigen Rückführschaltungen 103A, 103B und 103C Das aufsummierte Ausgangssignal wird dem Eingang der Zündsteuerschaltung 102A» 102B und 1020 mit der Frequenz des Versorgungsgenerators von einer Zündwellenformschaltung 105 zugeführt. Die von der Zündwellenformschaltuug 105 gelieferten Zündwellenformen entsprechen einer Cosinuswelle oder dem Integral der Spannung zwischen

10982070218

den Phasen der den Leistungsumrichterschaltungen101A, 401 B. und 101C zugeführten lietzweehselspannung veränderlicher Frequenz. Diese vereinten Eingangssignale werden an die Eingänge der Zündsteuerschaltungen 102A, 102B und 102C gelegt, um die Leistungsumrdchterschaltungen zu steuern»

Ein Haupt generator 1Q6 dient als LeistungsquelleJ für die "■ __:; Leistungsumrichterschaltungen 101A, 101B und 1101G, Die _; Zündweilenformen für jede Zündsteuersehaltung werden von der Zündwellenformschaltung 105 an den Äusgangsfclepmen des Hauptgenerators 106 abgenommen. Die Spannung des Hauptgenerators 106 wird von einem einfachen Spannungsregler-107 ' getrennt geregelt, der seine Leistung über ein Leistungsnetzgerät 109 -von einem Hilfsgenerator 108 mit: einem Dauermagneten bezieht. Der Hilfsgenerator 108 wird, von;derselben Welle angetrieben wie derHauptgenerator 106. Der/Hilfsgenerator liefert über eine Spannungsr· eg eis ehaltung 107 den Strom für das Erregerfeld des Hauptgeneratorsc Ferner versorgt der Hilfsgenerator 108 die Steuersehaltüngen, Schutz- schaltungen, die Einrichtungen zum Schalten und Trennen der Anlage usw» Unter der Annahme, daß sowohl der Hauptgenera- tor als auch der Hilfsgenerator von derselben Welle eines Hotqrs, beispielsweise eines Flugzeugmötors oder iCraftwagenmötors, mit veränderliQher Drehzahl angetrieben werden, i kann sich dieAusgangsfrequenz des Hauptgenerators 106 -

über einen großen Bereich^ ändern^ beispielsweise zwischen 1333 und 2666 Hz. Die Ausgangsweehselspannung des- Hauptgenerators 106 ist verhältnismäßig stabil, da de* Hilfsgene— \ rator 108 über einen großen DrehzahTbereich betrieben werden kann und außerdem der Spannungsregler 107 zur Eegelung der Ausgangs spannung des Hauptgenerators 106 benützt wird;.

Die drei Bezugswellenformen V-n, die über die Summier^schaltung

109 8 20/0218 ,

Ib13695

104- an den Eingang der Zündschaltungsanordnungen 102 zusammen mit den Zündwellenformen 105 geliefert werden, müssen innerhalb der gewünschten Genauigkeit genau 400 Hz betra-. gen und um 120° in der Phase gegeneinander verschoben sein. Ferner sollten die Bezugsspannungswellen einen sehr geringen Oberwellengehalt aufweisen und sehr leicht und unabhängig voneinander in ihrer Amplitude veränderbar sein, um an Jeder Phase eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Diese Bedingungen werden von einem 2400-Hz-Präzi-, sionsoszillator 111 erfüllt. Der oszillator 111 ist über

einen digitalen Phasenspalter 112, drei Amplitudenbegren- · * zer 113 und drei Präzisionsfilter 114 an die Steuerschaltung angeschlossen. Die sich ergebenden AusgangsSignale V~ werden den Eingängen der Summierschaltungen 104A, 104B und 104C zugeführt. Die Begrenzer 113 werden von einzelnen Phasenspannungsreglern 115 gesteuert.

Der Aufbau des Oszillators 111 hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Palis die Schaltung parallel mit anderen Anlagen benutzt werden soll, dann sollte sie derart aufgebaut sein, daß die Frequenz sehr leicht aufgrund von Lastaufteilungssignalen verändert werden kann. Ein digitaler Phasenspalter ist ausführlich in der US-Patentschrift k 3 241 033 beschrieben.' Amplitudenbegrenzer und Phasenspannungsregler sind aus der US-Patentschrift 2 922 052 be- . kannt.

Die Ausgangssignale des Oszillators 111 stellen eine Impulgsfolge dar, die dem digitalen Phasenspalter 112 zugeführt wird. Der digitale Phasenspalter 112 liefert drei 400-Hz-Rechteckwellen,.die um genau 120° phasenverschoben sind. Die Genauigkeit dieser Schaltung wird dadurch erreicht, daß der Beginn jeder Halbwelle der 400-Hz-Rechteckwelle von

10 9 8 2 0/0218

- 17 - -■ '■.::■■: ^;;

den 2400-Hz-Oszillatorimpulsen ausgelöst wird. Die am Ausgang des digitalen Phasenspalters 112 auftretenden 400-Hz-Rechteckwellen werden dann durch den Amplitudenbegrenzer auf einen Wert begrenzt, der von den einzelnen Phasenspannungsreglern, die einen Teil der Schaltung 115 enthalten, bestimmt ist. Die begrenzte Eechteckwelle wird dann dem Präzisionsfilter 114 zugeführt, in dem der Oberwellengehalt auf weniger als 1$ vermindert wird. Die Amplitude der sich ergebenden 400-Hz-Bezugswellenformen Y.-n, die den Summierschaltungen 104 zugeführt werden, sind dann der Amplitude der Rechteckwellen, mit der das Filter 114 gespeist wird, % proportional.

Die Generatorfrequenz muß hoch genug sein, um eine große Anzahl von Thyristoren in einer Halbwelle der 400-Hz-Frequenz zu zünden, so daß die Anlage eine glatte Ausgangsspannung liefert. Bei den hier besehr!ebenen Umrichterschaltungen wird im allgemeinen bei der kleinsten Generatordrehzahl bzw. -frequenz ein Eingangs-zu Ausgangsfrequenzverhältnis von 3 zu 1 benutzt. .

Obwohl die Umrichteranlage an Hand einer Ausgangsfrequenz von 400 Hz beschrieben wurde, kann die Erfindung auch in ι Anlagen verwendet werden, bei denen die veränderliche Eingangsfrequenz und die feste Ausgangsfrequenz andere Werte haben, bei denen ferner die Eingangsfrequenz fest und die Ausgangsfrequenz veränderbar ist, und bei denen sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsfrequenz veränderbar sind. Die einzige Bedingung besteht darin, daß die Eingangsfrequenz höher sein sollte"als die Ausgangsfrequenz, und zwar mindestens um ein Verhältnis von 3 zu 1, Dies trifft insbesondere dann zu, wenn eingangsseitig mindestens sechs Phasen vorliegen. Das Produkt aus der Anzahl derEingangs-

1098 20/0218

phasen und dem genannten Verhältnis ist in diesem Falle achtzehn« Das bedeutet, daß auf eine Halbperiode der Aus— gangsspannung achtzehn Halbperioden der Eingangswechselspannung fallen sollten.

109820/0218

Claims

181-3.6-95

Pat entansprüche

(1 ο) Schaltungsanordnung zur Umriehtungeiner Mehrphasen- · spannung in. eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz mit steuerbaren Schaltern, von denen mindestens zwei an jede Phase"-der mehrphasigen Spannungsquelle angeschlossen sind, , ferner mit einer an der mehrphasigeil Spannungs quelle angeschlossenen Zündsteuerschaltung, die die steuerbaren Schalter zu vorgewählten Zeitpunkten in der Phase der Mehrphasenspannung zündet, und mit einer an der Zündsteuerschaltung angeschlossenen Sollfrequenzquelle, die zur Bestimmung der " Ausgangsfrequenz die Zündzeitpunkte festlegt, zu denen die steuerbaren Schalter in ihren stromleiteniien Zustand ge- ; schaltet werden, d ad ure h g e k e η η ze i c h -->._ ^:; η et , daß Zwischenphasenwicklungen (38,39 in Fig. 1) ausgewählte Sehaltergruppen (A,B,C,D), die aus den steuerbaren Schaltern aufgebaut sind, miteinander verbinden, daß die Anzahl der steuerbaren Schalter in jeder Gruppe durch die Anzahl der Phasen des Mehrphasennetzes und durch,--die Strömflußperiode der steuerbaren Schalter bestimmt ist, daß die steuerbaren Schalter (32/35) die an aufeinanderfolgende Phasen (β^βη) angeschlossen sind, in verschiedenen Gruppen

.(A,B) angeordnet sind, und daß eine Ausgangsschaltung 'y

(41,23,24), an der der umgerichtete Ausgangswechselstrom abgenommen wird, an die Zwischenphasenwicklungen angeschlossen isto

2« Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da durch g e k e η η ζ e i c h η et , daß die beiden jeder Phase zugeordneten steuerbaren Schalter ein Schalterpaär (32,32' in Fig. 1) bilden, und daß der eine steuerbare Sehalter (32) jedes Paares auf die positiven Halbwellen der Spannungsquelle und der andere steuerbare Schalter (32¹) auf die negativen Halbwellen der Spannungsquelle anspricht, so daß die steuerbaren Schalter eines Paares den Strom in entgegengesetzten Richtungen leiten.

109820/0218

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Zwischenphasenwicklung (38) ausgewählte erste Gruppen (A,B) von steuerbaren Schaltern (32 bis 37) miteinander verbindet, die den Strom in der einen Richtung leiten, daß eine zweite Zwischenphasenwicklung (39) ausgewählte zweite Gruppen (C,D) von steuerbaren Schaltern (32* bis 37') miteinander verbindet, die den Strom in entgegengesetzter Richtung leiten, und daß die erste und zweite Zwischenphasenwicklung (38 und 39) miteinander verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede Zwischenphasenwicklung (38 bzw. 39) mehrere Zwischenphasenwicklungsteile (oberer und unterer Wicklungsteil der Wicklung 38 bzw. in Fig. 1.) aufweist, die induktiv und leitend miteinander gekoppelt sind, und daß jeweils ein Zwischenphasenwicklungsteil an eine Schaltergruppe (A und B bzw. C und D) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasenspannuhgsquelle (31 in Pig» 1) ein 6-Phasen-Netz ist,, daß die ausgewählten ersten und zweiten Schaltergruppen (A, B und G,D) Jeweils aus zwei Gruppen mit drei Schaltern in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Schalter einer der sechs Phasen zugeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasenspannungsquelle (59 in Pig. 3) ein 9—Phasen-Netz ist, daß die ausgewählten ersten und zweiten Schaltergruppen jeweils aus drei Gruppen mit drei Schaltern (61 bis 63, 64 bis 66, 67 bis 69) in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Schalter einer der neun Phasen zugeordnet ist.

109820/0218

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e η η ζ e lehnet, daß die Mehrphasenspannungsquelle ein 12-Phasen-Netz (Fig. 5) ist, und daß die ausgewählten ersten und zweiten SchaItergruppen jeweils aus drei Gruppen mit vier Schaltern (77 bis 81) in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Schalter einer der zwölf Phasen zugeordnet ist.

8. Schaltunganordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenphasenwicklungen paarweise (oberer und unterer !Teil i der Wicklung 91 in Fig* 4) angeordnet sind, wobei die Wick-' lungsteile jedes Paares induktiv und leitend miteinander gekoppelt sind, und daß die erste Zwischenphäsenwicklung und die zweite Zwischenphäsenwicklung Hilfszi'/isehenphasen·= wicklungen (95»96) enthalten, die induktiv und leitend miteinander gekoppelt sind, und daß die eine der HiIfszwischenphasenwicklungen (95) && jede der zuerst genann« ten Zwischenphasenwicklungen (91*92) angeschlossea IBt₉-UiB induktiv und leitend die Zwis chenphas enwi cklmigen von verschiedenen Paaren miteinander zukoppeln«

9. Schaltungsanordnung nach^Λ.Anspruch 8, dadurch.

g e k en η ζ e i c h η e t _$ daß die Mehrphassaspannungsquelle (76 in Fig«, 4) ein '12-Phasen-letz ist> und dai die ■ ausgewählten ersten und zweiten Schaltergrappsn jsi?eils aus vier Gruppen mit je drei Sehaltern (77 bis 79) bosteheiip wobei jeweils ein Schalter einer der swölf Phasen zugeordnet ist«,

ORIGINAL INSPECTED

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzei'ch net, daß die Zwischenphasenwicklungen (38 in Pig. 1) eine hinreichend große induktive Entkopplung zwischen den Schaltergruppen (A,B) bewirken, so daß in jeder der betreffenden induktiv entkoppelten Sehaltergruppen gleichzeitig einer der Schalter (32 und 35) im leitenden Zustand sein können, wenn an den Schaltern sich überlappende Eingangsspannungen (e^eg) liegen.

11. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn ζ eich net, daß die Ausgangsschaltung eine PiItereinrichtung enthält, die zumindest teilweise durch die Streureaktanz der Zwischenphasenschaltung (38,39) gebildet wird.

12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die steuerbaren Schalter steuerbare Siliciumgleichrichter oder Thyristoren sind.

13. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß das Produkt aus der Anzahl der Phasen der MehrphasenspaiHiungsquelle (31 in Pig. 1) und dem Verhältnis der Prequenz der Mehrphasenspannungsquelle zur niedrigeren Prequens der umgerichteten Wechselspannung ein Minimalwert von 18 zu 1 ist*

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch

gekennzeichnet , daß die eine der Prequenzen fest und die andere veränderlich ist.

09820/0218

1613635

15. SchaltungsanordrLtiiig nach Anspruch 14,

d a du roh g et e η η ze ich η e t ,' daß die feste I¹Tequenz die Ausgangs frequenz ist»

16. Umrichteranlage zur Herstellung einer ümgerichteten mehrphasigen Wechselspannung mit mehreren Schaltungsanord-nungen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e ich η e t , daß für jede Ausgangsphase (V.) ein getrennter tJmrichter (101 A) vorgesehen ist, daß die Umrichter an eine einzige Mehrphasenspannungsquelle (1O6_)· angeschlossen sind, daß die Bezugsfrequenzquelle der Umrichter eine gemeinsame Bezugsfrequenzquelle (111,112) für alle Umrichter enthält, und daß das Bezugssignal, das den einzelnen Umrichtern zugeführt wird, ein mehrphasiges Signal ist, dessen Phasenzahl gleich der Anzahl der gewünschten Aüsgangsphasen ist*

17. Umrichteranlage nach Anspruch 16, d ad u r c h

g e te e η η ζ e ich η et , daß die Anlage (J¹Ig. 6) eine umgerichtete 3-Phasett-Spannung (V.,V^,V«)liefert, daß die Anlage drei 1-.Phasen-Umrichter (101A:, 101B, 101 C) enthält, und daß das von,der gemeinsamen Bezugssignalquelle (111,112) an die einzelnen 1-^Phasen-Umrichter gelieferte Bezugssignal· dreiphasig mit einem Phasenwinkel von jeweils 120° zwischen den Phasen aufweist_o

109820/0218