DE1638311A1 - Stromkreis mit steuerbaren Gleichrichtern - Google Patents

Description

MTtNTANWXlTI DR. E WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 1638311 DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT MONCHtN HAMtUKO

telefon: 395314 2000 HAMBURG 50, 12. Februar 1968

TELEOtAMMEiKAKPATENT ICONIOtTKASSEII

W.23093/68 12/Ne

Westinghouse Brake and Signal Company Limited London (England)

Stromkreis mit steuerbaren Oleichrichtern

Die Erfindung bezieht sich auf kondensatorkommutierte Stroalcreise und Insbesondere auf steuerbare Gleichrichter enthaltende Stromkreise« die einen Kondensator verwenden, der an einen Teil eines Stroepfadss «wischen einer Quelle und einer Last schaltbar ist, ust einen steuerbaren Gleichrichter in dem Pfad in den nicht-leitenden Zustand zu kommutieren.

Gemäß der Erfindung ist eine steuerbare Gleichrichter enthaltende Schaltung geschaffen mit einer steuerbaren aieichrichtervorrichtung zwischen einer Quelle und ein·« LastStromkreis, die bei Anlegen eines Triggersignales in der Vorwärtsrichtung leitend gemacht werden kann und darauffolgend nicht-leitend gewicht werden kann durch das Anlegen

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einer umgekehrten Vorspannung von einem Kommutierungskondensator an einen Teil des Stromkreises, welcher die Gleichrichtervorrichtung umfaßt, um den Strom in der Gleichrichtervorrichtung während einer genügend langen Zeit unter einen Haltewert zu verringern, daß die Vorrichtung ihre Blockierungsfähigkeit wiedergewinnt, wobei gemäß der Erfindung ein Strompfad vorgesehen ist, über welchen nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Anlegen der genannten Vorspannung der Kondensator Über einen anderen Stromkreis als den Belastungsstromkreis entladen werden kann, um die Beiastungsspannungsregelung zufolge der Kondensatorspannung zu verringern.

Beispielsweise im Fall vieler AusfUhrungsfomen von Stromkreisen zum Speisen einer Belastung von einer Quelle ist bei gewissen kondensatorkommutlerten Stromkreisen gefunden worden, daß sie eine Spannungsregelung haben, die zu dem Belastungsstrom in Beziehung steht, jedoch ist gefunden worden, daß In diesem Fall diese Regelung In grole« Ausmaß zufolge des Vorhandenseins des Kommutierungskondensators erfolgt bzw. gegeben ist. Durch Schaffen des genannten Strompfades, über welchen der Kondensator nach einem vorbestimmten Zeitraum entladen werden kann, 1st es möglich, die Regelung für kleine Beiaetungswerte zu verbessern ohne irgendeine Erhöhung des Kapazität»wert··, der für das Kommutieren des vollen Belastungsstromes erforderlich ist, bzw. ohne beträohtliohe Verringerung des 8tr#»-

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kreiswirkungsgrades bei voller Belastung.

Der genannte Strompfad kann einen sättigbaren Reaktor bzw. eine sättigbare Drossel in Reihe mit einer in einer Richtung leitenden Einrichtung aufweisen, die an denjenigen Teil des Stromkreises geschaltet ist, welcher die zu kommutierende Vorrichtung umfaßt, und die sättigbare Drossel kann zweckentsprechend vorgespannt sein, um während des genannten vorbestimmten Zeitraumes nicht-leitmd zu sein.

Ein Widerstand kann ebenfalls in den Strompfad geschaltet sein, um das Beetreben des Aufbaues von Resonanzspannung an dem Kondensator während jeder Kommutierung zu verringern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt einen grundsltt El lohen Kommutierung»-

stromkreis.
Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Stromkreis mit

einer Verbesserung gemäß der Erfindung. Fig. J5 zeigt graphisch die Wirkung der Verbesserung

der Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Fig. 2. Fig. 5 und 6 zeigen die Anwendung der Erfindung bei

anderen AusfUhrungsformen eines Kommutierungsstromkreises.

Fig. 7 zeigt eine Anwendung der Erfindung an einen Parallellnverterstromkreis.

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In Fig. 1 ist eine Gleichstromquelle E_ dargestellt, die an eine Belastung Z geschaltet werden kann, und zwar über eine steuerbare Halbleitergleichrichtervorrichtung TrI, die von einer Art ist, die bei Anlegen eines Triggersignales leitend gemacht wird und darauffolgend dadurch nichtleitend gemacht wird, daß der in ihr fließende Strom während einer vorbestimmten Abschaltzeit unter einen Haltewert verringert wird. Dies Abschalten wird durch Schalten eines zweckentsprechend aufgeladenen Kommutierungskondensators C an die Vorrichtung über eine weitere steuerbare Gleichrichtervorrichtung Tr2 erreicht.

Der Kondensator C wird auf eine Spannung V₀ mit der in Fig. 1 wiedergegebenen Polarität aufgeladen. Die Schaltung, durch welche diese Ladung erreicht wird, ist nicht dargestellt, da sie von der Art des gewählten Stromkreises abhängt. Jedoch kann beispielsweise der Kondensator C durch eine Schaltung aufgeladen werden, wie sie in dem britischen Patent 968 512 (deutsche Patentanmeldung P 14 38 585.8) beschrieben ist. Wenn der Gleichrichter Tr2 angeschaltet ist, wird die Spannung V_ mit entsprechender Polarität an den Gleichrichter TrI angelegt, um diesen abzuschalten bzw. nicht-leitend zu machen. Wenn die Belastung eine Widerstandsbelastung ist, würde der Kondensator C von der Spannung -V in Richtung gegen die Spannung +E₀ der Quelle entladen, und zwar gemäß einer Exponentialkurve, und, wenn die Belastung eine induktive Belastung ist, beispielsweise eine

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frei laufende Diode, würde die Entladung linear mit der konstanten Stromrate des Belastungsstromes beim Abschalten erfolgen. Daher erfordert die Entladung des Kondensators C sowohl bei Widerstandslast als auch bei induktiver Last eine beträchtliche Zeit bei geringen Belastungen, wie es durch die in unterbrochenen Linien dargestellte Anode-Kathode-Spannungswellenform in Fig. Ja dargestellt ist. Der Bereich der mit der Zeit zunehmenden Spannung bewirkt eine Zunahme der Belastungsspannung bei Verringerung des Belastungsstromes. Dies erfolgt zufolge der Tatsache, daß die Kondensatorspannung V_n gleichsinnig in Reihe zu der Zufuhrspannung E_ liegt, wenn der Gleichrichter TrI aufhört zu leiten.

Der dargestellte Stromkreis kommutiert so lange, wie die Größe des Belastungsstromes nicht ausreicht, die Spannung an dem Gleichrichter TrI in einem Zeitraum auf Null zurückzuführen, der gleich oder kurzer als die Abschaltzeit t _ff. des Gleichrichters TrI ist.

Bei dem Stromkreis gemäß der Erfindung, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist parallel zu der Reihenanordnung des Kommutierungskondensators C und des Gleichrichters Tr2 eine Reihenanordnung eines Widerstandes R, der Wicklung P einer Drossel SR und einer Diode MR geschaltet. Eine Sättigungswicklung S der Drossel SR ist über eine Strombegrenzungsimpedanz Zl an die Zufuhr E_& geschaltet.

Die sättigbare Drossel SR gemäß Fig. 2 hat ein Recht-

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eekschleifenkernmaterial, das auf Sättigungsflußdichte in einer Richtung vorgespannt ist, beispielsweise auf -B , und zwar durch einen in der Wicklung S fließenden konstanten Strom. Der konstante Strom ist durch die Impedanz Zl geschaffen. Wenn der Gleichrichter Tr2 leitet, hält die sättigbare Drossel SR die Kondensatorspannung V während einer Zeit t^, bevor sie gesättigt ist. Daher wird bei Sättigung die Kondensatorspannung schnell in einer Zeit t umgekehrt, die durch die gesättigte Induktanz L der Drossei SR in Übereinstimmung mit dem angenäherten Verhältnis

bestimmt; ist. Während riip>sf?T· \lmlcf^hr"7.e^if: \,

t ä-TT \/ LC bestimmt ist. Während dieser Umkehrzeit

J/ V S

fließt ein annähernd halb sinusförmiger Stromimpuls I durch den Widerstand R, die Drossel SR und die Diode MR, wie es in Pig. 3b dargestellt ist. Bei diesem Vorgang wird das Kernmaterial der Drossel von dem Zustand der Sättigung in einer Richtung (-EL) in den Zustand der Sättigung in der entgegengesetzten Richtung (+B₀) überführt. Der in der Wicklung S fließende Vorspannstrom führt den Kern in den Zustand -B zurück (indem mehr als das Zweifache der Koerzitivkraft des besonderen Kernes geschaffen wird), in welcher ej/für die nächste Kommutierung bereit ist.

Es ist erforderlich, daß die Sättigungszeit t etwas langer als die Abschaltzeit t_oi,_f des Gleichrichters TrI ist,

Der Wert der gesättigten Induktanz L_g ist derart, daß

dv der Spitzenwert der SLromimpulse I begrenzt und -^p das Ausmaß der wiederum angelegten Voritfärtsspanmings gesteuert

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. ₇.

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Der Widerstand R kann erforderlich sein, um Verluste beim Umkehren der Kondensatorspannung einzuführen und so das Aufbauen der Spannung V zu verhindern, was bei eini-

gen Arten von Kommutierungsstromkreisen auftreten kann, wenn sie wiederholt betätigt werden.

Bei voller Belastung fällt die Umkehrspannung an dem Gleichrichter TrI in einer Zeit auf Null, die etwas größer als die Zeit t ^ ist, und zwar ohne Sättigung der Drossel SR, so daß nur ein vernaehlässigbar schwacher Strom zufolge der hoch ungesättigten Induktanz durch den Widerstand R, die Drossel SR und die Diode MR während der Zeit fließt, während welcher die Umkehrspannung an dem Gleichrichter TrI vorhanden ist. Daher ist keine Vergrößerung des Kondensatorwertes erforderlich, um den vollen Belastungsstrom zu kommutieren, wenn die Erfindung bei Stromkreisen mit erzwungener Kommutation angewendet wird.

Durch Verwendung eines verbesserten Kommutierungsstromkreises gemäß vorstehender Beschreibung können die nachstehenden Vorteile erhalten werden:

a) Verbesserung der Ausgangsspannungsregelung durch Verringern des Spannungsanstieges bei kleinen Belastungen.

b) Verklejnaung des Bereiches der erforderlichen Betriebsartsteuerung (Impulstastverhältnis), so daß es nicht erforderlich sein kann, bei einem solchen kleinen Impulstastverhältnis zu arbeiten, um die erforderliche minimale BeIa-

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stungsspannung oder den erforderlichen minimalen Strom zu erreichen.

c) Vergrößerung der möglichen Schaltfrequenz, da gewöhnlich die Entladungszeit des Kommutierungskondensators bei geringer Belastung die Betriebsfrequenz begrenzt.

d) Verhindern des Versagens von Stromkreisen mit erzwungener Kommutierung,-bei denen der Kondensator seine Entladung oder Aufladungsumkehr vor dem Ende der Abschaltperiode beendet haben muß (d.h. in einigen Stromkreisen, bei denen die Anordnung gemäß Fig. 2 verwendet wird, muß der Gleichrichter Tr2 nicht leitend sein, bevor ein Leiten des Gleichrichters TrI wiederum ermöglicht ist).

Obgleich in der vorstehenden Beschreibung eine konstanten Strom liefernde Quelle zum Rückstellen der sättigbaren Drossel SR verwendet wird, können andere Arbeitsweisen hierfür verwendet werden, wie es beispielsweise in den Fig. 4, 5 und 6 erläutert ist.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 wird das Rückstellen der sättigbaren Drossel durch eine Rückstellwicklung er- ψ halten, die einige wenige Windungen aufweist, die in Reihe mit der Belastung liegen. Die sättigbare Drossel SR begrenzt somit das Verhältnis di/dt des Stromes in dem Gleichrichter TrI, wenn dieser leitend gemacht ist. Ein Kondensator Cl, der in unterbrochenen Linien dargestellt ist, kann vorgesehen sein, wenn es erforderlich ist, einen Nebenschlußpfad für den Impuls umgekehrten Erholungsstromes

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vorzusehen, um zu verhindern, daß dieser den Kern der sättigbaren Drossel SR vorzeitig magnetisiert.

Rückstellen der sätt^aren Drossel SR kann stattdessen durch den vorgenannten halb sinusförmigen Stromimpuls in dem Aufladungspfad oder Ladungsumkehrρfad des Kommutierungskondensators geschaffen sein, und zwar in Übereinstimmung mit der verwendeten Ausführung des grundsätzlichen Stromkreises.

Demgemäß ist in Fig. 5 eine Abwandlung gemäß der Erfindung dargestellt, die für die Ausführungsform eines Kommutierungsstromkreises angepaßt ist, wie er in der schwebenden britischen Patentanmeldung 52 560/65 beschrieben ist und in einem KonverterStromkreis gemäß der schwebenden britischen Patentanmeldung 5528/67 verwendet wird. Der steuerbare Gleichrichter TrJ wird durch ein Triggersignal von einem zweckentsprechenden Antriebsstromkreis zum gleichen Zeitpunkt wie der Gleichrichter TrI leitend gemacht. Hierdurch wird ein Ladepfad für den Kondensator C richtiger Polarität für nachfolgendes Abschalten des Gleichrichters TrI bei Triggern des Gleichrichters Tr2 geschaffen. Triggern des Gleichrichters Tr 3 schafft somit Ladungen für den Kondensator C über die Rückstellwicklung der Drossel SR.

In Fig. 6 ist eine weitere Abwandlung gemäß der Erfindung dargestellt, die an einem Stromkreis bekannter Art verwendet wird. Beim Triggern des Gleichrichters TrI wird

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die an dem Kondensator C nach Abschalten des Gleichrichters TrI belassene Ladung über eine Diode Dl, die Reihendrossel Ll und die Rückstellwicklung der Drossel SR umgekehrt, um die richtige Ladung an dem Kondensator C zum Abschalten des Gleichrichters TrI beim nächsten Triggern des Gleichrichters Tr2 zu belassen.

In Fig. 7 ist ein Inverterstromkreis dargestellt, dessen Zufuhranschlüsse 1 und 2 mit der dargestellten Polarität an eine Gleichstromquelle geschaltet sind. Der Anschluß 1 ist über eine Reihendrossel J> mit den betreffenden "Anoden" steuerbarer Halbleitergleichrichter 4 und 5 geschaltet. Die betreffenden "Kathoden" dieser Gleichrichter 4, 5 sind an entsprechende Anschlüsse einer Primärwicklung 6 eines Ausgangstransformators geschaltet, wobei die Mittelanzapfung an der Primärwicklung β mit dem Anschluß 2 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 7 des Transformators ist an eine Belastung 8 geschaltet. Ein Kommutierungskondensator 9 ist über die Primärwicklung 6 des Ausgangstransformators geschaltet und der Stromkreis stellt eine übliche Form eines Parallelinverters dar.

Zusätzlich zu den grundsätzlichen Komponenten des so weit beschriebenen Inverters ist an den steuerbaren Halbleitergleichrichter 4 ein eine Diode 10 und eine Wicklung einer kleinen sättigbaren Drossel 11 enthaltender Strompfad geschaltet, wobei die Polarität der Diode 10 derart ist, daß sie Vorwärtsspannungen an dem Gleichrichter 4

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blockiert. Eine ähnliche Anordnung einer kleinen sättigbaren Drossel IJ> und einer Reihendiode 12 ist gemäß der Darstellung an den Gleichrichter 5 geschaltet, und ein Vorspannstrom für die sättigbaren Drosseln ist von einer Zufuhrquelle über eine Impedanz 14 abgeleitet.

Die Ausführung gemäß Fig. 7 arbeitet wie folgt. Der grundsätzliche Inverter, der von dem mit Mittelanzapfung versehenen Transformator und den Gleichrichtern 4 und 5 in Verbindung mit dem Komrnutierungsi'ondensator 9 gebildet ist, arbeitet auf bekannte Weise, s.o daß dies hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht. Jedoch wird daran erinnert, daß bei dieser Art eines Inverters, wenn angenommen wird, daß der Gleichrichter 4 leitend ist, eine Spannung von etwa dem Zweifachen der Zufuhrspannung an der Primärwicklung 6 des Transformators und an dem Kommutierungskondensator 9 hervorgerufen ist. Darauffolgendes Triggern des Gleichrichters 5 schaltet den Kondensator 9 an den Gleichrichter 4, und, da die Polarität der Ladung des Kondensators 9 derart ist, daß sie der von der Quelle an den Gleichrichter 4 angelegten Spannung entgegenwirkt, wird der Gleichrichter 4 in nicht-leitenden Zustand vorgespannt. Wird angenommen, daß die Ladung des Kondensators 9 genügend groß ist, setzt sich der vorgespannte Zustand während einer Zeit fort, die ausreichend ist, daß der Gleichrichter 4 seine Fähigkeit zum Vorwärtsblockieren wiedererhält. Danach erfolgt das einzige Leiten, welches auftritt,

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über den Gleichrichter 5 Ms zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Gleichrichter k wiederum getriggert wird, um den Gleichrichter 5 in ähnlicher Weise zu kommutieren.

Wird angenommen, daß die Belastung 8 vollen Belastungsstrom in die Gleichrichter 4 und 5 zurückführt, so wird sich der Kondensator 9 in der kurzen Zeit entladen haben, welche die Gleichrichter 4 und 5 benötigen, um ihre Fähigkeit zum Vorwärtsblockieren zu bekommen. Dann erhöht die Ladung an dem Kondensator 9 die Ausgangsspannung nicht wesentlich. Wenn jedoch der Belastungsstrom verringert ist und wenn die beschriebenen verhindernden Maßnahmen nicht getroffen sind, benötigt der Kondensator gewöhnlich eine beträchtlich längere Zeit zum Entladen, was zu einer höheren Ausgangsspannung führt. Daher kann eine beträchtliche Änderung der Ausgangsspannung bei sich ändernden Belastungen erfahren werden.

Durch Einstellen der vorspannenden Amperewindungen an den sättigbaren Drosseln zum Aufbauen der Sättigungsflußdichte in einer Richtung, beispielsweise -B_, hält die sättigbare Drossel 11 (oder IJ>), wenn der Kommutierungskondensator an den Gleichrichter K (oder 5) geschaltet ist, die Kondensatorspannung für einen gewissen Zeitraum, bevor sie in der entgegengesetzten Richtung gesättigt wird. Diese Zeit wird so eingestellt, daß sie gleich oder etwas langer als die Zeit ist, welche die Gleichrichter 4 und 5 benötigen, um ihre Fähigkeit zum Vorwärtsblok-

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kieren zu bekommen. Wenn der Kern sich in der +B Richtung sättigt, fließt ein halb sinusförmiger Stromimpuls von dem Kondensator 9 durch den von dem Kondensator 9 und der gesättigten Induktanz der sättigbaren Drossel 11 (I3) gebildeten Resonanzstromkreis, was zu einer Umkehr der Kondensatorspannung führt.

Ein kleiner mit der sättigbaren Drossel 11 (13) und der Diode 10 (12) in Reihe geschalteter Widerstand kann erforderlich sein, um Verluste beim Umkehren der Kondensatorspannung einzuführen, um einen Aufbau von Kondensatorspannung zu verhindern, was bei einigen Arten von Kommutierungsstromkreisen auftreten könnte.

Die Erfindung ist vorstehend bei Anwendung an Konverterstromkreisen und InverterStromkreisen beschrieben, jedoch ist sie auf solche Anwendungen nicht beschränkt. Tatsächlich kann die Erfindung bei vielen Stromkreisen angewendet werden, welche "Chopper"-Techniken verwenden, und die oben beschriebenen Vorteile können erhalten werden, ohne daß es erforderlich ist, den Kommutierungskondensator zu vergrößern, der erforderlich ist, den vollen Belastungsstrom zu kommutieren, und ohne daß irgendeine Verringerung des Stromkreiswirkungsgrades bei voller Belastung erhalten wird.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   [lj Schaltung mit steuerbaren Gleichrichtern, mit einer zwischen einer Quelle und einem Belastungsstromkreis angeordneten steuerbaren Gleichrichtervorrichtung, die bei Anlegen eines Triggersignals in der Vorwärtsrichtung leitend gemacht werden kann und darauffolgend durch Anlegen einer Umkehrvorspannung von einem Kommutierungskondensator an einen einen Teil des die Gleichrichtervorrichtung umfassenden Stromkreises nicht-leitend gemacht werden kann, um den in der Gleichrichtervorrichtung fließenden Strom während genügender Zeitdauer unter einen Haltewert su verringern, so daß die Gleichrichtervorrichtung ihre Fähigkeit zum Blokkieren wiedergewinnt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strompfad vorgesehen ist, über welchen nach einer vorbestimmten Zeit nach dem Anlegen der Vorspannung der Kondensator über einen anderen Stromkreis als den Belastungsstromkreis entladen werden kann, um die BelastungsspannungsregeXung zufolge der Kondensatorspannung zu verringern.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad, über welchen der Kondensator entladen werden kann, eine sättigbare Drossel und eine Einrichtung zum Steuern des Zeitpunktes aufweist, bei welchem Sättigung der Drossel auftritt.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe mit der sättigbaren Drossel eine Gleich-

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   richtervorriehtung angeordnet ist.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 2 oder J5> gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Rückstellen der sättigbaren Drossel, die eine Rückstellwicklung aufweist.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ableiten eines Vorspannstromes von der Quelle für die Rückstellwicklung.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladepfad, über welchen der Kommutierungskondensator seine Ladung zum Erzeugen der Umkehrvorspannung erreicht, die Rückstel!wicklung umfaßt.
7. 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem Konverterstromkreis oder einem Inverterstromkreis vorgesehen ist.

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