DE2134598C2 - Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist durch die US- PS 35 25 882 bekannt
Beim Betrieb steuerbarer Stromrichter mit konventioneller Anschnittsteuerung, bei der die Stromrichterventile einmalig zu einem späteren Zeitpunkt in der Halbperiode als beim natürlicher. Kommutierungszeitpunkt gezündet werden (DE-OS 18 00 209), tritt neben der Kommutierungsblindleistung in beträchtlicher Höhe puch Steuerblindleistung auf, die durch den Phasenunterschied zwischen der Spannung und dem nacheilenden Ventil- bzw. Phasenstrom bedingt ist und einen Leistungsfaktor cos φ der Grundschwingung &o kleiner als eins und einen noch kleineren Wert für den totalen Leistungsfaktor A, der auch den Anteil, der Oberschwingung enthält, bewirkt. Dieser induktive Blindleistungsbedarf der steuerbaren Stromrichter verursacht nicht nur zusätzliche Verluste, sondern führt auch zu SpannungsabiäHen, die eine beachtlich größere zu installierende Leistung des Netzes bzw. speziell auch Auslegung der Stromrichter-Transformatoren bedin
gen, als für die Wirkleistung allein erforderlich wäre.
Zur Verringerung des induktiven Blindleistungsbedarfs der steuerbaren Stromrichter bzw. Erhöhung des Leistungsfaktors werden zwangskommutierte Stromrichterschaltungen angewendet, die die Zwangskormnutierung mit Hilfe von Löschkondensatoren und Löschthyristoren bewirken. Darch die DE-OS 14 88 842 ist es dazu bekannt, das mittlere Stück der meistens sinusförmig verlaufenden Wechselspannung für die Bildung der Gleichspannung zu verwenden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist Zur Vergrößerung dss arithmetischen Mittelwertes der Gleichspannung werden durch entsprechend früheres Zünden und späteres Zwangslösehen der steuerbaren St-omrichterventile die Flanken der gleichgerichteten Spannung auseinanderlaufend verschoben. Wenn sich derartige Schaltungsanordnungen mit Zwangskommutierung in der Breite noch nicht durchgesetzt haben, so liegt das an dem relativ hohen Aufwand, der betrieben werden muß und zum Teil auch an einer zusätzlichen Beanspruchung der in der Schaltungsanordnung vorgesehenen Schaltelemente durch die auftretende Stoßspannung am l-öschkondensator. Außerdem sind Oberspannungen in Kauf zu nehmen.
Bekannt ist es ferner durch die DE-AS 1262 434 ebenso wie durch die eingangs ermähnte US-PS 35 25 882, das jeweilige steuerbare Stromrichterventil während einer Halbpennde im natürlichen Kommutierungszeitpunkt zu zünden und innerhalb dieser Halbperiode unter Bildung einer Spannungszeitfläche Ud \ bei einem Steuerwinkel «1 "el vorzeitig zu löschen. Daraus ergeben sich infolge der Kommutierungsvorgänge, insbesondere bei niedriger resultierender Gleichspannung starke Stromstöße mit einer hohen Oberschwingungsamplitude. Das führt zu starken Ventilbelastungen, was wiederum einen erhöhten Aufwand für die Ventile und infolge der hohen Oberschwingungsamplitude auch für die Glättung erfordert Ferner sina die auftretenden Oberspannungen bei der Kommutierung beachtlich
Abhilfe Könnte hier der Einsatz eines Pufsstromrichters schaffen, der im Tastbetrieb arbeite», wie er aus der DE-OS 15 63 240 bekannt ist jedoch ist beim Tastbetrieb wegen der hohen Lösch- bzw. Umschwingverluste in den Löschkreisen der Wirkungsgrad des Stromrichters erheblich verringert Zudem ist der Aufwand erheblich, da der Einsatz von teuren sog. Frequenzthyristoren und -kondensatoren notwendig ist
Durch die DE-AS 10 50812 ist es bekannt einen magnetisch steuerbarer. Halbleiter zum Zwecke der Trilaussteuerung zu Beginn einer Halbperiode zu zünden, dann den Strom durch den Halbleiter zu unterbinden und schließlich während der gleichen Halbperiode bis zu deren Ende den Halbleiter erneut in den leitenden Zustand zu steuern. Dabei sollen die beiden entstehenden Spannungszeitflächen stets gleich groß sein, um einen Betrieb mit cos ψ = 1 zu ermöglichen. Eine Kc sensation induktiver Blindleistung ist damit nicht mögi.ch.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung der Netzwirkungen anzugeben, bei dem' bei -gutem Wirkungsgrad der Verschiebungsfaktor cos φ der Grundschwingung in allen Betriebszuständen kapazitiv nahe oder kleiner eins gehalten wird und der totale Leistungsfaktor λ auch kurzzeitig nicht unter 0,8 fällt Dabei soll die Belastung der Ventile gering gehalten werden, so daß der Aufwand für die Ventile niedrig ist Ebenso muß der
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Aufwand für die Glättung des Stromes und für die Löschkreise gering sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst
Die Spannungszeitfläche wird mithin vorteilhaft in zwei Flächen Udi und Udi aufgeteilt Die Frequenz des Stromes wird verdoppelt so daß die Oberschwingungsamplitude (insbesondere beim Anfahren) verringert ist. Die Ventilbelastung und der Glättungsaufwand ist damit günstiger als beim Stand der Technik. Der Wirkungsgrad bleibt wegen der nur einmaligen Löschung gut und der Aufwand für die Löschkreise ist gering. Auch sind die TJoerspannungen bei der Kommutierung verringert
Vorteilhefte Schaltungsanordnungen zur V v.rendung bei der Durchführung des Verfahrens na·-;, -er is Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 -"igt^cben. Patentschutz wird für diese Schaltung? p«vdn- gen nur in Verbindung mit dem Verfahren ρ■» I1 /\nspruch 1 beansprucht
Die beiden Löschkondensato. ■· ""erden dabei Ober die Aufladedioden parallel gestaltet wenn die Löschspannung gleich der Höhe der den Stromrichter speisenden Wechselspannimg wird. Durch diesen Kopplungseffekt über die Aufladedioden werden vorteilhafterweise Überspannungen an den Stromrichterventilen und am speisenden Transformator völlig vermieden, so daß das Verfahren nach der Erfindung wirtschaftlich einsetzbar ist Damit wird auch der Aufwand für die Löschkondensatoren gering gehalten.
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll das Verfahren nachfolgend erläutert werden. Es zeigt
Fig.2 ein Spannungs-Zeit-Diagramm bei einer Betriebsweise eines Stromrichters gemäß dem Verfahren nach der Erfindung und
F i g. 3, F i g. 4 Schaltungsanordnungen zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens bei halbgesteuerten, unsymmetrischen Einphasen-Gleichrichterbrücken.
Wie aus F i g. ? zu ersehen ist wird der arithmetische Mittelwert der Gleichspannung Ud aus den beiden schraffiert dargestellten Spannungszeitflächen additiv gebildet Die Spannungszeitflächen Udj und Udi entstehen während einer Halbperiode auf folgende Weise: Nach dem Zünden des steuerbaren Stromrichterventils im natürl'chen Kommutierungszeitpunkt wird das Ventil nach cn "el gelöscht und nach einer stromfreien Pause bei «2 °el erneut gezündet bis es am Ende der Halbperiode verlöscht Wird eine Erhöhung der Gleichspannung Ud gewünscht so laufen nach dem Prinzip der Anschnittwinkelstei'erung die beiden steilen Anschnittflanken entsprechend den eingetragenen Pfeilrichtungen aufeinander zu, indem sowohl die Spannungszeitfläche Ud 1 durch späteres Löschen als auch die Spannungs?eitfläche Udi durch früheres erneutes Zünden vergrößert werden. Wird bei dieser Ansteuerung des steuerbaren Stromrichterventils insbesondere «2°el = 180 el - «ι "el gehalten, so liegt naturgemäß ein Minimum an Blindleistungsbedarf des steuerbaren Stromrichters vor. Eine besonders vorteilhafte Wirkung wird erzielt, wenn die Spannungszeitfläche Udi durch spätere" Loschung des stromführenden, steuerbaren Stromrichterventils größer wird als'die Spannungszeitfläche Udi, da dann ein' kapazitiver Betrieb vorliegt, der zu einer weitgehenden Kompensation induktiver Belastung führt, die beispielsweise stets durch die Kömmutierürigs-Blindleistung verursacht wird.
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60 In Fig.3 ist eine unsymmetrische, halbgesteuerte Einphasen-GIeichrichterbrücke mit den nichtsteuerbaren Stromrichterventilen 1, 2 und den steuerbaren Stromrichterventilen 3,4 sowie der Sekundärwicklung 5 des Speisetransformators und der Streuinduktivität 13 in der Brückendiagonalen dargestellt Der an die Einphasen-GIeichrichterbrücke angeschlossene Vej braucher besteht aus einem Gleichstrommotor 15 in Reihe mit einer gleichstromseitigen Glättungsinduktivität 16. Die nichtsteuerbaren Stromrichterventile 1, 2 führen gleichzeitig auch den Freilaufstrom des Gleichstromkreises. Parallel zu jedem der beiden steuerbaren Stromrichterventile 3, 4 ist eine Löscheinrichtung vorgesehen, die aus den Löschthyristoren 8, 9, den Löschkondensatoren 6,7, den Aufladedioden 11,12 und den sättigbaren Induktivitäten 10,14 besteht die sich in bezug auf die dynamische Beanspruchung als vorteilhaft erweisen.
Im nachfolgenden soil die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung beschrieben werden. Durch die Aufladedioden il, 12 ist der eine Löschkondensator 7 vor der Zündung des einen steuerbaren Γ romrichterventils 4 bereits auf de.r. Scheitelwert der an der Sekundärwicklung5 des Speisetransformators anliegenden Wechselspannung mit der in der Figur eingetragenen Polarität aufgeladen. Durch Zünden des einen Löschthyristo 3 9 wird das eine steuerbare Stromrichterventil 4 durch die Entladung des einen Löschkondensators 7 gelöscht, indem der Strom gleichzeitig auf den einen Löschthyristor 9 kommutiert Bedingt durch die Streureaktanz 13 schwingt der eine Löschkondensator 7 auf die in Klammern in der Figur angegebene Polarität um. Bei der Auslegung des Löschkondensators 6 bzw. 7 nach dem Schonzeitkriterium für die steuerbaren Stromrichterventüe 3, 4 nach der Gleichung
c =
40 worin t, die für die steuerbaren Stromrichterventile 3,4 erforderliche Schonzeit, / der zu löschende Strom und i/rdie Ladespannung des Löschkondensators im Löschzeitpunkt ist, ist es wichtig, darauf zu achten, daß aufgrund des geltenden Energiegleichgewichts nach der Gleichung
worin Lk die Gesamtinduktivität des Kommutierungskreises ist, keine zu hohen Überspannungen am Löschkondensator bzw. an der Netzeinspeisung (Sekundärwhklu.ig 5) entstehen. Der Vorteil dieser Löscheinrichtung mit Zivei Löschkondensatoren besteht insbesondere darin, daß zusätzliche Überspannungen am Kondensator bzw. an der Netzeinspeisung mit großer Sicherheit vermieden werden können. Für die Aufnah me von kurzzeitigen Überspannungen, gleichgültig wodurch verursacht sind beide Löschkondensatoren 6, 7 wirksam.
Erfolgt die Auslegung der gleichstromseitigen Glättungsdrossel 16 so, daß ihre Induktivität Ls eis Vielfaches der Induktivität LK der Streuinduktivität 13 ist, z. B. das Zehnfache, so sind die Netzrückwirkungen beim Löschvorgang relativ harmlos. Außerdem hat eine derartige Bemessungsfegei den Vorteil, daß die ilöschenergie größtenteils in den Gleichstromkreis
gebracht wird. Um dies zu erreichen, sollte die Kurzschlußspannung des speisenden Netzes so klein als möglich und mit Rücksicht auf die Schufzbedingungen so klein als nötig gehalten werden.
Gemäß Fig.4 erfolgt die Reihenschaltung der Löscheinrichtung für die steuerbaren Stromrichterventile 3,4 im Gegensatz zu der in Fig.3 angegebenen in der Weise, daß nicht die Löschkondensatoren 6, 7, sondern die Löschthyristoren 8, 9 an einem Punkt·des einspeisenden Netzes liegen. In diesem Fall erfolgt die Voraufladung der Löschkondensatoren 6, 7 über die Aufiadedioden II, 12 Und die nichtsteuerbaren Stromrichterventile 1,2. Zur Vermeidung von Schwingungen während des Löschvorgangs werden — wie nur in Fig.3 dargestellt — in der praktischen Ausführung auch hier zusätzliche säitigbare, also nichtlineare Reaktanzen, in die Brückenschaltung und Löscheinrichtung eingefügt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen, bei dem während einer Halbperiode das jeweilige steuerbare Stromrichterventil nach dem Zünden im natürlichen Kommutierungszeitpunkt unter Bildung einer Spannungszeitfläche Ud ι bei einem Steuerwinkel a.\ °el vorzeitig gelöscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe Stromrichterventil nach einer veränderbaren, stromfreien Pause bei einem Steuerwinkel «2°el>ai°el innerhalb derselben Halbperiode einmalig erneut gezündet und die dabei is auftretende Spannungszeitfläche Uaz kleiner als die erste Spannungszettfläche Ud\ wird.
2. Schaltungsanordnung zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach Ansprach 1 für den Betrieb einer unsymmetrischen, halbgesteuerten Einphasen-GleJchrichterbrücke mit steuerbaren und nichtsteuerbarerj Stromrichterventilen in Brückenschaltung und einer in der Brückendiagonalen befindlichen Sekundärwicklung eines SpeisetransfGrmators, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem Stromrichterventil (3, 4) eine Löscheinrichtung vorgesehen ist, die aus je einer Aufladediode (11,12) und der Reihenschaltung je eines Löschthyristors (8,9) mit je einem Löschkondensator (6,7) und je einer sättigbaren Induktivität (10, 14) besteht, wobei die Aufladedioden (11, 12) in gleicher Durchlaßrichtung wie die Löschthyristoren (8, 9) gepolt und einerseits an die Verbindung zwischen den Löschthyristoren (8,9} und Lc .^kondensatoren (6, 7), andererseits an die Verbindung beider nichtsteuerbarer Stromrichterventil (I, 2) angeschlossen sind (F i g. 3).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löscheinrichtung aus der Reihenschaltung des Löschkondensators (6 bzw. 7) und des Löschthyristors (8 bzw. 9) besteht, dem die Aufladediode (11 bzw. 12) antiparailel geschaltet ist {Fig. 4).
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