DE2240738B2 - Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einer steuerbaren Gleichspannung aus einer WecbselsJromquelte - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einer steuerbaren Gleichspannung aus einer WecbselsJromquelteInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Speisung einer Last mit einer steuerbaren Gleichspannung aus einer Wechselslromquelle,
bestehend aus einer an die Wechselslromquelle angeschlossenen einphasigen Gleichrichterbrücke mit
Dioden und einem in Reihe mit dem Gleichstromausgang der Gleichlichterbrücke und der Last liegenden,
in Phasenanschnittsteuerung betriebenen Thyristor, ferner mit einer zum Gleichstromausgang der
Gleichrichterbrücke parallelgeschalteten Induktivität.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus »Electronic Engineering«, Mai 1970, S. 88 bis 92, bekannt.
Nachteilig ist bei dieser Schaltung, daß bei bestimmten Betriebszuständen der Thyristor in den Nulldurchgängen
der Spannung der Wechselstromquelle nicht löscht und die Phasenansteuerung des Thyristors
unmöglich wird, was im einzelnen näher in der Figurenbeschre'bung zu der diese bekannte Schaltung
zeigenden F i g. 1 der Zeichnungen erläutert wird.
Bei einer anderen aus der FR-PS 15 55 484 bekannten Schaltungsanordnung liegen in Reihe zu
einer einphasigen Gleichrichterbrücke eine induktive Last und ein Thyristor, wobei parallel zu der induktiven
Last ein Kondensator geschaltet ist, welcher zur Löschung des Thyristors dient. Problematisch ist
bei dieser bekannten Schaltung jedoch, daß der Kondensator für einen ordnungsgemäßen Betrieb jeweils
auf die Induktivität der Last abgestimmt werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung von der eingangs genannten
Art zu schaffen, die sicherer als bisher und ohne die Gefahr von Rückzündungen arbeitet.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß in Reihe mit der Wechselstromquelle und dem
Wechselstromeingang der Gleichrichterbrücke eine sättigbare Drossel geschaltet ist.
Durch diese Schaltungsanordnung kann eine hohe Zuverlässigkeit der Löschung des Thyristors auch
bei Frequenz- und Spannungsschwankungen der Wechselstromquelle erreicht werden.
Eine bevorzugte Anwendungs- und Ausführungsform der Erfindung ist in dem Unteranspruch beansprucht.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert,
wozu auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.
Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild der aus »Electronic Engineering«, Mai 1970, S. 88 bis 92, bekannten Schaltungsanordnung
zur Speisung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors,
F i g. 2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, die für die Speisung eines
Gleichstrom-Nebenschlußmotors verwendet ist, und
Fig. 3A bis 3F Wellenformen an verschiedenen
Stellen der in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung.
Vor der Beschreibung des Ausführungsbeispieis
der Eifinuung wird die bekannte Schaltungsanordnung kurz beschrieben. In F i g. 1 ist eine einphasige
Wechselstromquelle 1 mit zwei Wechselstromanschlüssen einer Diodenbrücke verbunden, die Dioden
2, 3, 4 und S aufweist. Parallel zu der Feldwicklung 6 eines Gleichstrommotors, der an die
positiven und negativen Gleichstromanschlüsse der Diodenbrücke angeschlossen ist, ist ein in Durchlaßrichtung
geschalteter Thyristor 7, d. h. ein gesteuerter Siliziumgleichrichter mit einer Anode, einer Kathode
und einer Steuerelektrode, und der Anker 8 des Gleichstrommotors geschaltet. Eine Diode 9 ist in
Sperrichtung parallel zu den Anker 8 geschaltet; sie wirkt als Freilaufdiode, wenn der Thyristor 7
abgeschaltet ist.
Bei Betrieb wird der von der Wechselstromquelle 1 zugeführte Wechselstrom durch den Vollweg-Diodenbrücken-Glcichrichter
gleichgerichtet und an die Feldwicklung 6 angelegt. Der Thyrisior 7 wird bei
einem durch seine Steuerung bestimmten Phasenwinkel leitend, so daß dem Anker 8 Energie zugeführt
wird. Wenn die induktive Belastung groß ist, Hießt der Ankerslrom auch noch in der nächsten
Halbperiode. In einem solchen Fall könnte der Thyristor ohne Schwierigkeit abgeschaltet werden, wenn
ein zusätzlicher Löschthyristor verwendet würde. Bei der bekannten, in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
ist es aber schwierig den Thyristor 7 wirksam in einem weiten Spannungs- und Frequenzbereich
der Stromquelle abzuschalten, wie im einzelnen nachstehend noch erläutert wird, so daß die
in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung in der Praxis nicht in großem Umfang verwendet worden
ist. Wenn die induktive Belastung groß ist, wird der Thyristor 7 auf folgende Weise abgeschaltet. Zuerst
werden die Zustände in dem Zeitabschnitt betrachtet, während dem der Spannungswert der an die Schaltungsanordnung
angelegten Versorgungswechselspannung nahe bei Null ist, d. h. also der Zeitabschnitt,
wo die Polarität der Spannung der Wechselstromquelle sich von positiv in negativ oder von negativ
in positiv ändert. In diesem Zeitabschnitt kann der Feldstrom im wesentlichen als konstant angesehen
werden. Wenn der Versorgungswechselstrom mit /s,
<Jer Feldstrom mit IP und der Ankerstrom mit I \
eezeichnet wird, dann ergibt sich die folgende Beliehung,
wenn der Thyristor 7 leitend ist:
In dem Bereich um den Nulldurchgang der Versorgungswechselspannung
gilt für den Wechselstrom /s der Stromquelle:
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der vorerwähnte Zustand eintritt, beginnt wegen der Induktivität des Ankers 8
der Strom durch die aus dem Anker 8 und der Diode 9 bestehende Schaltung zu zirkulieren, wobei
der Versorgungsstrom zum Anker 8 von der Versorgungsquelle 1 auf Null abnimmt. Wenn dann der
Strom ! Z11 kleiner ist als der Strom IF, dann bewirkt
die Induktivität der Feldwicklung 6, daß der Strom durch die f>us der Feldwicklung 6 und den in Reihe »0
geschalteten Dioden 2 und 3 oder 4 und 5 der Diodenbrücke zirkuliert. In diesem Fall liegt an dem
Thyristor 7 die Gegenspannung - Vd an, die der Spannungsabfall zwischen der Anode und Kathode
einer Diode ist, wenn diese leitend ist. Wenn der negative Anschluß der Gleichstromschaltung als Bezugspunkt
genommen wird,' zirkuliert der Strom, der dem fehlenden Strom in dem Feldstrom Jr entspricht,
durch die zwei in Reihe geschalteten Dioden des einphasigen Brückengleichrichters, so daß das Potential
an der Anode des Thyristors — 2 Vd ist. Das Potential an der Kathode des Thyristors 7 beträgt
wegen des umlaufenden Ankerstroms Z4 ■- Vd, so
daß an der Anode des Thyristors 7 bezüglich deren Kathode die Gegenspannung - Vd angelegt ist. Der
Thyristor 7 wird dann abgeschaltet. Der Zeitpunkt, zu dem Gegenspannung an den Thyristor 7 angelegt
wird, ist der Zeitpunkt, zu dem der Feldstrom //.-, der durch den einphasigen Brückengleichrichter zirkuliert,
größer als der Strom | Zs I ist und zu dem
außerdem die Spannung der Wechselstromquelle zwischen u-2Vd und -IVd liegt. Wenn die Spannung
an dem oberen Anschluß der W\ ehselstromquelle
1 bezüglich des unteren Anschlusses 4- 2 Vd beträgt, dann fließt der Speisestrom Zs über die Diode
3 in die Feldwicklung 6, so daß deren Kathodenspannung + Vd und deren Anodenspannung 1 "IVd
ist. Die Spannung an der Anode der Diode 4 beträgt 4- Vd, und der Speisestrom Zs fließt über die Diode 4
in den unteren Anschluß der Wechselstromquelle 1, 5n der auf einer Spannung Null liegt. Bei weiterem Abnehmen
der Spannung der Wechselstromquelle sorgt die Reaktanzspannung der Feldwicklung 6 dafür, daß
der Feldstrom über den einphasigen Brückengleichrichter zirkuliert. Wenn die Spannung an dem oberen
Anschluß der Wechselstromquclle 1 — 2 Vd bezüglich des unteren Anschlusses beträgt, ist die Zirkulation
des Feldstromes Z,. zum Stillstand gebracht. Die Zeit,
in der der Strom \ Z51 kleiner als der Strom I1- ist, ist
gleich der kurzen Zeitspanne, in der sich die Span- 6<
> nung der Wechselstromquelle 1 von + 2 Vd in ■- 2 Vd
ändert. Diese Zeit wird kürzer, wenn die Spannung und die Frequenz der Wechselstromquelle 1 größer
werden. Wenn diese Zeit kürzer als die Abschaltzeit des Thyristors 7 ist, dann wird die Fähigkeit des
Thyristors 7, den Stromfluß in Durchlaßrichtung zu unterbrechen, nicht wiedergewonnen, so daß der
Thyristor schon vom Beginn der nächsten Halbperiode an leitend ist, und damit die Phasensteuerung
des Thyristors 7 unmöglich wird. Die vorliegende Erfindung ist geschaffen worden, um die Gefahr der
Rückzündung des Thyristors 7 zu beseitigen.
In F i g. 2 ist das Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt, die in
Verbindung mit einem Gleichstrom-Nebenschlußmotor verwendet ist. Die Schaltungselemente, die
den in F i g. 1 verwendeten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die in F i g. 2
dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten dadurch, daß eine
sättigbare Drossel 10 zwischen die Wechselstromquelle 1 und die Diodenbrücke geschaltet ist. In den
F i g. 3 A und 3 F sind Wellenformen an verschiedenen Punkten der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung
wiedergegeben.
In F i g. 3 A ist die Wellenform der Spannung der Wechselstromquelle 1 dargestellt. In F i g. 3 B ist die
Wellenform der Eingangsspannung dargestellt, die dem einphasigen Brückengleichrichter über die
sättigbare Drossel 10 zugeführt wird. In I· i g. 3 C ist
die Wellenform der Ausgangsspannung des einphasigen BrücKengleichrichters dargestellt. Während der
anfänglichen Zeitspannen von tAl bis tBv von tAi
bis tBi und von tAa bis tBs der Halbperioden verbleibt
die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke wegen der sättigbaren Drossel 10 praktisch auf Null.
Während dieser Zeitintervalle erzeugt die sättigbare Drossel 10 die Induktionsspannung, die im wesentlichen
gleich dem Anstieg der Wechselspannung ist, so daß die an den Wechselstromanschlüssen der
Diodenbrücke anliegende Spannung in diesen Zeitintervallen im wesentlichen gleich Null ist. Die Spannung,
deren Wellenform in F i g. 3 C dargestellt ist, liegt an der Feldwicklung 6, und durch sie fließt
wegen ihrer Induktivität ein konstanter, geglätteter Feldstrom. Zum Zeitpunkt tü , wird der Thyristor 7
leitend, so daß die Speisespannung an den Anker 8 gelegt wird. Wenn kein Ankerstrom durch den Anker
8 fließt, wird eine seiner Drehzahl proportionale gegenelektromotorische Kraft erzeugt. Die Wellenform
der Ankerspannung ist in F i g. 3 D und die Wellenform des Ankerstroms in F i g. 3 E dargestellt.
Die Wechselstromquelle 1 muß aber nicht nur den konstanten Feldstrom an die Feldwicklung 6 in der
Gleichstromschaltung, sondern auch den Ankerstrom liefern. In der Praxis fließt daher ein Wechselstrom,
dessen Wellenform in F i g. 3 F dargestellt ist. Vom Zeitpunkt fBl bis zum Zeitpunkt i#, wird ein konstanter
Feldstrom zugeführt, wenn der Thyristor 7 zum Zeitpunkt iOi leitend wird, wird bis zum Zeitpunkt
Γ(2 der Ankerstrom eingespeist. Zum Zeitpunkt
/,(._, besteht der Feldstrom aus dem von der
Stromquelle 1 über die sättigbare Drossel 10 zugeführten Strom und dem Umlaufstrom, der durch die
aus der Feldwicklung 6 und aus den in Reihe geschalteten Dioden 2 und 3 oder 4 und 5 des einpLasigen
Brückengleichrichters bestehenden Schaltung zirkuliert. Der Ankerstrom ist der abnehmende
Strom, der durch die aus dem Anker 8 und der Diode 9 bestehenden Schaltung zirkuliert. Zu diesem
Zeitpunkt wird die Gegenspannung an den Thyristor 7 in einer Art angelegt, die im wesentlichen gleich der
in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen ist, so daß der Thyristor 7 abgeschaltet wird. Die Spannung an
der Anode des Thyristors 7 beträgt bezüglich des negativen Anschlusses des einphasigen Brücken-
5 6
gleichrichters — 2Vd, da der Feldstrom durch die Das Glied Hs ist im wesentlichen gleich der zunch-
aus der Feldwicklung 6 und den zwei in Reihe ge- menden Spannung der einphasigen Wcchselstrom-
schalteten Dioden des Gleichrichters bestehende quelle 1; das rechte Glied der zweiten Gleichung
Schaltung zirkuliert.· Da der Ankerstrom durch die stellt die Spannungszeillläche dar, die der sätligbaren
Diode 9 zirkuliert, wird die Kathodenspannung des 5 Drossel 10 in t, Sekunden zugeführt wird. Wenn ein
Thyristors 7 bezüglich des negativen Anschlusses geeigneter Wert für die Windungszahl N gewählt
— Vd. Infolgedessen wird die Gegenspannung Vd wird, läßt sich aus den Ausdruck
<I\N der Fluß </»„.
an der Anode des Thyristors 7 bezüglich dessen bestimmen. Wenn der Wert für den Fluß </>„. gewählt
Kathode von dem Zeitpunkt tA2 bis zu dem Zeit- wird, können die Schniltlläche und die Kenndaten
punkt /β., angelegt, so daß der Thyristor 7 abge- io des verwendeten Kerns sowie der Sättigungsstrom
schaltet wird. der sättigbaren Drossel bestimmt werden. Der sättig-
Zum Zeitpunkt tD„ ist der Speisestrom der Wcch- bare Kern 10 kann daher so ausgelegt werden, daß
selstromquelle gleichdem Fcldslrom und liefert den der Thyristor 7 eine ausreichende Abschaltzeit auf-Feldstrom.
Da der Feldstrom beinahe konstant ist, weist. Wenn die Last oder die Belastung so klein ist,
erzeugt die sättigbare Drossel 10 keine Reaktanz- 15 daß der Ankerstrom zwischen dem Zeitpunkt tAi und
spannung, so daß die positive Spannung, die durch dem Zeitpunkt i„s Null wird, dann ist die Spannung
den einphasigen Brückengleichrichter auf der Wech- - 2 Vd an der Anode des Thyristors 7 bezüglich des
selstromseite gleichgerichtet ist, an die Anode des negativen Anschlusses der Gleichstromschaltung anThyristors
7 angelegt wird. Wenn das Zeitintervall gelegt, während'die der Drehzahl proportionale, povon
dem Zeitpunkt tAo an bis zu dem Zeitpunkt t„., 20 sitive gegenelektromotorische Kraft an der Kathode
hinreichend länger als" die Abschaltzeit des Thyri- angelegt ist. Die Gegenspannung ist daher für eine
stors 7 ist, dann ist das Problem der Rückzündung ausreichende Zeit an der Anode angelegt, bis die
beseitigt; der Thyristor 7 bleibt in nichtleitendem Spannung der Quelle größer ist als die Kathoden-Zustand,
bis das Zünd- oder Auslösesignal zum Zeit- spannung, so daß, selbst wenn die Durchlaßspanpunkt
tl} „ angelegt wird. 25 nung an dem Thyristor 7 angelegt ist, ein Fehlzün-
Wenn "die sättigbare Drossel 10 mit einem Strom den verhindert werden kann.
sättigbar ist, der größer als der Feldstrom ist, weist Die insoweit beschriebene Schaltungsanordnung
sie noch ihre volle Induktivität auf, wenn der ist auch einsetzbar, wenn eine Drossel an Stelle der
Thyristor 7 zum Zeitpunkt //J1 leitend ist, so daß Feldw icklung 6 und eine ohmsche oder induktive
nicht die volle Speisewechselspannung an den 30 Last an Stelle des Ankers 8 verwendet ist.
Anker8 angelegt ist, sondern ein Teil von ihr an In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordder sättigbaren Drossel 10 abfällt. Wenn daher die nung mit nur einem Thyristor 7 schaltet dieser Thy-Induktivität der sättigbaren Drossel 10 zu groß ist, ristor während des Betriebs nicht zuverlässig ab. wird es schwierig, daß der Thyristor 7 leitend wird. Wenn die Schaltung zur Regelung eines Gleichstrom-Infolgedessen wird vorzugsweise die sättigbare Dros- 35 motors verwendet wird und wenn die an dem Anker sei so bemessen, daß sie mit einem Strom gesättigt induzierte gegenelektromotorische Kraft klein ist werden kann, der kleiner als der Feldstrom ist. Wenn oder wenn die Spannung und außerdem die Frequenz eine solche sättigbare Drossel verwendet ist, ist das der Quelle hoch sind, besteht die Gefahr, daß an Zeitintervall von dem Zeitpunkt r.l2 bis zu dem Zeit- den Thyristor nicht für eine ausreichend lange Zeit punkt t,i2 gleich der Sättigungszeit rs der sättigbaren 40 eine Gegenspannung angelegt ist, um den Thyristor Drossel Ϊ0. Die sättigbare Drossel 10 wird außerdem abzuschalten. Wenn das Frequenzvcrhalten des Thyso ausgelegt, daß eine minimale aber ausreichende ristors ungünstig ist, d. h., wenn er eine relativ hohe Zeit zum Anlegen der Gegenspannung an den Thy- Freiwerdezeit hat. und wenn die einphasige Brücke ristor 7 erreicht wird. Wenn sich der Fluß Φ (in aus Dioden besteht, deren Spannungsabfall in DurchWeber) in /s Sekunden von dem positiven gesättigten 45 laßrichtung gering ist, dann führt dies zu einem Aus-Wert - </\ zu dem negativen gesättigten Wert -- </\ fall beim Abschalten des Thyristors, so daß der Motor ändert, die Windungszahl der sättigbaren Drossel N in der nächsten Halbperiode mit der vollen Leistung (Windungen) ist und die an der sättigbaren Drossel versorgt wird, was unerwünscht ist. Die in F i g. 1 darinduzierte Spannung β5 (V) ist, dann ergibt sich fol- gestellte Schaltung ist aus diesem Grund in der Pragende Beziehung: 50 xis auch nicht in großem Rahmen verwendet wor- qs = —ΝάΦ/dt. den. Wenn aber gemäß der Erfindung die sättigbare Dies ergibt: Drossel 10 eingeschaltet ist, wie in Fig. 2 darge-
Anker8 angelegt ist, sondern ein Teil von ihr an In der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordder sättigbaren Drossel 10 abfällt. Wenn daher die nung mit nur einem Thyristor 7 schaltet dieser Thy-Induktivität der sättigbaren Drossel 10 zu groß ist, ristor während des Betriebs nicht zuverlässig ab. wird es schwierig, daß der Thyristor 7 leitend wird. Wenn die Schaltung zur Regelung eines Gleichstrom-Infolgedessen wird vorzugsweise die sättigbare Dros- 35 motors verwendet wird und wenn die an dem Anker sei so bemessen, daß sie mit einem Strom gesättigt induzierte gegenelektromotorische Kraft klein ist werden kann, der kleiner als der Feldstrom ist. Wenn oder wenn die Spannung und außerdem die Frequenz eine solche sättigbare Drossel verwendet ist, ist das der Quelle hoch sind, besteht die Gefahr, daß an Zeitintervall von dem Zeitpunkt r.l2 bis zu dem Zeit- den Thyristor nicht für eine ausreichend lange Zeit punkt t,i2 gleich der Sättigungszeit rs der sättigbaren 40 eine Gegenspannung angelegt ist, um den Thyristor Drossel Ϊ0. Die sättigbare Drossel 10 wird außerdem abzuschalten. Wenn das Frequenzvcrhalten des Thyso ausgelegt, daß eine minimale aber ausreichende ristors ungünstig ist, d. h., wenn er eine relativ hohe Zeit zum Anlegen der Gegenspannung an den Thy- Freiwerdezeit hat. und wenn die einphasige Brücke ristor 7 erreicht wird. Wenn sich der Fluß Φ (in aus Dioden besteht, deren Spannungsabfall in DurchWeber) in /s Sekunden von dem positiven gesättigten 45 laßrichtung gering ist, dann führt dies zu einem Aus-Wert - </\ zu dem negativen gesättigten Wert -- </\ fall beim Abschalten des Thyristors, so daß der Motor ändert, die Windungszahl der sättigbaren Drossel N in der nächsten Halbperiode mit der vollen Leistung (Windungen) ist und die an der sättigbaren Drossel versorgt wird, was unerwünscht ist. Die in F i g. 1 darinduzierte Spannung β5 (V) ist, dann ergibt sich fol- gestellte Schaltung ist aus diesem Grund in der Pragende Beziehung: 50 xis auch nicht in großem Rahmen verwendet wor- qs = —ΝάΦ/dt. den. Wenn aber gemäß der Erfindung die sättigbare Dies ergibt: Drossel 10 eingeschaltet ist, wie in Fig. 2 darge-
h stellt ist. dann wird dem Thyristor 7 eine ausreichende
Φ$Ν = l/j Γ esdt. Abschaltzeit gewährt, womit die Gefahr von Fehl-
Q 55 Zündungen beseitigt ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last mit einer steuerbaren Gleichspannung aus
einer Wechselstromquelle, bestehend aus einer an die Wechselstromquelle angeschlossenen einphasigen
Gleichrichterbrücke mit Dioden und einem in Reihe mit dem GleichstromaUigang der
Gleichrichterbrücke und der Last liegenden, in Phasenanschnittsteuerung betriebenen Thyristor,
ferner mit einer zum Gleichstromausgang der Gleichrichterbrücke parallelgeschaltetcn Induktivität,
dadurch gekennzeichnet, daß in
Reihe mit der Wechselstromquelle (1) und dem Wechselstromeingang der Gleichrichterbrücke (2
bis S) eine sättigbare Drossel (10) geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der
Schaltungsanordnung zur Speisung eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors
dessen Feldwicklung (6) die zu dem Gleichst romausgang der Gleichrichterbrücke
(2 bis 5) parallelgeschallete Induktivität bildet.
25
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