DE2437746A1 - Fremdgefuehrter mehrpulsiger vierquadrant-stromrichter mit thyristoren - Google Patents

Fremdgefuehrter mehrpulsiger vierquadrant-stromrichter mit thyristoren

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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1
30.7.1974 PBE 74/26
"Fremdgeführter mehrpulsiger Vier-Quadrant-Stromrichter mit Thyristoren"
Die Erfindung betrifft einen fremdgeführten mehrpulsigen Vier-Quadrant-Stromrichter mit Thyristoren für kreisstromfrei gesteuerten Zweistromrichtungsbetrieb und eine Steuereinrichtung mit einem Mehrpulsgeber zur Erzeugung von Steuerimpulsen, die mittels der Steuereinrichtung für das Umkehren der Stromrichtung umschaltbar und in einem Steuerungsbereich jeweils in der Phasenlage verschiebbar sind.
Es sind derartige Stromrichter unter Verwendung von unidirektionalen Thyristoren unter der Bezeichnung Umkehrstromrichter bekannt, die zumeist in der Antriebstechnik und ferner auch bei Einrichtungen zum Laden und Formieren von elektrischen Akkumulatoren eingesetzt werden (vergleiche z. B. "Elektronik-Entwicklung" 4/1965, Seite 26 - 27). Bei Umkehrstromrichtern für die Antriebstechnik kann der Ankerstrom in den zwei Richtungen fließen. Außerdem kann, wenn der Stromrichter ausschließlich unidirektionale Thyristoren enthält und voll gesteuert ist, die Energierichtung uiage-.kehrt werden, indem bei einem beispielsweise als gesteuerter Gleichrichter betriebenen Stromrichter der Zündwinkel der
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Thyristoren größer als 90 el eingestellt wird, so daß dann der Stromrichter als Wechselrichter arbeitet und das Antriebsmittel (Motor) abgebremst werden kann. Durch die Umkehrung der Ankerstromrichtung wird die Richtung des Motormomentes gewendet. Es ist diese Umkehrung auf verschiedene Weisen möglich, nämlich dadurch, daß der Ankerstrom mit Hilfe eines zwischen Stromrichter und Motor angeordneten Wendeschützes umgepolt wird, oder durch Umpolung des Motorfeldes mit Hilfe einer hierfür geeigneten Schaltvorrichtung oder durch zwei gesteuerte Stromrichter in Gegenparallelschaltung, durch welche der Ankerstrom in den zwei Richtungen stufenlos gesteuert werden kann, welche Stromrichter auch im Wechselrichterbetrieb gesteuert werden können. Mit einem solchen Umkehrstromrichter können mittels der Thyristoren Strom- und Energierichtung in kurzer Zeit umgepolt werden und es ist der Steuerleistungsbedarf hierfür gering.
Der Umkehrstromrichter (Vier-Quadrant-Stromrichter) ist in der Regel fremdgeführt, beispielsweise durch die Phasenspannungen eines Drehstromnetzes netzgeführt. In diesem PalIe wird er zweckmäßig mit zwei gegenparalMgeschalteten Stromrichtern in Drehstrombrückenschaltung sechspulsig ausgebildet. Die Netzführung erfolgt über eine Steuerungseinrichtung mit Steuerungskanälen für sämtliche, dann insgesamt 12 Thyristoren der zwei gegenparallelen Stromrichter und mit einer diese Kanäle netzabhängig schaltenden Kommandostufe. Im Betrieb des UmkehrStromrichters ist Jeweils nur ein Stromrichter stromführend. Bei Jeder Umkehrung des Ankerstromes werden die Steuerimpulse für den betreffenden Stromrichter in die Endphasenlage für Wechselrichterbetrieb verschoben und dann hiervon ausgehend nach der Stromumkehrung im Steuerungsbereich des nunmehr stromführenden Stromrichters in der Phasenlage stetig verschoben. Hierdurch ergibt sich zwangsläufig eine lange Totzeit.
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Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, einen Vier-Quadrant-Stromrichter der eingangs beschriebenen Art unter Verwendung einer bei weitem geringeren Anzahl Thyristoren als bisher derart auszubilden, daß auch die Totzeit beim Umschalten der Stromrichtung geringer wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß insgesamt eine der zweifachen Anzahl der Phasen eines für Zweistromrichtungsbetrieb mehrpulsigen Stromrichters gleiche Anzahl bidirektionale Thyristoren verwendet ist und der Stromrichter auch insgesamt eine gleiche Anzahl Stromzweige mit je einem solchen Thyristor enthält und daß zur Umkehrung der Stromrichtung ohne mechanische Unterbrechung des Gleichstromkreises des Stromrichters die Steuerimpulse mit Hilfe von Schaltmitteln der Steuerungseinrichtung an bei der umgekehrten Stromrichtung stromführende bidirektionale Thyristoren mit Unterbrechung umschaltbar sind und in einem Steuerungsbereich in der Phasenlage verschiebbar sind.
Zwei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung gemäß enthält ein solcher Vier-Quadrant-Stromrichter für den Betrieb an einer Einphasen-Wechselstromquelle vier und für den Betrieb an einer Dreiphasen-Wechselstromquelle sechs bidirektionale Thyristoren in Brückenschaltung.
Um in Bedarfsfällen die Stromrichtung innerhalb möglichstkurzer Zeit umpolen zu können, ist gemäß einer Ausbildung der Erfindung ein elektronisches Schaltmittel zum Umschalten der Steuerimpulse verwendet. In allen Anwendungsfällen, einschließlich der Verwendung mechanischer Schaltmittel dauert nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Unterbrechungszeit zum Umschalten der Steuerimpulse solange, bis die vorher leitenden Thyristoren die Sperrfähigkeit
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in Schaltrichtung wieder erlangt haben.
Es werden Vorteile der Erfindung darin gesehen, daß für einen Vier-Quadrant-Stromrichter bei Verwendung von bidirektionalen Thyristoren in geringerer Anzahl als unidirektionale Thyristoren auch entsprechend weniger·Steuerungsmittel benötigt werden.
Als Steuerungsmittel sind auch handelsübliche Mehrpulsimpulsgeber für entsprechend mehrpulsige mit unidirektionalen Thyristoren bestückte Stromrichter verwendbar. Es hat sich gezeigt, daß in Verbindung hiermit als Schaltmittel für die Steuerimpuls-Umschaltung zwei Telegraphenrelais vollkommen genügen und daß diese eine einwandfreie Spannungsbildung beim Umkehrstromrichter ermöglichen. Die zwei Telegraphenrelais können beispielsweise durch die Zeitsignale einer Kommandostufe, die für die Umpolung des Ankerstromes mittels eines Polwendeschützes eingerichtet ist, gesteuert werden und aus einem installierten Netzgerät mit Strom versorgt werden. Es können also Steuerungs- und Schaltmittel, auch elektronische Schaltmittel, für konventionelle Umkehrstromrichter bei einem Vier-Quadrant-Stromrichter mit bidirektionalen Thyristoren verwendet werden.
Nachstehend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In Figur 1 der Zeichnung ist ein zweipulsiger Vier-Quadrant-Stromrichter mit bidirektionalen Thyristoren in Brückenschaltung und mit einer zugehörigen Steuerungseinrichtung dargestellt.
Aus der Figur 1 ist zu ersehen, daß in den vier Stromzweigen eines einphasigen Stromrichters 1 in Brückenschaltung je ein bidirektionaler Thyristor 11 bis 14 liegt. Die vier bidirek-
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tionalen Thyristoren insgesamt bilden in dieser Anordnung einen zweipulsigen Vier-Quadrant-Stromrichter in Brückenschaltung. Der Wechselstromeingang des Stromrichters 1 ist mit den Netzphasen R, S eines Drehstromnetzes ΪΓ verbunden. Am Gleichstromeingang ist ein Gleichstrommotor M als Verbraucher angeschlossen. Ein jeder bidirektionaler Thyristor hat eine Steuerelektrode, welcher Steuerimpulse in durch das Drehstromnetz bestimmter Zeitabfolge zugeführt sind, so daß der Stromrichter netzgeführt ist.
Dem Stromrichter 1 ist eine Steuerungseinrichtung 2 mit einem Zweipulsgeber 21 zur Erzeugung der Steuerimpulse für die Thyristoren 11 bis 14 zugeordnet. Die Steuerimpulse sind über zwei Impulstransformatoren 22 mit Primärwick-
und
lungen 221 und 222 mit je zwei Sekundärwicklungen, beispielsweise 222' und 222", und über Relaiskontaktpaare 231 bis 234 den Steuerelektroden der bidirektionalen Thyristoren zugeführt. Es sind diese vier Kontaktpaare paarweise, ' das heißt zu Paaren 231, 232; 233, 234 den bidirektionalen Thyristorpaaren 11, 12; 13, Ή zugeordnet und bei jedem Kontaktpaar ist jeweils ein Kontakt geschlossen und ein Kontakt geöffnet. Bei dem Kontaktpaar 231 z. B. ist der Kontakt 231' geschlossen und der Kontakt 231" geöffnet. Andererseits sind die Paare 231, 232 einem Relais 2412 und die Paare 233 und 234 einem Relais 2434 zugeordnet und somit mittels der betreffenden Relais betätigbar.
Die zwei vorgenannten Relais sind in einem Stromkreis K miteinander parallelgeschaltet," in welchem ein Schaltmittel 25' einer Kommandostufe 25 eines Programmgebers liegt. Die zwei Relais können auch durch ein Relais mit doppelter Kontaktanzahl ersetzt werden. Dieser liefert zeitlich programmierte Signale für die Schließung und Öffnung des Schaltmittels 25', wodurch die zwei Relais zum Anziehen bzw. Abfallen gebracht werden und die Stellungen der Kon-
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takte der vier Relaiskontaktpaare 231 bis 234- gleichzeitig jeweils gewechselt werden.
Nachstehend wird unter Zuhilfenahme von Spannungs- und Stromverlaufdiagrammen, welche in der Figur 2 dargestellt sind, ein Steuerungs- und Betriebsbeispiel mit einem Vier-Quadrant-Stromrichter nach Figur 1 betrachtet.
Bei den in der Figur 1 dargestellten Schaltstellungen der Kontakte der Relaiskontaktpaare 231 bis 234- seien bidirektionale Thyristoren des Stromrichters 1 mittels der .über die Impulstransformatoren 221 und 222 an die Steuerelektroden der Thyristoren übertragenen Steuerimpulse T1, T2, T3, T4- des Zweipulsgebers 21 auf Rechtslauf des Motors M angesteuert. Hierbei werden in der positiven Halbperiode der im Diagramm a) der Figur 2 dargestellten Netzphasenspannung uRO die gleichzeitig an den Sekundärwicklungen des Impulstransformators 221 auftretenden positiven Steuerimpulse T1 und T4- über die Kontakte 231 ' und 234-' den Steuerelektroden der Thyristoren 11 und 14- zugeführt, die sodann gezündet werden, so daß in dem Stromkreis R, 11, M, 14-, S des Stromrichters der Ankerstrom fließt. In der negativen Halbperiode von uRn werden die gleichzeitig an den Sekundärwicklungen des Transformators 222 auftretenden positiven Steuerimpulse T2 und T3 über die Kontakte 232' und 233' den Steuerelektroden der Thyristoren 12 und 13 zugeführt, die sodann gezündet werden, so daß dann in dem Stromkreis 3, 13, M, 12, R der Ankerstrom in der gleichen Richtung wie vorher fließt.
In den dann folgenden Halbperioden von u-po wiederholen sich die vorangehend beschriebenen Vorgänge, der Motor wird im Rechtslauf betrieben. Auf ein zeitlich programmiertes Signal der Kommandostufe 25, durch das das Schaltmittel 25'
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geschlossen wird, kann die Richtung des Ankerstromes gewendet und der Motor M auf Linkslauf gebracht werden. Die Relais 2412 und 2434 werden beim Schließen von 25' angezogen und hierdurch die Kontakte der Relaiskontaktpaare 231 bis 234 umgestellt. Nun sind in der positiven Halbperiode der im Diagramm a) der Figur 2 dargestellten Netzphasenspannung Uno die gleichzeitig an den Sekundärwicklungen des Impulstransformators 221 auftretenden positiven Steuerimpulse T1 und T4 über die Kontakte 231" und 234" an die Steuerelektroden der Thyristoren 12 und 13 umgeschaltet, die alsdann gezündet werden, so daß in dem Stromkreis R, 12, M, 13,.S des Stromrichters der Ankerstrom fließt. In der negativen Halbperiode von u-no sind entsprechend die gleichzeitig an den Sekundärwicklungen des Transformators 222 auftretenden positiven Steuerimpulse T2 und T3 über die Kontakte 232" und 233" an die Steuerelektroden der Thyristoren 11 und 14 umgeschaltet, die alsdann gezündet werden, so daß in dem Stromkreis S, 14, M, 11, R der Ankerstrpm fließt.
Bei der in Figur 2 dargestellten Steuerungsweise werden die bidirektionalen Thyristoren des Stromrichters in jeder Halbperiode der Netzspannung bei einem Steuerwinkel« von 90° el gezündet. Dementsprechend ergeben sich die in den Diagrammen b) und c) dargestellten Verläufe der Ankerspannung U™ und des Ankerstromes I^ und die betreffenden in den Diagrammen d) und e) dargestellten Verläufe bei gewendeter Stromrichtung. In den Verläufen von ü™ tritt nach jedem Nulldurchgang ein durch die Induktivität des Ankers bedingter generatorischer Spannungsimpuls auf. Hierdurch erhält der Ankerstrom eine Phasenverschiebung 9(s.. Diagramm b) und c)). In beiden Stromrichtungen können Ankerspannung und Ankerstrom durch Veränderung des Steuerwinkels OC in einem weiten Steuerungsbereich innerhalb einer Halbperiode gesteuert und konstant geregelt werden.
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Wird bei in Bezug auf die Netzspannung u-ng bestehender Phasenverschiebung des Anker ströme s der Steuerwinkel <X größer als 180° el - y° eingestellt, so wird der Mittelwert der Ankerspannung U™ negativ und im Stromrichter kehrt sich die Energierichtung um. Der Stromrichter arbeitet nunmehr .als netzgeführter Wechselrichter, wobei die Energie des Motors über den Stromrichter in das Netz zurückgeführt und der Motor abgebremst wird. Die Energierucklieferung ist bis zu einer Sicherheitsgrenze g1 des Steuerungsbereichs steuerbar.
Die in einer Halbperiode vordere Grenze g des Steuerungsbereichs wird in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung ^pdes Stromes 1„ festgelegt und liegt nach Figur 2, Diagramm a), c) und e) etwa beim Ende des Anker Stromimpulses jL». Die in einer Halbperiode hintere Grenze g1 des Steuerungsbereichs liegt in einem zeitlichen Sicherheitsabstand vor dem Ende der betreffenden Halbperiode. Hierdurch wird erreicht, daß das bei der Umschaltung der Steuerimpulse zur Umkehrung der Stromrichtung zuvor stromführende Thyristorpaar des Stromrichters bereits gelöscht ist, wenn das zweite Thyristorpaar neu gezündet wird. Die bidirektionalen Thyristoren 11 und 12 sowie 13 und 14 können daher nicht gleichzeitig Strom führen und Kurzschluß verursachen. Infolge des Sicherheitsabstandes wird bei diesem Umschalten eine Unterbrechungszeit eingehalten, die hierbei als kurze Totzeit in Erscheinung tritt. Es ist praktisch nur diese Totzeit beim Umkehren der Stromrichtung eines Vier-Quadrant-Stromrichters gemäß der Erfindung zu beachten. Die Steuerimpulse brauchen zur Umkehrung der Stromrichtung nicht, wie es bei Umkehrstromrichtern mit unidirektionalen Thyristoren der Fall ist, in die Wechselrichterendlage verschoben und nach Umkehrung der Stromrichtung wieder in eine dem Nennstrom entsprechende Phasenlage verschoben zu werden.
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Werden die Steuerimpulse mit Hilfe von elektronischen Schaltmitteln umgeschaltet, so empfiehlt es sich, zur Einhaltung der nötigen Unterbrechungszeit den Sperr- bzw. den Leitzustand der Thyristoren an dem zeitlichen Verlauf des Durchlaßstromes, insbesondere das Unterschreiten des Haltestromes zu überwachen.
Bei in Stromrichtern verwendeten bidirektionalen Thyristoren ist die sogenannte kritische Spannungssteilheit als Grenzgröße zu beachten, die hier bei der Kommutierung des Stromes von einem auf das andere Thyristorpaar von Bedeutung ist. Um zu verhindern, daß bei dieser Stromkommutierung die Spannung an Jeweils gelöschten Thyristoren unzulässig steil oder hoch ansteigt, wird eine Beschaltung der bidirektionalen Thyristoren mit spezifisch bemessenen Re±en-RC-Gliedern empfohlen. Es hat sich diese Maßnahme für den Schutz der Thyristoren und die Betriebssicherheit des Stromrichters als ausreichend erwiesen.
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Claims (4)

  1. - 10,- FBE 7V26
    Patentansprüche
    M.) Fremdgeführter mehrpulsigei1 Vier-Quadrant-Stromrichter mit Thyristoren für kreisstromfrei gesteuerten Zweistromrichtungsbetrieb und eine Steuerungseinrichtung mit einem Mehrpulsgeber zur Erzeugung von Steuerimpulsen, die mittels der Steuerungseinrichtung für das Umkehren der Stromrichtung umschaltbar und in einem Steuerungsbereich jeweils in der Phasenlage verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt eine der zweifachen Anzahl der Phasen' eines für Zweistromrichtungsbetrieb mehrpulsigen Stromrichters (1) gleiche Anzahl bidirektionale Thyristoren (11, 12, 13, 14) verwendet ist und der Stromrichter auch insgesamt eine gleiche Anzahl Stromzweige mit je einem solchen Thyristor enthält und daß zur Umkehrung der Stromrichtung ohne mechanische Unterbrechung des Gleichstromkreises des Stromrichters (1) die Steuerimpulse (T1, T2, T3, T4) mit Hilfe von Schaltmitteln (231, 232, 233, 234, 25') der Steuerungseinrichtung (2) an bei der umgekehrten Stromrichtung stromführende bidirektionale Thyristoren mit Unterbrechung umschaltbar sind und in einem Steuerungsbereich in der Phasenlage verschiebbar sind.
  2. 2. Vier-Quadrant-Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er für den Betrieb an einer Einphasen-Wechselstromquelle (N) vier und für den Betrieb an einer Dreiphasen-Wechselstromquelle sechs bidirektionale Thyristoren in Brückenschaltung enthält.
  3. 3. Vier-Quadrant-Stromrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Schaltmittel zur Umschaltung der Steuerimpulse (T1 bis T4) verwendet ist.
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    FBE 7V26
  4. 4. Vier-Quadrant-Stromrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungszeit bei der Umschaltung der Steuerimpulse (T1 bis T4) von der Wiedererlangung der Sperrfähigkeit der vorher stromleitenden Thyristoren abhängig gemacht ist.·
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