DE2627634C2 - Selbstgeführter Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf selbstgeführte Stromrichter gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 oder 2.

Der selbstgeführte Stromrichter findet beispielsweise Anwendung bei der DreiTStromversorgung von Anziehen und kann Teil eines Umrichters sein, is Derartige selbstgeführte sogenannte sperrspannungsfreie Stromrichter sind aus den BBC-Nachrichten Jg. 48. Januar 1966. Seiten 45 bis 58 und aus IEEE Transactions on Industry Applications. July/August 1973. Seite 484 bekannt

Bei der Schaltung nach den BBC-Nachrichten 1966 liegen zwei Stützkondensatoren in Reihe zwischen den Gleichstrompolen der die umzuformende Gleichstromenergie liefernden Gleichspannungsquelle. Der gemeinsame Verbindungspunkt beider Stützkondensatoren dient zum Anschluß des lediglich einen Löschkondensator aufweisenden Kcfnmuticrungskreises.

Im Unterschied hierzu ist bei der Schaltung nach IEEE Transactions 1973 nur ein Stützkondensator zwischen den Gleichstrompolen vorgesehen und der Kommuticrungskreis ist über zwei Löschkondensatoren direkt mit den Gleichstrompolen verbunden.

Diese bekannten Stromrichter können bei stark schwankender Gleichspannung nicht mehr wirtschaftlich eingesetzt werden, weil die Kommutierungsspannung und damit die Kommiitierungsfähigkeit von der Größe der Gleichspannung abhängig ist.

Es ist weiterhin bekannt, die Spannung an einem Kommutierungskondensator einer Stromrichteranordnung zu regeln (DE-OS 21 58 663) oder eine Mindestspannung zu erhalten, indem über eine Hilfsspannungsquelle nachgeladen wird (DE-OS 20 55 176); jedoch erfordert dies einen beachtlichen gerätetechnischen Aufwand, der nicht immer zu vertreten ist

Aus der GB-PS 10 55 855 ist ein selbslgeführter Stromrichter mit je Phase zwei in Reihe liegenden und an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen Hauptthyristoren bekannt. Den Hauptthyristoren ist jeweils eine Diode antiparallel geschaltet Der gemeinsame Verbindungspunkt dient als Phasenanschluß, woran außerdem der erste Anschluß einer Kommuticrungseinrichtung angeschlossen ist. Die Kommutierungseinrichtung besteht aus der Scrienschaltung einer Kommutierungsdrossel, eines Löschkondensators und zweier antiparallelcr steuerbarer Löschventile. Der zweite Anschluß der Kommutierungseinrichtung ist über steuerbare Ventile mit der Gleichspannungsquelle verbunden. Ferner ist eine Gleichstromquelle zur Aufladung des Löschkondensators vorgesehen, die über steuerbare Ventile mit der bo Komfnülicrüngseinrichtung verbunden ist. Auch diese Schaltung erfordert einen beachtlichen gerätctcchnischcn Aufwand.

Aus der DE-OS 20 07 567 ist schließlich im Zusammenhang mit einer Einrichtung zur Zwangskommutiet>5 rung in einem sclbstgcführten Stromrichter die Serienschaltung einer Hilfsinduktivität mit einem Hilfsventil und einer Hilfsglcichspannungsquelle als Nachladevorrichtung für einen Löschkondensator bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem selbstgeführten Stromrichter der eingangs genannten Art mit geringem Aufwand an Leistung und Anzahl der Lösch- und Hilfsventile eine Unabhängigkeit von der Eingangsspannung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Der erfindungsgemäße Stromrichter kann auch mehrphasig ausgebildet werden. Hierfür sind je Phase zwei Hauptthyristoren und zwei jeweils antiparallel dazugeschaltete Dioden vorgesehen, wobei die Verbindungspunkte des zu einer Phase gehörigen Thyristorbrückenzweiges bzw. Diodenbrückenzweiges miteinander verbunden sind und den Phasenausgang bilden können. Alternativ dazu können zwischen die Hauptthyristoren und antiparallelen Dioden auch Saugdrosseln entsprechend einem älteren Vorschlag (DE-OS 25 52 537) geschaltet sein. Die Kommutierungsdrossel der Kommutierungseinrichtung ist entweder direkt an einen Löschkondensator angeschlossen oder steht mit dem Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Löschkondensatoren in Verbindung, die zu dera an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Stützkondensator parallel geschaltet sind. Der erfinduvigsgemäße Stromrichter besitzt vorteilhaft eine ausgezeichnete Kommutierungsfähigkeit auch bei hohen Umschaltfrequenzen, da die Spannung am bzw. an den Löschkondensatoren selbsttätig konstant gehalten wird.

Die Ladung des Löschkondensators bzw. der Löschkondensatoren erfolgt dabei ausschließlich über die Hilfsventile aus der Hilfsspannungsquelle bzw. den weiteren Stützkondensatoren.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromrichter werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I einen erfindungsgemäßen Stromrichter,

Fig. 2 einen auf drei Phasen erweiterten Stromrichter,

F i g. 3 einen der F i g. 1 weiteren erfindungsgemäßen Stromrichfr,

F i g. 4 die dreiphasig ausgebildete Variante des erfindungsgemäßen Stromrichters nach F i g. 3.

F i g. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter mit zwei Hauptthyristoren 1 und 2, zwei Dioden 3 und 4, zwei steuerbaren Löschventilen 5 und 6, drei Kommuticrungsd-osseln 7,8 und 9, einen L^schkondensator 10, vier Stützkondensatoren 11,12,13 und 14, zwei Hilfsinduktivitäten 15 und 16 sowie zwei steuerbaren Hilfsvenlilen 17und 18.

Die beiden Hauptthj'ristorcn 1 und 2 sind in Reihe geschaltet und bilden einen Brückenzweig. Das gleiche gilt für d;° beiden Diode.i 3 und 4. Die Dioden 3 und 4 sind antiparallcl zu den Hauptthyristoren 1 und 2 angeordnet. Die Verbindungspunkte 31 und 32 der Hauptthyristoren 1 und 2 und der Dioden 3 und 4 stehen miteinander in Verbindung. Der Verbindungspunkt 31 der Hauptthyristoren I und 2 steht zusätzlich mit einer Kommutierungseinrichtung 21 in Verbindung. Die Kommutierungseinrichtung 21 wird durch eine Reihenschaltung zweier antiparallcl angeordneter steuerbarer Löschventile 5 und 6, einer Kommutierungsdrossel 7 und eines Löschkondensators 10 gebildet. Der Löschkondensator 10 ist mit dem Verbindungspunkt 34 der beiden in Reihe geschalteten Stützkondensatoren 11 und 12 verbunden. Die zweite Elektrode des Stützkondensators 11 bzw. 12 ist an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleic'r.pannungsquelie 19 angeschlossen, die die Gleichspannung U,i liefert. Zusätzlich ist die zweite Elektrode jedes Stützkondensators 11 bzw. 12 über die Kommutierungsdrossel 8 bzw. 9 mit dem Hauptthynstor 1 bzw. 2 in Durchlaßrichtung bzw. Sperrichtung und mit der Reihenschaltung der Dioden 3 und 4 in Durchlaßrichtung bzw. Sperrichtung verbunden. Der Verbindungspunkt 34 der beiden in Reihe geschalteten Stützkondensatoren 11 und 12 ist zusätzlich an einen dritten und vierten Stützkondensator 13 und 14 angeschlossen. Die zweite Elektrode des Stützkondensators 13 bzw. i4 ist an den positiven bzw. negativen Pol einer Hilfsgleichspannungsquelle 20 angeschlossen. Die Hilfsgleichspannungsquelle 20 liefert eine konstante Gleichspannung Un- Zusätlich steht die zweite Elektrode des dritten bzw. vierten Stützkondensators 13 bzw.

14 über eine Hilfsinduklivität 15 bzw. 16 und ein steuerbares Hilfsventil 17 bzw. 18 mit dem Verbindungspunkt 33 der in Reihe mit dem Löschkondensator 10 liegenden Kommutierungsdrossel 7 und den ar.tiparallel angeordneten steuerbaren Löschventilen 5 und 6 in Verbindung.

Der Verbindungspunkt 32 der Dioden 3 und 4 stelH gleichzeitig den Ausgang des ifindungsgemäßen Stromrichters dar.

Der erfindungsgemäße Stromrichter hat im Wechselrichterbetrieb folgende Wirkungsweise:

Die Energieübertragung von der Gleichstromseite zur Wechrdstromseite des Stromrichters beginnt beispielsweise über den durchgeschaiteten Hauptthyristor 1. Gleichzeitig seien alle übrigen Thyristoren gesperrt. In diesem Fall fließt ein Strom von der Gleichspannungsquelle 19 über die Kommutierungsdiossel 8 und den Hauptthyristor 1 an den Wechseistromausgang 22 des Stromrichters. Dieser Zustand bleibt solange bestehen, bis das steuerbare Löschventil 5 einen Impuis erhält und gezündet wird. Dies kann erst dann erfolgen wenn der Löschkondensator 10 voll aufgeladen ist und zwar mit einer Spannungsrichtung (wie in F i g. 1 eingezeichnet), wobei der Verbindungspunkt 34 der vier Stützkondensatoren 11 bis 14 in diesem Fail mit der negativen Elektrode des Löschkondensators 10 verbunoen ist Durch diese Beschallung fließt in einer Löschhalbschwingung ein Strom vom Löschkondensator 10 über die Kommutierungsdrossel 7 und das steuerbare Löschventil 5. Dieser Strom ist größer als der Maximalwert des Laststromes. Folglich fließt ein Strom, der sich aus der Differenz zwischen Kommutierungsstrom und laststrom ergibt über die Diode 3 ab. Der Hauptthyristor 1 wird mit dem Durchlaßspannungsabfall der Diode 3 und dem induktiven Spannungsabfall der Leitungsführung beansprucht (BBC-Nachrichten 1966, S. 46). Der Kommutierungsstrom ist sinus-förmig. Die Kommutierungsdrossel 7 und der Löschkondensator 10 sind so ausgelegt, daß der Hauptthyristor 1 genügend Zeit hat, sperrfest zu werden. Wird der Kommutierungsstrom kleiner als der Laststrom, so ändert die Speisespannung ihre Polarität.

Der Laststrom fließt jetzt über die Diode 4. Nach der Stromlcitdauer im Löschthyristor 5, wenn die Spannung am Löschkondensator 10 Null geworden ist, d. h. nach der Löschhalbschwingung für den Hauptthyristor 1 wird zum einer» ^Her Hauptthyristor 2 und zum anderen das steuerbare Hilfsventil 18 gezündet, so daß ein Strom über das steuerbare Hilfsventil 18, die Hilfsinduktivität 16, den Stutzkondensator 14, den Lcschkondtnsator 10 und die Kommutierungsdrossel 7 fließt, wodurch der Löschkondensator 10 in einer Aufladeschwingung aufgeladen wird und zwar mit einer Polarität die seiner vorangegangenen Aufladung entgegengerichtet ist (siehe Fig. 1 die in Klammer eingezeichnete Polarität). In ähnlicher Weise fließt ein Strom über den Stützkonden-

sator 13, die Hilfsinduktivität IS, das steuerbare Hilfsventil 17, die Kommutierungsdrosscl 7 und den Löschkondensator 10, wenn nach dem Löschen des Hauptthyristors 2 der Loschkondensator wieder aufgeladen werden soll. Durch das wechselweise Durchschalten und Sperren der Hauptthyristoren I und 2 wird abwechselnd das positive und das negative Potential der Eingangsgleichspannung an den Wcchselstromausgang 22 durchgeschaltet und im Zuge der jeweiligen Aufladeschwin-5ungen immer für eine ausreichende Kondensatorspannung bzw. Löschspannung gesorgt.

Unter idealisierten Verhältnissen (keine Dämpfung in den Lösch- und Aufladekreisen ergibt sich im Leerlauf ein stabiler Betrieb, wobei sich der Löschkondensator 10 abwechselnd auf eine Spannung der Größe (Ud + Uh)Ii + (Uj + Uu)I₁ auflädt. Die wirksame Löschspannung wird damit Unit: sie ist also von der Höhe der Gleichspannung Ud unabhängig. Durch Dämpfung in den Lösch- und Aufladekreisen und durch Belastung des Wechselstromausganges des Stromrichters wird die Löschspannung nur geringfügig verändert. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht also einen Betrieb mit nicht nur genügend hoher, sondern auch mit konstanter Löschspannung bei beliebig schwankender Eingangsspannung Ua weil die Hilfsspannung Un in einfacher Weise konstant gehalten werden kann. Durch die Aufladung über die Hilfsventil 17 und 18 werden gegenüber der üblichen Betriebsweise die Hauptthyristoren 1 und 2 und die Löschventile 5 und 6 vom Aufladestrom entlastet, so daß die Belastungsfähigkeit des Stromrichters in der erfindungsgemäßen Anordnung steigt.

Es besteht natürlich die Möglichkeit, den in F i g. I dargestellten einphasigen Stromrichter auf mehr, insbesondere auf drei Phasen zu erweitern (F i g. 2), ohne daß dadurch die Wirkungsweise des Stromrichters beeinflußt wird. Für den Fail eines dreiphasigen Sifümfichters sind je Phase zwei in Reihe geschaltete Hauptthyristoren 1 und 2, 101 und 102, 201 und 202 sowie zwei in Reihe geschaltete Dioden 3 und 4,103 und 104,203 und 204 vorgesehen. Die Verbindungspunkte der für eine Phase vorgesehenen beiden Hauptthyristoren und den beiden jeweils antiparallel dazu angeordneten Dioden sind miteinander verbunden. Für jede Phase ist ebenfalls eine Kommutierungseinrichtung vorgesehen. Jede Kommutierungseinrichtung weist zwei antiparallel geschaltete Löschventile, insbesondere Thyristoren 5 und 6, 105 und 105, 205 und 206 auf. Diese sind mit einer allen drei Kommutierungseinrichtungen gemeinsamen Kommutierungsdrossel 7 und einem gemeinsamen Löschkondensator 10 in Reihe geschaltet. Die Zusammenfassung von Löschkondensatoren von mehreren Zweigen einer Wechselrichterschaltung ist als solche bekannt (O. Mohr »Untersuchungen an elastischen Mehrfachumrichtern«, Ib. Forschungsinstitut AEG 5 (1936 bis 1937), Seite U bis 19) und ist auch für einen Sperrspannungsfreien Wechselrichter bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 25 52 5373). Der Aufbau des mehrphasigen Stromrichters entspricht im weiteren dem in F i g. 1 gezeigten Stromrichter.

F i g. 3 zeigt eine Variante des in F i g. 1 gezeigten Stromrichters. Die Hauptthyristoren 1 und 2, die Dioden 3 und 4, die steuerbaren Löschventile 5 und 6. die Kommutierungsdrosseln 7,8 und 9, die steuerbaren Hilfsventiie 17 und 18 sowie die Hilfsinduktivitäten 15 und 16 sind in gleicher Weise geschaltet, wie es bereits in der zu F i g. 1 gehörigen Beschreibung erläutert wird.
Die StUtzkondensatoren 13 und 14 sind mit ihrer ersten Elektrode mit den beiden Elektroden eines dritten Stützkondensators verbunden, so daß eine Reihenschaltung von drei StUtzkondensatoren 13, 50 und 14 entsteht. Dem Stützkondensator 50 sind zwei in Reihe geschaltete Löschkondensatoren 100 und 200 parallel geschaltet. Der Verbindungspunkt 36 der beiden Löschkondensatoren 100 und 200 ist mit der Kommuticrungsdrossel 7 verbunden. Die zweite Elektrode des Stiitzkondensators 13 bzw. 14 ist zum einen an den positiven

ίο bzw. negativen Pol der Hilfsgleichsspannungsquellc 20 angeschlossen. Zum anderen steht die zweite Elektrode des Stützkondensators 13 bzw. 14 mit der Hilfsinduklivität 13 bzw. 16 in Verbindung. Der Verbindungspunkt 34 der in Reihe geschalteten StUtzkondensatoren 13 und 50 ist sowohl an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle 19 als auch an die Kommutierungsdrosscl 8 angeschlossen, während der Verbindungspunkt 35 der beiden Stützkondensatoren 14 und 50 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 19 und der Kommutierungsdrossel 9 in Verbindung steht. Auf diese Weise sind die Löschkondensatoren 100 und 200 sowohl direkt an die Gleichspannungsquelle 19 als auch über die StUtzkondensatoren 13 und 14 an die Hilfsgleichsspannungsquelle 20 angeschlossen.

Der in F i g. 3 gezeigte einphasige Stromrichter laßt sich ebenfalls in einem mehrphasigen Stromrichter umgestalten. Die Erweiterung erfolgt analog wie in der zu Fig.2 gehörigen Beschreibung erläutert. Die je Phase zusätzlich erforderlichen Reihenschaltungen von Hauptthyristoren 1 und 2, 101 und 102, 201 und 202 sowie die je Phase dazu antiparallel angeordneten Dioden 3 und 4, 103 und 104, 203 und 204 werden mit den Kommutierungsdrosseln 8 und 9 verbunden. Die miteinander verbundenen Verbindungspunkte der je Phase erforderlichen Hauptthyristoren 1 und 2, 101 und 102, 201 und 202 und Dioden 3 und 4, 103 und 104, 203 und

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rungseinrichtung verbunden. Für jede Kommutierungseinrichtung sind auch hierbei je zwei antiparallel geschaltete steuerbare Löschventile 5 und 6; 105 und 106;

205 und 206 vorgesehen, die mit der allen Kommutierungseinrichtungen gemeinsamen Kommutierungsdrossel 7 und den gemeinsamen Löschkondensatoren 100 und 200 in Reihe geschaltet sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbstgeführter Stromrichter mit je Phase zwei in Reihe liegenden, jeweils über eine Kommutierungsdrossel an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen Hauptthyristoren, denen jeweils eine Diode antiparalle! geschaltet ist und deren Verbindungspunkt als Phasenanschluß dient, woran außerdem der erste Anschluß einer Kommutierungseinrichtung, bestehend aus der Serienschaltung einer dritten Kommutierungsdrossel, eines Löschkondensators und zweier antiparalleler steuerbarer Löschventile, angeschlossen ist, deren zweiter Anschluß mit dem Mittelanschluß zweier in Reihe an die Gleichspannungsquelle geschalteter Stützkondensatoren verbunden ist, wobei der Zündung eines Löschventils nach Ablauf einer .Halbschwingung des Löschkreises die Zündung des- zweiten Hauptventils und eine Umladung des Löschkondensators folgt, gekennzeichnet durch eine Aufladeschaltung für den Löschkondensator (10), bei der dessen eine Elektrode über jeweils einen weiteren Stützkondensator (13, 14) und dessen zweite Elektrode über jeweils eine Serienschaltung eines steuerbaren Hilfsventil (17,18) und einer weiteren Hilfsinduktivität (IS, 16) mit dem positiven und negativen Pol einer Hilfsgleichspannungsquelle (20) verbunden sind und die Aufladung ä°s Loschkondensators (10) durch Zünden des entsprechend gepolten Hilfsventil (17, 18) bewirkt wird.

2. Selbstgeführter Strumrichter mit je Phase zwei in Reihe liegenden, jeweils üt..r eine Kommutierungsdrossel an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen Hauptthyristoren, denen jeweils eine Diode antiparallel geschaltet ist und deren Verbindungspunkt als Phasenanschluß dient, woran außerdem der erste Anschluß einer Kommutierungseinrichtung, bestehend aus der Serienschaltung einer dritten Kommutierungsdrossel, zweier miteinander verbundener Löschkondensatoren und zweier antiparallelcr steuerbarer Löschventile, angeschlossen ist, wobei zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle ein Stützkondensator angeschlossen ist, die zweiten Anschlüsse der Löschkondensatoren direkt an die Pole der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, und der Zündung eines Löschvcntils nach Ablauf einer Halbschwingung des Löschkreises die Zündung des zweiten Hauptventils und eine Umladung der Löschkondensatoren folgt, gekennzeichnet durch eine Aufladeschaltung für die Löschkondensatoren (100, 200), bei der deren freie Elektroden über jeweils iinen Stützkondensator (13,14) und deren miteinander verbundene Elektroden über jeweils eine Serienschaltung eines steuerbaren Hilfsventil (17, 18) und einer weiteren Hilfsinduktivität (15,16) mit dem positiven und negativen Pol einer Hilfsgleichspannungsquelle (20) verbunden sind und die Aufladung der Löschkondensatoren (100, 200) durch Zünden des entsprechend gepo'ten Hilfsventiles (17, 18) bewirkt wird.

3. Selbstgeführter Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkondensator (10) bzw. die Löschkondensatcren (100, 200), die steuerbaren Hilfsventile (17, 18) und die Hilfsinduktivitäten (15 und 16) für alle Phasen gemeinsam angeordpet sind und daß die antiparallelen Löschventile (5 und 6,105 und 106,205 und 206) aller Phasen einen gemeinsamen Verbindungspunkt besitzen.