DE2653137B2

DE2653137B2 - Mehrphasiger Gleichrichter

Info

Publication number: DE2653137B2
Application number: DE19762653137
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(Grad.) Beeken; Hans-Heinrich Ing.(Grad.) Vitters
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-11-23
Filing date: 1976-11-23
Publication date: 1979-12-13
Also published as: CH621443A5; DE2653137A1; DE2653137C3

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Gleichrichter, dem ein Siebkondensator nachgeschaltet ist und der von einem mehrphasigen Transformator über wenigstens eine mehrphasige Leitungsgruppe mit Schaltern gespeist wird, von denen ein in einer Leitung liegender Schalter erst nach dem Schließen eines anderen Schalters in einer anderen Leitung schließbar ist, aber alle Schalter zugleich abschaltbar sind.

Ein solcher bekannter Gleichrichter (DE-PS 05 623) wird für Leistungsgleichrichteranlagen, insbesondere für Hochspannungsgleichrichteranlagen für Senderstromversorgungen benötigt. Solche Anlagen dürfen nicht ohne besondere Dämpfungsmaßnahmen eingeschaltet werden, weil es sonst zu einem Ladestromstroß durch den Siebkondensator kommt, der nicht nur das Netz erheblich belastet, sondern auch die nur schwach gedämpften Spannungsüberschwingungen auf unzulässig hohe Werte ansteigen läßt. Bei der bekannten Anordnung erfolgt die notwendige Dämpfung dadurch, daß in jeder Phase der zu einem Brückengleichrichter führenden, dreiphasigen Leitungsgruppe Schaltgeräte angeordnet sind, deren Kontakte ie Phase zeitlich nacheinander einschaltbar sind.

In F i g. 1 ist ein solcher, gedämpft einschaltbarer, bekannter Gleichrichter dargestellt, wobei jedoch das Schaltbild noch durch einige Elemente ergänzt worden ist, die sich in der Praxis als erforderlich erwiesen haben ⁵ oder als Kabel- und Transformatorkapazitäten notgedrungenerweise in Kauf genommen werden müssen. Von einem Mittelspannungsnetz kommend führt eine dreiphasige Leitungsgruppe mit den Leitern r, s, t über einen Leistungsschalter S1 zu den Primärwicklungen R, S, Teines Transformators, dessen Sekundärwicklungen mit X, Y, Z bezeichnet sind. Von dort führen die Leitungen x, y, ζ einer dreiphasigen Leitungsgruppe über Schalter S2, S3, S4 zu einem Dioden-Brückengleichrichter aus den Dioden 1 bis 6. Dem Brückengleichrichtefolgen eine Drossel L, ein Siebkondensator C und der Verbraucher F 3, wobei dem Brückengleichrichterausgang noch die Reihenschaltung eines Kondensators Ci und eines Widerstandes Al parallel geschaltet ist, welche Ersatzgrößen sind für die Schutzbeschaltungen, welche für die in Wirklichkeit aus Reihenschaltungen mehrerer Dioden bestehenden Dioden 1 bis 6 zur gleichmäßigen Sperrspannungsaufteilung erforderlich sind.
Beim Einschalten der bekannten Anordnung wird zunächst der Leistungsschalter Sl geschlossen und dann folgen zeitlich nacheinander die SchaUer S4, S3, S 2. Beim Schließen des Schalters S 4 tritt zunächst noch keine Gleichspannung am Brückengleichrichter auf. Beim Schließen des Schalters S3 ergibt sich eine stationäre Gleichspannung von 67% der Nenngleichspannung, verbunden mit einer doppelt so großen Einschwingüberspannung. Nach Abklingen des Einschwingvorganges wird der Schalter S 2 geschlossen, so daß nun die volle Gleichspannung am Siebkondensator C auftritt, verbunden mit einer kurzzeitigen Überspannung von etwa 30% der Nennspannung.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Schaltungsanordnung noch mit einigen Nachteilen behaftet ist: Hierzu muß auf die Schaltungskapazitäten C3 bis C5 (die

■»ο resultierend CT. ergeben) der Sekundärwicklungsanordnung X, Y, Z und der Leitungen x, y, ζ eingegangen werden. Diese Kabel- und Transformatorkapazitäten können von sehr unterschiedlicher Größe sein, so daß sich an den Sekundärwicklungen bei geöffneten Schaltern S2 bis S4, aber geschlossenem Schalter Sl sehr unterschiedlich hohe Spannungen aufbauen können, die sogar zu Überschlägen im Transformator führen können, beispielsweise wenn vom Netz über den Schalter Sl transiente Überspannungen zugeführt werden. Es hat sich deshalb als notwendig erwiesen, das Potential der Sekundärwicklungsanordnung im Leerlaufzustand festzulegen, um den Transformator zu schützen. Dies kann beispielsweise durch den Widerstand R 2 geschehen, der den Schalter S 4 überbrückt und einen relativ hohen Widerstandswert haben kann. Dies hat aber den Nachteil, daß die durch die drei Schalter S2 bis S4 ohnehin schon zu aufwendige Anordnung nach Fig. 1 noch teurer wird. Andererseits ist es nicht möglich, den Schalter S4 fortzulassen und durch einen Kurzschluß zu überbrücken, weil sich dann der Siebkondensator C auf eine unerwünscht hohe Spannung aufladen würde.

Dies soll anhand von F i g. 2 erläutert werden. Hier sind diejenigen Bauelemente aus Fig. 1 herausgezeichnet, die bei kurzgeschlossenem Schalter S4 aber geöffneten Schaltern S2 und S3 für die Aufladung des Siebkondensators C mit verantwortlich sind. Es ist ersichtlich, daß die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 —

abgesehen von dem Widerstand Al— einer Spannungsverdopplungsschaltung nach Villard entspricht, so daß sich der Siebkondensator C in Abhängigkeit von der Größe des Kondensators C2 mehr ocer weniger schnell auf die doppelte Spannung auflädt, die als Spitzenspannung an der Transformatoi wicklung Zliegt. R 2 ist für die Zeit der Aufladung von untergeordneter Bedeutung, da dieser im Verhältnis zum Wechselstromwiderstand von C 2 viel zu niederohmig ist

Wegen ail dieser Nachteile der bekannten deichrichteranordnung ist es Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für die sehr teueren Schalter zwischen dem Transformator und dem Gleichrichter zu vermindern.

ErfindungsgemäS wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nur in zwei Leitungen einer dreiphasigen Leitungsgruppe je ein Schalter vorgesehen ist und parallel zum Siebkondensator ein Gleichstrompfad mit einem Kontakt angeordnet ist, der schließbar ist, wenn die beiden Schalter geöffnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Potential der Sekundärwicklungsanordnung des Transformators über die nicht mit einem Schalter versehene Leitung der Leitungsgruppe festzulegen, ohne daß sich der Siebkondensator während der Abschaltdauer der beiden Schalter aufladen kann. Denn dessen Aufladung wird durch den zusätzlichen Strompfad über den Kontakt verhindert. Durch den zusätzlichen Strompfad wird ein teuerer Schalter η der Leitungsgruppe zwischen der Sekundärwicklungsanordnung und dem Gleichrichter eingespart, der sonst als Vakuumschalter ausgebildet sein müßte, während f-'ir den Kontakt im zusätzlichen Strompfad lediglich eine Ausführung gewählt zu werden braucht, die ungefähr nur '/5 eines teueren Vakuumschalters kostet.

Noch größere Vorteile ergeben sich dann, wenn für höhere Gleichspannungen und Leistungen bei Zugrundelegung des Standes der Technik noch teurere und größere Schalter als Vakuumschalter benötigt wurden, wie es beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Verbraucher R 3 nicht mehr ein bisher üblicher Sender ist, bei dem der Modulator und die Hochfrequenzendstufe gleichstrommäßig parallel geschaltet sind, sondern ein nach dem Pulsdauermodulations-Verfahren arbeitender Großsender, bei dem der Modulator und die Hochfrequenzendstufe gleichstrommäßig in Serie geschaltet sind. Dann können Gleichspannungen in der Größenordnung von 30 kV benötigt werden, die zur Dämpfung von Überschwingungen stufenweise einzuschalten und beispielsweise bei Röhrenübtrschlägen oder beim Ausschalten des Senders auf einen Schlag abzuschalten sind. so

Der Transformator müßte hier für eine höhere Sekundärspannung ausgelegt werden, jedoch stößt diese Erhöhung an eine Grenze, weil nämlich nur Vakuumschalter bis zu einer maximalen Schaltspannung von 15 kV hergestellt werden. Diese Grenze besteht dem ersten Anschein nach auch für den erfindungsgemäßen Gleichrichter, kann aber einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entsprechend dadurch überwunden werden, daß der Gleichrichter eine Reihenschaltung zweier Brückengleichrichter enthält, die über je eine Leitungsgruppe von je einer dreiphasigen Sekundärwicklungsanordnung des Transformators gespeist werden, und nur in jeweils zwei Leitungen der Leitungsgruppen je ein Schalter vorgesehen ist. Bei der Reihenschaltung zweier Brückengleichrichter kann auf diese Weise gegenüber bisher eine doppelt so hohe Gleichspannung erzeugt werden, wobei nur vier Schalter zwischen den beiden Sekundärwicklungsanordnungen und den Gleichrichtern und ein Kontakt in dem zusätzlichen Strompfad benötigt werden.

Dabei ist es zur Verminderung d«r Brummspannung am Ausgang der Gleichrichter zweckmäßig, wenn zwei elektrisch voneinander getrennte dreiphasige Sekundärwicklungsanordnungen vorgesehen sind, von denen eine im Stern und die andere im Dreieck geschaltet ist. Die Außenleiterspannungen sind untereinander gleich. Die Brummspannung vermindert sich dadurch gegenüber der bekannten Anordnung auf ungefähr ein Viertel, was sich auf den Störspannungsabstand des Verbrauchers (z. B. Sender) günstig auswirku

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie für einen Gleichrichter die Verwendung von Reihenschaltungen von Avalanche-Dioden gestattet. Dabei braucht nicht jeder einzelnen Avalanche-Diode eine Schutzschaltung zur gleichmäßigen Sperrspannungsaufteilung parallel geordnet zu sein, sondern es genügt, wenn dem Gleichrichter als Ganzes eine Reihenschaltung wenigstens eines Widerstandes und eines Kondensators parallel geschaltet ist. Dadurch wird die Spannungsänderungsgeschwindigkeit beim Ausschalten zum Schutz der Avalanche- Dioden vermindert. Es ist daher erstmals möglich geworden, auch für sehr hohe Spannvngen und Leistungen in Verbindung mit Vakuumschaltern Avalanche-Dioden zu verwenden.

Anhand der F i g. 3 bis 5 werden nun zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem vom Schaltungsaufbau nach F i g. 1 ausgegangen ist, während

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel für höhere Gleichspannungen darstellt.

F i g. 5 dient zur Erläuterung von F i g. 4.

Wegen der starken Ähnlichkeit der Fig. 3 und 1 braucht im Zusammenhang mit F i g. 3 nur auf die gegenseitigen Unterschiede eingegangen zu werden. In Fig. 3 sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit die an sich ebenfalls vorhandenen Kapazitäten C2 bis C5 fortgelassen. Statt dessen sind Überspannungsableiter S/1 bis Si 3 zwischen den Leitungen x, y, ζ eingezeichnet, die auch bei bekannten Anordnungen erforderlich sind und zur Aufnahme der Energie der Streuinduktivicäten des Transformators beim Auftrennen eines Kurzschlusses durch die Schalter 52 und S3 dienen. Ein derartiger Kurzschluß tritt auf, wenn in der durch den Widerstand R 3 symbolisierten Senderstufe Röhrenüberschläge betriebsmäßig auftreten.

Der wesentliche Unterschied gegenüber Fig. 1 besteht nun aber darin, daß der Schalter S4 (und der Widerstand R 2) entfallen ist, während ein zusätzlicher Strompfad parallel zum Siebkondensator C vorhanden ist, bestehend aus dem Widerstand R 4 und dem Kontakt mit Schaltmitteln S 5. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist prinzipiell die gleiche wie diejenige der Anordnung nach F i g. 4, in welcher die Anordnung nach F i g. 3 mit enthalten ist.

In F i g. 4 sind zwei dreiphasige Brückengleichrichter aus den Dioden (oder Dioden-Reihenschaltungen, vorzugsweise von Avalanche-Dioden) 1 bis 6 und 7 bis 12 in Reihe geschaltet. Die Speisung des unteren Brückengleichrichters erfolgt wie in Fig. 3, wobei jedoch wieder wie in Fig. 1 die resultierende Sternpunktskapazität C2 mit eingezeichnet ist. Der obere Brückengleichrichter wird über eine Leitungsgruppe aus den Leitungen u, v, wund den Schaltern S6 und S7 in zwei dieser Leitungen von einer Dreieck-Sekundärwicklung LJ. V. W des Transformators gespeist, dessen

Primärwicklungsanordnung 13 ζ. Β. ebenfalls im Dreieck geschaltet ist und über den Schalter 51 und die Leitungen r, s, t ebenso gespeist wird wie der Transformator in den Fig. 1 und 3. Durch die Reihenschaltung einer Stern- und einer Dreieckswicklungsanordnung gleicher Außenleiterspannung auf der Sekundärseite verringert sich die Brummspannung (von Spitze zu Spitze gemessen) von 13% auf 3,4% der Gleichspannung. Gleichzeitig können dadurch neuerliche Forderungen von Elektrizitätswerken erfüllt werden, den Oberwellenstromanteil im Mittelspannungsnetz r, s, ί klein zu halten.

Die Serienschaltung des Widerstandes R 10 und des Kondensators ClO (der für eine Gleichspannung von 28 kV und einen Gleichstrom von 40 Ampere beispielsweise eine Kapazität von 2 μΡ haben kann) leistet für die obere Brückenschaltung das gleiche wie die auch in F i g. 3 erscheinenden Elemente R 1, C1; sie vermindern nämlich zum Schutz der Avalanche-Dioden die Spannungsänderungsgeschwindigkeit beim Abschalten des Gleichrichterstromes. Die Potentialfestigung beider Sekundärwicklungen erfolgt über die Leitungen w, ζ und die Dioden 9,12,3,6, die Drossel L den Widerstand R4 und den Kontakt 55, wenn letzterer bei geöffneten Schaltern 52,53,56,57 geschlossen ist.

Bei geschlossenem Schalter 51 werden nach dem Öffnen des Kontaktes 55 die Schalter 56, 57, 52 und 53 in z. B. dieser Reihenfolge zeitlich nacheinander geschlossen, wobei zunächst eine Ausgangsspannung von ²It, dann von V₆, V₆ und schließlich V, der maximalen Gleichspannung am Ausgang der Reihenschaltung beider Brückengleichrichter auftritt. Durch die Sechsphasenschaltung mit Hilfe der beiden Sekundärwicklungsanordnungen sind die Spannungssprünge am Ausgang der Gleichrichter beim nacheinander folgenden Schließen der Schalter 56, 57, 52, 53 kleiner, als wenn nur ein einziger dreiphasiger Brückengleichrichter verwendet würde, und durch geeignete Wahl der Siebkettenresonanz kann das Überschwingen am Siebkondensator C auch bei Leerlauf (d. h. wenn der Widerstand R 3 unterbrochen ist, beispielsweise beim Vorheizen der Röhren eines Senders) äußerst gering gehalten werden. Eine andere, auch sehr günstige Reihenfolge würde sich in der Schakerfolge 53,57,52, 56 mit einem Ausgangsspannungsanstieg von ²/₆, V₆, V₆, ¹A der Betriebsspannung ergeben, was ein unter Umständen geringeres Überschwingen beim Einschalten ergibt. Für einen 1,3 MW-Gleichrichter nach Fig.4 konnte erreicht werden, daß auch im Leerlauf kein Überschwingen meßbar war.

Die Bedämpfungsglieder Al, Cl, R10, ClO (die Kondensatoren haben für 28 kV/40 Ampere eine Größenordnung von 2 μΡ} schützen den Hochspannungsgleichrichter gegen Überspannungen beim Einschalten der Vakuumschalter 52,53,56,57. In diesem Fall bilden die resultierende Streuinduktivität der sekundären Dreieckwicklung des Transformators, dei Widerstand R 10 und der Kondensator ClO sowie die resultierende Streuinduktivität der sekundären Sternwicklung, der Widerstand R 1 und der Kondensator Cl jeweils einen aperiodisch gedämpften Kreis. Beirr Ausschalten reduzieren diese ÄC-Glieder den momen tanen Spannungssprung und die Kondensatoren ver mindern die Spannungsänderungsgeschwindigkeii (du/dt) zum Schutz der Avalanche-Dioden, die insge samt den Hochspannungsgleichrichter aus den beider Brückengleichrichtern bilden.

Ähnlich wie schon im Zusammenhang mit F i g. 1 erläutert, sind bei der Realisierung der Schaltung nach Fig.4 die Kabel- und Schaltungskapazitäten gegen Erdpotential und untereinander bei geöffneten Vakuumschaltern 52, 53, 56, 57 und geschlossenem Schalter 51 von wesentlicher Bedeutung. Wie sich aus F i g. 4 leicht erkennen läßt, bilden die Kabelkapazitäten C6 bis CS einen kapazitiven Stern, an C6 liegt die Sternpunktspannung. Bei der unteren Sekundärwicklungsanordnung hingegen liegt die Sternpunktspannung an C 2 (Ersatzgröße für C3,4,5) (vgl. F i g. 1 und 2). Da jeweils eine Phase (w, z) mit den Brückengleichrichterr fest verbunden ist, ergeben sich im Leerlauf, das heißt bei geöffneten Vakuumschaltern, wobei gleichzeitig dafür gesorgt ist, daß durch den Lastwiderstand R 3 praktisch keine Belastung erfolgt, zwei aufgestockte Verdopplerschaltungen nach Villard, wie in F i g. 5 untei Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in der übrigen Figuren angedeutet. Die erste Verdopplerschal tung wird durch die Teile Z, C2 (Ersatzgröße füi C3—5), 6,3, Ri, Ci und die zweite durch die Teile LJ.. W (Ersatzgröße für die einphasig gegen Erdpotentia betriebene Sekundärwicklungsanordnung L), V, W), Cf ... 8 (Ersatzgröße für C6 bis CS), 6,3,12,9, C10, Λ 10 R 1, Cl gebildet. Am Siebkondensator Centsteht dahei als Summenspannung aus den Spannungen an ClO unc Cl als Ausgangsleerlaufgleichspannung langsam eir Wert, der dem vierfachen Spitzenwert der Sternspan nung entspricht. Dies wird aber durch den Kontakt Si im Gleichstrompfad A4—55 verhindert, der immei dann geschlossen wird, wenn die Vakuumschalter 52 53,56,57 geöffnet sind. Auf diese Weise können durcf das gegensinnige Schalten des Kontaktes 55 und dei Vakuumschalter bei der Anordnung nach F i g. 4 sogai zwei Vakuumschalter eingespart werden, während nui ein Kontakt 55 erforderlich ist.

Von besonderem Vorteil bei der Erfindung ist es, dal ein zusätzlicher Strompfad R4—55 mit einem Willkür Hch schließbaren Kontakt 55 zur Entladung dei Siebmittel L, Cbeim Ausschalten ohnehin benötigt wird so daß bei der Erfindung als einziger Mehraufwand der viel größeren Einsparungen für das Entfallen vor Vakuumschaltern lediglich Schaltmittel zur Zwangs steuerung des Kontaktes 55 gegensinnig zur Steuerunj der Schalter 52, S3,56,57 gegenüberstehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrphasiger Gleichrichter, dem ein Siebkondensator nachgeschaltet ist und der von einem mehrphasigen Transformator über wenigstens eine mehrphasige Leitungsgruppe mit Schaltern gespeist wird, von denen ein in einer Leitung liegender Schalter erst nach dem Schließen eines anderen Schalters in einer anderen Leitung schließbar ist, aber alle Schalter zugleich abschdtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur in zwei Leitungen (x, y) einer dreiphasigen Leitungsgruppe je ein Schalter (S2, S3) vorgesehen ist und parallel zum Siebkondensator (C) ein Gleichstrompfad mit einem Kontakt (S 5) angeordnet ist, der schließbar ist, wenn die beiden Schalter (S2, S3) geöffnet werden.

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reihenschaltung zweier Brückengleichrichter enthält, die über je eine Leitungsgruppe (x, y, z; u, v, w) von je einer dreiphasigen Sekundärwicklungsanordnung (X, Y, Z; LJ, V, H9des Transformators gespeist werden, und nur in jeweils zwei Leitungen (x, y; u, v) der Leitungsgruppen je ein Schalter (S2, S3; S6, S7) vorgesehen ist.

3. Gleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch voneinander getrennte, dreiphasige Sekundärwicklungsanordnungen (X, Y, Z; U, V, W) vorgesehen sind, von denen eine im Stern und die andere im Dreieck geschaltet ist.

4. Gleichrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Brückengleichrichtcr (1 bis 6; 7 bis 12) Reihenschaltungen von Avalanche-Dioden enthält.

5. Gleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brüukengleichrichter als Ganzes eine Reihenschaltung wenigstens eines Widerstandes (R 1 bzw. R 10) und eines Kondensators (C 1 bzw. C10) parallel geschaltet ist.