DE2653137C3 - Mehrphasiger Gleichrichter - Google Patents

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 51 zu den Primärwicklungen R,

ίο 5, 7"eines Transformators, dessen Sekundärwicklungen mit X, Y, Z bezeichnet sind. Von dort führen die Leitungen x, y, ζ einer dreiphasigen Leitungsgruppe über Schalter 52, 53, 54 zu einem Dioden-Brückengleichrichter aus den Dioden 1 bis 6. Dem Brückengleichrichter folgen eine Drossel L, ein Siebkondensator Cund der Verbraucher A3, wobei dem Brückengleichrichterausgang noch die Reihenschaltung eines Kondensators Cl und eines Widerstandes Ri 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 51 geschlossen und dann folgen zeitlich nacheinander die Schalter 54, 53, 52. Beim Schließen des Schalters 54 tritt zunächst noch keine Gleichspannung am Brückengleichrichter auf. Beim Schließen des Schalters 53 ergibt sich eine stationäre Gleichspannung von 67% der Nenngleichspannung, verbunden mit einer doppelt so großen Einschwingüberspannung. Nach Abklingen des Einschwingvorganges wird der Schalter 52 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 resultierend C2 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 52 bis 54, aber geschlossenem Schalter 51 sehr unterschiedlich hohe Spannungen aufbauen können, die sogar zu Überschlägen im Transformator führen können, beispielsweise wenn vorn Netz über den Schalter 51 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 54 überbrückt und einen relativ hohen Widerstandswert haben kann. Dies hat aber den Nachteil, daß die durch die drei Schalter 52 bis 54 ohnehin schon zu aufwendige Anordnung nach Fi g. 1 noch teurer wird. Andererseits ist es nicht möglich, den Schalter 54 fortzulassen und

M) durch einen Kurzschluß zu überbrücken, weil sich dann der Siebkondensator C auf eine unerwünscht hohe Spannung aufladen würde.

Dies soll anhand von Fig.2 erläutert werden. Hier sind diejenigen Bauelemente aus Fig. 1 herausgezeich-

h^r not, die bei kurzgeschlossenem Schalter 54 aber geöffneten Schaltern 52 und 53 für die Aufladung des Siebkondensators C mit verantwortlich sind. Es ist ersichtlich, daß die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 —

abgesehen von dem Widerstand Ri- einer Spannungsverdopplungsschaltung nach Villard entspricht, so daß sich der Siebkondensator C in Abhängigkeit von der Größe des Kondensators C 2 mehr oder weniger schnell auf die doppelte Spannung auflädt, die als Spitzenspannung an der Transformatorwicklung Z liegt 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 all dieser Nachteile der bekannten Gleichrichteranordnung ist es Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für die sehr teueren Schalter zwischen dem Transformator und dem Gleichrichter zu vermindern.

Erfindungsgemäß 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 d-ese 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 in der Leitungsgruppe zwischen der Sekundärwicklungsanordnung und dem Gleichrichter eingespart, der sonst als Vakuumschalter ausgebildet sein müßte, während für 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 würden, 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 Röhrenüberschlägen oder beim Ausschalten des Senders auf einen Schlag abzuschalten sind.

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 Leitung:-(,--uppe 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 nut vier Schalter zwischen den beiden Sekundärwicklungsanordnungen und den Gleichrichtern und ein Kontakt in dem zusätzlichen Strompfad benötigt werden.

Dabei ist es zur Verminderung der 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 auswirkt

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 Sperrspannangsaufteilung 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 Spannungen 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:

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

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für höhere Gleichspannungen darstellt.

F i g. 5 dient zur Erläutenng 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 F i g. 3 sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit die an sich ebenfalls vorhandenen Kapazitäten C2 bis CS fortgelassen. Statt dessen sind Überspannungsableiter SH bis S/3 zwischen den Leitungen x, y, 7. eingezeichnet, die auch bei bekannten Anordnungen erforderlich sind und zur Aufnahme der Energie der Streuinduktivitäten des Transformators beim Auftrennen eines Kurzschlusses durch die Schalter 52 und 53 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 SA (und der Widerstand R 2) entfallen ist, während ein zusätzlicher Strompfad parallel zum Siebkondensator C vorhanden ist, bestehend aus dem Widerstand Λ 4 und dem Kontakt mit Schaltmitteln 55. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist prinzipiell die gleiche wie diejenige der Anordnung nach Fig. 4, in welcher die Anordnung nach F i g. 3 mit enthalten ist.

In Fig.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 F i g. I die resultierende Sternprnktskapazität C2 mit eingezeichnet ist. Der obere Brückengleichrichter wird über eine Leitungsgruppe aus den Leitungen u, v, w und den Schaltern 56 und 57 in zwei dieser Leitungen von einer Dreieck-Sekundärwicklung U, V, W des Transformators gespeist, dessen

Primärwicklungsanordnung 13 ζ. Β. ebenfalls im Dreieck geschaltet ist und über den Schalter S1 und die Leitungen r, s, t ebenso gespeist wird wie der Transformator ir den F i g. 1 und 3. Durch die Reihenschaltung euer 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, f 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 /?4 und den Kontakt S 5, wenn letzterer bei geöffneten Schaltern S2, S3, S 6, S7 geschlossen ist.

Bei geschlossenem Schalter S1 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 ²Ih. dann von V₆,V₆ und schließlich V₁ 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. S3 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 Schalterfolge S3. S7, 52, 56 mit einem Ausgangsspannungsanstieg von ²It,. V₆, V₆. '/, der Betriebsspannung ergeben, was ein unter Umständen geringeres Oberschwingen beim Einschalten ergibt. Für einen 1.3 MW-Gleichrichter nach F i g. 4 konnte erreicht werden, daß auch im Leerlauf kein überschwingen meßbar war.

Die Bedämpfungsglieder Rl. Cl. RIO. ClO (die Kondensatoren haben für 28 kV/40 Ampere eine Größenordnung von 2 μΡ) schützen den Hochspannungsgleichrichter gegen Überspannungen beim Einschalten der Vakuumschalter 52, S3. S6, S7. In diesem Fall bilden die resultierende Streuinduktivität der senkundären Dreieckwicklung des Transformators, der 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. Beim Ausschalten reduzieren diese ftC-Glieder den momentanen Spannungssprung und die Kondensatoren vermindern die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (du/dt) zum Schutz der Avalanche-Dioden, die insgesamt den Hochspannungsgleichrichter aus den beiden Brückengleichrichtern bilden.

Ähnlich wie schon im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, sind bei der Realisierung der Schaltung nach F i g. 4 die Kabel- und Schaltungskapazitäten gegen Erdpotential und untereinander bei geöffneten Vakuumschaltern S2, S3, S6, S7 und geschlossenem Schalter S1 von wesentlicher Bedeutung. Wie sich aus F i g. 4 leicht erkennen läßt, bilden die Kabelkapazitäten C6 bis C8 einen kapazitiven Stern, an C6 liegt die Sternpunktspannung. Bei der unteren Sekundärwicklungsanordnung hingegen liegt die Sternpunktspannung an C2 (Ersatzgröße für C3,4, 5) (vgl. F i g. 1 und 2). Da jeweils eine Phase (w, z) mit den Brückengleichrichtern 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 unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen wie in den übrigen Figuren angedeutet. Die erste Verdopplerschaltung wird durch die Teile Z, C2 (Ersatzgröße für C3-5),6,3, Ri, Cl und die zweite durch die Teile U... W (Ersatzgröße für die einphasig gegen Erdpotential betriebene Sekundärwicklungsanordnung U, V, W), C€ ... 8 (Ersatzgröße für C6 bis C8), 6, 3,12,9, ClO, R 10 R 1,Cl gebildet. Am Siebkondensator Centsteht daher als Summenspannung aus den Spannungen an ClO und Cl als Ausgangsleerlaufgleichspannung langsam ein Wert, der dem vierfachen Spitzenwert der Sternspannung entspricht. Dies wird aber durch den Kontakt S3 im Gleichstrompfad R 4— SS verhindert, der immer dann geschlossen wird, wenn die Vakuumschalter S2 S3, S6. S7 geöffnet sind. Auf diese Weise können durch das gegensinnige Schalten des Kontaktes S5 und dei Vakuumschalter bei der Anordnung nach Fig.4 sogai zwei Vakuumschalter eingespart werden, während nui ein Kontakt S5 erforderlich ist.

Von besonderem Vorteil bei der Erfindung ist es, dat ein zusätzlicher Strompfad R4—S5 mit einem willkür lieh schließbaren Kontakt 55 zur Entladung de! Siebmittel L. Cbeim Ausschalten ohnehin benötigt wird so daß bei der Erfindung als einziger Mehraufwand der viel größeren Einsparungen für das Entfallen voi Vakuumschaitern lediglich Schaltmittel zur Zwangs steuerung des Kontaktes S 5 gegensinnig zur Steuerunj der Schalter S2, S3, S6, S7 gegenüberstehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 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 abschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß nur in zwei Leitungen (x, y) einer dreiphasigen Leiturgsgruppe je ein Schalter (S 2, 53) vorgesehen ist und parallel zum Siebkondensator (C) ein Gleichstrompfad mit einem Kontakt (SS) angeordnet ist, der schließbar ist, wenn die beiden Schalter (52, 53) 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; U, V, W)des Transformators gespeist werden, und nur in jeweils zwei Leitungen (x, y; u, v) der Leitungsgruppen je ein Schalter (52, 53; 56, 57) 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 Anspmch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Brückengleichrichter (1 bis 6; 7 bis 12) Reihenschaltungen von Avalanche-Dioden enthält

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