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Steuer- und Löscheinrichtung für einen wechsel-
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stromseitig kommutierenden Pulsstromrichter Die Erfindung bezieht
sich auf eine Steuer- und Löscheinrichtung für einen wechselstromseitig kommutierenden
Pulsstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein wechselstromseitig kommutierenden Pulsstromrichter mit Hauptthyristoren
in Brückenschaltung mit einem eingeprägten Strom auf der Gleichstromseite ist aus
der DE-OS 24 51 960 bekannt. Die einzelnen Brückenzweige sollen dabei zu beliebigen
Zeitpunkten sowohl gezündet als auch gelöscht werden können. Durch die Möglichkeit
der Löschung der Thyristoren in den Brückenzweigen, d.h. durch die Pulsbarkeit des
Stromrichters insgesamt, kann erreicht werden, daß auf der Wechselspannungsseite
des Pulsstromrichters nahezu oberschwingungsfreie sinusförmige Größen auftreten.
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Zur Löschung beliebiger gerade stromführender Thyristoren des Pulsstromrichters
zu einem frei wählbaren Zeitpunkt muß eine geeignete Löscheinrichtung vorgesehen
sein, die zu jeder Zeit eine ausreichende Löschenergie zur Verfügung stellt.
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Aus der DE-OS 25 14 557 ist eine Löscheinrichtung für die Thyristoren
eines Wechselrichters in Brückenschaltung bekannt, bei der die wechselstromseitig
jeweils eine zusätzliche Diode aufweisenden Brückenzweige über jeweils zwischen
Thyristor und Diode angeschlossene Löschkondensatoren verbunden sind (Interphasenlöschung).
Die Löschkondensatoren werden dabei über die Dioden wechselweise umgeladen und übernehmen
hierbei den Laststrom, so dan der zu löschende Thyristor stromlos wird und für die
nötige Schonzeit negative Spannung erhält. Voraussetzung für diese Art der Löschung
sind Induktivitäten auf der Wechselstromseite (etwa die Wicklungen einer über den
Wechsel richter gespeisten Maschine), die ein definiertes Aufladen der Löschkondensatoren
gewährleisten. Diese Art der Löscheinrichtung versagt jedoch bei Pulsstromrichtern
mit einemeingeprägten Strom auf der Gleichstromseite und Spannungseinprägung auf
der Wechselseite. Diese Spannungseinprägung kann z.B. durch einen auf der Wechsel
seite zwischen den Eingangsklemmen angeordneten Kondensator gegeben sein. Dieser
Kondensator bildet zusammen mit den netzseitigen Reaktanzen ein Filter, das die
Oberschwingungen des Stromrichtereingaggsstromes weitgehend ausfiltert. Der Kondensator
bewirkt wegen der je nach Pulsung an ihm anliegenden Spannung jedoch, daß der Komn\utierungskondensator
bei der bekannten Interphasenlöschung über die Dioden nur bis zu eben dieser Spannung
aufgeladen werden kann. Da
diese Spannung sowohl Null als auch sogar
negativ im Sinne der gewünschten Aufladung des Kommutierungskondensators sein kann,
ist eine definierte Aufladung und damit eine jederzeit mögliche Löschung nicht gegeben.
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Zur definierten Aufladung des Kommutierungskondensators und einer
sichergestellten Löschung der Hauptthyristoren sind bereits Anordnungen für zwangskommutierende
Pulsstromrichter vorgeschlagen worden, bei denen die Kommutierungseinrichtung in
den Hauptstromkreis integriert und die einzelnen Brückenzweige über Kommutierungskondensatoren
miteinander verbunden sind oder bei denen die Kommutierungseinrichtung separat vom
Hauptstromkreis angeordnet ist und durch Hinzufügen zusätzlicher Dioden der Kommutierungsstrom
selbsttätig auf den jeweils zu löschenden Hauptthyristorzweig geschaltet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine St
ung für einen zwangskommutierenden Pulsstromrichter zur Verbindung eines ein- oder
dreiphasigen Wechselstromnetzes mit einem Gleichstromnetz mit eingeprägtem Gleichstrom
zu schaffen, die bei hoher Betriebssicherheit des Pulsstromrichters für diesen keine
zusätzlichen Bauelemente neben den Hauptthyristoren und der Löscheinrichtung erforderlich
macht und die geringere Durchlaßverluste im Hauptstromkreis des Pulsstromrichters
beinhaltet.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs
1 gelöst.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels
soll die Erfindung im folgenden erläutert werden.
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Es zeigen Figur 1 eine vollgesteuerte,halblöschbare Pulsstromrichter-Brückenschaltung
mit der erfindungsgemäßen Löscheinrichtung und Figur 2 den schaltungstechnischen
Aufbau der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
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Gemäß Figur 1 wird eine vollgesteuerte Brückenschaltung, die aus Hauptthyristoren
1, 2, 3 und 4 gebildet ist, von einem Wechselstromnetz über eine Induktivität gespeist.
Die Brückenschaltung wird als Pulsstromrichter betrieben und speist über einen Widerstand
11 und eine Induktivität 12 mit einem eingeprägten Strom einen Verbraucher 13. An
den wechselstromseitigen Eingangsklemmen des Pulsstromrichters ist ein Kondensator
der Brückenschaltung parallelgeschaltet. Dieser Kondensator bildet zusammen mit
der netzseitigen Induktivität ein Filter, das die Oberschwingungen des Stromrichtereingangsstromes
weitgehend ausfiltert, so daß das Netz nicht durch Oberschwingungen belastet wird.
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Die Brückenschaltung soll im Ausführungsbeispiel halblöschbar sein.
Dies wird durch
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ng bewirkt, die einen Kommutierungskondensator 9 und in Brückenschaltung angeordnete
Thyristoren
5 bis 8 enthält.
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Mit der halblöschbaren Ausführung entsprechend Figur 1 ist ein Betrieb
des Pulsstromrichters in den beiden Quadranten möglich, in denen der Stromrichter
wechselspannungsseitig im induktiven Bereich arbeitet, da man für die nichtlöschbaren
Brückenzweige auf die natürliche Kommutierung über den Kondensator angewiesen ist.
Damit kann die Grundschwingung des wechselspannungsseitigen Eingangs stromes über
einen Bereich von nahezu 1800 der Netzperiode gegenüber der Eingangsspannung verschoben
werden.
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Parallel zum Kommutierungskondensator 9 ist ein Meßwertumformer 10
angeordnet, dessen Aufgabe darin besteht, Polarität und Höhe der am Kommutierungskondensator
9 anliegenden Spannung zu erfassen und in logische Signale G und K umzuformen, wobei
das Auftreten oder Nichtauftreten des Signals G für die Spannungshöhe davon abhängt,
ob die am Kommutierungskondensator 9 anliegende Spannung größer oder kleiner als
die zur Zwangskommutierung nötige Mindestspannung ist, um einen jederzeit sicheren
Betrieb des Pulsstromrichters zu ermöglichen. Das logische Signal K wird durch die
Polarität des Kommutierungskondensators 9 festgelegt.
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Die an sich bekannte Betriebsweise des Pulsstromrichters besteht darin,
daß der jeweilige zwangslöschbare Hauptthyristor 3 bzw. 4 durch Zünden der entsprechenden
Löschthyristoren 6 und 7 bzw. 5 und 8 gelöscht wird. Durch diese Zwangs löschung
wird der Kommutierungskondensator 9 so umgeladen, daß er danach zur Zwangslöschung
des jeweils anderen zwangslöschbaren Hauptthyristors 3 bzw.4 in der Lage ist.
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Diese abwechselnde Zwangs löschung wird durch eine geeignete Steuerlogik
realisiert, die nachfolgend anhand der Figur 2 erläutert wird.
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Der in Figur 2 dargestellten Steuerlogik werden neben den bereits
erläuterten Ausgangssignalen G und K des MeBwertumformers 10 noch die von einer
übergeordneten Regeleinrichtung 14 kommenden Signale B und F eingegeben. Diese der
Steuerlogik übergeordnete Regeleinrichtung 14 dient zur Regelung von Gleichstrom
und Gleichspannung nach den Erfordernissen des Verbrauchers 13. Die sechs Ausgänge
der Steuerlogik sind über geeignete Steuerimpulsformer und -verstärker mit den Steueranschlüssen
der Haupt- und Löschthyristoren 1 bis 8 verbunden.
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Das von der übergeordneten Regelungseinrichtung kommende Signal F
entscheidet, ob der Gleichstrom im Freilauf- oder Durchschaltbetrieb fließen soll,
wobei im Preilaufbctrieb der
Gleichstromkreis über je zwei Hauptthyristoren
1,3 oder 2,4 kurzgeschlossen ist. Das Signal B gibt die Polaritätdes jeweiligen
Stromrichtereingangsstromes i vor.
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Die Steuerlogik enthält einen Monoflop 15, dessen Eingang mit dem
F-Signal beaufschlagt ist und dessen Ausgang mit den Takteingängen zweier D-Flipflops
16, 17 verbunden ist. Die D-Eingänge des D-Flipflops 16, 17 sind an das K-Signal
bzw. an das B-Signal angeschlossen, während die Ausgänge der D-Flipflops einem statischen
Zuordner 20 zusammen mit dem P-Signal eingegeben werden. Dieser statische Zuordner
20 erfüllt die Aufgabe, durch logische Verknüpfung die Zündzeitpunkte für die einzelnen
Thyristoren des Pulsstromrichters festzulegen.
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Seine statische Arbeitsweise erklärt sich dadurch, daß zur logischen
Verknüpfung weder Zeitglieder noch Rückkopplungen Verwendung finden.
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Die Ausgänge des statischen Zuordners 20 sind direkt mit den die Zündimpulse
für die nicht zwangskommutierten Hauptthyristoren 1, 2 und alle Löschthyristoren
5 bis 8 aufbereitenden Bauelemente verbunden. Die Zündzeitpunkte für die beiden
zwangskommutierten Hauptthyristoren 3, 4 werden über zwei UND-Gatter 18, 19 festgelegt,
deren je drei Eingänge wie folgt belegt sind:
Während die Eingänge
des ersten, dem Hauptthyristor 3 zugeordneten UND-Gatters 3 an dem die Zündzeitpunkte
der Löscthyristoren 5, 8 festlegenden Ausgang des statischen Zuordners 20, über
einen Inverter 21 an das K-Signal und direkt an das G-Signal angeschlossen sind,
sind die Eingänge des zweiten, dem Hauptthyristor 4 zugeordneten UND-Gatters 4 an
dem die Zündzeitpunkte der Löschthyristoren 6, 7 festlegenden Ausgang des statischen
Zuordners 20 und an das K- und G-Signal direkt angeschlossen.
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Der innere Aufbau des statischen Zuordners 20 entspricht der Forderung
nach logischer Verknüpfung der eingegebenen Signale zur Festlegung der ZffndzeStpunkte
für die einzelnen Thyristoren 1 bis 8. Er besteht aus vier weiteren UND-Gattern
204 bis 207, deren Ausgänge paarweise über zwei ODER-Gatter 208, 209 an die Impulsgeber
der Löschthyristoren 5, 8 bzw. 6, 7 und Eingänge der vorbeschriebenen UND-Gatter
18, 19 geführt sind.
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Die Eingänge dieser weiteren UND-Gatter 204 bis 207 sind wie folgt
belegt: a) das erste UND-Gatter 204 ist über je einen Inverter 201, 203 mit dem
F-Signal und dem Ausgang des ersten D-Flipflops 16 sowie direkt mit dem zweiten
D-Flipflop 17 verbunden, b) das zweite UND-Gatter 205 ist direkt verbunden mit den
Ausgängen beider D-Flipflops 16, 17 und dem F-Signal,
c) das dritte
UND-Gatter 206 ist über je einen Inverter 202, 203 an die Ausgänge der beiden D-Flipflops
16, 17 und direkt an das F-Signal angeschlossen, d) das vierte UND-Gatter 207 ist
über Je einen Inverter 201, 202 an den Ausgang des zweiten D-Flipflops 17 und das
F-Signal und direkt an den Ausgang des ersten D-Flipflops 16 angeschlossen.
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Die Zündimpulse für die beiden nicht zwangskommutierten Hauptthyristoren
1, 2 werden direkt über den Inverter 203 aus dem Ausgang des ersten D-Flipflops
16 abgeleitet.
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Zum besseren Verständnis soll nachfolgend kurz die Funktionsweise
der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung erläutert werden: Bei jedem Wechsel des von
der übergeordneten Regelungseinrichtung kommenden Signals F, d.h. beim Wechsel von-Freilauf-
auf Durchschaltbetrieb oder umgekehrt, wird im Monoflop 15 ein Flankenimpuls abgeleitet,
der auf den Takteingang der beiden D-Flipflops 16, 17 gegeben wird. Bei jedem Wechsel
des Signals F werden daher die an den D-Eingängen der D-Flipflops 16, 17 anstehenden
Signale B und K an den statischen Zuordner 20 weitergereicht, der aus den Zuständen
der logischen Signale B, F und K die entsprechenden Zündzeitpunkte für die Thyristoren
1 bis 8 festlegt. über die beiden UND-Gatter 18, 19
wird jeweils
einer der beiden zwßngskommutierten Hauptthyristoren 3 bzw. 4 nachgezündet, wenn
der jeweils andere Thyristor 4 bzw. 3 gelöscht und die Umladung des Kommutierungskondensators
9 beendet ist. Auf diese Weise ist ein mehrmaliges Ein- und Ausschalten innerhalb
einer Netzperiode möglich. Die Kommutierung der beiden anderen Hauptthyristoren
erfolgt über das speisende Wechselstromnetz.
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Da beim Einschalten des Pulsstromrichters der Kommutierungskondensator
9 ungeladen ist, wird durch geeignetes Zünden z.B. des Hauptthyristors 1 und der
Löschthyristoren 5 und 8 bei maximaler positiver Stromrichtereingangsspannung ein
Gleichstrom über den Kommutierungskondensator 9 geleitet und dieser dadurch aufgeladen.
Dadurch wird eine zusätzliche Vorladeeinrichtung eingespart.
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Bei Polaritätswechsel der Stromrichtereingangsspannung werden die
Hauptthyristoren 2 und 3 zum Treiben gezündet. Die Richtung der Spannung am Kommutierungskondensator
9 ermöglicht es nun, den Hauptthyristor 3 durch Zünden der Löschthyristoren 6 und
7 zu löschen und damit den Pulsbetrieb aufzunehmen.
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Die erfindungsgemäße S
ung beinhaltet bei geringem Aufwand an starkstromseitigen Bauelementen und geringen
Durchlaßverlusten im Pulsstromrichter einen hohen Grad an Betriebssicherheit, wobei
das speisende Wechselspannungsnetz nur mit geringer Blind- und Verzerrungsleistung
belastet
wird und Gleichstrom und Gleichspannung nach den Erfordernissen
des Verbrauchers geregelt werden können.