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Stromrichterschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung für netzgeführten
und selbstgeführten Betrieb, mit einer ein- oder mehrfach folgegesteuerten Brückenschaltung,
die aus parallelen Zweigen besteht, in welchen je ein erster Thyristor, je eine
Diode und je ein zweiter Thyristor in Serie geschaltet sind, wobei die freien Elektroden
der ersten Thyristoren miteinander verbunden sind,wobei ferner an den Verbindungspunkt
von ersten Thyristoren und Dioden Löschkondensatoren zwischen die parallelen Zweigen
geschaltet sind und wobei schließlich an die Verbindungspunkte zwischen Dioden und
zweiten Thyristoren die Pole von echselspannugsquellen anschließbar sind.
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Gleichrichterschaltungen für elektrische Triebfahrzeuge, die als folgegesteuerte,
löschbare Brückenschaltungen ausgebildet sind, sind bekannt. Dabei bedeutet Folgesteuerung
die Reihenschaltung von Teilstromrichtern,
wobei immer nur ein Stromrichter
den gesamten Steuerbereich durchläuft, während sich alle anderen in einer der beiden
Steuerungsendstellungen befinden.Folgesteuerung ist sowohl bei vollgesteuerten als
auch bei halbgesteuerten Brückenschaltungen möglich.
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Im Zusammenhang mit der Folgesteuerung ist bekannt, eine An- und Abschnittssteuerung,
d.h. eine sogenannte Sektorsteuerung, vorzusehen.
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Es ist weiterhin neben der gleichstromseitigen Folgesteuerung auch
die wechselstromseitige Folgesteuerung mehrerer Stromrichter bekannt.
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Insbesondere aus der DE-OS 25 30 961 ist-eine Gleichrichterschaltung
der eingangs beschriebenen Art bekannt, die als Brückenschaltung ohne Kommutierungsthyristoren
für den Ein- und Zwei-Quadranten-Betrieb geeignet ist und die es gestattet, den
Grundschwingungs-Leistungsfaktor zwischen Netzspannung und Netzstrom in weiten Grenzen
einzustellen, so daß eine Leistungsfaktor-Optimierung bei relativ geringen Schaltungsaufwand
ermöglicht wird. Zur Realisierung des netzrückwirkungsarmen Betriebs enthält die
bekannte Schaltung Einrichtungen zum Löschen gerader leitender Thyristoren. Diese
Löscheinrichtungen ermöglichen einen teilweise-netzgeführten und teilweise selbstgeführten
Betrieb.
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Es sind auch schon Schaltungsanordnungen bekannt, die es erlauben,
einem Gleichstromverbraucher aus einer konstanten Gleichspannungsquelle unterschiedliche
Spannungspegel zuzuführen. Aus der DE-OS 23 46 180 ist beispielsweise eine derartige
Gleichstromstellerschaltung zur Impulssteuerung
der Spannung eines
induktiv behafteten Verbrauchers bekannt, bei der ein steuerbares Hauptventil durch
den Verbraucher und einer Gleichspannungsquelle angeordnet ist und die eine dem
Hauptventil parallel geschaltete Löscheinrichtung aufweist, die aus der Reihenschaltung
eines Löschkondensators mit mindestens einem steuerbaren Löschventil besteht.
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Desweiteren ist dem Verbraucher ein steuerbares Freilaufventil zugeordnet,
daß dann zündbar ist, wenn die Spannung am Löschkondensator einen vorgegebenen Grenzwert
überschreitet, der über dem Gleichspannungswert der Gleichspannungsquelle und unter.dem
der Durchbruchs spannung des Hauptventils liegt. Diese bekannte Schaltungsanordnung
hat jedoch den Nachteil, daß sie auf induktive Verbraucher beschränkt ist und insbesondere
für Verbraucher mit Gegenspannung ungeeignet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichterschaltung
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie sowohl als Gleichrichter
als auch als Gleichstromsteller eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Gleichspannungsquelle
vorgesehen ist, die an die freien Elektrode zweier zweiter Thyristoren anschließbar
ist, daß zwischen den freien Elektroden aller zweiten Thyristoren Kondensatoren
geschaltet sind und daß ein Schütz vorgesehen ist, dessen erster Satz von Kontakten
die Wechselspannungsquelle mit den zugehörigen Verbindungspunkten und dessen zweiter
Satz von Kontakten die freien Elektroden der zweiten Thyristoren untereinander verbindet,
so lange die Schaltung als Gleichrichter arbeitet und die Gleichspannungsquelle
abgeschaltet ist, und dessen Kontakte geöffnet sind, solange die Schaltung als Gleichstromsteller
arbeitet und die Gleichspannungsquelle angeschaltet ist.
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Damit ergeben sich die Vorteile, daß die bekannte Gleichrichterschaltung
ohne zusätzliche Halbleiterelemente lediglich durch den Einsatz eines Schützes auch
als Gleichstromsteller eingesetzt werden kann, daß die Löscheinrichtung auch im
Gleichstromstellerbetrieb ohne Induktivität auskommt, und daß die Zünd- und Löschfolge
der steuerbaren Thyristoren so gewählt werden kann, daß sich eine lastabhängige
Kommutierung ergibt, d.h. daß die Größe der Löschkondensatorspannung frei wählbar
ist. Außerdem ist die erfindungsgemäße Schaltung im Gleichstromstellerbetrieb auch
für Verbraucher mit Gegenspannung geeignet.
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Vorzugsweise sind in Serie zur Gleichspannungsquelle ein Gleichstromschalter
und eine Drc;selspule angeordnet. Die Drosselspule bildet zusammen mit den die-freien
Elektroden der zweiten Thyristoren verbindenden Kondensatoren eine Filterschaltung
zur Glättung der im Gleichstromstellerbetrieb der Gleichspannungsquelle entnommenen
Stromimpulse.
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Der Gieichstromschalter dient dazu, im Gleichrichterbetrieb, wenn
die freien Elektroden der zweiten Thyristoren untereinander verbunden sind, die
Gleichspannungsquelle von der Stromrichterschaltung abzutrennen.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt eine einstufig zünd- und löschbare Schaltungsanordnung,
geschaltet als Brückengleichrichter.für Einphasen-Wechselstrom.
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Fig. 2 zeigt eine zweistufig ziind- und löschbare Schaltungsanordnung,
geschaltet als Gleichstromsteller.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen verschiedene Verläufe der Gleichspannung
am Ausgang der Schaltungsanordnung nach Figur 2 Die in Figur 1 gezeigte Stromrichterschaltung
ist eine Brückenschaltung für netzgeführten und selbstgeführten Betrieb. Man erkennt
zwei parallele Zweige, in welchen je ein erster Thyristor n 1, n 3, je eine Diode
n lol w n 3.1 und je ein zweiter Thyristor n 2, n 4 in Serie geschaltet sind. Die
freien Elektroden der ersten Thyristoren n 1, n 3 sind miteinander verbunden. An
diesen Verbindungspunkt ist eine Gleichstromglättungsdrossel Ld angeschlossen, an
der die in ihrer Größe steuerbare Ausgangsspannung Ud abgegriffen werden kann. An
den Verbindungspunkten zwischen ersten Thyristoren n 1, n 3 und Dioden n 1.1, n
3.1 ist zwischen den parallelen Zweigen ein LöschKondensator CL angeschaltet.
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An den Verbindungspunkten zwischen Dioden n 1.1, n 3.1 und den zweiten
Thyristoren n 2, n 4 sind die beiden Pole einer einphasigen Wechselspannungsquelle
Uw über einen Transformator TR angeschlossen. Dabei ist in der einen Leitung, die
vom Transformator TR kommt, ein erster Kontakt k 1.1 eines (nicht dargestellten)
Schütz angeordnet, der eine wahlweise Verbindung oder Abtrennung der Wechselspannung
UX, erlaubt.
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Die freien Elektroden der zweiten Thyristoren n 2, n 4 sind über einen
zweiten Kontakt k 2.1 des Schütz miteinander verbunden und bilden den negativen
Pol der Ausgangsspannung Ud.
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Parallel zu dem zweiten Kontakt k 2.1 ist ein Kondensator CF geschaltet,
dem wiederum eine Serienschaltung aus einer Filterdrossel LF, einem Gleichstromschalter
S und einer Gleichspannungsquelle UG parallel geschaltet ist. Da im vorliegenden
Beispiel die Schaltungsanordnung mit Hilfe der Kontakte k 1.1, k 2.1 als Gleichrichter
geschaltet ist, ist die Gleichspannungsquelle UG über den geöffneten Gleichstromschalter
S von der Schaltung abgetrennt.
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Die in Figur 1 dargestellte Schaltung ist für den Zwei-Quadranten-Betrieb
geeignet und erlaubt sowohl die An- als auch die Abschnittssteuerung. Der Anschnitt
der Ausgangsspannung Ud wird durch Zünden der zweiten Thyristoren n 2, n 4 beeinflußt
und der Abschnitt der Ausgangsspannung Ud durch Zünden der ersten Thyristoren n
1, n 3.
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Durch Öffnen der Kontakte k 1.1, k 2.1 des Schützes und Schließen
des Gleichstromschalters S wird die Umschaltung vom Gleichrichterbetrieb zum Gleichstromstellerbertrieb
vorgenommen. Die Schaltung arbeitet dann folgendermaßen: Zunächst sei der Thyristor
n 3 gezündet. Anschließend folgt die Zündung des Thyristors n 1 Schließlich wird
der Thyristor n 2 gezündet. Bezüglich der Löscheinrichtung können die Stromrichterventile
n 2, n 1.1 und n 4, n 3.1 als Sperrventile angesehen werden.
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Während der Freilaufphase befinden sich im eingeschwungenen Zustand
die beiden Thyristoren n 1, n 2 im gesperrten und die Thyristoren n 3, n 4 im leitenden
Zustand. Der ausgangsseitige Gleichstrom fließt durch den Thyristor n 4, die Diode
n 3.1, den Thyristor n 3, die Ausgangsdrosselspule Ld und die (nicht dargestellte)
Last weiter.Über dem gesperrten Thyristor n 1 liegt als positive Sperrspannung die
Spannung am Kondensator CL.
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Die Kommutierung des Ausgangsstromes aus dem Freilaufkreis in den
Kreis mit der Gleichspannungsquelle UG läuft in zwei Schritten ab. Zunächst wird
der Thyristor n 1 gezündet. Der Ausgangsstrom kommutiert sofort über den Löschkondensator
CL auf den Thyristor n 1 über. Die Änderung der Kondensatorspannung wird durch den
Ausgangsstrom bestimmt. Sobald die Polarität der Kondensatorspannung sich
gegenüber
der des Ausgangs zustandes geändert hat und der dabei auftretende Spannungswert
am Kondensator CL ausreicht, um eine sichere Kommutierung des Ausgangsgleichstromes
auf den linken Brückenzweig zu gewährleisten, wird der Thyristor n 2 gezündet. Der
Ausgangsstrom kommutiert dann sofort in den Stromkreis, bestehend aus Gleichspannungsquelle
Ud, Thyristor n 2, Diode n 1.1 und Thyristor n 1.
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Die Kommutierung des Ausgangsgleichstromes aus dem Stromkreis über
die Gleichspannungsquelle in den Freilaufkreis wird durch Zünden des Thyristors
n 3 eingeleitet.
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Mit Hilfe einer geeigneten Steuereinrichtung kann die Spannung am
Löschkondensator CL in Abhängigkeit vom Ausgangsgleichstrom so eingestellt werden,
daß der Zeitraum, während dem eine negative Sperrspannung am Thyristor n 1 anliegt,
immer gleich der Schonzeit des Thyristors n 1 ist. Dies wird durch eine lastabhängige
Einstellung der Spannung am Löschkondensator CL erreicht. Die untere Aussteuerungsgrenze
der Schaltungsanordnung im Gleichstromstellerbetrieb, die abhängig ist vom kleinsten
Ausgangsgleichstrom und dem Spannungshub am Löschkondensator CL, kann durch die
konstante Schonzeit günstiger ausgelegt werden.
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Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die gegenüber der in Figur
1 dargestellten für einen zweistufigen Betrieb ausgelegt ist und deshalb einen dritten
Brückenzweig mit erstem Thyristor n 5, Diode n 5.1 und zweitem Thyristor h 6 enthält.
Die Stellung der Schützkontakte k 1.1, k 1.2, k 2.1, k 2.2 ist für den Gleichstromstellerbetrieb
gezeichnet. Aus diesem Grund ist auch der Gleichstromschalter S geschlossen.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen den zeitlichen Verlauf der Gleichspannung
Ud der in Figur 2 dargestellten Schaltung im Gleichstromstellerbetrieb. Der in Figur
3 dargestellten Spannungsverlauf, bei dem die Ausgangsgleichspannung Ud nur jeweils
bis maximal auf die halbe Höhe der Gleichspannungsquelle UG ansteigt, ergibt sich,
wenn neben dem als Freilaufkreis für den (in Figur 2 nicht dargestellten) Verbraucher
wirkenden rechten Brückenzweig, bestehend aus ersten Thyristor n 3, Diode n 3ol
und zweiten Thyristor n 4, nur jeweils der mittlere Brückenzweig,bestehend aus erstem
Thyristor n 5, Diode n 5.1 und zweitem Thyristor n 6 gezündet wird, so;Wie das bei
der Beschreibung der Figur 1 erläutert wurde. Als Spannungsquelle dient dann jeweils
nur der Kondensator CF 2, der infolge seiner Serienschaltung mit dem anderen Kondensator
CF 1 nur jeweils auf die Hälfte der Gleichspannung UG aufgeladen ist.
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Der in Figur 4 dargestellte Verlauf der Ausgangsgleichspannung Ud
ergibt sich, wenn aus der linke Brückenzweig der Figur 2, bestehend aus ersten Thyristor
n 1, Diode n 1,1 und zweiten Thyristor n 2 abwechselnd mit dem mittleren Brückenzweig,
bestehend aus ersten Thyristor n 5, Diode n 5.1 und zweiten Thyristor n 6 gezündet
wird. Diese Spannungsverläufe der Ausgangsgleichspannung Ud ermöglichen eine günstige
Dimensionierung der Glättungsdrossel Ld.
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Aus einem Vergleich der Figuren 1 und 2 sieht man sofort, daß die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch in einfacher Weise für einen drei- und
mehrstufigen Betrieb erweitert werden kann, in dem weitere Brückenzweige, bestehend
aus erstem Thyristor, Diode und zweitem Thyristor parallel angeordnet und mit Löschkondensatoren
CL und Filterkondensatoren CF und Kontakten k untereinander und mit der einphasigen
Wechselspannungsquelle UW verbunden wird Mit
zunehmender Stufenzahl
wird die Welligkeit der Ausgangsgleichspannung sowohl im Gleichrichterbetrieb als
auch im Gleichstromstellerbetrieb weiter verringert, wodurch die Rückwirkungen auf
die speisenden Netze, insbesondere auf das Wechselspannungsnetz verringert werden.
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Die erfindungsgemäße Stromrichterschaltung eignet sich zur Speisung
von Verbrauchern, die sowohl aus einem Wechselspannungsnetz als auch aus einem Gleichspannungsnetz
versorgt werden. Typisches Einsatzgebiet sind elektrische Mehrsystem-Triebfahrzeuge.