DE2165959A1

DE2165959A1 - Verfahren zur steuerung eines stromrichters mit steuerbaren stromrichterventilen und ihnen zugeordneten loescheinrichtungen

Info

Publication number: DE2165959A1
Application number: DE2165959A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Bezold; Johannes Prof Dr Ing Foerster; Helmut Niehage
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1973-07-05
Also published as: JPS4873745A; CH547576A; AT314659B; DE2165959B2; JPS5414749B2; US3849718A; SE381145B; DE2165959C3; FR2170617A5

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

ITinnemann/ml Erf .-Nr.: B I 71/137 Min

Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen durch Zünden der steuerbaren Stromrichterventile bei einem beliebig einstellbaren Zündwinkel cO, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die gleichgerichtete Ausgangsspannung steuerbarer Stromrichter ist durch die Dauer und Lage der Stromführung der steuerbaren Stromrichterventile bestimmt und veränderbar. Die Stromflußdauer und Lage und damit die Höhe der gleichgerichteten Spannung wird im allgemeinen durch verzögertes Zünden der steuerbaren Stromrichterventile nach dem Anliegen positiver Spannung am entsprechenden Ventil verändert. Dadurch

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tritt neben der KommutierungsblindleistTing in erheblichem Maße auch Steuerblindleistung auf, die durch den Phasenunterschied zwischen der Spannung und dem nacheilenden Ventilbzw. Phasenstrom bedingt ist und durch einen niedrigen Leistungsfaktor λ bzw. Verschiebungsfaktor cos Ψ einen erheblichen Blindleistungsbedarf des steuerbaren Stromrichters bewirkt, der nicht nur zusätzliche Verluste verursacht, sondern auch zu Spannungsabfallen führt, was eine beachtliche größere zu installierende Leistung des Netzes bzw. speziell auch Aus-P legung der Stromrichter-Transformatoren bedingt als für die zu übertragende Wirkleistung allein erforderlich wäre. Zur Verringerung des induktiven Blindleistungsbedarfs der steuerbaren Stromrichter bzw. zur Erhöhung des Leistungsfaktors werden unsymmetrisch halbgesteuerte Stromrichter mit löschbaren Stromrichterventilen angewendet, wobei die Löschung der steuerbaren Stromrichterventile mit Hilfe von Kondensatoren und Thyristoren erfolgt.

fc Durch Verlegen des Zünd- und Löschzeitpunktes der steuerbaren Stromrichterventile werden die Flanken der gleichgerichteten Spannung während einer Halbperiode der am Stromrichter anliegenden Wechselspannung verschoben und somit der arithmetische Mittelwert der gleichgerichteten Spannung wahlweise vergrößert oder verkleinert. Infolge der beim Löschen der steuerbaren Stromrichterventile auftretenden Aus-

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sehaltspannungen, die durch die magnetische Energie in dem zu -unterbrechenden Kreis bedingt sind, können bei derartigen Stromrichteranordnungen zusätzliche Beanspruchungen der Schaltungselemente auftreten. Das ist einer der Gründe dafür, daß sich dieses Verfahren noch nicht allgemein durchgesetzt hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das den Eetrieb eines steuerbaren Stromrichters mit größtmöglichem. Leistungsfaktor ermöglicht, wobei unzulässige Spannungserhöhungen an den Bauelementen des Stromrichters infolge der Löschung zu berücksichtigen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die steuerbaren Stromrichterventile in einem einstellbaren Löschbereich nach dem Maximum des zu löschenden Ventilstromes vor dem ÜTulldurchgang der Speisewechsel spannung in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Ventilstromes bei einem Löschwinkel /3 gelöscht werden. Anh.and der Figuren Λ bis 3 soll das erfindungsgemäße Verfahren und ein Beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist die Betriebsweise dargestellt, die sich aus der Anwendung des erfiiidungsgemäßen Verfahrens ergibt.

Fig. 2 zeigt eine Stromrichteranordnung zur Durchführung des Verfahrens und .-

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Fig. 3 Strom- und Spannungsverläufe an Schaltungselementen der Stromrichteranordnung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Halbperiode einer angenommenen, sinusförmigen Speisewechselspannung U/^ sowie den arithmetischen Mittelwert U-, der gleichgerichteten Spannung, der sich aus der schraffiert dargestellten Spannungszeitfläche ergibt. Diese Spannungszeitfläche wird durch Zünden des jeweiligen steuerbaren Stromrichterventils bei «£ °el und Löschen bei /3°el erhalten. Erfindungsgemäß wird nun der Löschzeitpunkt bei /3 °el festgehalten und nur in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Stromes, der durch das betreffende Stromrichterventil fließt, in geringen Grenzen variiert, mit dem Ziel, die Spannungserhöhung infolge des Löschens unterhalb des Scheitelwertes der Speisewechselspannung zu halten. Zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Spannungszeitfläche und damit des arithmetischen Mittelwertes IK der gleichgerichteten Spannung wird der Zündzeitpunkt zu kleineren bzw. größeren Werten für den Zündwinkel ϋϋ el verlegt. Auf diese Weise wird der Leistungsfaktor λ. gegenüber dem Betrieb eines Stromrichters mit Kommutierung des jeweilig stromführenden steuerbaren Stromrichterventils nach dem lulldurchgang der Speisewechselspannung in erheblichem Maße vergrößert und damit die Hetzbelastung verringert. Dieses an sich bekannte Verfahren zur Verbesserung des Leistungsfaktors Λ des Stromrichters wird damit verbunden, daß das jeweilig stromführende

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steuerbare Stromrichterventil zu einem Zeitpunkt gelöscht wird, bei dem die Gefahr des Auftretens von Überspannungen an den Bauelementen des Stromrichters nicht besteht.

Das Auftreten von Überspannungen an den Sekundärklemmen des Stromrichtertransformators ist dadurch bedingt, daß im Augenblick des Löschens des zu diesem Zeitpunkt stromführenden steuerbaren Stromrichterventils der Wechselstrom im Stromrichtertransformator unterbrochen wird. Die in den Induktivitäten des Wechselstromkreises gespeicherte magnetische Energie beträgt:

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mit der resultierenden Induktivität L des Wechselstromkreises ('Iransformatorwicklung, Zu- und Ableitungen) sowie dem Augenblicksitfert des Speisewechselstromes i. Diese Energie muß von den zur Löschung der steuerbaren Stromrichterventile erforderlichen Löschkondensatoren aufgenommen werden, so daß die Energiebilanz lautet:

E = ^- L i² = ^ G (U² - u_L ²)

wobei C die Kapazität und u_T die Spannung an den Löschkonden satoren vor der Löschung und ü nach der Löschung ist.

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Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält einen Stromrichter mit steuerbaren Stromrichterventilen 3» 4· und nicht steuerbaren Stromrichterventilen 1, 2 in Brückenschaltung und einen in der Brückendiagonalen befindlichen Transformator 23 j an dessen Primärwicklung die Speisewechselspannung U/v angeschlossen ist, sowie Je eine Jedem steuerbaren Stromrichterventil 3) 4· zugeordnete Löscheinrichtung, die aus der Reihenschaltung Je eines Löschthyristors 5 bzw. 6 und Je eines Löschkondensators 7 bzwe 8 besteht. Zur Aufladung der Löschkondensatoren 7> 8 sind Ladedioden 9) 10 vorgesehen. Die gleichstromseitige Last ist gegeben durch die Reihenschaltung einer Glättungsinduktivität 11 mit einem Gleichstrommotor 12. Während die steuerbaren Jtromrichterventile 3? 4- ihre Zündimpulse von einem Steuergerät 24· erhalten, dienen Impulsgeber 17 und 18 zur Abgabe von Zündimpulsen an die Löschthyristoren 5, 6, 'J-ie mit ihrem Zünden die Entladung des ihnen in Reihe geschalteten Löschkondensators 7 bzw. 8 und damit die Löschung des ihnen zugeordneten steuerbaren Stromrichterventils 3 bzw. 4- bewirken. Die Erzeugung der Zündimpulse für die Löschthyristoren 5? 6 geschieht in der Weise, daß eine netzsynchrone Dreieckspannung mit einer Gleichspannung verglichen wird. Die netzsynchrone Dreieckspannung wird in Je einem, Jedem der beiden Impulsgeber 17i vorgeschalteten Dreiecksgenerator 1-'-J-, 15 erzeugt, wobei zur Synchronisierung mit der Speisewechselspannung ILv den Dreiecksgeneratoren 14, 15 eine Synchronisierungseinrichtung 13» in deren Eingang die Speisewechselspannung U/v eingegeben wird,

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vorgeschaltet ist. Die Gleichspannung wird in dieser Anordnung γόη einen ersten Gleichspannungsgeber 16 als einstellbarer Wert vorgegeben, wobei der erste Gleichspannungsgeber -16 auch durch einen Regelkreis ersetzt werden kann. Den Impulsgebern 17, 18 sind weiterhin zwei Kippstufen 20, 21 vorgeschaltet, die die Abgabe der Zündimpulse der Impulsgeber 17, 18 an die Löschthyristoren 5» 6 so lange blockieren, bis der von einer den Kippstufen 20, 21 vorgeschalteten Istwertweiche 19 erfaßte Speisewechselstrom einen Schwellwert unterschreitet. Der Ausgang des zweiten Gleichspannungsgebers 22 ist dabei ebenfalls direkt Kit den Eingängen der beiden Kippstufen 20, 21 verbunden. Anhand der Fig. 3 der Zeichnung soll die Wirkungsweise dieser Anordnung näher erläutert werden. In Fig. 3a ist ein angenommener zeitlicher Verlauf der Speisewechselspannung U/v ? in -Fig. 3b der des Speisewechselstromes i sowie in Fig. 3c der Verlauf der Spannung am Ausgang der Istwertweiche 19 dargestellt. Der Verlauf dieser Kurven legt zusammen mit den von den beiden Gleichspannungsgebern 16 und 22 abgegebenen Gleichspannungswert U^g bzw. U₂O den Augenblick der Abgabe des Zündimpulses an den betreffenden Löschthyristor 5 bzw. 6 fest. Bei einem angenommenen, schwach induktiven Betrieb des Stromrichters findet der Hulldurchgang des Speisewechselstromes i bei einem Winkel CU*^t 180°el statt, während der Nulldurchgang der Speisewechselspannung auf 180 .el festgelegt wird. Die mit der Speisewechselspannung U/v synchronisierte Dreieckspannung Ua bestimmt zusammen mit der vom ersten Gleichspannungsgeber 16 abgegebenen Gleichspannung U_-^ die vordere Lage cO * des Zündwinkels für

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die Löschthyristoren ^, 6. Diese vordere Lage ⁰C-Z* des Zündwinkels kann - wie dem Diagramm leicht zu entnehmen ist durch Vergrößern bzw. Verringern der Gleichspannung U^g varriert werden. Wie der vorangegangenen Beschreibung der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird eine Impulsbildung durch Impulsgeber 17, 18 so lange durch die Kippstufen 20, 21 blockiert, bis der in der Istwertweiche 19 erfaßte und von ihr in zwei getrennte, dem Speisewechselstrom äquivalente Spannungen U^q umgeformte Speisewechselstrom den durch den zweiten Gleichspannungsgeber 22 als Gleichspannungswert U22 vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Das ist bei einem elektrischen Winkel ol>p* der Fall. Da zu diesem Zeitpunkt auch die Bedingung erfüllt ist, daß die synchronisierte Dreieckspannung Ua den vom ersten Gleichspannungsgeber 16 vorgegebenen Spannungspegel U^g überschritten hat, wird vom betreffenden Impulsgeber I7 bzw. 18 bei ^2*°^{θ1 ein} Zündimpuls an den zugeordneten Löschthyristor 5 bzw. 6 abgegeben (Fig. 3c).

Mit dieser Betriebsweise und unter Zuhilfenahme der eifLndungsgemäßen Anordnung wird zusammenfassend folgendes erreicht:

a) Die Variation des arithmetischen Mittelwertes erfolgt durch Verlegen des Zündwinkels oi> el der steuerbaren Stromrichterventile.

b) Der Leistungsfaktor λ. des Stromrichterbetriebes wird durch Löschen der steuerbaren Stromrichterventile vor dem Bulldurchgang der Speisewechselspannung bei einem Löschwinkel ß°el erhöht.

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c) Die Löschung der steuerbaren Stromrichterventil erfolgt in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Ventilstromes, mit dem Ziel, daß die Spannungserhöhung unterhalt) des ocheitelwertes der Speisewechselspannung liegt.

9 Seiten Beschreibung

3 Patentansprüche

2 Blatt Zeichnungen mit 7 -Figuren

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Claims

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Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 2 1 6 O 9 5 9 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Hinnemann/ml Erf.-CTr.: B I 71/157 Nm

Patentansprüche

rl J Verfahren zur Steuerung eines Stromrichters mit steuerbaren Stromrichterventilen und ihnen zugeordneten Lösch-einrichtungen durch Zünden der steuerbaren Stromrichterventile bei einem beliebig einstellbaren Zündwinkel <.· , dadurch gekennzeichnet,

daß die steuerbaren Stromrichterventile in einem einstellbaren Löschbereich nach dem Maximum des zu löschenden

der Ventilstromes vor dem Nulldurchgang Speisewechsel spannung in Abhängigkeit vom Momentanwert des zu löschenden Ventilstromes bei einem Löschwinkel /3 gelöscht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dreieckspannung mit ge einer Halbperiode der Speisewechsel spannung synchronisiert und mit einem einstellbaren ersten Gleichspannungswert verglichen wird, wobei der Schnittpunkt von Dreieckspannung und erstem Gleichspannungσ wert den Beginn des Löschbereiches festlegt, daß der Speisewechselstrom mit einem einstellbaren Gleichspannungswert

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verglichen wird, und daß die Löschung der steuerbaren Stromrichterventile bewirkt wird, wenn der Speisewechselstrom den zweiten Gleichspannungswert innerhalb des Löschbereichs unterschreitet.

Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, für eine Löscheinrichtung, die aus Löschkondensatoren, Löschthyristoren und Ladedioden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschthyristoren (5j 6) von je einem Impulsgeber (17} 13) angesteuert werden, die eingangsseitig sowohl mit je einem Dreieckgenerator (14-, 15) und einem ersten Gleichspannungsgeber (16) als auch mit <je einer Kippstufe (20, 21) und einem zweiten GIeichspannungsgeber (22) verbunden sind, wobei den Dreiecksgeneratoren (14-, 15) eine gemeinsame Synchronisierungseinrichtung (15), die eingangsseitig mit der Speisewechselspannung verbunden ist, und den Kippstufen (20, 21) eine gemeinsame Istwertweiche (19) vorgeschaltet ist, der über einen Stromwandler der Speisewechselstrom zugeführt wird.

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