DE2339576C2 - Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Speiseschaltung für einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromverbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Speiseschaltung ist aus dem Hauptpatent 21 59397 bekannt.

Bei derartigen Speiseschaltungen ist anzustreben, daß dem Wechselspannungsnetz nur Wirkleistung entzogen wird. Bei reiner Wirkbelasturg eines Einphasennetzes, dessen Spannung sinusförmig schwingt, ist dem zeitlich konstanten Mittelwert der entnommenen Leistung bekanntlich eine mit doppelter Nttzfrequenz sinusförmig schwingende Leistungskomponente überlagert, deren Amplitude ebenso groß ist, wie der zeitlich konstante Anteil der Leistung. Wenn dem Wechselstromnetz lediglich Wirkleistung entzogen werden soll, so ist es notwendig, einen verlustlosen Übertrager ohne Energiespeicher zwischen Wechselstromnetz und Gleichstromseite zu schaffen, dessen Übersetzungsverhältnis sich zeitsynchron mit der Wechselspannung stetig ändert.

Bei der Speiseschaltung gemäß Hauptpatent ist versucht worden, dem Wechselstromnetz nur Wirkleistung zu entnehmen über eine Annäherung des gewünschten Zeitverlaufs von Strom und Spannung der Wechselstromseite durch Breitenmodulation der Benutzungsintervalle auf der Gleichstromseite.

Nachteilig daran ist, daß die Halbleitersteller so ausgelegt sein müssen, daß sie den Verbraucherstrom auf der Wechselstromseite in voller Höhe zu löschen im Stande sein müssen. Da die Stromkreise immer Induktivitäten enthalten, bedarf es hierzu einer entsprechend ausgelegten Löscheinrichtung und einer entsprechenden spannungsmäßigen Überdimensionierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertrager zwischen Wechselstrom und Gleichstromseite der eingangs genannten Art zu schaffen, der den Verbraucherstrom nicht in voller Höhe ändert, sondern dessen Übersetzungsverhältnis in endlich großen Stufen sprunghaft geändert werden kann, so daß einerseits die notwendige Überdimensionierung verringert werden und zugleich der technische Aufwand bei gleicher Leistungsfähigkeit, bei gegenüber dem bekannten weniger hohem Oberwellengehalt und größerem Leistungsfaktor erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. In diesem Zusammenhang sind gleichstromseitige und wechselstroinseitige Folgeschaltungen bereits aus ZEV-Glasers Annalen 97 (1973) Nr. 2/3, S. 87—92 bekannt. Im bekannten Fall sind jedoch lediglich steuerbare und nicht zwangslöschbare Ventile vorgesehen. Durch den Einsatz zwangslöschbarer Ventile beim Erfindungsgegenstand kann vorteilhaft auch der absteigende Ast einer Sinushalhwelle stufenförmig geschaltet werden, was eine reduzierte Oberwellenbelastung des speisenden Netzes zur Folge hat. In diesem Zusammenhang sind Folgeschaltungen auch aus Elektrische Bahnen, H. 1 (43. Jahrgang 1972) S. 13-19 bekannt. Dabei sind die Folgeschaltungen teilweise löschbar ausgestaltet, was eine Ausschnitt- oder Sektorsteuerung ermöglicht. Es ist jedoch nicht vorgesehen, die Sekundärwicklungen eines Netztransformators mit Anzapfungen zu versehen, d.h. eine wechselstroinseitige Folgeschaltung ist nicht realisierbar.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Steller nuraiit der Differenz-Spannung zwischen den einzelnen Teilsp&mwngen (*er verschiedenen Teilwicklungen belastet werden. Außerdem ist der zu löschende Strom mit einer entsprechend dem Übersetzungsverhältnis verkleinerten wirksamen Induktivität gekoppelt.

Des weiteren wird auch dem speisenden Wechselspannungsnetz in hohem Maße Wirkleistung und nur wenig Verzerrungsblindleistung entnommen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2a ein Diagramm der in Abhängigkeit von der Zeit eingeschalteten Übersetzungsverhältnisse,

Fig. 2b die Abhängigkeit der gleichstromseitigen Ausgangsspannung von der Zeit.

Die Bezugszeichen der nachfolgenden Beschreibung entsprechen nicht den Bezugszeichen des Hauptpatents.

Mit Ziffer 1 ist in der Fig. 1 das speisende einphasige Wechselspannungsnetz bezeichnet, das einen Netztransformator 2 speist, der eine Primärwicklung 3 (Windungszahl W) und sowohl eine erste Wicklung 4 als auch eine zweite Wicklung 5 auf der Sekundärseite aufweist, wobei die erste Wicklung 4 weiterhin in eine Teilwicklung 6 und eine Teilwicklung 7 und die zweite Wicklung 5 in eine Teilwicklung 8 und eine Teilwicklung 9 unterteilt sind. Die Unterteilung der ersten Wicklung 4 in die Teilwicklungen 6 und 7 geschieht mit einem Anschlußpunkt

10 in Form einer Anzapfung, welche mit dem Mittelpunkt

11 eines Brückendweigpaares eines ersten Vollwellengleichrichters 12 verbunden ist, der aus den steuerbaren, zwangslöschbaren Ventilen T_x, T₂, T₃, T₄ und den Dioden D₁ und D₁ besteht, welche in ihrer Gesamtheit eine Brückenschaltung bilden. Ein weiterer An^chlußpunkt 13 der Wicklung 4 ist dem aus den Ventilen T₁ , T₂ bestehenden Brückenzweigpaar des Vollwellengleichrichters 12 zugeordnet, ein zweiter Anschlußpunkt 14 dagegen einem aus den Ventilen 7"₃, T₄ bestehenden Brückenzweigpaar des Vollwellengleichrichters 12. Analog ist der zweiten Wicklung 5 ein zweiter VoUwellengleichrichter 15 zugeordnet, der als Brückenscbaltung ausgebildet ist, wobei die einzelnen Brückenzvsigpaare aus den Ventilen T_s, Tf, bzw. T₁, Tg bzw. den Dioden D₃, D₄ bestehen. Analog ist die Anzapfung 16 der zweiten Wicklung 5 mit dem Mittelpunkt 17 des aus den Dioden D₃, D₄ bestehenden Zweigpaares des Vollwellengleichrichters 15 verbunden, der erste Anschluß der zweiten Wicklung 5 mit dem Mittelpunkt 18 des aus den Ventilen T₅, T₆ bestehenden Brückenzweigpaares und der zweite Anschlußpunkt mit dem Mittelpunkt 19 des aus den Ventilen T₁, T_s bestehenden Brückenzweigpaares. Die beiden VoUwellengleichrichter 12, 15 sind gleichstromseitig in Reihe ge- schaltet und speisen über ein Filter 20 den Gleichstromverbraucher 21, der in diesem speziellen Fall als Reihen-r schlußmotor ausgebildet ist. Zu bemerken ist "noch,-daß die Teüwicklung 7 die Windungsanzahi »r aufweist, daß die Teilwicklung 9 die Windungszahl 2ir aufweist, daß die Teüwicklung 8 die Windungszahl 4u· aufweist und daß die Teüwicklung 6 die Windungszahl 8κ· aufweist, d.h. die Windungszahlen der Teilwicklungen verhalten sich zueinander wie 1:2. Selbstverständlich sind diese ■Windungsverhältnisse nur beispielhaft, d.h. es können

für andere Ausführungsbeispiele auch andere Übersetzungsverhältnisse, zusätzlicheTeilwicV.ungen und höhere Windungszahlen vorgesehen werden.

Ferner ist im Wechselstromkreis ein Meßgerät 22 vorgesehen, das entweder Strom oder Spannung, die hier gleichphasig sind, erfaßt und an ein Regel- und Steuergerät 23 weitergibt, das über seine Ausgänge 24 die steuerbaren Ventile T₁...T₆ ansteuert. Die Anordnung arbeitet wie folgt: Im Verlauf der ersten Halbwelle des Wechselspannungs netzes wird die Teilwicklung 7 mit dei kleinsten Win dungszahl ir in den Verbraucherkreis durch Zünden von T₂ eingeschaltet. Der Strom nimmt dann seinen Weg über den Mittelpunkt 11, die Diode D₁, das Filter 20, den Verbraucher 21, die Dioden £>₄, D₃ und den gezün deten Thyristor T₂ zum Mittelpunkt 13. Anschließend wird die der Teüwicklung 9 anliegende größere Teilspannung, die aus dem Windungsverhältnia 2ir der Teüwicklung 9 resultiert, eingeschaltet, indem Ventil T₂ gelöscht wird durch das Steuergerät 23 und zugleich der Thyristor T₈ gezündet wird. Nun nimmt der Strom seinen Weg über Thyristor T₈, Mittelpunkt 19, Teüwicklung 9, Mittelpunkt 17, Diode D₃, D₂, D₁, Filter 20 und Verbraucher 21. Dem nächsten Zeitabschnitt wird noch Teüwicklung 7 in Reihe mit der Teüwicklung 9 ge schaltet, indem Ventil T₂ gezündet wird. Dadurch liefern Teüwicklung 7 und 9 eine Spannung, die dem dreifachen Wert der Teilspannung entspricht, die Teüwicklung 7 alkine liefern könnte. Im nächsten Zeitabschnitt wird die Teüwicklung 8 mit dem Übersetzungsverhältnis 4ir zu geschaltet und die Teilwicklungen 7 und 9 mit dem ge meinschaftlichen Übersetzungsverhältnis 3»· abgeschaltet. Dies geschieht durch Zünden des Ventils T_s. und Löschen der Ventile T₂ und Γ₈. Der Stromweg geht nun über Mittelpunkt 17, Teüwicklung8, T₅, D₂, D_x, Filter 20, Verbraucher 21 und D₄.

Es folgt am Schiuß der vorliegenden Bi Schreibung eine Tabelle der anliegenden Teilwicklungen, Übersetzungsverhältnisse und der Stromwege. Im Verlauf der zweiten Viertclperiode der Halbwelle

wird das Übersetzungsverhältnis durch das Steuerwerk 23 wieder schrittweise verringert.

Es ist auch möglich, nicht die volle Wenhsälstrotnamplitude auszunutzen, sondern, wie in Fig. 2b gezeigt wird, einen geringeren Amplitudenwert als den maximal möglichen auf den Verbraucher 21 wirken zu lassen, beispielsweise indem nur die Teilwicklungen 7, 9 und 7 und 9 im Verlauf der Periode zu- und abgeschaltet werden.

5 6

Da die Windungszahlen der Teilwicklungen sich wie und Last 21 erhält man als Produkt ausder Netzspannung

1:2:4:8 im Zusammenwirken mit den Brückenzweigen tu =/>. · cos αι. ι und der durch die vorstehende Glei-

verhalien, lassen sich 15 verschiedene, zueinander abge- chung beschriebenen Spannungsübersetzung ü_u:

stufte Beträge der Spannungsübersetzung verwirklichen ι/.

(Fig. 2a). Für die M-te Übersetzungsstufe (Spannungs- 5 """T +cos2w./) +

übersetzung) gilt: ι/.

+ -r- Σ «ν [cos(v — 1) (u. / + cos(v+ I) ο. ι]

"""~15„ -_]5 ^s'gⁿ"-. «-Ο. 1.2....15 mitv = (2/i*+l) + 2r;r = O, 1.2,3.... wobei Γ/. = Schei-

wobei«. = Netzspannung, lelwert der Netzspannung.

τ Die gleichstromseitige Spannung u_s des Stromrichters.

In Fig. 2a ist ferner die Idealkurve ii„~ ^ · los o. t deren Verlauf in Fig. 2 b dargestellt ist. enthält folgende

für die beiden Werte A = 60 29 und A= 15 dargestellt omponenen. ^

(A = maximal vorgebbares Übersetzungsverhältnis). Die ^{eine konstante} Spannung ■- = u .

Fig. 2a zeigt ferner, wie mit Hilfe der zur Auswahl !5 eine mit doppelter Netzfrequenz harmonisch schwin-

stehenden Übersetzungsverhältnisse ü_um der Idealverlauf gende Wechselspannung (/.. cos 2<»./.

durch die wirkliche Spannungsübersetzung H₁₁ gut ange- eine verzerrte Wechselspannung, die nur Harmonische

nähen werden kann. Bei entsprechender Wahl der Win- mit den geraden Ordnungszahlen ν > 2n* enthält.

kc! ϊ, .. .3„. bei denen ein Wechsel von der Übersetzung Es »st leicht möglich, die Daten des Parallelschwing-

ü„„ auf die mit der nächst kleineren Ordnungszahl er- 20 kreises 20 so auf die Induktivität des Verbrauchers abzu-

folgt. kann erreicht werden, daß die Treppenkurve der stimmen, daß der resultierende Scheinwiderstand für

Übersetzung H₁₁ außer der mit der Idealkurve ii„ über- alle diese zusätzlichen Spannungsoberschwingungen so

einstimmenden Grundschwingung nur Harmonische mit groß ist. daß der resultierende Laststrom immer noch als

den ungeraden Ordnungszahlen v^2;/+l enthält. Die glatt angesehen werden kann.

Zahl n* ist die höchste Ordnungszahl der Übersetzung ?i Soll über einen weiten Stellbereich der Lastspannung

ü_m. wie aus Fig. 2a ersichtlich; so erhält man z.B. für eine gute Annäherung an die ideale Betriebsweise er-

A = 60 29 den Wert n* = 15; für A = 15 ergibt sich i\* = 2. reicht werden, kann es zweckmäßig sein, für die Über-

Die wirkliche Spannungsübersetzung i/_u kann unter die- setzur-^verhältnisse des Stromrichters anstelle einer

sen Umständen wie folgt als Fourier-Reihe dargestellt arithmetischen eine geometrische Stufung zu wählen.

werden: lo 2

2 Auch bei kleinen Werten . d.h. bei stark verminderter

Hy = T- COS W. / + Σ </, ■ COS VO. f. k

* ν Lastspannung, enthält dann ά'κ Näherungstreppenkurve

mit v = (2/;* + I)-·- 2r: ; = 0.1.2.3.... wobei o. = kreiv eine vergleichsweise große Zahl n* von Stufen, mit der

frequenz der Netzspannung. Folge, daß für Ströme. Spannungen und Übersetzungen

Die Spannung u_ä an der Reihenschaltung von Filter 20 j<· das Vorgesagte in vorteilhafter Weise ebenfalls gilt.

Steuertabelle

für die Ansteuerung der Ventile

X

8

9

des Halbieitersieiiers während

D1

in der

einer

T1

VlcFicipCriwi

T,

T6

T1

7»

Übersetzungs verhältnis

anliegende Teilentwicivlung

X X

Stromwege

D,

Brückenschaltung

X

6 7

X

X

O,

<

X

Dx T1

7·3 r4

X

lii·

X

X X

X

X

X

X

X

X

2ir

X

X

y

X

X

X

3 ΙΓ

X

X X

X

X

X

X

4ir

X

X

X

X

X

X

X

X

5.r

X

X X

X

X

X

X

X

X

X

6..

X

X

7ir

X

X

X

X

81.

X

X

X

X

X

X

9u-

X

X

X

X

X

X

10..·

X

X

X

X

X

11»-

X

X

X

X

12..·

X

X

X

X

X

X

X

13 h·

X

X

X

X

X

X

X

14ir

X

15 ir

X

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Speiseschaltung fur einen von einer ein- oder mehrphasigen Wechselstrcmqueile gespeisten Gleich-Stromverbraucher mit veränderbarem Strom, welche einen Vbllwellengleichrichter mit wenigstens zwei ungesteuerten Dioden, einen aus mindestens einem zwangslöschbaren Halbleiterventil bestehenden Halbleitersteller, eine Drosselspule, einen Glättungskondensator sowie ein Filter enthält, wobei als Halbleitersteller ein im Pulsbetrieb getasteter Kompensations-Halbleitersteller vorgesehen ist, dessen Ausgangsgröße aus einem Gleichanteil und einem sinusförmigen Anteil der doppelten Netzfrequenz zusam- Π mengesetzt ist, das Filter als ein auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmtes Sperrfilter ausgebildet ist, als Sperrfilter ein unmittelbar vor dem Verbraucher in Serie angeordneter Parallelresonanzkreis vorgesehen ist, die Klemmen der Wechselstromquelle über je ein zwangslöschbsres Halbleiterventi! mit dem Minuspol des Vollwellengleichrichters verbunden sind und eine Freilaufdiode an den Pluspol angeschlossen ist, nach Hauptpatent 2159397, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselstromquelle ein Netztransformator (2) mit mindestens einer Sekundärwicklung (4) und mindestens einer Anzapfung (10) dient, die Freilaufdiode (Dl) andererseits mit der Anzapfung (10) verbunden ist, eine weitere Freilaufdiode (D2) zwischen den Minuspol des Vollwellengleichrichte und der Anzapfung (10) geschaltet ist und die beiden äußeren Wicklungsklemmen (13, 14) der Sekundärwicklung (4) über je ein zwangslöschbares Halbleiterventil (Tl, T3\mit dem Pluspol des Vollwellengleichrichters verbunden sind.

2. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Netztransformator (2) mehr als eine Anzapfung aufweist, und jede Anzapfung über zwangslöschbare Halbleiterventile mit dem Plus- und Minuspol des Vollwellengleichrichters verbunden ist.

3. Speiseschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Netztransformator (2) mehr als eine Sekundärwicklung (4) aufweist und alle Wicklungen gleichstromseitig in Reihe zwischen dem Plus- und Minuspol liegen.

4. Speiseschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile des Halbleiterstellers mittels einer Steuereinrichtung (23) in Abhängigkeit von Spannung oder Strom der Wechselstromquelle in der Weise betätigbar sind, daß die Ausgangsspannungen des Vollwellengleichrichters den Verlauf einer harmonischen Schwingung entsprechend der Funktion w_B(/) = i/_/ÄT( 1 +cos 2ω, ι) angenähert ist, wobei «_ den Scheitel wert der Netzspannung, k das vorgebbare maximale Übersetzungsverhältnis und co_ die Kreisfrequenz des Wechselspannungsnetzes bedeuten.

5. Speiseschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine Anzapfung gebildeten Teilwicklungen einer Sekundärwicklung (4) zueinander Windungszahlen im Verhältnis 1 :2 aufweisen.

6. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sekundärwicklungen (4, 5) mit einer Anzapfung vorgesehen sind und die Windungszahlen der Teilwicklungen der einen Wicklungdas Verhältnis 1 :8 und die Windungszahl der Teilwicklung der anderen Wicklung das Verhältnis 2:4 gegenüber der Teilwicklung mit der kleinsten Windungszahl (Verhältniszahl 1) aufweisen.

7. Speiseschaltung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile des Halbleiterstellers in der Weise betätigbar sind, daß während einer Netzhalbperiode die unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse wirksam sind, so daß die AusgangsspannuGg des Vollwellengleichrichters aus Abschnitten unterschiedlich übersetzter Netzspannung besteht.

8. Speiseschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten Viertelperiode der Netzwechselspannung die Ausgangsspannung des Vollwellengleichrichters jeweils um den Wert des Übersetzungsverhältnisses der kleinsten Teilwicklung fortlaufend bis auf einen vorgebbaren Maximalwert vergrößerbar ist und in der zweiten Viertelperiode wieder bis auf den Wert Null verminderbar ist.

9. Speiseschaltung nach Anspruch 8, dadurch ge-

nVMIlLUIVIlllVl. UUM WVl IIWII^IV T Wl^WVUlV 1'IUAIIIlUI wert das 15-fache der Spannung der kleinsten Teilspannung annimmt.