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Halbleiter-Stromrichter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Stromrichter gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei Anordnung eines Thyristor-Stromrichters auf einem Fahrzeug mit
Wechselspannungsspeisung treten Probleme auf, da Oberschwingungen, die durch Stromverzerrungen
in den in Reihe geschalteten Stromrichtereinheiten durch die Phasenanschnittsteuerung
hervorgerufen werden, ansteigen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird die Sekundärwicklung
eines auf dem Triebfahrzeug angeordneten Transformators in mehrere Abschnitte unterteilt.
Mit jeder Sekundärwicklung ist eine Stromrichtereinheit in Brückenschaltung verbunden.
Die Stromrichtereinheiten sind in Kaskade geschaltetX Thyristor-Stromrichter solcher
Bauart sind für zwei Betriebsarten geeignet und zwar einmal für den Fahrbetrieb
(Gleichrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters) und zum anderen für den Nutzbremsbetrieb
(Wechselrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters), wobei man von einer Betriebsart
in die andere in einfacher Weise durch eine Änderung der Zündfolge und des Zündwinkels
der Thyristoren übergehen kann. Die Unterteilung der Sekundärwicklung bewirkt eine
Reduzierung der Oberschwingungndes Stromes, der durch die Reihenschaltung fließt.
Im allgemeinen werden vier bis sechs Wicklungsabschnitte verwendet. Für den Nutzbremsbetrieb
des Thyristor-Stromrichters in Brückenschaltung muß eine Kommutierungszeit gewährleistet
sein, die von der Freiwerdezeit der Thyristoren abhängt. Dabei wird der minimale
Voreilwinkel ßmin des Thyristor-
Stromrichters im Wechselrichterbetrieb
aus der Summe eines Winkels, der der Schonzeit entspricht, und eines Uberlappungswinkels
während der Kommutierung gebildet.
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Im Fahrbetrieb ist der minimale Zündwinkel o6 = Null während im Nutzbremsbetrieb
der minimale voreilende Zündwinkel gleich dem Winkel Bmin ist. Je größer der über
lappungswinkel während der Kommutierung ist, um so größer ist bein, was dazu führt,
daß der Leistungsfaktor, der Aussteuerungsgrad bei der Rückspeisung und die Nutzbremskraft
herabgesetzt sind, wogegen der Oberschwingungsstrom über die Reihenschaltung zunimmt.
Insbesondere im Fall eines Wechselstromtriebfahrzeuges erreicht die Reaktanz im
Wechselstromkreis an der von der Verteilerstation am weitesten entfernten Stelle
ein Maximum, weshalb auch Bmin auf einen maximalen Wert ansteigt.
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Deshalb erhält man entweder keine ausreichende Nutzbremskraft oder
der Oberschwingungsstrom nimmt zu. Die Leistung des Fahrzeuges wird daher erheblich
beeinträchtigt.
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Fig. 1 zeigt einen Hauptstromkreis eines Wechselstromfahrzeuges, bei
dem ein bekannter Stromrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung verwendet ist.
In der Schaltung ist eine Speisequelle 1, eine Reaktanz 2, ein Transformator 3 mit
einer Primärwicklung 31 und Sekundärwicklungen 32 bis 35, in Kaskade geschaltete
Einheiten 41 bis 44, eine Glättungsdrossel 5 und ein elektrischer Antriebsmotor
6 angeordnet.
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Fig. 2 zeigt Betriebskurven des Stromrichters, wenn die jeweiligen
Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit einem Mindestzündwinkel Bmin im Wechselrichterbetrieb
betrieben werden. In dem Diagramm kennzeichnen e1 eine Speisespannung; isl bis i54
(i32 bis i35) Sekundärwicklungsströme; e41 bis e44 Ausgangsspannungen der
Jeweiligen
Stromrichtereinheiten; ed eine zusammengesetzte Ausgangsspannung.
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Wenn die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit demselben Zündwinkel
betrieben werden, kommutieren sie wegen der gegenseitigen Beeinflussung der Wicklungen
nicht gleichmäßig und die auftretende Uberlappung der Kommutierungswinkel wird groß.
Deshalb muB in diesem Fall der Zündwinkel Bmin groß eingestellt werden, so (9ß der
Löschwinkel 6 der Wicklung S4 (Fig. 1), deren Kommutierung zuletzt vollendet wird,
einen vorgegebenen Wert übersteigt. Wird die Nutzbremsung durch Wechselrichterbetrieb
bis zum Stillstand des Triebwagens angewendet, so kann es vorkommen, daß aus den
obengenannten Gründen eine ausreichende Nutzbremsung nicht zustande kommt, wenn
die gleiche Sekundärspannung wie im Fahrbetrieb verwendet wird. Aus diesem Grund
muß die Wechselspannung bei Nutzbremsbetrieb höher sein als im Fahrbetrieb. Es gibt
hierzu eine bekannte Methode. Diese wird im folgenden anhand des in Fig. 1 gezeigten
Beispiels erläutert.
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Im Fahrbetrieb sind die Stromrichtereinheiten 41 bis 43 in Betrieb
und die Stromrichtereinheit 44 wird lediglich zur Überbrückung benutzt, wogegen
beim Nutzbremsbetrieb alle Stromrichter 41 bis 44 betrieben werden.
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Bei diesem Verfahren ist sogar dann, wenn die Wicklungsspannungen
beim Fahrbetrieb und Bremsbetrieb untereinander gleich sind, der Oberschwingungsstrom
im Bremsbetrieb höher als im Fahrbetrieb, deshalb verursacht die erhöhte Spannung
im Bremsbetrieb im Vergleich zum Fahrbetrieb einen extrem hohen Oberwellenstrom
durch die Primärwicklung. Das führt häufig dazu, daß diese Methode undurchführbar
ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Stromrichter
anzugeben, der eine ausreichende Nutzbremskraft aufweist und das Netz nur mit geringen
Oberschwingungsströmen
belastet.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Durch die Erfindung wird bei Gewährleistung einer ausreichenden Nutzbremsung
der Leistungsfaktor im Nutzbremsbetrieb so groß wie möglich, und im Nutzbremsbetrieb
können Oberschwingungen so klein wie im normalen Fahrbetrieb gehalten werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 3 und
6 gezeigt. Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Kurven dienen zur Erläuterung der
Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Stromrichters.
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In Fig. 3 ist eine Reihenschaltung eines Thyristors 7 und einer Vielzahl
von ohmschen Widerständen 81 bis 84 an die Gleichstromschienen geschaltet, wobei
Kurzschlußschalter 91 bis 94 parallel zu den einzelnen ohmschen Widerständen angeordnet
sind. Bei einer solchen Schaltungsanordnung wird ein Teil des Laststromes über die
Widerstände geleitet, wenn der Stromrichter als Wechselrichter betrieben wird, um
den im Stromrichter fließenden Strom zu reduzieren und Oberschwingungen im Speisekreis
beim Bremsen zu vermindern.
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Wie eingangs erwähnt, wird die Sekundärwicklungen des Transformators
3 im allgemeinen in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt, um Ströme mit Oberschwingungen
zu reduzieren. Auch im vorliegenden Fall ist der Stromrichter in vier einzelne Stromrichtereinheiten
41 bis 44 unterteilt.
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Im Fahrbetrieb wird der Thyristor 7 gesperrt, um die ohmschen Widerstände
81 bis 84 abzuschalten. Die ein-
zelnen Stromrichtereinheiten 41
bis 44 arbeiten dann im normalen Gleichrichterbetrieb.
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Im Nutzbremsbetrieb des Stromrichters wird der Thyristor 7 gezündet.
Die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 werden mit einem Steuerwinkel entsprechend der
Spannung des Motors 6 betrieben, um einen vorgegebenen Nutzstrom zu erhalten. In
diesem Fall wird vermieden, daß der Anteil des Motorstromes, der einen vorbestimmten
Betrag überschreitet, in die Speisequelle zurückfließt. Der über den vorbestimmten
Betrag hinausgehende Strom wird über den Thyristor 7 geleitet. Die Werte der Serienwiderstände
81 bis 84 werden durch die Kurzschlußschalter 91 bis 94 eingestellt, um einen vorgegebenen
Stromfluß über die Widerstände in Abhängigkeit von der Spannung des Motors zu erhalten.
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Für den Thyristor 7 ergibt sich folgende Betriebsweise: Erzeugt der
Stromrichter eine maximale Ausgangsspannung, so hat ein Verlauf der Ausgangsspannung
die in Fig. 4 dargestellte Form und zwar kennzeichnet a einen Ausgangsspannungs-Verlauf
des Stromrichters und b einen Stromverlauf im Widerstand. Zur Zeit t1 leitet der
Thyristor des Stromrichters die Kommutierung ein und zum Zeitpunkt t2 ist sie vollzogen.
An den Thyristor, der durch die Kommutierung während der Zeitdauer t2 bis t3 gelöscht
wird, wird eine Gegenspannung entsprechend der schraffierten Spannungszeitfläche
in Fig. 4 angelegt. Die gleiche Spannung wird auch an den Thyristor 7 angelegt,
um ihn zu löschen.
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Nachdem sich im Zeitpunkt t3 die Spannung umgekehrt hat, wird der
Thyristorschalter 7 wieder gezündet, um zu ermöglichen, daß ein Teil des Motorstromes
in die Widerstände fließt. Wird, wie aus Vorstehendem er-
sichtlich,
bei der vorliegenden Erfindung an den Thyristorschalter kein Zündsignal angelegt,
so können die Widerstände in einer Halbschwingung elektrisch vom Speisekreis getrennt
werden. Die Höhe des in Fig. 4 gezeigten Stromes b ist durch die Änderung des Widerstandes
in Abhängigkeit von der Ausgangs spannung des Stromrichters einstellbar.
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Der in die Widerstände fließende Strom b hat eine Herabsetzung des
in die Speise quelle zurückfließenden Stromes zur Folge. Deren Auswirkungen sind
in Fig. 5 graphisch dargestellt. Eine durchgezogene Linie I kennzeichnet eine Speisestrom-Wellenform,
wenn keine Shuntung über die Widerstände vorgenommen wird. Eine durch eine gestrichelte
Linie II angedeutete Linie kennzeichnet einen Stromverlauf, wenn der Strom durch
die Widerstände fließt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird der Strom dadurch klein,
daß ein Teil des Laststromes über die Widerstände geleitet wird. Die Oberschwingungen
im Speise stromkreis werden daher vermindert.
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Dadurch, daß ein Teil des Motorstromes in den Widerstandspfad geleitet
wird, ändert sich der Motorstrom nicht und deshalb bleibt auch die elektrische Bremskraft
unverändert. Die elektrische Bremsenergie wird nicht vollständig in Rückspeiseenergie
umgewandelt, sondern ein Teil wird von den Widerständen aufgenommen.
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Deshalb wird die Rückspeiseenergie geringfügig vermindert, wobei jedoch
der Oberschwingungsgehalt des Stromes verringert wird. Deshalb ist der Stromrichter
besonders für elektrische Triebfahrzeuge geeignet, die eine Begrenzung der Oberschwingungen
des Stromes benötigen.
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In Fig. 6 ist eine weitere AusfÜhrungsform eines Stromrichters dargestellt.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet als Thyristor 101 bis 104 ausgebildete
Halbleiterschalter als Kurzschlußschalter. Einem der Widerstände ist anstelle eines
Kurzschlußschalters ein Chopper zugeordnet. Da in Fig. 3 der Widerstandswert stufenweise
durch Schalten der Kurzschlußschalter geändert wird, ist es nicht ohne weiteres
möglich, den Nebenschlußstrom in den Widerständen in Abhängigkeit von den Änderungen
der Motorspannung konstant zu halten.
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Deshalb wird der Chopper - wie in Fig. 6 dargestellt -für einen der
Widerstände benutzt, um eine kontinuierliche Änderung des Widerstandswertes zu ermöglichen.
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Die Verwendung des Choppers erlaubt es, den Widerstandsstrom unabhängig
von der Motorspannung konstant zu halten.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein System, in dem eine einen Thyristor 7 und Widerstände 81 bis 84
enthaltende Reihenschaltung mit dem Ausgang des Stromrichters verbunden ist und
in dem ein Teil des Motorstromes während des Nutzbremsbetriebes über die Widerstände
geleitet wird, um den Speisestrom und die Oberschwingungen zu verringern. Bei einer
solchen Schaltungsanordnung hat der Stromrichter zusätzlich zu den obengenannten
Eigenschaften folgende vorteilhafte Wirkungen: 1. Im Nutzbremsbetrieb ist eine beliebige
Reduzierung der Ströme mit Oberschwingungen im Stromkreis möglich, 2. es wird eine
ausreichende elektrische Bremskraft gewährleistet,
3. da die Nebenschlußwiderstände
nur im Bremsbetrieb benutzt werden, brauchen sie nur für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt
zu werden und 4. wenn Stromkreisunterbrechungen auftreten, wird der Bremsvorgang
durch Umschalten des Nutzbremsbetriebs auf Widerstandsbremsbetrieb unter Verwendung
der Widerstände ermöglicht. Dies ist besonders für den elektrischen Bahnbetrieb
von Bedeutung.
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Obwohl die vorgenannten Ausführungsformen eine einphasige Speisung
verwenden, kann die vorliegende Erfindung auch bei mehrphasigen Stromrichtern Anwendung
finden.
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6 Figuren 4 Patentansprüche