Verfahren und Anordnung zum Betrieb von elastischen Umrichtern. Es sind Umrichter bekannt geworden., die sich auf eine natürliche Kommutierung beschränken. Allen diesen Anordnungen ist die starre oder nur sprunghaft veränderliche Phasenlage der erzeugten Umrichteraus- gangsspannung gemeinsam.
Um einen elasti schen Betrieb verwirklichen zu können, wurde deshalb neben der natürlichen Kom- mutierung auch noch eine zwangsweise Kom- mutierung durch eine besondere zusätzliche Kommutierungseinrichtung =. Kondensator oder Schwingkreis - vorgesehen,
wobei zur besseren Ausnutzung beim Mehrfachumrich- tern eine einzige zusätzliche Kommutierungs- einrichtung mehreren oder auch sämtlichen Teilumrichtern zur Kommutierung diente. Durch die kombinierte natürliche und zwangsweise Kommutierung wird die Gitter steuerungseinrichtung des Umrichters ausser ordentlich kompliziert. Die so erzeugten Umrichterspannungen besitzen angenähert Rechteck- oder Trapezform mit dazwischen liegenden Nullstücken.
Bei allen bisher bekannten Umrichterver- fahren wurde die einseitige Forderung auf gestellt, die sekundäre Verzerrungsleistung so klein wie irgend möglich zu halten und eine möglichst gute Annäherung der erzeug ten Kurvenform an die Sinusform zu er reichen. Keinerlei Rücksicht wurde hierbei auf die Rückwirkung auf das Primärnetz und auf die primäre Verzerrungsleistung genom men.
Nach der Erfindung werden nun sämt liche vorkommenden Kommutierungen - z. B. mittels eines Kondensators oder eines Schwingkreises - als Zwangskommutierun- gen durchgeführt und die Kommutierungs- punkte der einzelnen Entladungsstrecken durch die Schnittpunkte der inversen Span nungshalbwellen der Primärspannung mit der Sekundärspannung bestimmt,
wodurch sich bereits ohne Verwendung von Glättungs- mitteln die primäre oder die sekundäre Ver zerrungsleistung dem optimal erreichbaren Minimum (Scheinlast// 2) nähert. Steuert man gemäss dem angegebenen Verfahren. aus, so wird bei einer geringen Oberwelligkeit der Ausgangsspannung das mehrphasige Primär netz unabhängig von der sekundär geforder ten Blindlast vollkommen symmetrisch be lastet. Gleichzeitig bleibt der Verschiebungs faktor des Primärnetzes wegen der witten symmetrischen Aussteuerung der einzelnen primären Phasenspannungen dauernd gleich eins und ist ebenfalls unabhängig vom sekun dären Leistungsfaktor.
Da alle Kommutie- rungen als Zwangskommutierungen durch geführt werden, wird die durch die zwei ver schiedenen Arten bedingte komplizierte Git tersteuerung vermieden. Die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, das heisst die Schnittpunktsbildung der inversen Primärspannung mit der Sekundärspannung erfolgt mittels Hilfsentladungsstrecken, die in mehreren Stufen zur Steuerung der Gitter der Hauptentladungsstrecken angeordnet sind.
An Hand der nachfolgenden Beispiele soll das Wesen der Erfindung näher erläutert werden. Abb. 1 zeigt die Prinzipschaltung eines Mehrfachumrichters, der das Dreh stromnetz 1 mit dem Einphasennetz 2 ver bindet. Die Entladungsstrecken 3<B>...</B> 11 sind in beiden Richtungen stromdurchlässig, und können durch eine Steuerung beliebiger Art (Gittersteuerung, Schaltwalzen usw.) ein- und ausgeschaltet werden; vermag die Steue rung die Entladung nicht zu löschen, so ist eine zusätzliche Kommutierungseinrichtung vorgesehen.
Die drei Teilumrichter <I>A, B</I> und C bilden die drei Teilspannungen, die in den hintereinandergeschalteten Wicklungen der Transformatoren 12, 13 und 14 die Ein phasenspannung erzeugen. Die Teilumrichter bestehen aus den beiden Entladungsstrecken 3 bezw, 6, 9 und 5 bezw. 8, 11, sowie den Nullpunktsentladungsstrecken 4, 7, 10 und den zugehörigen Einphasentransformatoren 12, 13 und 14. Die Schaltzeiten der Ent ladungsstrecken 3<B>...</B> 11 gehen aus Abb. 2 hervor.
Die stark ausgezogene Kurve 15 stellt die vom ersten Teilumrichter im Trans formator 12 erzeugte Spannung dar. Die durch das Brennen der Entladungsstrecken 3 bezw. 5 erzeugten Spannungsstücke sind schraffiert und entsprechend mit 3 bezw. 5 bezeichnet.
Entladungsstrecke 3 brennt so mit von t2 ... t2, Entladungsstrecke 5 von t" <I>. . .</I> t°. In den Zwischenzeiten (t#a <B>...</B> t3 usw.) brennt die Nullpunktsentladungs- strecke 4. Entsprechend sind die Spannungs kurven in den Transformatoren 13 und 14 aufgebaut, die in Abb. 2 mit 16 und 17 bezeichnet sind.
Die Brenndauer der Ent ladungsstrecke 3 (t1... t2) wird durch die Schnittpunkte der Dreieckspannung 18 mit der stark ausgezogenen Zackenkurfe 19 be stimmt. Die Dreieekspannung 18 hat die Nulldurchgänge und die Maxima an der selben Stelle wie die gewünschte Sinusspan- nung, die vom Umrichter angenähert erzeugt werden soll. Die Kurve 19 ist zur Span nung U" sozusagen in Gegenphase, und zwecks vereinfachter Darstellung ist auch hier die Sinusspannung in eine Dreieckkurve verwandelt worden.
Die Brenndauer für die Entladungsstrecke 5 ergibt sich aus den Schnittpunkten der Kurve 18 mit den dünn gezeichneten Kurvenstücken 20. Diese sind ebenfalls in Gegenphase zu U5; analog er geben sich auch die Brennzeiten für die übrigen Entladungsstrecken. Kurve 21 stellt die resultierende Umrichterspannung dar, das heisst die Summe der Teilspannungen 15, 16 und 17. Die Spannungskurve 21 schliesst sich der gewünschten Sinuskurve schon sehr eng an. Die niedrigste Harmonische hat die Fre quenz 6f,-7f, und besitzt nur eine Ampli tude von ungefähr 7 % der Grundwelle.
Aus den Kurven der Abb. 2 geht hervor, da.ss der Zündeinsatz der Entladungsstrecken immer vor dem Maximalwert der primären Phasenspannung erfolgt. Ist der Augen blickswert der sekundären Sollspannung klein, so wird die Brenndauer der der pri mären Phasenspannung zugeordneten Ent ladungsstrecke auch nur kurz sein. Die Frei gabe der Entladungsstrecke erfolgt dann nur kurz vor dem Spannungsmaximum und ihre Brenndauer ist dann auch kurz nach dem Spannungsmaximum beendet. Bei der Um formung von höherer Frequenz in eine nie drigere wird jede primäre Halbwelle nur ein- mal an das Sekundärnetz geschaltet.
Nur in dem Fall, dass der Nulldurchgang der sekun dären Sollspannung mit dem Maximum der betreffenden primären Spannungshalbwelle zusammenfällt, wird die Brenndauer der die ser Phase zugeordneten Entladungsstrecke Null, das heisst die betreffende Spannungs- halbwelle wird übergangen. Durch die wit tensymmetrische Aussteuerung der einzelnen primären Phasenspannungen bleibt der Ver schiebungsfaktor des Primärnetzes dauernd gleich eins.
In Abb. 3 sind die Kurven 18, 19 und 20 nochmals aufgetragen, und zwar ist dies mal Kurve 18 - die sekundäre Sollspan nung - als reine Sinuslinie dargestellt. Man bekommt dieselben in Abb. 2 erhaltenen Schnittpunkte der Sollspannung 18 mit den Spannungen 19 und 20 bei einer rein sinus- förmigen Sollspannung 18 dann, wenn auch die Spannungen 19 und 20, die die Frequenz des Primärnetzes aufweisen, wie das in Abb. 3 angegeben ist, Sinusform besitzen.
Hierbei ist Kurve 19 stark, Kurve 20 schwach ausgezogen. Die durch Abb. 2 bezw. Abb. 3 angegebene theoretische. Lage der Schnittpunkte der Kurve 18 mit den Kurven 1.9 und 20 kann auch etwas verschoben wer den, ohne dass sich an der erzeugten Span nungskurve viel ändert. Es kann züm Bei spiel auch, wenn eine Erzeugung einer nicht- sinusförmigen Kurve erwünscht ist, eine Dreieckskurve, so wie in Abb. 2, erhalten werden.
Insbesondere kann sich die Ampli tude der Kurven 18 in Abb. 2 bezw. 3 ver ringern, wodurch sich - zufolge der Ver lagerung der Schnittpunkte - auch der Effektivwert der vom Umrichter erzeugten Spannung verkleinert, das heisst es ist eine Regelung der Spannungsgrösse möglich. Die selbe Wirkung kann durch Vergrösserung der Amplitude der Kurven 18 und 19 in Abb. 2 bezw. Abb. 3 erhalten werden.
Die resultierende Spannung 21 (Abb. 2) -wird aus drei Teilspannungen gebildet; die Spannungssummation erfolgt in den Trans formatoren 12, 13 und 14. Zur Erzeugung der aus der Kurve 21 ersichtlichen Nullstücke dienen die Nullpunktsentladungsstrecken. An Stelle dieser drei Teilumrichter kann man auch einen einzigen Umrichter mit einem mehrphasigen, sekundären Drehstrom transformator anordnen, der die in Abb. 4 gezeichneten, abgestuften Phasenwicklungen erhalten muss.
Der Drehstromtransformator 22 besitzt sechs Wicklungen mit Mittelanzapfung und sechs weitere Wicklungen ohne Anzapfung, die jeweils um<B>30'</B> phasenverschoben sind. An alle diese Anzapfungen bezw. Enden der Wicklungen, sowie an den gemeinsamen Nullpunkt sind Entladungsstrecken ange schlossen, die in einem gemeinsamen Gefäss 23 angeordnet sind.
Die resultierende Spannung 21 (Abb. 2) kann man ohne weiteres auch mittels zweier Teilumrichter erhalten, deren Schaltung in Abb. 5 dargestellt ist. Die in Sternform ge schalteten Transformatorwicklungen <I>a</I><B>...</B><I>f</I> und a'...<I>f'</I> stimmen mit den entsprechend bezeichneten Wicklungen der Abb. 4 über ein.
Man erkennt, dass durch Addition der beiden Teilspannungen alle in Abb. 4 an gegebenen Spannungen gebildet werden kön= nen. Um die halbe Summenspannung dieser beiden Teilumrichter im Einphasennetz 2 zu erhalten, sind diese Teilumrichter über den Saugtransformator 24 an das Einphasennetz angeschlossen.
Zapft man den Saugtransfor mator nicht genau in der Mitte an, so muss man, um dieselbe Einphasenspannung zu er halten, die Spannungen des rechten bezw. des linken Transformatorsternes abändern. Insbesondere kann man ees durch geeignete Wahl der Anzapfung erreichen, dass die bei den Sterne a <B>...</B><I>f</I> und a'. . . f' gleich grosse Phasenspannungen haben.
Abb. 6 zeigt die Schaltung eines drei- phasigen Teilumrichters mit Nullpunktsent- ladungsstrecke. Das Drehstromnetz 1 ist über den Drehstromtransformator 22, die drei Ent ladungsstrecken 26, 27 und 28 und die Null punktsentladungsstrecke 29 mit dem Ein phasennetz 2 verbunden. Die Entladungs strecken 26, 27, 28 und 29 sollen in beiden Richtungen durchlässig sein und durch die Steuerung gezündet und gelöscht werden können.
In Abb. 7 sind die sinusförmigen Anoden spannungen von 26, 27 und 28 ebenfalls mit 26, 27 und 28 bezeichnet. Der Zünd- und Löschzeitpunkt der einzelnen Entladungs strecken ist durch die Schnittpunkte der Steuerspannung 18 mit den Dreieckspan nungen 26', 27' und 28' gegeben. Die Ein phasenspannung setzt sich aus diesen Kur venstücken, in Verbindung mit den von den Nullpunktsentladungsstrecken erzeugten Null stücken zusammen. Davon ist die Dreieck spannung 26', die zum Gefäss 26 gehört, stark herausgezeichnet. In ähnlicher Weise kann man die Aussteuerung von n-phasigen Stromrichtern durchführen.
In Abb. 8 ist noch ein Beispiel an gegeben, wie man einen einphasigen Teil umrichter mit Nullpunktentladungsstrecke und abgestuften Phasenspannungen aus steuert. Abb. 8 zeigt die Schaltung sowie die Einphasenspannungskurve. Die zu den Entladungsstrecken 31 bis 34 gehörenden Anodenspannungen sind ebenfalls mit 31 bis 34 bezeichnet.
Die Einphasenspannung 36 entsteht gemäss den Schnittpunkten der drei eckigen Einphasenspannung 18 mit den ent sprechenden Steuerkurven 31' bis 34'. Abb. 9 zeigt die Kurven für den Fall, da,ss die vom Umrichter erzeugte Spannung höhere Fre quenz besitzt als die primäre Spannung. Die Bezeichnungen sind dieselben wie in Abb. B.
Handelt es sich um mehrphasige Um richter, so muss die Sollspannungskurve 18 in den Abb. 2 bis 9, entsprechend den Phasen -in-mal entsprechend pha senverschoben aufgezeichnet werden. Mit den neuen Schnittpunkten erhält man entspre chend die verschiedenen sekundären Phasen. Dabei kann es vorkommen, dass verschiedene Schnittpunkte zeitlich zusammenfallen. Dies bedeutet, dass in zwei sekundären Phasen gleichzeitig kommutiert werden muss.
Man kann daher bei Vorhandensein einer Kommu- tierungseinrichtung beide Kommutierungen auf einmal mit einer einzigen Kommutie- rungseinrichtung durchführen, wie weiter unten beschrieben ist.
In den weiteren Beispielen soll nun ge zeigt werden, wie der Erfindungsgedanke mit den heute üblichen Schaltmitteln verwirk licht werden kann. Abb. 10 zeigt die voll ständige Schaltung und Steuerung eines Teil umrichters gemäss Abb. 1. Die Entladungs strecken 3, 4 und 5 entsprechen denen der Abb. 1. In bekannter Weise sind die Ent ladungsstrecken 3' bis 5' gegensinnig parallel zu den Entladungsstrecken 3 bis 5 ge schaltet. Diese Entladungsstrecken 3' bis 5' werden zugleich mit den Entladungsstrecken 3 bis 5 gesteuert, so dass die entsprechenden Gitter miteinander verbunden werden kön nen. Die Steuerung der Entladungsstrecken kann nur die Zündung bewirken, nicht aber löschen.
Um die gommutierung trotzdem in jedem Augenblick durchführen zu können, sind bekannte Mittel zur Zwangskommutie- rung vorgesehen, beispielsweise ein Konden sator 38 und eine Drossel 39. Vom Ein phasentransformator 12 (Abb. 1) ist in Abb. 10 nur die Primärwicklung 12 gezeich net. Der Aufbau der Gittersteuerung erfolgt in bekannter Weise. Bei allen Umrichter steuerungen erweist es sich als zweckmässig, die Steuerung in drei Stufen aufzubauen, die in Abb. 10 mit 40, 41. und 42 bezeichnet sind.
Die erste Stufe 40 enthält Dampfent- ladungsstrecken, die nach Art der Wechsel richter arbeiten. Die zweite Stufe 41 ent hält Entladungsstrecken mit im wesentlichen reiner Elektronenentladung, die diese vor genannten Entladungsstrecken aussteuern. Es hat sich als zweckmässig herausgestellt, die beiden obern Stufen 40 und 41 mit den Gittern der Hauptentladungsstrecken gal vanisch zu verbinden, da dadurch am besten erreicht werden kann, dass rechteckige Gitter steuerungsimpulse beliebiger Breite und Rei henfolge aufeinanderfolgen.
Die dritte Stufe 42 enthält die Vorsteuerung mittels Ent ladungsstrecken mit reiner Elektronenent ladung, die im wesentlichen von der Ein phasenspannung beeinflusst wird. Diese dritte Stufe ist an die zweite ebenfalls galvanisch angeschlossen. Hier ist jedoch die galvanische Kopplung im allgemeinen nicht so wesentlich, wie zwischen den übrigen Stufen. Für die Vorsteuerung ist es manchmal zweckmässig, an Stelle von Elektronenentladungsstrecken Dampfentladungsstrecken zu verwenden.
Dieser bekannte Aufbau der Steuerung erhält für die Umrichter gemäss der Erfin dung folgende Einzelheiten: Da der Um richter ausschliesslich mit Zwangskommu- tierung arbeitet, fallen die unterschiedlichen Gleich- und Wechselrichterimpulse zu den gegensinnig parallel geschalteten Entladungs strecken fort, das heisst jeweils zwei Ent ladungsstrecken werden gleichzeitig ge steuert.
Das bedeutet eine Halbierung der erforderlichen Entladungsstrecken in den Stufen 40 und 41 gegenüber der Anordnung mit natürlicher Kommutierung. Die für die Steuerung erforderlichen Wechselspannungen werden dem primären Drehstromnetz 1 und dem sekundären Einphasennetz 2 entnommen. Das Sekundärnetz ist entweder mit dem Se kundärnetz 2 des Umrichters (vergl. Abb.1) identisch oder ein getrenntes Netz, das zum Beispiel von Hilfsmaschinen gespeist wird.
Den Doppelgitterröhren 43 bis 46 der Vor steuerung wird über die Transformatoren 47 und 48 die Einphasenspannung 2, sowie die Drehstromspannung 1 zugeführt. Die Span nung des Transformators 48 ist in Phase mit der Spannung des Haupttransformators 49. Die Doppelgitterröhren 43 bis 46; sowie 50 bis 52 sollen so wirken, dass sie nur dann stromdurchlässig sind, wenn beide Gitter gleichzeitig positiv sind.
Dann ergeben die Steuerröhren 43 bis 46 die in Abb. 11 mit den gleichen Ziffern bezeichneten Anoden ströme bezw. Anodenspannungen. Ferner sind in Abb. 11 die Primärspannungen der Transformatoren 47 und 48 ebenfalls mit 47 und 48 bezeichnet. Die Summenspannungen 43 -I- 44 und 45 + 46 bilden die Gitter spannungen für die Entladungsstrecken 50 und 52. Diese Gitterspannung ist nur dann positiv, wenn die beiden Entladungsstrecken 43 und 44 bezw. 45 und 46 zugleich gesperrt sind.
Beispielsweise ist das Gitter der Ent- ladungsstrecke 50 positiv in den Zeiten t, bis t2, t3 bis t4, t, bis t" usw. Die zwei Gitter der Entladungsstrecken 50 und 52 werden ge meinsam von der Summe 56 der beiden Zu satzspannungen 53- und 54 gesteuert. Diese Zusatzspannungen werden aus der gleich gerichteten Primärspannung 54 und aus der gleichgerichteten Sekundärspannung 53 ge bildet.
Die Primärspannung 54 ist gegen über der Primärspannung 48 des Transfor mators 48 um 90 phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung kannbeispielsweise durch den Drehregler 55 erfolgen. Die Entladungs strecken 50 und 52 werden leitend, wenn beide Gitter gleichzeitig positiv sind.
Gemäss Abb. 11 brennt somit die Entladungsstrecke 50 in den Zeiten t,' bis t2 und t,' bis t,', die Entladungsstrecke 52 in den Zeiten t7 bis t8 und t9 bis t,a'. Die Steuerung der Ent ladungsstrecke 51, die die Nullpunktsent- ladungsstrecken 4 und 4' steuert, wird nicht der Steuerstufe 42 entnommen, sondern von den Entladungsstrecken 50 und 52 über Kon densatoren 57 und 58 abgeleitet.
Die Konden satoren 57 und 58 sind im Verhältnis zu den Widerständen 59 und 60 so gross, dass die Gitterspannungen der Entladungsstrecke 51 ein Abbild der Anodenspannungen von 50 und 52 werden. Dadurch wird erreicht, dass die Entladungsstrecke 51 nur brennt, wenn die beiden Entladungsstrecken 50 und 52 nicht brennen.
Diese gegenseitige "Verblok- kung" der Entladungsstrecken 50 bis 52 wird man zweckmässig so wählen, -dass beim Zün den der nachfolgenden Dampfentladungs- strecken zwangsmässig die Gitterspannung der zu löschenden Entladungsstrecken nega tiv wird.
Durch eine derartige Querver- blockung in der Stufe 41 wird man unab hängig von gewissen Ungenauigkeiten (Span nungsschwankungen usw.) der Vorsteuerung.
Mit Hilfe der in Abb. 10 beschriebenen Schaltung können im Transformator 12 die Spannungskurven 15, 16 oder 17 gemäss Abb. 2 erzeugt werden. Die erzeugten Span nungen weichen nur insofern von der theo retischen Kurve ab, als durch den Einfluss der Umladungen des Kommutierungskonden- sators 38 die Flanken der Sinusstücke 3, 5 usw. (Abb. 2) nicht vollkommen senkrecht verlaufen, sondern abgeschrägt sind.
Der ]Kondensator 38, sowie die Drossel 39 be wirken ausser der Zwangskommutierung auch noch eine gewisse Glättung der Umrichter spannung. Soll ein vollständiger Umrichter nach Abb. 2 aufgebaut werden, so muss prin zipiell die Schaltung der Abb. 10 verdrei facht werden. Man kann dabei verschiedene Teile der Steuerung gemeinsam machen; allerdings bezieht sich dies weniger auf die Entladungsstrecken der Stufen 40 und 41, als auf die Vorsteuerüng in der Stufe 42.
In dieser Stufe wird man eine gewisse Abhän gigkeit der verschiedenen Teilumriehter von einander durchführen, besonders um die Re gelung des Gesamtumrichters besser durch führen zu können. Arbeiten mehrere Teil- umriehter zusammen, so kann man diesen verschiedenen Teilumrichtern eine gemein same Kommutierungseinriehtung zuordnen, die der Reihe nach die Zwangskommutierung der einzelnen Teile durchführt (vergleiche Schweizer Patent, Nr. 1.99295).
Als Beispiel möge die Kommutierung eines zweiphasigen Umrichters beschrieben werden, wobei je zwei Teilumrichter der bei den Phasen durch eine ,gemeinsame Kommutierungseinrichtung (ver gleiche Schweizer Patent Nr. 199295) bedient werden. Abb. 12 zeigt die von zwei zu gehörigen Teilumrichtern erzeugten Phasen spannungen 15a und 15b. Die Teilspannung 1.5a des Umrichters a stimmt mit Kurve 15 der Abb. \? überein. Die Teilspannung 15b des Umrichters b eilt der Spannung 15a um <B>90'</B> nach.
Aus Abb. 12 entnimmt man, dass die Kommutierungszeiten von 15a und 15b genau miteinander übereinstimmen. Es ist naheliegend, die Steuerung, die zu diesen bei den Teilumrichtern gehört, vollkommen zu sammenzulegen, derart, dass die Entladungs strecken 50 und 52 (Abb. 10) zusammen auch die Nullpunktsentladungsstrecke des zweiten Teilumrichters steuern.
Darüber hinaus ergibt sich für die gemeinsame Kom- mutierungseinrichtung der Vorteil, dass die Kathodendrossel (39 in Abb. 10) für beide Teilumrichter gemeinsam sein kann. Abb. 13 zeigt die Schaltung, die sich hierbei ergibt.
Am Kondensator herrscht die Summenspan nung U1 -i- U2. Diese Summenspannung er gibt sich auch dann, wenn man Konden satoren zwischen die Punkte P1 und P, bezw. P, und P" anschliesst, wie in Abb. 13 unten angedeutet. Die Sekundärwicklungen 15a und 15b können in beliebiger Weise entweder verschiedenen Phasen angehören., oder hinter einander geschaltet die resultierende Ein phasenspannung ergeben.