Anordnung zur unsymmetrischen Steuerung von Stromrichtern Es sind unsymmetrische Steuerungsanordnungen für Stromrichter bekannt, bei denen innerhalb je dreier einem Dreiphasensystem angehöriger Anoden zunächst nur eine Verschiebung des Zündzeitpunktes bei jeder zweiten im Sinne des Dreiphasensystems auf einanderfolgenden Anoden vorgenommen wird, wäh rend der Zündzeitpunkt der jeweils in den dazwischen liegenden Zeiten arbeitenden Anoden unverändert bleibt.
Diese unter der Bezeichnung Phasenfolge- Steuerung bekannte Anordnung hat zur Folge, dass zwischen der vollen Aussteuerung und der Aussteue rung auf die Gleichspannung Null ein Punkt liegt, bei dem der Stromrichter theoretisch mit dem Leistungs faktor 1 arbeitet.
Bedingung für eine derartige Steuerung ist, dass zum Übergang von der vollen Aussteuerung im Wechsel richterbereich auf volle Aussteuerung im Gleich richterbereich die Steuerimpulse um 240 e1. vermin dert, um den sogenannten Respektabstand verschieb bar sind.
Unter Respektabstand ist dabei derjenige Win kel zu verstehen, um den beim Wechselrichterbetrieb die Zündung einer in der Stromführung ablösenden Anode vor dem Zeitpunkt erfolgen muss, indem ihre Spannung gleich der Spannung der abzulösenden Anode wird, damit ein Kippen des Wechselrichters sicher vermieden wird.
Arbeiten zwei derartige dreiphasige Anodensysteme z. B. bei Speisung durch einen gemeinsamen Transfor mator parallel, so werden die Steuerimpulse beider Sy steme derartig gegeneinander verschoben, dass die ver zögert und die unverzöger <B>[</B>zündenden Anoden sich der art abwechseln, dass sie im Mittel gleichmässig belastet sind, und dass der Transformator primärseitig symme trische Ströme aus dem speisenden Netz aufnimmt. Das gleiche gilt, wenn der Stromrichter n dreiphasige Systeme aufweist, wobei n eine gerade Zahl ist. Die bekannten Anordnungen zur Durchführung einer derartigen Phasenfolgesteuerung sind recht kompliziert und erfordern einen grossen Aufwand an Apparaten.
Die Erfindung betrifft eine besonders einfache und vorteilhafte Anordnung durch Durchführung solcher Steuerungen für 3-n-phasige Stromrichter. Sie besteht in der Weiterentwicklung einer bereits vorgeschlagenen Steuerung, bei der als Steuerimpulse die Spannungs sprünge an einem Ohmschen Widerstand dienen, die dann entstehen,wenn eine mit dem Widerstand und einer Wechselspannung von vorzugsweise rechteckiger Kur venform in Reihe liegenden Sättigungsdrossel ihren magnetischen Sättigungszustand erreicht hat, wobei der Zeitpunkt, in dem dieser Zustand in jeder Phase eintritt,
durch eine abhängig von einer Steuergrösse veränderbare Reduzierung des remanenten Magnet flusses der Drossel in der jeweils vorhergehenden Halbperiode bestimmt wird. Unter Sättigungsdrossel ist hierbei eine Drossel spule mit einem Kern aus hochpermeablem Werkstoff und einem scharfen Knick in der Magnetisierungs- kennlinie zu verstehen.
Erfindungsgemäss sind die 3 - n-Phasen des Strom richters nebst ihren Steuereinrichtungen zu n drei- phasigen Gruppen zusammengefasst, in deren jeder als gemeinsame, die Reduzierung des remanenten Magnet flusses bewirkende Steuergrösse ein Widerstand wirk sam ist, der mit einer Frequenz gleich deml 1/2fachen der Frequenz des speisenden Netzes periodisch ver änderbar ist, wobei die Phasenlage der in den n- Gruppen als Steuergrösse wirksamen Widerstands änderungen je um einen elektrischen Winkel von der Grösse
EMI0001.0024
gegeneinander verschoben sind, wobei n eine gerade Zahl ist.
Das Grundelement eines Ausführungsbeispiels einer Steuerung nach der Erfindung ist in Fig. 1 dar gestellt. Es besteht aus einer Wechselspannungsquelle 1, die eine vorzugsweise unsymmetrische Rechteck spannung abgibt, welche einen Arbeitskreis<I>AK,</I> be stehend aus der Sättigungsdrossel 2, einem elektri schen Ventil 3 und einem Widerstand 4 speist, und die gleiche Frequenz hat wie das speisende Wechsel strom- bzw. Drehstromnetz: Von der gleichen Wechsel spannungsquelle wird über einen Isoliertransformator 5 ein zweiter, im folgenden als Steuerkreis<I>SK</I> be zeichneter Stromkreis gespeist, welcher aus einer Sekundärwicklung der Sättigungsdrossel 2, dem Ventil 6 und dem Steuerorgan 7, z.
B. in Form einer Hoch vakuum-Elektronenröhre (Triode) besteht, deren inne rer Widerstand durch eine variable Gitterspannung ust gesteuert werden kann.
Die Übersetzungsverhältnisse der beiden Wick lungen der Sättigungsdrossel 2 und des Isoliertrans- formators 5 können einander gleich sein. Es kann aber auch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 5 so gewählt sein, dass dadurch eine Erhöhung der im Steuerkreis SK zur Verfügung stehenden Wechsel spannung erreicht wird. Dies kann vorteilhaft sein, um trotz eines verbleibenden Restwiderstandes des Steuerorgans 7 den vorher erwähnten Steuerbereich von etwa 240 e1. voll beherrschen zu können.
Zur Erläuterung der Vorgänge im Arbeits- und Steuerkreis, die zur Erzeugung und Verschiebung von Spannungsimpulsen im Widerstand 4 führen, mögen die Fig. 2 und 3 dienen. In Fig. 2 ist durch den Linien zug u die speisende unsymmetrische, rechteckige Wechselspannung der Spannungsquelle 1 dargestellt. Der positive Teil dieser Rechteckspannung überdeckt aus dem früher erwähnten Grunde einen Winkel von mindestens etwa 240 e1., zweckmässig aber etwas mehr, z. B. 270 , wie in der Figur dargestellt ist.
In Fig. 3 ist der Magnetfluss 0 im Kern der Sätti gungsdrossel abhängig von der magnetisierenden Durchflutung dargestellt.
Im Zeitpunkt t1 (Fig. 2) führt der Kern der Sätti gungsdrossel einen Magnetfluss, der dem Punkt A in Fig. 3 entspricht und von der vorhergegangenen Stromführungsperiode zurückgeblieben ist. In der nunmehr folgenden negativen Halbwelle der Rechteck spannung kann im Arbeitskreis wegen der Sperr wirkung des Ventils 3 kein Strom fliessen. Dagegen fliesst jetzt im Steuerkreis ein Strom in der Durchlass- richtung des Ventils 6.
Von diesem Strom wird die Sättigungsdrossel 2 teilweise entmagnetisiert, wobei die gesamte Spannung u. (Fig. 2) der negativen Halb welle zum Teil an der Sättigungsdrossel 2 und zum Teil an dem Widerstand des Steuerorgans 7 liegt.
Die Verringerung des Magnetflusses im Kern der Sättigungsdrossel ist bestimmt durch das Zeitintegral der an der Drosselspule liegenden Spannung un-imRi, über das Zeitinterval t1 bis t2, wobei im der in der sekundären Drosselwicklung fliessende Strom und Ri der innere Widerstand des Steuerorgans 7 ist. In Fig. 2 ist dieses Zeitintegral durch die Fläche F dar- gestellt.
Der Spannungsfläche F ist somit zwangläufig eine bestimmte Flussänderung zugeordnet, so dass der Magnetfluss der Sättigungsdrossel 2 in der Darstellung der Fig. 3 von<I>A</I> nach<I>B,</I> also um den Betrag A 0 (Fig. 3) sich ändert. Der Punkt B der Fig. 3 wird im Zeit punkt t2 (Fig. 2) erreicht. Der Magnetisierungsstrom in dem Zeitintegral t1 bis t2 ist durch das entsprechende Stück des Linienzuges i in Fig. 2 dargestellt.
Im Zeitpunkt t2 (Fig. 2) beginnt die positive Halb welle der Wechselspannung. Damit wird das Ventil 3 (Fig. 1) leitend und das Ventil 6 sperrt. Durch den dabei in der Primärwicklung der Sättigungsdrossel fliessenden Strom wird der Magnetfluss in dieser wieder um den Betrag A 0 erhöht, wozu wiederum eine Spannungsfläche von der Grösse F notwendig ist. Während dieser Zeit fliesst in der Primärwicklung der Sättigungsdrossel ein kleiner Magnetisierungsstrom, wie er durch den Kurvenzug i in dem entsprechenden Abschnitt t2 bis t3 in Fig. 2 dargestellt ist.
Ist im Zeit punkt t3 die Entmagnetisierung beseitigt und dem entsprechend der Punkt C (Fig. 3) erreicht, so ver schwindet fast augenblicklich der induktive Widerstand der Sättigungsdrossel, und der Strom im Arbeitskreis springt auf einen Wert, der praktisch nur durch den Ohmschen Widerstand 4 (Fig. 1) begrenzt ist. Dieser Strom bleibt bis zum Ende der positiven Halbwelle, d. h. bis zum Zeitpunkt t4 bestehen, dann wiederholt sich das Spiel in der beschriebenen Weise.
Kennzeichnend für diesen Vorgang ist, dass wäh rend der negativen Halbwelle der Wechselspannung durch die Grösse des Widerstandes R; des Steuer organs 7 die Grösse der Spannungsfläche F und damit der Punkt t3, in welchem der den Steuerimpuls er zeugende plötzliche Anstieg des Stromes i erfolgt, eindeutig vorgeschrieben wird, und zwar in jeder negativen Halbwelle für die folgende positive Halb welle. Man hat es daher in der Hand, durch Änderung des Widerstandes Ri während der negativen Halb welle die Fläche F beliebig zu verändern und damit den Zündzeitpunkt t3 für die nächste Halbperiode festzulegen. Eine derartige periodische Veränderung des Zündzeitpunktes kann z.
B. dadurch erreicht wer den, dass man die Steuerspannung ust in Fig. 1 aus einer Gleich- und Wechselspannung zusammensetzt, wobei die Wechselspannung in ihrer Frequenz nicht mit der Frequenz der unsymmetrischen Speisespan nung übereinstimmt.
In Fig. 4 ist die Anwendung dieses Prinzips bei einer 12phasigen unsymmetrischen Stromrichter steuerung gezeigt. Dabei ist angenommen, dass die Stromrichteranordnung durch die Änderung einer Steuergrösse von der vollen Aussteuerung im Wechsel richterbereich unter Berücksichtigung des Respekt abstandes bis zur vollen Aussteuerung im Gleich richterbereich gesteuert werden soll.
Die Grundschaltung nach Fig. 1 ist hier 12mal verwendet. Die Spannungsquelle 8 der Rechteck spannung ist sechsphasig, und zwar sind die mit den gleichen römischen Ziffern bezeichneten Anschlüsse jeweils gleichphasig. 9-20 sind die Sättigungsdrosseln mit je zwei Wicklungen. 21-32 sind die Isoliertrans- formatoren und 33-44 die Ventile in den Arbeits kreisen AK Mit 45-56 sind die Ventile in den Steuer kreisen<I>SK</I> bezeichnet. Die Ohmschen Widerstände in den Arbeitskreisen tragen die Nummern 57-68.
In dem in Fig. 4 dargestellten Schaltungsbeispiel sind erfindungsgemäss jeweils drei um 120 e1. ver setzte Phasen zu einer Gruppe zusammengefasst, die jeweils von einem Steuerorgan, nämlich den Elek tronenröhren (Trioden) 69-72, beeinflusst werden.
Die unsymmetrische Steuerung erfordert nach dem eingangs Gesagten, dass ausgehend von einer prak tisch vollen Aussteuerung im Wechselrichterbereich in irgendeiner betrachteten Phase zunächst nur jeder (im zeitlichen Sinne) zweite Steuerimpuls in Richtung auf volle Gleichrichteraussteuerung verschoben wird, während die zeitlich dazwischenliegenden ersten Im pulse praktisch in ihrer der vollen Wechselrichter aussteuerung entsprechenden Lage stehenbleiben.
Wenn die jeweils zeitlich zweiten Impulse der be trachteten Phasen um etwa 240 e1. nach vorn ver schoben sind, so sollen sie an dieser Stelle stehen bleiben, und es sollen nun die bis dahin zurück gebliebenen Impulse folgen, für die dann nur noch eine Verschiebung um etwa 180 e1. notwendig ist.
Um dies zu erreichen, wird den Steuergittern der Röhren 69-72 eine Wellenspannung ust zugeführt, die aus einer symmetrisch rechteckigen Wechsel spannung u, konstanter Amplitude und einer ver änderbaren Gleichspannung ug besteht, wobei die Amplitude der Rechteckspannung eine bestimmte Grösse hat, von der weiter unten noch die Rede sein wird.
Die erforderliche gestaffelte Verschiebung der Steuerimpulse wird dabei durch die Verwendung einer Rechteckspannung als Teil der Steuerspannung ust erreicht, deren Frequenz das 1 %2fache der Frequenz des speisenden Netzes beträgt und zu deren Erzeugung ein ruhender oder rotierender Umformer, z. B. be stehend aus einem Synchronmotor 75 und einem Synchrongenerator 76 in Verbindung mit den Trans formatoren 73 und 74 dient. Die Phasen der in den Röhren 69-72 erzeugten Steuerspannungen sind bei n = 4 Gruppen um
EMI0003.0018
verschoben. Die Phase der in der Röhre 70 erzeugten Steuerspannung ist um 90 , die der Röhre 71 um 180 und die der Röhre 69 um 270 gegenüber der Steuerspannung der Röhre 72 verschoben.
Zur weiteren Erläuterung der zu der beabsichtigten Steuerung dienenden Vorgänge möge die Fig. 5 die nen. Darin ist oben der zeitliche Verlauf der un symmetrischen rechteckigen Wechselspannung der Phasen I, III und V und darunter die aus der Gleich spannung ug und der symmetrisch rechteckigen Wechselspannung uw von 1 V 2facher Frequenz zu sammengesetzte Steuerspannung ust dargestellt, welche der Röhre 72 zugeführt wird.
Darunter folgen in Fig. 5 die mit den Spannungen der Phasen I, III und V über einstimmenden Spannungen der Phasen I', III' und V' und die dazugehörige Steuerspannung ust der Röhre 71, welche gegen die Steuerspannung ust um 180 e1. verschoben ist.
Die beiden untern Darstellungen der Fig. 5 zeigen die Steuerspannung ust ' in der Gruppe II, IV, VI, ust " in der Gruppe II', IV', VI', ust' ist gegenüber ust um 270 , also gegenüber ust um 90 ver schoben. ust <I>"</I> ist gegenüber ust um 90 gegenüber u5t um 270 verschoben.
Bei der dargestellten Lage der Steuerspannung ust bzw. bei der Grösse der in ihr enthaltenen Gleichspannung ug ist im Zeitraum t,--t, das Gitter der Röhre 72 negativ. Die Röhre führt also keinen Strom bzw. ihr innerer Widerstand ist unend lich. In der Sättigungsdrossel 21 der Phase I findet daher während dieser Zeit nur eine geringe Reduzie rung ihres Magnetflusses statt, welche bedingt ist durch die nicht genaue rechteckige Form der Magnetisie- rungskennlinie bzw. durch die Differenz zwischen dem Sättigungsfluss und dem remanenten Fluss.
Diese Entmagnetisierung ist durch die Fläche F, dargestellt.
In der folgenden positiven Halbwelle entsteht also in dem durch die Grösse der Fläche F,_ bestimmten Zeitpunkt t7 ein Steuerimpuls.
Während der folgenden negativen Halbwelle der Phase I ist die Steuerspannung ust positiv. Die Röhre 71 hat daher einen endlichen innern Widerstand. Es findet also eine diesem Widerstand entsprechende Entmagnetisierung der Sättigungsdrossel statt, welche durch die Fläche FZ dargestellt ist und die in der nächsten Halbwelle einen Steuerimpuls im Zeitpunkt t,o bedingt.
Wie ersichtlich, wechselt im weiteren Verlauf, d. h. in den folgenden Perioden, die Lage der Steuerimpulse entsprechend den Punkten t,0 und t7 ab.
Das gleiche gilt auch für die Phasen III und V, deren Spannungen gegen diejenigen der Phasen I um 120 bzw. 240 e1. verschoben sind.
Sinngemäss die gleichen Vorgänge spielen sich in den Phasen I', III' und V' ab, wobei jedoch die Steuer impulse entsprechend der Steuerspannung ust ver schoben sind. Das gleiche gilt für die Gruppe II, IV, VI und II', IV', VI', wo die Steuerspannungen ust' und ug <I>"</I> entsprechend<I>n</I> - 4 um 90 gegeneinander verschoben sind.
Mit der beschriebenen Anordnung kann nun eine unsymmetrische Stromrichtersteuerung von der Voll aussteuerung im Gleichrichterbereich bis zur Voll aussteuerung im Wechselrichterbereich in folgender Weise durchgeführt werden: Es sei zunächst angenom men, dass die veränderbare Gleichspannung ug, die den Gittern der Röhren 69-72 gemeinsam zugeführt wird, auf einen solchen positiven Wert gebracht ist, bei dem die Röhren dauernd, d. h. auch während der negativen Halbwellen der Steuerspannung uw voll leitend sind.
Die Sättigungsdrosseln werden bei die sem Zustand jeweils durch die Ströme im Steuerkreis vollständig entmagnetisiert und die Steuerimpulse aller Phasen entstehen in den hierdurch bedingten spätest möglichen Zeitpunkten. Dies möge der vollen Aus- steuerung des Stromrichters im Wechselrichterbereich unter Berücksichtigung des nötigen Respektabstandes entsprechen.
Bei einer Verkleinerung der positiven Spannung ug bzw. beim Übergang derselben zu negativen Werten verschiebt sich unter dem Einfluss der nun wirksam werdenden negativen Halbwellen der Spannung uw bei allen Anoden jeder zweite Steuerimpuls im Sinne einer Vorverschiebung, während die dazwischen liegenden Impulse zunächst ihre zeitliche Lage bei behalten.
Bei passender Bemessung der Windungs- zahlen der Sättigungsdrosseln erreicht diese Vor- eilung gerade den Betrag von 240 e1. vermindert um den Respektabstand, wenn die Röhren 69-72 während dieser negativen Halbwellen vollständig gesperrt sind.
Bei einer weiteren Vergrösserung der negativen Spannung ug kann daher eine weitere Vorverschiebung der Zündimpulse nicht mehr eintreten. Wohl aber werden bei passender Wahl der Amplitude der Span nung uw nunmehr auch die positiven Halbwellen dieser Spannung im Sinne einer Vorverlegung der bis dahin stehengebliebenen Zündimpulse wirksam. Durch die Festlegung eines negativen Höchstwertes für die Spannung ug kann diese Vorverschiebung der Zünd- impulse auf einen beliebigen Winkel, vorzugsweise 180 e1., begrenzt werden.
Bei dieser Art der Steuerung wird während der positiven Halbwellen der Spannung uw den Gittern der Elektronenröhren zeitweilig eine verhältnismässig hohe positive Spannung zugeführt. Durch genügend hochohmige Bemessung der Gittervorwiderstände für diese Röhren kann aber trotzdem in bekannter Weise der Anodenstrom auf solche Werte begrenzt werden, die den Röhren nicht schaden.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Aus führungsbeispiel beschränkt, sondern kann in mannig facher Weise abgewandelt werden.
Zum Beispiel können als Steuerorgane statt der bisher erwähnten Trioden auch andere Elektronen röhren, z. B. Schirmgitterröhren, oder auch andere Vorrichtungen verwendet werden, die eine periodische Veränderung ihres Widerstandes, oder schliesslich auch eine ähnlich wirkende Einfügung einer periodisch veränderbaren Spannung in die Steuerstromkreise be wirken. Zum Beispiel sind auch Transistoren hierfür verwendbar. Auch die Verwendung mechanischer Steuereinrichtungen, welche entsprechende Wider stände oder Spannungsquellen periodisch schalten, ist denkbar.
Weiter ist es nicht notwendig, Sättigungsdrosseln mit zwei getrennten Wicklungen zu verwenden. Die Entkopplung der Arbeitskreise von den Steuerkreisen kann auch mit Hilfe einer einzigen Wicklung auf den Sättigungsdrosseln allein durch elektrische Ventile in jedem dieser Kreise erzielt werden. Jedoch müssen dann für die einzelnen dreiphasigen Gruppen getrennte Spannungsquellen für die unsymmetrisch rechteckigen Wechselspannungen vorgesehen werden.