Verfahren zum Betrieb einer Regeleinrichtung mit einem gesteuerten Stromrichter Gittergesteuerte Stromrichter werden in der Regel mit sogenannter Anschnittsteuerung betrieben, indem der Zündzeitpunkt jeder einzelnen Anode gegenüber dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit in jeder Pe riode um einen mehr oder weniger grossen Winkel a verzögert wird. Änderungen des Aussteuerungsgrades werden durch stetige Verschiebung der Zündzeitpunkte zwischen den Endlagen der Vollaussteuerung (a = 0) und der höchstzulässigen Wechselrichteraussteuerung (am",), welche durch die Trittgrenze bzw.
den notwen digen Sicherheitsabstand von der Stellung a = 180 gegeben ist, herbeigeführt. ama. beträgt normalerweise bei Vollast etwa 150 , bei Teillast kann er näher an 180 herangerückt werden. In umfangreicheren Be triebseinheiten mit grösserer Anodenzahl hat man häu fig zwecks Blindleistungsersparnis eine unsymmetrische Steuerung angewendet, bei welcher nicht sämtliche Anoden gleichzeitig und in gleichem Masse, sondern einzelne Gruppen oder selbst einzelne Anoden bzw. Gefässe nacheinander bis zur völligen Sperrung herab gesteuert werden. Auch in diesen Fällen wird aber bei jeder einzelnen Anode der Zündzeitpunkt zwischen zwei Endlagen durch alle Zwischenstellungen hindurch stetig verstellt.
Dazu sind verhältnismässig umständ liche Steuereinrichtungen mit Steuerspannungen ver schiedener, teilweise schwierig zu erzeugender Kurven form erforderlich, besonders wenn der Stromrichter zur Speisung drehzahlgeregelter Motorantriebe dient. Demgegenüber wird mit der Erfindung eine wesent liche Vereinfachung bezweckt.
Die Erfindung bezieht sich demzufolge auf ein Ver fahren zum Betrieb einer Regeleinrichtung mit einem gesteuerten Stromrichter, insbesondere zur Speisung geregelter Motorantriebe. Das erfindungsgemässe Ver fahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Stromrichters auf zwei ausgewählte Zündwinkel- werte, einen im Gleichrichtergebiet und einen im Wechselrichterbetrieb, beschränkt und dass durch einen praktisch trägheitslosen elektronischen Regler bei jedem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung ein sprunghafter Wechsel der Zündlage von dem einen zu dem anderen Winkelwert bzw. umgekehrt herbeige führt wird.
Diese Steuerung ist wesentlich einfacher als die bisher üblichen Verfahren, und man kommt daher auch mit einer einfacheren Regeleinrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens aus. Diese Ein richtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein elektroni scher Regler, welcher jeden Vorzeichenwechsel der Regelabweichung praktisch trägheitslos auf eine Vor richtung zur Gittersteuerung überträgt, vorgesehen ist und dass die Vorrichtung zur Gittersteuerung eine feste Einstellung auf die beiden ausgewählten Zündwinkel- werte aufweist. Das erfindungsgemässe Verfahren er möglicht, den Blindleistungsbedarf des Stromrichters in seinem gesamten Steuerbereich erheblich geringer zu halten.
Ein weiterer Vorteil des neuen Steuerverfah rens besteht darin, dass bei Schaltungen mit grösserer Pulszahl die der Pulszahl entsprechenden Komponen ten des Oberschwingungsspektrumsgleiche Phasenlagen haben. Andere, der Pulszahl fremde Komponenten treten nur mit kleinen Effektivwerten auf. Der geringste Blindleistungsbedarf unter sonst gleichen Verhältnis sen kann dadurch erzielt werden, dass als ausgewählte Zündwinkelwerte, mit denen die Steuerung arbeitet, die beiden extremen Werte der Vollaussteuerung als Gleichrichter (a = 0) und die höchstzulässige Wechsel richteraussteuerung (a = amaX) festgelegt werden.
Durch eine stromabhängige Beeinflussung des Sicher heitsabstandes 180 - ama, kann der Wechselrichter bereich optimal ausgenutzt werden.
Die Steuerung kann vorteilhaft als an sich bekannte Impulssteuerung ausgebildet sein, welche für jede Anode eines Metalldampfstrornrichters in jeder Wech- selspannungsperiode zwei Impulse mit fester Phasen lage, z. B. a = 0 und a = 150 bereithält. Einer dieser Zündimpulse wird jeweils durch den Regler unter drückt, je nachdem, ob in dem betreffenden Zeitpunkt der Ist-Wert, d. h. der zeitliche Mittelwert der Mess- grösse (Spannung oder Strom auf der Gleichstromseite), kleiner bzw. grösser ist als der vorgegebene Sollwert.
Solange der Sollwert bei Speisung des Verbrauchers mit Gleichstrom unterschritten wird, kommt bei jeder Anode der Zündimpuls zur Zeit a = 0 zur Wirkung. In diesem Falle braucht der andere Impuls, der bei a = 150 liegt, nicht einmal unterdrückt zu werden, weil er dann an dem vorhandenen Betriebszustand des Ventiles ohnehin nichts ändern kann. Wird jedoch der Sollwert überschritten, so wird durch den Regler der erste Impuls bei a = 0 unterdrückt, so dass nur der zweite bei a = 150 zur Wirkung kommt und einen Brennabschnitt einleitet, in dem das betreffende Ventil im Wechselrichterbetrieb arbeitet. Dadurch wird der zeitliche Mittelwert der gemessenen Grösse auf der Gleichstromseite wieder vermindert und so dem Soll wert angenähert.
Die vorbeschriebene Betriebsart ent spricht beispielsweise dem Anlassen eines Gleichstrom antriebsmotors, der Drehzahlsteigerung und dem Fah ren mit Last. Der Betrieb mit Bremsung und Dreh richtungsumkehr kann daraus ohne weiteres unter Be nutzung bekannter Verfahren und Schaltungen abge leitet werden und kann durch entsprechende Verstel lung des Sollwertes der Stellgrösse herbeigeführt wer den.
In der Zeichnung ist in den Fig. 1 bis 3 die Bildung der Gleichspannung in einem Dreiphasensystem bei Steuerung mit a = 0 und a = 150 durch 3 Kurven bilder beispielsweise für 3 theoretische Sonderfälle veranschaulicht, welche verschiedenen Verhältniswer ten der tatsächlich abgegebenen mittleren Gleichspan nung Ug zu dem bei Vollaussteuerung a = 0 erreich ten Gleichspannungsmittelwert Ugo entsprechen. Fig. 1 gilt für Ug: Ugo = 0,158.
Dabei umfasst ein Brenn- folgezyklus jeweils 4 Perioden = 8n. Fig. 2 gilt für Ug: Ugo = 0,25. Dabei umfasst ein Brennfolgezyklus jeweils 2 Perioden = 411. Fig. 3 gilt für Ug: Ugo = 0,5. Dabei umfasst ein Brennfolgezyklus jeweils eine Pe riode = 21r, wobei eine der drei Phasen überhaupt nicht beteiligt ist.
Fig. 4a zeigt den Verlauf der ungeglätteten Gleich spannung bei einer Aussteuerung des Stromrichters über einen längeren Zeitraum im Gleichrichterbetrieb mit dem Zündwinkel a = 0. Der Verlauf des Mittel wertes der Gleichspannung Ug ist im Diagramm strich punktiert angedeutet. Nach Fig. 4b wird der Strom richter über längere Zeit im Wechselrichterbetrieb mit dem Zündwinkel a = 150 , das soll beispielsweise die max. zulässige Wechselrichteraussteuerung sein, aus gesteuert. Der Verlauf des Mittelwertes der Gleich spannung U, ist negativ.
Der Verbraucherstrom wird somit bei Aussteuerung im Wechselrichterbetrieb ver hältnismässig schnell vermindert und somit beispiels weise die Drehzahl eines Antriebsmotors herabge- steuert. Die beiden Betriebsarten werden jeweils so lange beibehalten, bis sich der gewünschte Stromver lauf um den Sollwert herum einstellt. Die Betriebs zustände nach den Fig. 4a und 4b werden jedoch nur bei sehr grossen Induktivitäten im Gleichstromkreis abwechselnd auftreten. Bei Verwendung von modernen Steuereinrichtungen mit nahezu trägheitslos arbeiten den elektronischen Schaltelementen werden die Be triebszustände verhältnismässig schnell wechseln.
Da bei kann es vorkommen, dass entsprechend den Fig. 1 bis 3 die Betriebszustände so schnell wechseln, dass der volle Mittelwert der Gleichspannung nach den Fig. 4a und 4b nicht erreicht wird. In der Praxis werden somit die dargestellten stationären Zustände nicht auftreten, weil schon durch kleinste Schwankungen der Speise spannung oder der Belastung Unregelmässigkeiten hervorgerufen werden.
In Fig. 5 ist oben der Verlauf des Gleichstromes 1g und unten das zugehörige Regler-Ausgangssignal i über der Zeitachse t aufgetragen. Der Stromsollwert IS ist als strichpunktierte Linie eingezeichnet. Der Ver lauf des Strom-Istwertes 1i kann beispielsweise aus dem Oszillogramm eines Streifenoszillographen entnom men sein.
Zur Zeit to ist der Stromistwert 1i grösser als der Stromsollwert 1s. Der Stromrichter wird deshalb in diesem Zeitpunkt als Wechselrichter mit dem Zünd- winkel a = 150 ausgesteuert. Infolgedessen sinkt der Augenblickswert des Gleichstromes. Sobald der Strom sollwert 1s zur Zeit t, unterschritten wird, wird das Reglerausgangssignal 0.
Der Stromrichter erhält Gleichrichterimpulse, bis der Gleichstromaugenblicks wert zur Zeit t2 wieder grösser wird als der Sollwert I, Dann wird der Stromrichter wieder als Wechselrichter ausgesteuert, bis der Strom zur Zeit t3 wieder unter den Sollwert sinkt. Von t3 bis t4 wird der Stromrichter wie der als Gleichrichter ausgesteuert und der Strom steigt wieder an.
In gleicher Weise wiederholt sich die Wech- selrichteraussteuerung von t4 bis t5 und t6 bis t, und die Gleichrichteraussteuerung von t5 bis t6 und t7 bis t, Die Dauer der Reglerausgangssignale und damit die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wechseln der Betriebsart ist im allgemeinen nicht konstant.
Sie richtet sich überwiegend nach der Zeitkonstante der Anordnung und nach der Gegenspannung, die beispiels weise bei Motorantrieben wieder von der Drehzahl abhängig ist.
Ein so gesteuerter Stromrichter hat im gesamten Spannungsbereich einschliesslich des Wechselrichter betriebes nahezu die gleiche geringe Blindleistungsauf- nahme wie bei voller Aussteuerung unter Berücksich tigung der Kommutierungsblindleistung. Ausserdem ist die Ventilbeanspruchung, die durch das Produkt von Sprungspannung und Stromsteilheit gegeben ist, wesentlich geringer als bei den bekannten Steuerver fahren mit Teilaussteuerung durch stetige Zündwinkel- verschiebung, weil bekanntlich die Stromsteilheit und die Sprungspannung bei einem Zündwinkel a = 0 am kleinsten sind.
Bezüglich der Glättung des Gleichstromes stellt das neue Steuerverfahren keine höheren Anforderun- gen als die bisher üblichen Verfahren. Die Zeitkon stante muss grösser sein als die Stromführungsdauer eines Ventils. Beispielsweise kann für einen dreipulsi- gen Stromrichter die Zeitkonstante im Gleichstrom kreis vorteilhaft auf einen Wert in der Grössenordnung von 0,1 sek. festgelegt werden. Dieser Wert kann durch induktive Glättungsmittel ohne Filterkapazitäten er reicht werden.
Wenn auch im Netzstrom Oberschwingungen aller denkbaren Ordnungszahlen auftreten können, so ist doch die Mehrzahl derselben auf sehr kleine Amplitu den beschränkt und zeitlich über die Betriebsdauer statistisch verteilt, so dass sie sich nicht störend aus wirken. Das der Pulszahl zugehörige Grundspektrum bleibt im ganzen Steuerbereich im wesentlichen unver ändert, hat jedoch auch bei Betrieb mit dem neuen Steuerverfahren eine definierte Phasenlage zur Grund welle. Dies ist von Bedeutung für Stromrichteranord- nungen höherer Pulszahl, deren Einzelsysteme mit gleicher Belastung arbeiten. Die Verhältnisse sind also bezüglich dieser zum Grundspektrum gehörenden Oberwellen günstiger als bei Stromrichteranordnungen mit hergebrachter Steuerung.
Da für einen Betrieb mit dem neuen Steuerverfah ren ein praktisch trägheitsloser Wechsel der Zündlagen von ausschlaggebender Bedeutung ist, so kommen als Steuer- und Regeleinrichtungen hauptsächlich solche mit Elektronenröhren und vorzugsweise mit Transi storen oder ähnlichen steuerbaren elektronischen Halbleiteranordnungen in Betracht. Grundsätzlich kön nen dazu bekannte Einrichtungen verwendet werden, bei denen jedoch die sonst erforderlichen Mittel zur Verstellung der Phasenlage der Zündzeitpunkte ent behrlich sind. Anordnungen zur Erzeugung von Zünd- impulsen mittels Transistoren sind an sich bekannt.
Zur Bestimmung der Schaltbefehle, durch welche in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Regelab weichung entweder der eine oder der andere Steuer impuls zur Wirkung gebracht wird, kann ein an sich bekannter Zweipunktregler, insbesonders Transistor regler, verwendet werden.
Das vorbeschriebene Steuerverfahren kann auch für gesteuerte Halbleiterventilanordnungen verwendet werden, welche so ausgebildet sind, dass eine Anschnitt steuerung durch gegenüber dem Spannungsnulldurch- gang verzögerte Impulse möglich ist und eine Sperrung jeweils erst im Stromnulldurchgang eintritt und vorher auch zwangläufig nicht herbeigeführt werden kann (Stromtor-Verhalten). Derartige Halbleiteranordnun gen sind unter anderem die in letzter Zeit bekannt gewordenen Vierschichtsysteme mit p-n-p-n-Schich- tung,
bei denen beim Anlegen einer Wechselspannung an die äusseren Elektroden der mittlere p-n-Übergang den Stromdurchlass in jeder Periode zunächst sperrt, bis er durch einen elektrischen oder Lichtimpuls stromdurchlässig gemacht und so der Halbleitergleich richter gewissermassen gezündet wird.