DE1135566B - Selbstgefuehrter Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT H 02p; H 03 b

B 60176 IXd/21d²

ANMELDETAG: 22. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER

auslegeschrift: 30. AUGUST 1962

Es ist bekannt, daß man die Sperrbeanspruchung der gesteuerten Ventile eines selbstgeführten Wechselrichters wesentlich verringern kann, wenn man zu den gesteuerten Ventilen ungesteuerte Ventile antiparallel schaltet. Dies kann man ohne weiteres in allen Fällen, in denen steuerbare Ventile angewendet sind, die nicht nur den Stromeinsatz, sondern auch das Verlöschen des Stromes steuertechnisch ermöglichen, also beispielsweise bei Verwendung von Transistoren. Gerade für diese ist ein Schutz gegen hohe Spannungen in der Sperrichtung unerläßlich.

Es kann aber auch für Gasentladungsstromrichter erwünscht sein, einen Schutz gegen hohe Sperrspannungen vorzusehen, und zwar aus Gründen, die nachfolgend näher dargelegt werden sollen.

Der Träger eines Quecksilberdampflichtbogens ist bekanntlich das in Dampffonn bestehende, als Plasma bezeichnete Gemisch von neutralen Hg-Teilchen, positiven Hg-Ionen und negativen Elektronen, die zusammen ein elektrisch quasineutrales Gas bilden. Die Dichte der Hg-Ionen im Löschaugenblick des verklingenden Anodenstromes der Entladungsstrecke ist, wie weiterhin bekannt ist, wesentlich durch die Änderungsgeschwindigkeit dieses Anodenstromes mitbestimmt. Durch die zwischen Anode und Kathode der Entladungsstrecke sprunghaft einsetzende Sperrspannung wird ein elektrisches Feld aufgebaut, das die positiv geladenen Hg-Ionen zur Anode hin beschleunigt. Bei Aufprall dieser Ionen auf die üblicherweise aus "Graphit gefertigte Anode wird Anodenmaterial zertrümmert, das als feinster Staub frei wird und sich auf alle Isolationsstrecken niederschlägt. Im Laufe der Zeit entstehen dadurch leitende Strecken, die die Isolation im Stromrichtergefäß beeinträchtigen.

Die Menge des je Zeiteinheit zerstäubten Anodenmaterials ist abhängig von der Dichte der Ionen des Plasmas, von der Höhe des Sperrspannungssprunges an der Entladungsstrecke und von der Frequenz der Zündfolge des Entladungslichtbogens. Wird daher beispielsweise das Entladungsgefäß für einen Wechselrichter für einen Wechselstrom von 500 Hz verwendet, so ist die durch den Zerstäubungsvorgang begrenzte Lebensdauer des Entladungsgefäßes um eine Größenordnung kleiner als bei Betrieb mit einem Wechselstrom von 50 Hz.

Der obengenannte Schutz gegen das Auftreten hoher Sperrspannungssprünge, nämlich die Antiparallelschaltung ungesteuerter Ventile, ist aber bei Gasentladungsstrecken nicht ohne weiteres anwendbar. Denn bei diesen ist das Steuergitter bei Stromfluß, also Vorhandensein eines Plasmas und einer Selbstgeführter Wechselstromgenerator

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie. Aktiengesellschaft, Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22

Dipl.-Ing. Manfred Depenbrock,

Mannheim-Almenhof, ist als Erfinder genannt worden

das Steuergitter umhüllenden Raumladungszone, elektrisch unwirksam. Infolgedessen kann eine Stromablösung einer Entladungsstrecke durch die zeitlich nächstfolgende nur erfolgen, wenn entweder der Anodenstrom von selbst durch Null geht oder wenn durch einen Ausgleichsstrom, der sich als Gegenstrom auswirkt, der Nulldurchgang des Anodenstromes erzwungen wird. Diesen letzteren Vorgang nennt man bekanntlich die Kommutierung.

Zur Einleitung dieses letztgenannten Vorganges sind bekanntlich bei selbstgeführten Wechselrichtern, denen keine Wechselspannung als Gegenspannung zur Verfügung steht, Kondensatoren in Anwendung, die parallel zur Belastung des Wechselrichters oder mit der Belastung in Reihe geschaltet sein können.

Diese Kondensatoren laden sich während jeder Stromflußdauer der Anodenströme vollständig um und stellen dadurch am Ende der Stromflußaauer gerade die Spannung bereit, die zur Einleitung des Gegenstromes zum Erzwingen des Stromnulldurchganges erforderlich ist.

Die Verhältnisse werden indessen anders, wenn es gelingt, den Wechselstromkreis des Wechselrichters in Verbindung mit dem Kondensator so zu gestalten, daß die Anodenströme der Gasentladungsstrecken von selbst durch Null gehen. Von dieser Erkenntnis geht die Erfindung aus, die sich auf einen selbstgeführten Wechselrichter mit einem Belastungskreis bezieht, zu welchem ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird der Wechselrichter zu einem Wechselstromgenerator für annähernd sinusförmige Wechselströme umgebildet. Der Wechselrichter soll dementsprechend weiterhin als selbstgeführter Wechselstromgenerator bezeichnet werden.

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Die Erfindung sieht für selbstgeführte Wechselstromgeneratoren mit einem zur Belastung in Reihe geschalteten Kondensator, vorzugsweise zur Erzeugung von Mittelfrequenz-Wechselströmen, vor, daß den aus Gasentladungsventilen oder steuertechnisch ähnlich wirkenden Halbleiterventilen gebildeten steuerbaren Ventilen des Wechselstromgenerators ungesteuerte Ventile antiparallel geschaltet und daß der mit der Belastung in Reihe geschaltete Kondensator

der Belastungskreis einen gedämpften Schwingungskreis darstellt, dessen Dämpfung unterhalb der aperiodischen Dämpfung liegt. Hierzu muß bekanntlich

44 > R²

sein. Ferner sind die Größen R, L und C so aufeinander abgestimmt, daß die Schwingungsdauer des

und die gegebenenfalls durch. zusätzliche Induktivi- io Belastungskreises etwas kleiner ist als die Periodentäten ergänzte Impedanz der Belastung so bemessen dauer des zu erzeugenden Wechselstromes bzw. der sind, daß sie einen Schwingungskreis bilden, der eine Steuerimpulse der Entladungsgefäße. Wird die unterhalb der aperiodischen Dämpfung liegende Schwingungsdauer des Belastungskreises mit Tt, und Dämpfung aufweist und eine Schwingungsdauer so die Periodendauer des Wechselstromes mit T_w beweit unterhalb der Periodendauer des zu erzeugenden 15 zeichnet, so muß also Wechselstromes besitzt, daß der Strom jedes gesteuerten Ventils vor der Freigabe des Stromflusses des
zeitlich nächstfolgenden Ventils durch Null geht.

Wie weiter bekannt ist, ermöglichen diese Kondensatoren nicht nur die Kommutierung, sondern sind außerdem wesentlich mitbestimmend für die Kurvenform des erzeugten Wechselstromes.

Aber die geschilderte Funktion der Kondensatoren zur Lieferung der für die Kommutierung erforderlichen Gegenspannung schließt es unter den üblicherweise gegebenen Umständen aus, zu den Gas-

T_b <
sein. Darin ist bekanntlich

= 2:

ι Ji¹Z

L~C ~~ÄU

Ferner ist, wenn/die Frequenz des Wechselstromes bedeutet,

T_w = Hf.

Zur Erzielung eines stationären Betriebes des Wechselstromgenerators muß nun Tb um so viel kleiner sein als Tw, daß der Wechselstrom periodisch wird, d. h. seine positiven und'negativen Halbwellen gleich groß sind. Hierzu ist, wie Fig. 2 erkennen läßt, notwendig, daß beispielsweise die Augenblickswerte des Wechselstromes i_w am Anfang und Ende einer Wechselspannungshalbwelle u_w entgegengesetzt gleich sind. Für die Einhaltung dieser Bedingung läßt sich bei

entladungsstrecken ungesteuerte Ventile unmittelbar antiparallel zu schalten, da ein Teil dieser Gegenspannung am Ende der Kommutierung als Sperrspannung erscheint.

Unter Halbleiterventilen, die steuertechnisch ähnlich wirken wie Gasentladungsventile, sollen die auf Halbleiterbasis aufgebauten Vierschichtentrioden verstanden werden, bei denen die Löschung eines

Stromes nur durch Stromnulldurchgang eintreten 35 einer schwachen Dämpfung, deren Maß durch kann. γ = R/2 L gegeben ist, eine einfache Bedingung an-

Ein Beispiel eines derartigen Wechselstromgene- geben. Sie lautet rators ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses bezieht sich auf
einen zweipulsigen Wechselrichter in der Brückenschaltung mit steuerbaren Gasentladungsventilen, 4°
denen Halbleiterventile antiparallel geschaltet sind.
Die Strom- und Spannungsverläufe in diesem Wechselrichter sind in Fig. 2 veranschaulicht.

In Fig. 1 sind 1 und 2 die Anschlußklemmen für

2π AT tgω (At-AT)'

Δ t = ti - t₀ und AT =

UCClC LlLcIl L-Λ t, —— ν γ ty W.Ü·-* c-i a. - - —

(Tw — Tb) die in Fig. 2 wiedergegebenen Zeitdifferenzen. Durch diese Bedingung ist der Zu-

die Gleichspannung CZ₀- ^Der Belastungsstromkreis 45 sammenhang zwischen Δ T und y festgelegt, der erzeugten Wechselspannung liegt zwischen den Unter diesen Umständen vollführt der Wechsel-

Klemmen 3 und 4. Die Brückenschaltung der strom i_w, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, in AbVentile enthält die vier steuerbaren Gasentladungs- hängigkeit von der Zeit / eine Halbschwingung, die gefäße S₁, S₂, S₃, S₄ und die vier zu ihnen anti- im Zeitpunkt Z₀ etwas früher durch Null geht, als parallel geschalteten Halbleiterventile G₁, G₂, G₃, G₄. 50 die im Zeitpunkt ti stattfindende Zündung des zeit-

Die Steuerung der Gasentladungsgefäße erfolgt lieh folgenden Ventilpaares vor sich geht. Die in durch Gitterspannungsimpulse, die von dem Steuer- Fig. 2 gezeigte, sich anschließende negative Halbgerät Si erzeugt werden. Dieses bestimmt die Höhe schwingung des Wechselstromes hat im Zeitpunkt i₂ des Wechselstromes, der den zwischen den Klem- ihren Nulldurchgang, worauf im Zeitpunkt Z₃ wieder men 3 und 4 liegenden Belastungsstromkreis durch- 55 das erste Ventilpaar gezündet wird. Da die Gleichfließt. Der Gleichstrom, der jeweils das eine oder spannung U₀ zeitlich konstant ist, ist die zugehörige andere Ventilpaar durchfließt, ist mit i_g, der aus ihm Wechselspannungskurve u_w rechteckförmig. Der gebildete Wechselstrom im Belastungsstromkreis mit Gleichstrom i_g enthält dieselben nur in ständig i_w bezeichnet. · gleicher Richtung verlaufenden Kurvenelemente' wie

Der Belastungsstromkreis besteht aus dem Ohm- 60 der Wechselstrom Uv· Im Zeitbereich von ίο bis Z₁ sehen Widerstand K, der als Drosselspule dargestell- bzw. von Z₂ bis Z₃ fließt der Gleichstrom durch die

ten Induktivität L und dem Kondensator C. In Reihe mit diesen Belastungselementen liegt ein Stromwandler W, dessen Sekundärwicklung mit dem Steuergerät Si verbunden ist.

Bei gegebenem Wert des Ohmschen Widerstandes R ist nun erfindungsgemäß die Bemessung der Induktivität L und des Kondensators C so gewählt, daß

antiparallel geschalteten ungesteuerten Halbleiterventile. Infolgedessen kann sich an den gesteuerten Ventilen keine Sperrspannung ausbilden. Da diese Stromanteile relativ klein sind, können die Halbleiterventile für einen kleinen Strom ausgelegt sein.

Während der Stromflußdauer der antiparallel geschalteten Halbleiterventile können die Steuergitter

der stromlosen Gasentladungsventile ihre Sperrfähigkeit wiedererlangen, so daß bei Zündung des nächsten Ventilpaares im Zeitaugenblick ^ das stromlos gewordene Ventilpaar nicht dufchzünden kann.

Durch Vergrößern der Zeitdifferenz Δ t — t —1₀ erhöht sich die voreilende Phasenverschiebung des Wechselstromes gegenüber der rechteckförmigen Wechselspannung. Die Zeitdifferenz Δ t steht aber in einem festen Zusammenhang mit der Frequenz/. Infolgedessen kann durch Änderung der Zeitdifferenz Δ t der Scheinwiderstand der Belastung und damit die abgegebene Leistung verändert werden. Ebenso kann bei sich änderndem ohmschem Widerstand R die Leistungsabgabe durch gleichzeitige Änderung der Zeitdifferenz Δ t konstant gehalten werden. Die Steuerung des Zeitintervalls kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß im Augenblick des durch den Wandler W erfaßten Nulldurchgangs des Belastungsstromes i_w eine monostabile Kippstufe angesteuert wird, die dann um die Zeit A t verzögert in ihre stabile Ausgangslage zurückkippt und dabei über Verstärkungsglieder einen kurzen Zündimpuls auf die Gitter der nun zur Stromführung bestimmten Stromrichtergefäße gibt. Durch Änderung der zeitbestimmenden Größen, beispielsweise der Widerstände, der Kapazität der Kondensatoren oder der Spannungen der monostabilen Kippstufe, läßt sich das Zeitintervall Δ t, gegebenenfalls durch eine Regelung in gewünschter Weise, beeinflussen.

In vielen Anwendungsfällen stellen die Induktivitat L und der Kondensator C keinen erhöhten Aufwand dar. Ist die Last beispielsweise ein Induktionsofen, so stellt dieser selbst eine Induktivität dar, und ein Kondensator wird bei derartigen Anlagen ohnehin schon zur Blindleistungskompensation angewendet.

Der Erfindungsgedanke ist keineswegs auf das beschriebene Beispiel beschränkt, sondern läßt sich sinngemäß auf alle bekannten Wechselrichterschaltungen anwenden. Ferner ist auch die Ausbildung von mehrphasigen Wechselstromgeneratoren bei symmetrischer Belastung ohne weiteres möglich.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. .Selbstgeführter Wechselstromgenerator mit einem zur Belastung in Reihe geschalteten Kondensator, vorzugsweise zur Erzeugung von Mittelfrequenzwechselströmen, dadurch gekennzeichnet, daß den aus Gasentladungsventilen oder steuertechnisch ähnlich wirkenden Halbleiterventilen gebildeten steuerbaren Ventilen des Wechselstromgenerators ungesteuerte Ventile antiparallel geschaltet und daß der mit der Belastung in Reihe geschaltete Kondensator und die gegebenenfalls durch zusätzliche Induktivitäten ergänzte Impedanz der Belastung so bemessen sind, daß sie einen Schwingungskreis bilden, der eine unterhalb der aperiodischen Dämpfung liegende Dämpfung aufweist und eine Schwingungsdauer so weit unterhalb der Periodendauer des zu erzeugenden Wechselstromes besitzt, daß der Strom jedes gesteuerten Ventils vor der Freigabe des Stromflusses des nächstfolgenden Ventils durch Null geht.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Belastungsstromkreis ein den effektiven Wechselstrom und den Stromnulldurchgang überwachender Stromwandler vorgesehen ist, dessen Sekundärspannung in an sich bekannter Weise auf ein Steuergerät für die Ansteuerung der steuerbaren Ventile so einwirkt, daß die Zeitdauer zwischen dem Nulldurchgang jeder Halbschwingung des Stromes des stromführenden Ventils und der Freigabe des Stromflusses des jeweils zeitlich nächstfolgenden Ventils nach der Höhe des erforderlichen effektiven Wechselstromes der Belastung veränderbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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