DE2715084A1 - Direktumrichter - Google Patents

Description

FUJI ELECTRIC CO. LTD. ^ Mein Zeichen Kawasaki/Japan VPA ffip 8 5 8 0 BRD

Direktumrichter

Es wird die Priorität aus der japanischen Patentanmeldung 151-42 694 vom 14.4.1976 beansprucht.

Die Erfindung betrifft einen Direktumrichter mit wenigstens zwei selbstgeführten Gleichrichtern, die in Bezug auf die Last antiparallel geschaltet sind.

Solche Direktumrichter, beispielsweise auch als statische

Leonard-Anordnungen zum Betrieb von Gleichstrommotoren in beiden Drehrichtungen, werden oftmals als Kombination von zwei selbstgeführten Gleichrichtern und zwei fremdgeführten Gleichrichtern eingesetzt, wobei die Gleiohriohter jeweils antiparallel zueinander geschaltet sind. Die selbstgeführten Gleiohriohter und die fremdgeführten Gleiohriohter sind entweder in Reihe oder parallel zu einer gemeinsamen Last gesohaltet, wodurch die duroh die Phasennacheilung der fremdgeführten Gleiohriohter hervorgerufene Blindleistung durch die aufgrund einer Phasenvoreilung hervorgerufene Sobeinleistung des selbetgefUbrten Gleiohriohters koapensiert wird. Damit bleibt der Leistungsfaktor für die Grundschwingung in wesentlichen bei eine. Aus diesem Grund sind derartige Umrichter für hohe Leistungen einsetzbar.

Figur 1 veranschaulicht ein Schaltungsbeispiel eines herkömmliohen Direktumriohters. Zwei fremdgeführte Gleiohriohter 2A 2.5.1977 / SpI 2 Bak 70984B/0723

und 2B, von denen jederals dreiphasige Brlickenschaltung ausgeführt ist, sind antiparallel zueinander angeordnet und an eine der Sekundärwicklungen des Transformators 1 angeschlossen. Der Transformator 1 wird von einem Drehstromnetz gespeist. An die zweite Sekundärwicklung des Transformators 1 sind die Eingänge von zwei selbstgeführten Gleiohrichtern 3A und 3B angeschlossen, von denen jeder aus in dreiphasiger Brückenschaltung angeordneten Thyristoren besteht und jeder mit einer Kommutierungsanordnung versehen ist. Die Gleichspannungsauegänge der Gleichrichter 3A und 3B sind in Antiparallelschaltung miteinander verbunden. Das Bezugszelohen 4 bezeichnet eine Last. Der Gleichstrom der einen Flußriohtung wird durch die Gleichrichter 2A und 3A geliefert, während der Gleichstrom der anderen Flußriohtung den Gleichrichtern 2B und 3B entnommen wird.

Wenn die Stromflußrichtung des La stströme geändert werden soll, werden die einen Gleichrichter dann in Betrieb gesetzt, wenn die anderen Gleichrichter keinen Strom führen. Dies wird als kreifstromfreie Steuerung bezeichnet. Die Kommutierungseinriobtungen C3A und C3B für die selbstgeführten Gleichrichter 3A und 3B umfassen jeweils Dioden in dreiphasiger Brückenschaltung, zwei Kommutierungskondensatoren, zwei Kommutierungsdrosseln und zwei Unsohwingthyristoren.

Weitere Details des Aufbaus und der Wirkung der Kommutierungseinrichtungen werden aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung klar hervorgehen, so daß - um Wiederholungen zu vermeiden - hier nicht näher darauf eingegangen wird. Jede Kommutierungselnrichtung wird im allgemeinen mit einer Naohladeelnrichtung versehen sein, um immer eine ausreichende Spannung der Kommutierungskondensatoren sicherzustellen. Dies iat jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 nioht dargestellt.

Der große Vorteil derartiger Direktumrichter, insbesondere wenn sie für hohe Leistungen ausgelegt sind, besteht darin, daß keine wesentliche Blindleistung erzeugt wird. Ein Nachteil

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derartiger Direktumrichter mit selbstgeflihrten Gleichrichtern liegt darin, daß sie relativ teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Direktumrichter der eingange genannten Art anzugeben, der kostengünstiger ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den selbstgeführten Gleiohricbtern gemeinsam nur eine Kommutierungseinriontung zugeordnet ist. Es ist besonders günstig, wenn wenigstens Teile der Kommutierungseinrichtung gemeinsam für beide Gleichrichter genutzt werden. Damit können Bauteile eingespart werden. Ferner wird der Raumbedarf für einen Direktumrichter verringert.

Die vorliegende Erfindung resultiert aus der Erkenntnis, daß falle keine kreisetromfreie Steuerung erreicht werden kann, so daß beide selbstgeflihrten Gleichrichter für Lastströme unterschiedlicher Stromflußrichtungen eingerichtet sind und wenn inner dann, wenn einer der Gleichrichter in Betrieb ist, die andere außer Betrieb ist - wenigstens ein Teil der Kommutlerungseinriohtungen gemeinsam einsetzbar ist.

Ss ist vorteilhaft, wenn die Kommutierungseinrichtung eine Diodenbrücke aufweist, deren Wechselspannungsklemmen mit den

Wechselspannungsklemmen der Gleichrichter verbunden sind und

an deren Gleichepannungsklemmen jeweils ein Umschwingkreis angesohlossen ist, bei dem die Reihenschaltung eines Kommutlerungekondensators und einer Kommutierungsdrossel durch ein steuerbares Stromrichterventil überbrückt ist und wenn die freie Anaohlußklemme des einen Umsohwingkreises über die Anoden zweier steuerbarer Stromrichterventile, die freie Anschlußklemme dee anderen Umschwingkreises über die Kathoden zweier ateuerbarer Stromrichterventile jeweils an beide Gleichspannungsklemmen der Gleichrichter angeschlossen ist. Die Diodenbrttoke und beide Umschwingkreise werden dabei in beiden selbstgeführten Gleiohriohtern genutzt. Jeder Umschwingkreis dient zum Löschen der Thyristoren einer Brückenhälfte in beiden Gleichrichtern. 709845/0723

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 bis 4 näher erläutert.

Der in Figur 2 dargestellte Direktumrichter weist einen Gleichriohter 3A mit in dreiphasiger Brlickenschaltung verbundenen Hauptthyristoren Ü1 bis Z1 und einen weiteren Gleichrichter 3B mit in dreiphasiger Brlickenschaltung verbundenen Hauptthyristoren Ü2 bis Z2 auf. Die Eingangsklemmen der Gleichrichter 3A und 3B sind an ein dreiphasiges Wechselstromnetz RST angeschlossen. Die beiden genannten Gleichrichter 3A und 3B sind Über ihre Ausgangsklemmen in Antiparallelschaltung verbunden. Das Bezugszeichen P1 bezeichnet eine Ausgangsklemme mit positiver Spannung des Gleiohrichters 3A oder eine Ausgangsklemme mit negativer Spannung des Gleichrichters 3B. Das Bezugszeichen N1 bezeichnet eine Ausgangsklemme mit negativer Spannung des Gleichrichters 3A oder eine Ausgangsklemme mit positiver Spannung des Gleichriohtere 3B. Eine Diodenbriicke mit Dioden D1 bis D6 in dreiphasiger Brlickenschaltung liegt mit ihren Wechselspannungsklemmen ebenfalls am speisenden dreiphasigen Wechselspannungsnetz RST. Gleiohspannungsseitig ist ihre Ausgangsklemme mit positiver Spannung mit P2 und ihre Ausgangsklemme mit negativer Spannung mit N2 bezeichnet. Ein gemeinsamer Kommutierungskondensator Cp für die Hauptthyristoren Ü1 bis W1 und U2 bis W2 liegt zwischen der positive Spannung aufweisenden Ausgangsklemme P2 der Diodenbrticke und einer Klemme P3. Die Klemme P3 kann durch die Polaritätsschaltthyristoren B1p und B2p an die gemeinsamen Ausgangsklemmen P1 und N1 der Gleichrichter 3A und 3B angeschaltet werden. Der Kommutierungskondensator Cp ist mit einer Kommutierungsdrossel Lp in Reihe gesohaltet. Die Seriensohaltung des Kommutierungskondensators Cp und der Kommutierungsdrossel Lp ist durch einen Umscbwingthyristor Qp überbrückt und bildet mit diesem einen TJmschwingkreis. Die Seriensohaltung eices weiteren Kommutierungskondensators Cn und einer weiteren Kommutierungsdrossel Ln liegt zwisohen der Ausgangsklemme N2 der Diodenbrüoke mit negativer Spannung und einer Klemme N3. Diese Klemme N3 kann selektiv duroh die Polaritätsschaltthyristoren Bin und B2n an die ge-

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76P 8 580 BRD meinaamen Ausgangsklemmen N1 und F1 der Gleichrichter 3A und 3B angteobaltet werden. Die erwähnte Serienechaltung aus KornmutierungekoDdeneator Cn und Kommutierungsdrossel Ln ist duroh einen Umeohwingthyristor Qn überbrückt und bildet einen weiteren ümsohwingkreis. Der Kommutierungskondeneator Cn ist flir die Hauptthyristoren 21 bis Z1 und 22 bis Z2 gemeinsam vorgesehen. Ub an beiden Kommutierungskondersatoren Cp und Cn ioaer eine hinreichende Kommutierungsspannung zu sichern, sind Naohladezweige vorgesehen, die gestrichelt in Figur 2 eingezeiohnet sind. Einer der Nachladezweige besteht aus der Reiheneohaltung eines Nachladethyristors Tap und eines Widerstandes Rap, die die Klemmen P3 und N2 verbinden. Ein weiterer Nachladezweig besteht aus der Reihenschaltung eines Nachladethyristors Tan und eines Widerstandes Ran, die die Klemmen F2 und N3 verbinden.

Alle Teile der Kommutierungaeinrichtung werden ftir beide Gleichrichter 3A und 3B verwendet mit Ausnahme der Polaritätsschaltthyriatoren B1p und Bin, die dem Gleichrichter 3A zugeordnet sind, und der Polaritätsschaltthyristor B2p und B2n, die dem Gleichrichter 3B zugeordnet sind.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der in Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung beschrieben. Unter der Annahme, daß der Gleichrichter 3A in Betrieb ist und der Laststrom duroh die Hauptthyristoren U1 und Z1 des Gleichrichters 3A fließt, wird die Kommutierung des Laststroms von dem Hauptthyristor U1 auf den Hauptthyristor V1 beschrieben. Da der Zlindwinkel der Zündimpulse, die jedem Thyristor der Gleichrichter zugeführt werden, in einem Bereich zwischen -180° und 0° (oder zwischen 270° bis 360°) gehalten wird, kann die Kommutierungsspannung nioht aus dem speisenden Netz bezogen werden. Vor der Kommutierung des Laststroms von dem Hauptthyristor U1 auf den Hauptthyriitor 71 wird der Umschwingthyristor Qp gezündet, so daß in dem aus dem Kommutierungskondensator Cp und der Kommutie-

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rungsdrossel Lp gebildeten Umsohwingkreis ein Umschwingvorgang stattfindet. Am Sode des Umscbwingvorganges weist der KommutierungslcoDdeneator Cp eine gegenüber der eingezeichneten' Polarität entgegengesetzte Spannung auf. Nacb Umladung des Kommutierungekondensators Cp wird der Polaritätescbalttbyristor B1p gezündet. Die Spannung des Kommutierungskondensators Cp stebt nun über die Diode D1, die Kommutierungsdrossel Lp und den Polaritäteumscbaltthyristor P1p am Haupttbyristor U1 an und löscht diesen, so daß der Laststrom durch den Hauptthyristor

U1 nun auf den Kommutierungskreis Übergebt (von der Diode D1

Über die Kommutierungsdrossel Lp und den Kommutierungskondensator Cp und den Polaritätsumschaltthyristor P 1p). Wenn der Strom, der über den Kommutierungskreis fließt, ebenso groß wie der LaststroB wird, erlischt der Hauptthyristor U1. Der Kommutierungskondensator Cp wird durch den Laststrom wieder auf eine Spannung mit der eingezeichneten Polarität aufgeladen. Im Zeitpunkt, wenn die Ladespannung am Kommutierungskondensator Cp die Größe der Netzspannung zwischen den Phasen R und S erreicht, liegt eine Durchlaßspannung am Hauptthyristor V1 an. Wenn in diesem Zeitpunkt ein Zttndimpuls an den Hauptthyristor 71 angelegt wird, kommutiert der Laststrom von dem Kommutierungskreis auf den Hauptthyristor V1. Naoh der Kommutierung des Laststroms auf den Hauptthyristor V1 wird der Nachladethyriator Tap gezündet. Damit wird die Reihenschaltung des Kommutierungskondensators Cp und der Kommutierungsdrossel Lp Über den Widerstand Rap und den Nachladethyristor Tap mit den Ausgangsklemmen P2 und N2 der DiodenbrUcke mit den Dioden D1 bis D6 verbunden, so daß die Ausgangsspannung der Diodenbrlicke zur Aufladung des Kommutierungskondensators Cp dient. Damit hat die Diodenbrtioke mit den Dioden D1 bis D6 sowohl die Funktion eines Kommutierungszweigeβ als auch einer Naohladequelle für den Kommutierungskondensator. Während in der obigen Beschreibung davon ausgegangen wird, daß das Ztinden der Thyristoren in der Reihenfolge, ausgehend vom Umschwingthyristor Qp Über den Polaritätssohaltthyristor B1p und den Hauptthyristor V1 und endend mit dem Nachladethyristor Tap abläuft, kann ein solcher ZUndprozeß in folgender Welse vereinfacht werden: Der ZUndimpuls für den

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76P 8 58 0 BRD Polaritätssohaltthyristor B1p wird vorzugsweise gleichzeitig mit den Zünden des Umscbwingthyristors Qp abgegeben. Obgleich der Ztindinpule für den Hauptthyristor V1 zum gleichen Zeitpunkt wie der ZUndimpuls für den Polaritätsschaltthyristor B1p abgegeben werden könnte, wird dieser Zttndimpuls doch vorzugsweise eine vorgegebene Zeit später angelegt, da es ungünstig ist, den ZUndimpuls bein Anstehen negativer Spannung an den Hauptthyristor V1 anzulegen. Demzufolge ist es günstig, wenn die Erzeugung des Ztind impulses für den Hauptthyristor beim Anstehen einer Sperrspannung unterdrückt wird und die Freigabe des Zttndimpulses erst dann erfolgt, wenn der Thyristor mit einer Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist. Der Zttndimpuls für den Naohladethyristor Tap wird angelegt, nachdem der Umechwingthyristor Qp seine volle Sperrfähigkeit erreicht nat.

Der Laststron fließt nunmehr über die Hauptthyristoren Z1 und 71. Ansohließend wird die näohste Kommutierung zwischen den Hauptthyristoren Z1 und 21 durchgeführt. Die Kommutierung beginnt, indem dem Umsohwingtbyristor Qn und dem Polaritätsscbaltthyristor Bin Zlindimpulse zugeführt werden. Nach dem Zünden des Umsohwingthyristors Qn lädt sich im Rahmen eines Umschwingvorgange der Koamutierungskondensator Cn um, so daß er gegenüber der Zeichnung den umgekehrten Ladungszustand aufweist.

Der über den Haupttbyristor Z1 fließende Laststrom fließt nun Über den Kommutierungszweig (von dem Polaritätsschaltthyristor Bin Über den Kommutierungskondensator Zn und die Kommutierungsdrossel Ln zur Diode D6). Dies führt zum Erlöschen des Hauptthyristors Z1. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kommutierungskondensator Cn durch den Laststrom wieder die eingezeichnete Ladung aufweist und der Hauptthyristor X1 durch eine Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagt ist, wird der Zündimpuls für den Haupttbyristor 21 abgegeben. Damit kommutiert der Laststrom von dem Kommutierungszweig auf den Hauptthyristor X1.

Anschließend wird der Naohladethyristor Tan gezündet, um den Kommutierungskondensator Cn nachzuladen.

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Die Kommutierung in dem Gleichrichter 3A erfolgt alternierend

in der ersten Brtlckenhälfte mit den Thyristoren U1, V1, W1 und der zweiten Brtlokenhälfte mit den Thyristoren X1, Y1, Z1. Die Thyristoren Qp, B1p und Tap werden bei jedem Kommutierungsvorgang der ersten Brttokenhälfte (Thyristoren U1, V1, W1) und die Thyristoren Qn, B1p und Tan bei jeder Kommutierung der zweiten Brttokenhälfte (Thyristoren 11, Y1, Z1) gezündet.

Die Stroaflußriohtung des LaststrotD3 wird umgekehrt, wenn der Gleionriohter 3B - nachdem der Gleichrichter 3A stromlos ist in Betrieb gesetzt wird.

In dem Gleichrichter 3B werden die Thyristoren Qp, B2p und Tap bei jedem Kommutierungsvorgang in der ersten Brtickenhälfte (Thyristoren U2, V2, W2) und die Thyristoren Qn, B2n, Tan bei jede« Kommutierungsvorgang in der zweiten Brtickenhälfte (Thyristoren X2, Y2, Z2) gezlindet. Der Zeitablauf der Thyristorzllndungen gleicht dem beim Betrieb des Gleichrichters 3A.

Aus der obigen Beschreibung kann entnommen werden, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung lediglich die vier Polaritätsschaltthyristoren B1p, Bin, B2p und B2n zusätzlich notwendig sind, alle anderen Teile des Kommutierungskreises jedoch gemeinsam für beide Gleichrichter 3A und 3B genutzt werden können. Anstelle der eingesparten Dioden der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung (die noch un Ladeeinrichtungen zu ergänzen ist) treten lediglich die vier zusätzlichen Thyristoren B1p, Bin, B2p und B2n.

Die figuren 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Betraohtet man in den Figuren 3 und 4 nach Weglassen der Lösohthyristoren u2 bis z2 die Kommutierungseinriohtung, so ist diese Kommutierungseinrichtung allein bekannt. In der erfindungsgemäSen Anordnung jedoch können die Kommutierungsdrosseln

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11 bis L3 UDd die Kommutierungskondensatoren C1 bis C3 oder 01 bis C6 gemeinsam für beide der Gleichrichter 3A und 3B benutzt werden» indem die Löschthyristoren u1, v1, w1, x1, y1 und z1 für den Gleichrichter 3A parallel geschaltet werden BU den entsprechenden Löschthyristoren x2, y2, z2, u2, ν2 und w2 für den Gleiohriohter 3B.

Ferner können die IOsohthyristoren u2 bis z2 weggelassen und die Löschthyristoren u1 bis z1 gemeinsam für beide Gleiehrichter 3A und 3B benutzt werden, indem vier Polaritätsschalttbyristoren an die beiden Klemmen P3 und N3 der in den Figuren 3 oder 4 dargestellten Kommutierungseinrichtung angeschlossen werden. Die Sohaltung dieser Polaritätsschaltthyristoren erfolgt ganz ähnlioh wie die der Polaritätsechaltthyristoren B1p, Bin, B2p und B2n in Bezug auf die Klemmen P3 und N3 bei der in Figur 2 dargestellten Kommutierungseinrichtung.

Wie oben beschrieben, werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wenigstens die Kommutierungskondensatoren gemeinsam für zwei selbetgeführte Gleichrichter genutzt, so daß der Raumbedarf und die Kosten der Umrichteranordnung verringert werden können.

4 Figuren

5 Patentansprache

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Claims (5)

1. 76 P 8 5 8 0 BRO Patentansprüche

   Λΐ.:Direktumriohter mit wenigstens zwei selbstgeftlhrten Gleiehriohtern, die in Bezug auf die Last antiparallel gesohaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daQ den selbetgefiihrten Gleichrichtern (3A, 3B) gemeinsam nur eine Kommutierungseinrichtung zugeordnet ist.
2. 2. Direktumriohter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Teile der Kommutierungseinrichtung (D1 bis D6, Lp, Cp, Qp, Ln, Cn, Qn; L1, 01, L2, C2, L3, C3; L1 bis L3, C1 bis C6) gemeinsam für beide Gleichrichter (3A, bis 3B) genatzt werden.
3. 3· Direktumriohter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung eine DiodenbrUcke (D1 bis D6) aufweist, deren Wechselspannungsklemmen mit den Wechselspannungeklemmen der Gleichrichter (3A, 3B) verbunden sind und an deren Gleichspannungsklemmen (P2, N2) jeweils ein ÜBsohwingkreis angeschlossen ist, bei dem die Reihenschaltung eines Kommutierungskondensators (Cp, Cn) und einer Kommutierungsdrossel (Lp, Ln) durch ein steuerbares Stromrichterventil (Qp, Qn) Überbrückt ist und daß die freie Ansohlußklemme (?3) des einen Umschwingkreises (Lp, Cp, Qp) über die Anoden zweier steuerbarer Stromrichterventile (B1p, B2p), die freie Anschlußklemme des anderen Umschwingkreises (Ln, Cn, Qn) über die Kathoden zweier steuerbarer Stromrichterventil (Bin, B2n) jeweils an beide Gleichspannungsklemmen (P1, N1) der Gleichrichter (3A, 3B) angeschlossen ist.
4. 4. Direktumriohter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung aus zwei antiparallel geschalteten Brllokenschaltungen (u1, x1, v1, y1, w1, z1; x2, u2, y2, v2, s2, w2) mit steuerbaren Stromrichterventilen besteht, wobei jeweils Br ticken zweige mit gemeinsamen Hauptansonluß (u1, x1, x2, u2; v1, y1, y2, v2; w1, z1, z2, w2)

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   liber die Serienschaltung jeweils eines Komiiutierungskondensators (C1; C2; C3) und einer Koromutierungsdrossel (11; L2; L3) an die Weohselspannungsklemmen der Gleichrichter (3A, 3B) angeschlossen sind und der gemeinsame Anschluß (?3; N3) von jeweils zwei verbundenen Brückenhälften an Jeweils eine Gleichspannungsklemme (P1, N1) der Gleichrichter (3A, 3B) gelegt ist.
5. 5. Direktumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung als BrUckenschaltung mit steuerbaren Stromrichterventilen (u1, x1, v1, y1, w1, z1) ausgeführt ist, denen steuerbare Stromrichterventile (x2, u2, y2, v2, z2, w2) antiparallel geschaltet sind, daß jeder Brüokenzweig einen Kommutierungskondensator (C1 bis C6) aufweist, daß die Brtiokenzweige mit gemeinsamen Hauptanschluß über jeweils eine Kommutierungsdrossel (11, L2, L3) mit den Wecbselspannungsklemmen der Gleichrichter (3A, 3B) verbunden sind und daß jeweils der gemeinsame Hauptanschluß (P3, N3) der Brückenzweige einer BrUekenhälfte (u1, v1, w1; x1, y1, z1) an jeweils eine Gleicbspannungsklemme (P1, N1) der Gleichrichter (3A, 3B) gelegt ist.

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