DE2853619C2

DE2853619C2 - Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2853619C2
Application number: DE2853619A
Authority: DE
Inventors: Shozuchi Miura; Kyozo Yokohama Tachibana; Kaoru Hitachi Tamura; Koji Kawasaki Terado
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan National Railways
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan National Railways
Priority date: 1977-12-16
Filing date: 1978-12-12
Publication date: 1982-05-19
Also published as: SE7812920L; CH646019A5; JPS5820555B2; JPS5484235A; ZA787040B; SE436238B; DE2853619A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 26 17 694 bekannten Art.

Ein elektrisches Fahrzeug, dem Wechselstrom über eine Oberleitung zugeführt wird, bildet ein gutes Beispiel für eine Last, zu deren Speisung mehrere Gleichrichterkreise zusammenarbeiten. Bei einem solchen elektrischen Fahrzeug wird die Wechselstromquelle durch eine Oberleitung gebildet; mehrere steuerbare Gleichrichterbrücken sind miteinander parailelgeschaltet und mit der Wechselstromquelle durch den Stromabnehmer und Transformatoren verbunden. Die steuerbaren Gleichrichterbrücken steuern unabhängig voneinander zugehörige Gleichstrommotoren, wobei die Gleichstrommotoren zusammen die Fahrgeschwindigkeit des elektrischen Fahrzeugs bestimmen. Daher kann man das elektrische Fahrzeug als Last der steuerbaren Gleichrichterbrücken betrachten. Ferner kann bei dem genannten Beispiel der geschlossene Stromkreis, zu dem ein Transformator, eine steuerbare Gleichrichterbrücke und ein Gleichstrommotor gehören, als Gleichrichterkreis betrachtet werden. Bei einem solchen elektrischen Fahrzeug wird die Fahrgeschwindigkeit bzw. die Motordrehzahl dadurch gesteuert, daß die Ausgangsleistung des Gleichrichterkreises nach Bedarf eingestellt wird. Zum Einstellen der Ausgangsleistung des Gleichrichterkreises wird eine Phasensteuerung bei der steuerbaren Gleichrichterbrücke durchgeführt. Wegen der Phasensteuerung der steuerbaren Gleichrichterbrücke fließt durch die Wechselstromquel-Ie ein Wechselstrom mil einer verzerrten Wellenform.

Hierbei führen höherharmonische Komponenten, die in dem Wechselstrom enthalten sind, zu induktiven Störungen bei benachbarten elektrischen Anlagen. Nicht nur beim Betrieb eines elektrischen Fahrzeugs, sondern auch auf verschiedenen anderen Gebieten, wo Gleichrichter verwendet werden, ist es erforderlich, den Störstrom dadurch auf einen möglichst kleinen Wert zu bringen, daß die höherharmenischen Ströme verkleinert werden.

ίο Bei der aus der DE-OS 26 17 694 bekannten Stromrichteranordnung sind zur Unterdrückung bzw. Verringerung der höherharmonischen Ströme Drosselspulen mit den Gleichrichterelementen der Gleichrichterbrücken in Reihe geschaltet. Dies bedeutet jedoch einen zusätzlichen Aufwand für die Drosselspulen, und zwar sowohl hinsichtlich der Investitionskosten als auch hinsichtlich oer Warnings- und Betriebskosten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichteranordnung zu schaffen, die es ohne die Verwendung zusätzlicher Schaltungselemente ermöglicht, die höherharmonischen Ströme zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Stromrichteranordnung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Die Sekundärwicklungen der Transformatoreinrichtung lassen sich bei der Herstellung auf sehr einfache Weise mit unterschiedlichen Blindwiderständen ausstatten, so daß bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen praktisch keine Mehrkosten entstehen.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer ersten Stromrichteranordnung,

Fig. 2 Spannungs- und Stromverläufe zur Erläute-

w rung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Stromrichteranordnung,

Fig.4 das Schaltbild einer Versuchsschaltung mit einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung und Fig. 5 eine graphische Darstellung der Größe der äquivalenten Störströme, die mit Hilfe der Versuchsschaltung nach Fig. 10 gemessen wurden.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Stromrichteranordnung, bei der jeder Gleichrichterkreis in mehrere steuerbare Gleichrichterbrücken 311, 321 bzw. 312 bzw. 322 unterteilt ist. Entsprechend ist auch die Sekundärwicklung, die mit jedem Gleichrichterkreis verbunden ist, in mehrere Teile unterteilt, so daß ein erster und ein zweiter Gleichrichterkreis auf der linken bzw. der rechten Seite der Primärwicklung 200 des Transformators 2 vorhanden sind. Bei dem ersten Gleichrichterkreis sind die in Reihe geschalteten Gleichrichterbrücken 311 und 321 auf ihrer Gleichstromseite an einen Gleichstromkreis angeschlossen, zu dem eine Glättungsdrossel 41 und ein Gleichstrommotor 51 gehören. Ferner sind die Wechselspannungsklemmen der Gleichrichterbrücken 311 und 321 an die zugehörigen Sekundärwicklungen 211 und 221 angeschlossen. Beim zweiten Gleichrichterkreis

b5 sind die steuerbaren Gleichrichterbrücken 312 und 322 in Reihe geschaltet und auf ihrer Gleichstromseite mit einem Gleichstromkreis verbunden, zu dem eine Glütiungsdrossel 42 und ein Gleichstrommotor 52

gehören. Die Wechselstromklemmen der beiden Gleichrichterbrücken 312, 322 sind mit zugehörigen Sekundärwicklungen 212 und 222 verbunden. Die Primärwicklung 200 ist an eine nicht dargestellte Wechselspannungsquelle angeschlossen.

Bei einer solchen Schaltung wird die Phasensteuerung gewöhnlich in der Weise durchgeführt, daß die Phasen der beiden steuerbaren Gleichrichterbrücken jedes Gleichrichterkreises getrennt gesteuert werden. Beispielsweise wird zuerst die Gleichrichterbrücke SiI und dann die Gleichrichterbrücke 321 nach der Beendigung der Steuerung der Gleichrichterbrücke 311 gesteuert Ferner wird bei dem zweiten Gleichrichterkreis die Gleichrichterbrücke 322 zuerst gesteuert, worauf die Gleichrichterbrücke 312 nach der Gleichrichterbrücke 312 gesteuert wird. Der Blindwiderstand der Sekundärwicklung 211 hat einen anderen Wert als der Blindwiderstand der Sekundärwicklung 212; auch der Blindwiderstand der Sekundärwicklung 221 unterscheidet sich vom Blindwiderstand der Sekundärwicklung 222. Infolge der beiden Unterschiede zwischen den Blindwiderständen ergeben sich unterschiedliche Kommutationszeitpunkte bei den beiden Gleichrichterkreisen, so daß die höheren harmonischen Komponenten des durch die Stromquelle fließenden Stroms verringert werden.

Wenn z. B. zwei Gleichrichterkreise auf der linken und der rechten Seite zusammen eine einzige Last speisen, ist es erwünscht, daß die beiden Gleichrichterkreise die gleiche Ausgangsleistung liefern. In diesem Fall ist es empfehlenswert, dafür zu sorgen, üaß die beiden Gleichrichterkreise insgesamt den gleichen inneren Blindwiderstand haben, sich jedoch bezüglich der Kennlinien ihrer Blindwiderstände unterscheiden. Gemäß F i g. 1 werden die einander gegenüberliegenden Sekundärwicklungen auf der linken und der rechten Seite so ausgebildet, daß sie den gleichen inneren Blindwidersland haben. Die oberen und unteren Sekundärwicklungen haben verschiedene innere Blindwiderstände. Genauer gesagt, wird der innere Blindwiderstand der Sekundärwicklung 211 gleich demjenigen der Sekundärwicklung 212 gemacht, und der innere Blindwiderstand der Sekundärwicklung 221 erhält den gleichen Wert wie derjenige der Sekundärwicklung 222, während sich der innere Blindwiderstand der Sekundärwicklung 211 vom inneren Blindwiderstand der Sekundärwicklung 221 unterscheidet. Werden die Gleichrichterbrücken 311 und 321 des linken Gleichrichterkreises und die Gleichrichterbrücken 322 und 312 des rechten Gleichrichterkreises in der genannten Reihenfolge gesteuert, unterscheiden sich jeweils zwei Sekundärwicklungen, die an zwei gesteuerte Gleichrichterbrücken angeschlossen sind, welche gleichzeitig gesteuert werden, bezüglich ihres inneren Blindwiderstandes. Somit unterscheiden sich der linke und der rechte Gleichrichterkreis aus konstruktiven Gründen bezüglich ihrer Kommutierungszeit, und es wird der Vorteil erzielt, daß die höherharmonischen Komponenten des Stroms der Stromquelle verkleinert werden können.

Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 anhand der Primär- und Sekundärströme für den Fall, daß die steuerbaren Gleichrichterbrücken 311 und 322 beide die maximale Ausgangsspa.inung liefern, und daß die steuerbaren Gleichrichterbrücken 321 und 312 jeweils eine beliebige Ausgangsspannung erzeugen, in F i g. 2 bezeichnet /111 den elektrischen Strom auf der Wechselspannungsseite der Gleichrichterbrücke 311.

/112 den elektrischen Strom auf der Wechselspannungsseite der Gleichrichterbrücke 321, /121 den elektrischen Strom auf der Wechselspannungsseite der Gleichrichterbrücke 322, /122 den elektrischen Strom auf der Wechselspannungsseite der Gleichrichterbrücke 312, /1 den elektrischen Strom durch die Primärwicklung 200 des Transformators 2 und ν die angelegte Wechselspannung. Gemäß F i g. 2 arbeiten die beiden Gleichrichterbrücken 311 und 322 mit dem gleichen

ίο Zündwinkel Null, und sie erzeugen die maximale Spannung. Hierbei wird eine Verschiebung At \ zwischen den Zeitpunkten bewirkt, in denen die Kommutierung jeweils beendet wird. Gleichzeitig werden die Gleichrichterbrücken 321 und 312 gesteuert, und es erfolgt eine Verschiebung At2 bezüglich des Zeitpunktes der Beendigung der Kommutierung, um die Verschiebung AtX auszugleichen. Daher wird die Ausgangsleistung des linken Gleichrichterkreises mit derjenigen des rechten Gleichrichterkreises abgeglichen. Infolgedessen entstehen Unterschiede bezüglich der Überlappungswinkel bei der Kommutierung sowie zwischen den Zündwinkeln. Auf diese Weise lassen sich die höherharmonischen Komponenten des Primärstroms verkleinern.

F i g. 3 zeigt das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Stromrichteranordnung, bei der es sich um eine Weiterbildung der Ausführungsform nach F i g. 1 handelt; gemäß F i g. 3 sind die Sekundärwicklungen 211 und 212 und die Sekundärwicklungen 221 und 222 nach F i g. 1 jeweils zu einer einzigen Sekundärwicklung 210 bzw. 220 vereinigt. Entsprechend sind die Wechselstromklemmen der Gleichrir-hterbrücken 311 und 312 an die Sekundärwicklung 210 und die Wechselstromklemmen der Gleichrichterbrücken 321

J5 und 322 an die Sekundärwicklung 221 angeschlossen. Im übrigen ist die Schaltung nach F i g. 3 ebenso aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1. Wenn bei dieser Schaltung die Gleichrichterbrücken 311 und 321 des linken Gleichrichterkreises und die Gleichrichterbrücken 322 und 312 des rechten Gleichrichterkreises jeweils in der genannten Reihenfolge betätigt werden, läßt sich die Anordnung nach Bedarf so steuern, daß sich die beiden Sekundärwicklungen der gleichzeitig gesteuerten Gleichrichterbrücken bezüglich ihres inneren Blind-Widerstandes unterscheiden, so daß sich der vorstehend genannte Vorteil erzielen läßt.

F i g. 4 zeigt eine Versuchsschaltung, die geeignet ist, den mit Hilfe der Erfindung erzielbaren Vorteil zu betätigen, und die als weitere Ausführungsform der

5u Stromrichteranordnung benutzbar ist. Zu dieser Schaltung gehören zwei voneinander unabhängige Transformatoren 21 und 22, die parallelgeschaltet und auf der Primärseite an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, und die auf der Sekundärseite mit getrennten steuerbaren Gleichrichterkreisen verbunden sind. Der Transformator 21 weist Sekundärwicklungen 211 und 2120—2160 auf, während zu dem Transformator 22 Sekundärwicklungen 221 und 2220—2260 gehören. Zu dem an den Transformator 21 angeschlossenen Gleichrichterkreis gehören in Gestalt einer Reihenschaltung eine steuerbare Gleichrichterbrücke 311, nicht steuerbare Gleichrichterbrücken 3120—3160, eine Glättungsdrossel 41, ein Widerstand 81 und ein Gleichstrommotor 5. Zu dem an den Transformator 22

b5 angeschlossenen Gleichrichterkreis gehören in Form einer Reihenschaltung eine steuerbare Gleichrichterbrücke 321, nicht steuerbare Gleichrichterbrücken 3220—3260, eine Glättungsdrossel 42, ein Widerstand"

82 und der Gleichstrommotor 5. Der Gleichstrommotor ist den beiden Gleichrichterkreisen gemeinsam zugeordnet. Da jedoch der innere Widerstand des Motors 5 erheblich kleiner ist als der Blindwiderstand jedes der Widerstände 81 und 82, kann angenommen werden, daß die Klemmenspannung des Gleichstrommotors 5 unabhängig von der Stärke des durch den Motor 5 fließenden Stroms ist. Daher kann ferner angenommen werden, daß zu den beiden Gleichrichterkreisen unabhängige Gleichstromkreise gehören, und daß diese Gleichrichterkreise zusammen eine Last speisen. In F i g. 4 ist eine durch den Motor 5 anzutreibende Last 9 dargestellt. Gemäß Fig.5 sind die nicht steuerbaren Gleichrichterbrücken 3120—3160 sowie 3220-3260 mit den Transformatoren 21 und 22 durch Schalter S12—516 bzw. S22—526 verbunden, die einem noch zu erläuternden Zweck dienen.

Im folgenden wird eine Betriebsweise beschrieben, bei der die Leistungsabgabe des Gleichstrommotors 5 unter Benutzung des ersten Gleichrichterkreises von Null ausgehend gesteigert wird. Hierbei werden zuerst die Schalter S12—S16 geöffnet gehalten, und die steuerbare Gleichrichterbrücke 311 wird mit Phasensteuerung betrieben, während der Gleichstrom auf einem gewünschten konstanten Wert gehalten wird, um die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrückc 311 zu steigern. Sobald die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 311 ihren Höchstwert erreicht, wird der Schalter 512 geschlossen, und der Gleichrichterbrücke 311 wird ein Steuersignal entnommen. Infolgedessen erreicht die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 3120 ihren Höchstwert, während die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 311 auf Null zurückkehrt. Wenn man dafür sorgt, daß die Spannung an der Sekundärwicklung 211 gleich derjenigen an der Sekundärwicklung 2120 ist, erfolgt eine Umschaltung bezüglich der Ausgangsleistung zwischen der Gleichrichterbrücke 3120 und der steuerbaren Gleichrichterbrücke 311. Nach dieser Umschaltung wird die Gleichrichterbrücke 311 erneut gesteuert, und wenn ihre Ausgangsleistung den Höchstwert erreicht, wird die nächste Umschaltung durchgeführt Hierbei wird der Schalter 513 geschlossen, so daß die Aus ngsspannung der Gleichrichterbrücke 3130 ihren Höchstwert annimmt, und der Schalter 512 wird geöffnet, wobei das Steuersignal der Gleichrichterbrücke 311 auf Null gesetzt wird, so daß die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 3120 und der steuerbaren Gleichrichterbrücke 311 beide auf Null zurückgehen. Wenn man dafür sorgt, daß die Spannung an der Sekundärwicklung 2130 doppelt so hoch ist wie die Spannung an der Sekundärwicklung 211 oder an der Sekundärwicklung 2120, werden die der steuerbaren Gleichrichterbrücke 311 und der Gleichrichterbrücke 3120 entnommenen Spannungen von der Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 3130 übernommen. Danach werden die Schalter 514, 515 und 516 nacheinander geschlossen, während die Ausgangsspannungen der Gleichrichterbrücken 311 und 3120 wiederholt gesteuert werden. Wenn man dafür sorgt, daß die Spannungen an jeder der Sekundärwicklungen 2140, 2150 und 2160 doppelt so hoch werden wie die Spannung an der Sekundärwicklung 211 oder 2120, wird eine neunmalige Umschaltung durchgeführt, während die Gleichrichterbrücke 311 einer zehnmaligen Phasensteuerung unterzogen wird. Ferner werden die Gleichrichterbrücken 321 und 3220—3260 sowie die Schalter 522—526 unter Einhaltung der genannten Beziehung zwischen den Spannungen bei den Sekundärwicklungen Ί 221 und 2220—2260 des zweiten Gleichrichterkreises in der gleichen Weise betrieben wie bei dem ersten Gleichrichterkreis. Die Phasensteuerung wird ebenfalls beim zweiten Gleichrichterkreis zehnmal wiederholt. Bei der Schaltung nach Fig. 5 arbeiten die beiden

ίο Gleichrichterkreise, zu denen jeweils nur eine steuerbare Gleichrichterbrücke gehört, auf vorteilhafte Weise wie zwei Gleichrichterkreise, von denen jeder zehn steuerbare Gleichrichterbrücken aufweist. Außerdem lassen sich die gewünschten Ergebnisse mit einer einfachen Anordnung erreichen. Die Transformatoren 2l und 22 unterscheiden sich bezüglich ihres Blindwiderstandes, wenn sie jeweils von dem betreffenden Paar von Sekundärwicklungen aus betrachtet werden, d. h. von den Sekundärwicklungen 211 und 221, 2120 und 2220,2130 und 2230 usw.

Bei der Schaltung nach Fig. 4, bei der die Wechselspannungsquelle eine Spannung von 200 V liefert, erscheint eine Spannung von 71 V an jeder der Sekundärwicklungen 211, 2120, 221 und 2220 und eine Spannung von 142 V an jeder der Sekundärwicklungen 2130-2160 sowie 2230-2260; mit Hilfe dieser Schaltung wurde ein Versuch durchgeführt, um einen konstanten Strom von 15 A für jeden G leichrichterkreis einzuregeln und eine Last von 375 kW zu betreiben.

F i g. 5 zeigt Meßwerte für den äquivalenten Störstrom Ip, der in dem Primärstrom enthalten ist, welcher bei dem Versuch durch die Primärwicklung des Transformators fließt. Wie in F i g. 5 längs der Abszisse dargestellt, wird der Steuerwinkel zehnmal nacheinander geändert, und zwar von links nach rechts fortschreitend jeweils von 180° und 0°. Die Kurven A und B veranschaulichen die gemessenen Werte des äquivalenten Störstroms I_p für den Fall, daß jeweils der erste oder der zweite Gleichrichterkreis einzeln betrieben wird. Die Kurve (!"veranschaulicht jeweils die Hälfte jedes gemessenen Wertes bzw. einen Wert für einen Gleichrichterkreis des äquivalenten Störstroms l_p für den Fall, daß der erste und der zweite Gleichrichterkreis gleichzeitig betrieben werden. Aus diesen Kurven läßt sich folgendes ablesen. Erstens wird dann, wenn jeder Gleichrichterkreis einzeln betrieben wird, der äquivalente Störstrom l_p im Verlauf einer Phasensteuerung auf einen höheren Wert gebracht. Zweitens unterscheiden sich gemäß den Kurven A und B die äquivalenten Störströme l_p bei den beiden Gleichrichterkreisen, da bei den Gleichrichterkreisen der Blindwiderstand der Transicrntators,'ick!ur.g unterschiedlich ist Werden die beiden Gleichrichterkreise gleichzeitig betrieben, nimmt drittens der äquivalente Störstrom l_p nur wenig zu, und er wird im Vergleich zum Einzelbetrieb jedes Gleichrichterkreises allgemein auf einem niedrigen Wert gehalten.

Bei der Schaltung nach F i g. 4 kann man die Schalter 512—516 und 522—526 durch elektronische Schalter ersetzen. Beispielsweise werden sämtliche nicht steuerbaren Gleichrichterbrücken durch steuerbare ersetzt, die in der gleichen Weise aufgebaut sind wie die steuerbaren Gleichrichterbrücken 311 und 321. Die Thyristoren der steuerbaren Gleichrichterbrücken 311, 321 werden durch Ein- und Ausschalten gesteuert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromrichteranordnung mit wenigstens zwei in Reihe geschalteten Gleichrichterbrücken, die je an eine Sekundärwicklung einer Transformatoreinrichtung angeschlossen sind, wobei wenigstens eine Gleichrichterbrücke steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei je aus wenigstens zwei Gleichrichterbrücken (311, 321; 312, 322) gebildete Gleichrichterkreise vorgesehen sind, und daß die zugehörigen Sekundärwicklungen (211, 222; 212, 221) der gleichzeitig gesteuerten Gleichrichterbrücken (311, 322; 312, 321) unterschiedliche effektive Blindwiderstände aufweisen (Fig-1).

2. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen jeweils nicht gleichzeitig gesteuerter Gleichrichterbrücken zu jeweils einer Sekundärwicklung (210, 220) zusammengefaßt sind (Fig. 3).

3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoreinrichtung zwei Transformatoren (21, 22) umfaßt, an deren jeweilige Sekundärwicklungen (211, 2120, 2130, 2140, 2150, 2160; 221, 2220, 2230, 2240, 2250, 2260) je ein Gleichrichterkreis (311,3120,3130,3140, 3150, 3160; 321, 3220, 3230, 3240, 3250, 3260) angeschlossen ist (F i g. 4).

4. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summen der Blindwiderstände der Sekundärwicklungen (211, 221; 212,222) der Gleichrichterkreise (311, 321; 312, 322)gleich sind(Fig. 1).