DE2806782C2

DE2806782C2 - Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung

Info

Publication number: DE2806782C2
Application number: DE19782806782
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr. 4630 Bochum Depenbrock
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1987-01-15
Also published as: SE7901366L; DE2806782A1; SE443067B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.
Eine solche Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung ist aus der US-PS 40 24 449 bekannt. Dort wird Wechselstromenergie mittels eines Gleichrichters in Gleichstromenergie verwandelt, diese anschließend mittels eines Wechselrichters in Wechselstromenergie relativ hoher Frequenz und diese dann zuletzt über einen Transformator und Gleichrichter wieder in Gleichstromenergie. Durch den Einsatz des Umrichters hoher Frequenz kann der Transformator vorteilhaft verhältnismäßig klein ausgelegt werden.
Auf Triebfahrzeugen, die mit niederfrequenten Wechselstrom aus einem Fahrleitungsnetz gespeist werden, erfolgt die Potentialtrennung und Spannungsanpassung zwischen dem Netz einerseits und den Einrichtungen zur Energieumformung und Leistungssteuerung andererseits durch mit Netzfrequenz arbeitende Transformatoren. Bei einer Frequenz des Fahrleitungsnetzes von beispielsweise 16²/₃ Hz werden die Transformatoren in nachteiliger Weise besondes schwer, groß und teuer.
Die Schaltungsanordnung nach der US-PS 40 24 449 kann zur Verkleinerung des Transformators nicht herangezogen werden, da dort keine Maßnahmen vorgesehen sind, die es gestatten, dem speisenden Wechselstromnetz sinusförmigen Strom zu entnehmen. Weiterhin ist unklar, ob und wie die Differenzen zwischen den Augenblickswerten der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Leistungen ausgeglichen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der speisenden Wechselspannungsquelle ein sinusförmiger Strom entnommen wird, der mit der Spannung in Phase ist.
Diese Aufgabe wird alternativ durch die im Anspruch 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit den Gegenständen nach den Ansprüchen 1 und 2 erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den Einsatz eines höherfrequenten Bordnetzes auf Triebfahrzeugen die der Potentialtrennung und Spannungsanpassung dienenden Transformatoren mit der höheren Frequenz des Bordnetzes arbeiten und somit Gewicht, Raumbedarf und Kosten dieser Tranformatoren erheblich verringert werden. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des selbst- oder fremdgeführten Stromrichters, der als Blindstromrichter beispielsweise aus K. Heumann, Grundlagen der Leistungselektronik, Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 167, Bild 11.7a bekannt ist, ist der Gesamtaufwand der Schaltungsanordnung gering. Es ist vorteihaft möglich, Blind- und Wirkstrom unabhängig voneinander einzustellen. Durch die gleichstromseitige Reihenschaltung des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters und des fremdgeführten zweiten Stromrichters müssen beide Stromrichter nur eine Leistung umformen, die wesentlich kleiner als der dem Netz entnommene Höchstwert ist. Ferner ist es dadurch in einfacher Weise möglich, die Energiepulsationen von doppelter Netzfrequenz von der Last fernzuhalten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit alternativer Speisung des Verbrauches,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit alternativer Beschaltung des Transformators,
Fig. 4 die zeitabhängigen Verläufe der an ungesteuertem Gleichrichter, Blindleistungsstromrichter und fremdgeführtem Stromrichter anstehenden Spannungen .
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung in eine potentialgetrennte beliebig andere Spannung dargestellt. Eine Wechselspannungsquelle 1, hier einphasig, ist über eine Entkopplungsdrossel 2 mit einem ungesteuerten Gleichrichter 3 verbunden.
Eine der Gleichspannungsklemmen dieses Gleichrichters 3 ist einem selbst- oder fremdgeführten Stromrichter 4, im folgenden stets Blindleistungsstromrichter 4 genannt, die andere der Gleichspannungsklemmen einem fremdgeführten Stromrichter 5 zugeführt.
Die jeweils anderen Gleichspannungseingänge von Blindleistungsstromrichter 4 und fremdgeführten Stromrichter 5 sind direkt verbunden.
Die Gleichspannungseingänge des Blindleistungsstromrichters 4 sind mit Energiespeichern, bestehend aus einem Reihenschwingkreis 6 (einer Drossel 7 mit einem Kondensator 8) sowie einem Kondensator 9 beschaltet.
Wechselspannungsseitig bzw. drehstromseitig liegen der Blindleistungsstromrichter 4 bzw. der fremdgeführte Stromrichter 5 an Primärwicklungen 10 bzw. 11 eines Transformators 12. Am Wechselspannungsausgang des fremdgeführten Stromrichters 5 liegt desweiteren eine Kondensatorbatterie 13.
Eine Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 ist einem ungesteuerten Gleichrichter 15 zugeführt, der gleichspannungsseitig mit einem selbstgeführten Wechselrichter 16 verbunden ist. Zwischen den Gleichspannungspolen von ungesteuertem Gleichrichter 15 und selbstgeführtem Wechselrichter 16 ist ein Kondensator 17 angeordnet. Am Wechselspannungsausgang des Wechselrichters 16 liegt schließlich ein Wechselspannungs- bzw. Drehstrom-Verbraucher 18, beispielsweise ein Drehstrommotor.
In Fig. 2 ist eine hierzu alternative erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Die Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 ist dabei mit einem fremdgeführten Direktumrichter 19, 20 verbunden, dem ausgangsseitig der Verbraucher 18 anliegt. Die Anordnung, bestehend aus dem ungesteuerten Gleichrichter 15, dem selbstgeführten Wechselrichter 16 und dem Kondensator 17entfällt dabei, während die Anordnung zwischen Wechselspannungsquelle 1 und Primärwicklungen 10, 11 des Transformators 12 unverändert bleibt.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanorndung mit alternativer Beschaltung des Transformators 12. Der in Fig. 1 dargestellte Reihenschwingkreis 6 entfällt hierbei. Stattdessen ist der Transformator 12 mit einem Direktumrichter 21, 22 verbunden, dem ausgangsseitig ein Kondensator 23 anliegt. Der Direktumrichter 21, 22 kann dabei beliebig einer der drei Wicklungen 10, 11, 14 des Transformators 12 oder einer vierten Wicklung zugeführt sein. Die übrige Beschaltung gemäß Fig. 1 bzw. 2 bleibt unverändert.
Der zwischen den Gleichspannungsklemmen des ungesteuerten Gleichrichters 3 liegende Absolutwert der Spannung ist mit |U _N|, die am Kondensator 9 anstehende Spannung ist mit U _B und die an der Gleichspannungsseite des fremdgeführten Stromrichters 5 anliegende Spannung ist mit U _H bezeichnet.
Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, 2 und 3 beschrieben.
Bei dem angestrebten Betrieb mit sinusförmigem eingangsseitigen Strom, der mit der Spannung in Phase ist, besteht die Leistung der Wechselspannungsquelle 1, beispielsweise eines Netzes, aus zwei Komponenten. Der erste Anteil ist zeitlich konstant, er hat die Größe der Wirkleistung. Der zweite Anteil ist eine Leistungsschwingung, die Frequenz dieser Schwingung ist gleich der doppelten Netzfrequenz, ihre Amplitude gleich der Größe des ersten Anteils.
Netzstrom und Netzspannung werden zunächst durch den ungesteuerten Gleichrichter 3 gleichgerichtet. Die Entkopplungsdrossel 2 dient dabei zur Begrenzung der Oberschwingungsströme, die durch momentane Unterschiede zwischen der Spannung der Wechselspannungsquelle 1, also des Netzes, und der Spannung am Wechselspannungseingang des ungesteuerten Gleichrichters 3 entstehen.
Der gleichgerichtete Netzstrom fließt dann zunächst über die Parallelschaltung aus dem Reihenschwingkreis 6 (gemäß Fig. 1) und der Gleichspannungsseite des Blindleistungsstromrichters 4. Der schwingende Anteil der Netzleistung wird so direkt ohne Zwischenschaltung von Stromrichtern vom Reihenschwingkreis 6 aufgenommen, der eine Drossel 7 und einen Kondensator 8 aufweist, wobei die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises auf die doppelte Netzfrequenz abzustimmen ist.
Der konstante Anteil der Netzleistung wird vom Blindleistungsstromrichter 4 und vom fremdgeführten Stromrichter 5 gemeinsam auf das höherfrequente Bordnetz des Triebfahrzeuges über die Primärwicklungen 10 und 11 des Transformators 12 übertragen. Der Transformator dient dabei zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung.
Die Kondensatorbatterie 13 hat zusammen mit dem Blindleistungsstromrichter 4 die Funktion, die höherfrequente Bordnetzspannung und die von den an den Transformator 12 angeschlossenen Stromrichtern benötigte Blindleistung zu erzeugen.
Die Kombination aus Kondensatorbatterie 13 und Blindleistungsstromrichter 4 muß so ausgelegt werden, daß der gesamte Blindleistungsbedarf des Transformators 12 und der mit dem höherfrequenten Bordnetz verbundenen Stromrichter erzeugt wird.
Die Hauptverbraucher 18 des Triebfahrzeuges, die Fahrmotoren, benötigen im wesentlichen eine zeitlich konstante Leistung. Der selbstgeführte Wechselrichter 16 überträgt deshalb nur den zeitlich konstanten Anteil der Netzleistung aus dem Gleichspannungszwischenkreis an die Fahrmotoren (Fig. 1).
Der Kondensator 17 liefert die Kommutierungsspannung für den Wechselrichter 16 und nimmt die höherfrequenten Wechselanteile des gleichstromseitigen Stromes dieses Stromrichters auf. Letztere Funktion hat auch der Kondensator 9 des Stromrichters 4.
Neben dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel, in dem der Verbraucher 18 über die Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 und den ungesteuerten Gleichrichter 15 aus einem Gleichspannungszwischenkreis und den selbstgeführten Wechselrichter 16 gespeist wird, wird eine weitere alternative Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 vorgeschlagen. In diesem Fall wird mittels des fremdgeführten Direktumrichters 19, 20 das Drehstromsystem geforderter Frequenz erzeugt.
Eine weitere Schaltungsanordnung mit alternativer Beschaltung des Transformators 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Alternativ zum Reihenschwingkreis 6 zwischen den gleichstromseitigen Klemmen des selbst- oder fremdgeführten Stromrichters 4 kann über einen Direktumrichter 21, 22 ein Kondensator 23 an den Transformator 12 gelegt werden. Der Direktumrichter 21, 22 wird so angesteuert, daß der Kondensator 23 den Wechselanteil der Netzleistung aufnimmt. Diese Anordnung kann Vorteile im Aufwand bieten und Nachteile des freischwingenden Reihenschwingkreises 6, beispielsweise bei Netzfrequenzschwankungen und Laststößen, vermeiden.
In Fig. 4 ist dargestellt, wie sich die gleichgerichtete Netzspannung |U _N| auf die Reihenschaltung der Stromrichter 4 und 5 aufteilt. Der Blindleistungsstromrichter 4 wird erfindungsgemäß so ausgelegt, daß seine gleichstromseitige, im wesentlichen zeitlich konstante Spannung U _B etwa gleich dem halben Scheitelwert der Netzspannung ist. Die Spannung U _H des fremdgeführten Stromrichters 5 ändert sich dann innerhalb jeder Halbperiode zwischen einem positiven Höchstwert im Scheitelwert der Netzspannung |U _N| und einem negativen Höchstwert vom gleichen Betrag im Nulldurchgang der Netzspannung |U _N|, d. h., der fremdgeführte Stromrichter 5 arbeitet während jeder Halbperiode teilweise im Wechselrichter, teilweise im Gleichrichterbetrieb. Beim Blindleitungsstromrichter 4 wird dagegen nur Energie in Richtung zum höher frequenten Bordnetz übertragen.
Die vom Blindleistungsstromrichter 4 zu übertragende höchste Leistung beträgt deshalb nur ca. 60% der größten zu übertragenden Gesamtleistung, da der schwingende Anteil der Leistung nicht übertragen werden muß. Der Stromrichter 5 braucht in vorteilhafter Weise nur für etwa den halben Scheitelwert der Netzspannung und für den Scheitelwert des Netzstromes ausgelegt zu werden. Der ungesteuerte Gleichrichter 3 ist für die Scheitelwerte von Spannung und Strom auszulegen.
Die Ausführung eines fremdgeführten Stromrichters 5 ist beispielsweise aus K. Heumann, Grundlagen der Leistungselektronik, Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 76ff, die Ausführung eines selbstgeführten Wechselrichters 16 beispielsweise aus Seite 131ff des gleichen Buches und die Ausführung eines fremdgeführten Direktumrichters 19, 20 beispielsweise aus Seite 107ff des gleichen Buches bekannt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung in eine potentialgetrennte Wechselspannung anderer Frequenz, in ein Wechselstromsystem anderer Frequenz und Phasenzahl oder in eine Gleichspannung, jeweils mittels eines Transformators, an dessen Primärseite die umzuformende Wechselspannung über einen ungesteuerten Gleichrichter und weitere Stromrichter anliegt und an dessen Sekundärseite Verbraucher über Stromrichter versorgbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ungesteuerte Gleichrichter (3) mit seiner einen Gleichspannungsklemme an einem selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichter (4) und mit seiner anderen Gleichspannungsklemme an einem fremdgeführten zweiten Stromrichter (5) liegt, daß der selbst- oder fremdgeführte erste Stromrichter (4) und der fremdgeführte zweite Stromrichter (5) gleichspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, daß zwischen den gleichspannungsseitigen Klemmen des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters (4) ein auf die doppelte Frequenz der umzuformenden Wechselspannung abgestimmter, aus einer Drossel (7) und einem Kondensator (8) bestehender Reihenschwingkreis (6) und ein Kondensator (9) angeordnet sind, daß der selbst- oder fremdgeführte erste Stromrichter (4) und der fremdgeführte zweite Stromrichter (5) wechselspannungs- bzw. drehstromseitig an Primärwicklungen (10, 11) des Transformators (12) liegen und daß eine Kondensatorbatterie (13) an eine der Wicklungen des Transformators (12) angeschlossen ist (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung zur Umformung einer Wechselspannung in eine potentialgetrennte Wechselspannung anderer Frequenz, in ein Wechselstromsystem anderer Frequenz und Phasenzahl oder in eine Gleichspannung, jeweils mittels eines Transformators, an dessen Primärseite die umzuformende Wechselspannung über einen ungesteuerten Gleichrichter und weitere Stromrichter anliegt und an dessen Sekundärseite Verbraucher über Stromrichter versorgbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ungesteuerte Gleichrichter (3) mit seiner einen Gleichspannungsklemme an einem selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichter (4) und mit seiner anderen Gleichspannungsklemme an einem fremdgeführten zweiten Stromrichter (5) liegt, daß er selbst- oder fremdgeführte erste Stromrichter (4) und der fremdgeführte zweite Stromrichter (5) gleichspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, daß zwischen den gleichspannungsseitigen Klemmen des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters (4) ein Kondensator (9) angeordnet ist, daß der selbst- oder fremdgeführte erste Stromrichter (4) und der fremdgeführte zweite Stromrichter (5) wechselspannungs- bzw. drehstromseitig an Primärwicklungen (10, 11) des Transformators (12) liegen, daß der Transformator (12) mit einem Direktumrichter (21, 22) verbunden ist, an dem ausgangsseitig ein Kondensator (23) anliegt, und daß eine Kondensatorbatterie (13) an eine der Wicklungen des Transformators (12) angeschlossen ist (Fig. 3).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselspannungs- bzw. Drehstromverbraucher (18) über einen ungesteuerten Gleichrichter (15) und einen selbstgeführten Wechselrichter (16) mit der Sekundärwicklung (14) des Transformators (12) verbunden ist (Fig. 1).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselspannungs- bzw. Drehstromverstärker (18) über einen fremdgeführten Direktumrichter (19, 20) mit der Sekundärwicklung (14) des Transformators (12 ) verbunden ist (Fig. 2).

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Auslegung der Kondensatorbatterie (13), daß durch letztere der gesamte maximale Blindleistungsbedarf des Transformators (12) und der an ihn angeschlossenen Stromrichter (4, 5, 15, 16 bzw. 19, 20 und 21, 22) erzeugbar ist.

6. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Steuerung des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters (4), daß sowohl die gleichspannungsseitig an ihm anstehende Spannung (U _B) als auch die dem Transformator (12) primär zugeführte Spannung etwa konstante Amplitude und Frequenz aufweisen, wobei der gleichspannungsseitige Wert der Spannung (U _B) etwa dem halben Spannungs-Scheitelwert der umzuformenden Wechselspannung wird.

7. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Steuerung des fremdgeführten zweiten Stromrichters (5), daß die Summe der gleichspannungsseitigen Spannungen des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters (4) und des fremdgeführten zweiten Stromrichters (5) gleich der gleichspannungsseitigen Spannung (|U _N|) des ungesteuerten Gleichrichtes (3) wird.

8. Verfahren zum Betrieb der Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des vom Betriebszustand abhängigen Blindleistungsbedarf des Transformators (12) sowie der an ihn angeschlossenen Stromrichter (4, 5, 15 bzw. 19, 20 und 21, 22) mittels des selbst- oder fremdgeführten ersten Stromrichters (4) erfolgt.