DE2826326C2 - Gleichspannungsumrichter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungsumrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Gleichspannungsumrichter ist bekannt aus der DE-AS 19 61 522.

Bei dem Gleichspannungsumrichter gemäß der DE-AS 19 61 522 sind die Rückspeisungs- und Freilaufdioden unmittelbar zu den Hauptthyristoren antiparallel geschaltet. In den Kreisen der Hauptthyristoren und der Löschlhyrisioren liegen selbständige, nicht miteinander gekoppelte Stromwendedrosseln, die vom Laststrom durchflossen werden. Diese Stromwer.dedrosseln sind daher relativ groß und verursachen relativ hohe Verluste.

Aus der DE-OS 24 53 248 ist ein Wechselrichter bekannt, bei welchem zwei Paare von induktiv miteinander gekoppelten Spulen, sogenannte Umschwinginduktoren, verwendet werden, wobei jedes Paai mit der einen Wicklung im Hauptthyristorkreis und mit der anderen Wicklung im Löschthyristorkreis liegt. Da diese Umschwinginduktoren auch vom Laststrom durchflossen werden, müssen sie relativ groß bemessen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungsumrichter der eingangs genannten Art, !:ei dem die Leistung hauptsächlich in einer Richtung übertragen wird, derart weiterzuentwickeln, daß ein Teil der Schaltkreiselemente und der Kommutierungsmittel des Gleichspannungsumrichter so bemessen werden können, daß sie klein sind und wenig Verluste verursachen, trotzdem aber die Leistung auch in umgekehrter PJchtung fließen kann und die Spannungsübersetzung unabhängig vom Laststrom ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Gleichspannungsumrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.

Anhand der Figuren sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen spannungssenkenden Gleichspannungsumrichter, d. h. einen Umrichter, dessen Leistungsübertragung im wesentlichen von dem höheren zu dem niedrigeren Spannungsniveau erfolgt,

Fig. 2 die Zeitdiagramme einiger der im Umrichter nach F i g. 1 auftretenden Größen,

Fig. 3 einen Spannungserhöhenden Gleichspannungsumrichter, d. h. einen Umrichter, dessen Leistungsübertragung im wesentlichen von dem niedrigeren zu dem höheren Spannungsniveau erfolgt,

Fig.4 die Zeitdiagramme einigsr in dem Umrichter nach F i g. 3 auftretenden Größen.

Fig. 1 zeigt einen Gleichspannungsumrichter mit Leitungen B 1 und O zum Anschluß an eine nicht dargestellte Speisegleichspannung U]. Parallel zur Speisegleichspannung liegt ein Glättungskondensator CX. Zwischen den Leitungen sind die Hauptthyristoren Tl und T2 in Reihe angeschlossen. Der Punkt A zwischen den Thyristoren ist Über die Leitung B 2 an die niedrigere Spannung Ut angeschlossen. In der Leitung B 2 liegt eine Glättungsdrossel L 4 zur Glättup.g des Ausgangsst^romes /2, und zwischen den Leitungen B2 und O liegt ein Glättungskondensator C2. An die Leitungen B2 und O kann eine Last angeschlossen werden, die beispielsweise aus einem Gleichspannungsnetz oder einem Gleichstrommotor bestehen kann. In Reihe mit jedem Hauptthyristor liegt eine kleine Drossel L 2 bzw. L 3 zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms des jeweiligen Thyristors. Zwischen dem Thyristor T2 und dem Anschluß A ist eine erste Wicklung Z. 11 eines Induktors Ll angeschlossen. Eine Nebenwegdiode D1 ist zwischen dem auf niedrigerem Potential liegenden Ende der Wicklung L 11 und der Leitung B 1 angeschlossen, und eine weitere Nebenwegdiode D 2 ist zwischen der Leitung O und dem Anschluß A angeschlossen. Zwei Löschthyristoren 51 und S 2 liegen in Reihe zwischen den Leitern B 1 und O, und zwischen einem Punkt P zwischen diesen Thyristoren und dem

Anschluß A liegt ein Loschkondensator C. Eine zweite Wicklung L 12 des Induktors L 1 liegt zwischen dem Thyristor S 2 und Punkt P.

Ein nicht dargestelltes Steuerimpulsglied zündet abwechselnd die Hauptthyristoren 71 und 72 und zündet zum Löschen des HauptihyrisKirs 71 den Löschthyristor Sl und zum Löschen des Hauptthyristors T2 den Löschthyristor S 2. Durch Veränderung des Verhältnisses zwischen den Durchlaßzeiten der beiden Hauptthyristoren kann in bekannter Weise die abgegebene Spannung U 2 des Umrichters und damit der an das Netz oder eine sonstige Last abgegebene Strom /2 gesteuert werden. Steuerimpulsglieder dieser Art sind an sich bekannt und können in unterschiedlicher Weise aufgebaut sein.

In F i g. 2 sind als Funktion der Zeit in den oberen vier Diagrammen Steuersignale an die vier Thyristoren des Umrichters dargestellt und darunter die Löschkondensatorspannung Uc, den Eingangsstrom /1. den Ausgangsstrom /2 und die Ausgangsspannung U 2.

Es wird angenommen, daß zu der Zeit .' = 0 der Haupttransistor Ti leitend ist und der Konder -ator C mit positiver Polarität geladen ist. Zur Zeit fi gelangt ein Zündimpuls an den Löschthyristor Sl, wodurch der Hauptthyristor 71 gelöscht wird. Der Laststrom fließt weiter durch den Löschthyristor S1 und den Löschkondensator C, dessen Ladung auf entgegengesetzte Polarität umschwingt. Zur Zeit f₂ hat der Punkt A das Potential der Leitung O erreicht, der Löschthyristor S1 erlischt und die Nebenwegdiode D 2 wird stromführend. /1 wird Null und /2 nimmt ab, während die in der Drossel L 4 gespeicherte Energie der Last zugeführt wird. Bei geringer Belastung kann der Strom kurzzeitig die Richtung wechseln und kommutiert dann von der Nebenwegdiode D 2 zu dem Hauptthyristor T2. Zur Zeit h wird ein Zündimpuls an den Löschthyristor S 2 gegeben, so daß der Hauptthyristor T2 (falls stromführend) gelöscht wird und der Löschkondensator C umgeladen wird. Dadurch, daß die Wicklungen L 11 und L 12 induktiv miteinande. gekoppelt sind, erfolgt das Löschen des Hauptthyristors T2 schnell. Nach dem Löschen des Hauptthyristors bildet jedoch die Wicklung L 12 mit dem Löschkondensator C einen Schwingkreis für das Umschwingen der Kondensatorladung. Aufgrund der Verluste im Schwingkreis kann die Kondensatorladung nach dem Umschwingen niedriger seh: als zuvor. Deshalb wird die zur Zeit r₄ gleichzeitig mit der Zündung des Hauptthyristors 71 ein kurzer Zündimpuls an den Löschthyristor S2 gegeben, wodurch die Ladung des Löschkondensators Ceinei: Zuschuß erhält. Zur Zeit is wird wieder ein Zündimpuls an den Löschthyristor S 1 gegeben, wodurch der Haupithyristor 71 gelöscht wird und eine Feriode des Funktionsablaufes vollendet wird.

In den Diagrammen für / 1 und / 2 in F i g. 2 ist angegeben, welche Schaitkreiselemente während der verschiedenen Zeitabschnitte den Laststrom (Ii oder 12) führen. Wie man erkennt, sind dies die Schaltkreiselemente ΓΙ, Sl und D2. Da die Schaltkreiselemente T2 und S 2 keinen oder nur einen kleinen Teil des Laststromes führen, werden auch die Wicklungen L\i und L 12 von keinem Laststrom oder nur einem kleinen Teil des Laststromes durchflossen. Diese Schaltkreiselemente können daher für geringen Strom und geringe Leistung dimensioniert werden, was insbesondere in bezug auf d?rj !nd-ktor sich vorteilhaft auswirkt hinsichtlich niedriger Verluste, niedriger Installationskosten, geringen Gewichtes und geringen P'ptzbedarfs.

Wenn die an den Leitungen Ö2 und Oangeschlossene Last eine eigene EMK hat, und eine gelegentliche Leistungsrijckspeisung in Betracht kommt kann der Leistungsnuß durch Heruntersteuern der Spannung U 2 zur Umkehr seiner Richtung gebracht werden. Die Ströme /2 und / 1 werden dann negativ, und der Hauptthyristor T2 und die Nebenwegdiode D 1 werden abwechselnd den Laststrom führen. Die Wicklung LIl des Induktors wird dann vom Laststrom durchflossen, und aus diesem Grunde kann es erforderlich sein, den Induktor etwas größer zu dimensionieren.

Um bei der Rückspeisung die Ladung des Löschkondensators sicherzustellen, gibt das Steuerimpulsglied einen zusätzlichen kurzen Zündimpuls an den Löschthyristor S1 zur Zeit ;₂, also gleichzeitig mit der Zündung des Hauptthyristors T2.

F i g. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Umrichters nach der Erfindung für den Fall, daß der Leistungsfluß nur oder im wesentlichen von einem niedrigeren Spannungsniveau U1 auf ein höheres Spannungsniveau Ü2 gehoben wird. Es handelt sich also um einen sogenannten snannungserhöheioien Umrichter. Die Schaltung stimmt im wesentlichen mu der gemäß F i g. 1 überein, und ihre Funktion ist im wesentlichen dieselbe wie die der Schaltung nach F i g. 1 bei der Rückspeisung. Die Eingangsspannung U1 ist über die Leitung i» 1 und die Drossel L 4 an den Anschluß A zwischen den Hauptthyristoren angeschlossen. Die Hauptthyristoren T\ und T2 sind ebenso wie die Löschthyristoren Sl und S2 zwischen den Leitungen B 2 und O angeschlossen, über welche man die Ausgangsspannung t/2 erhält.

Der Unterschied gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schaltung besteht im wesentlichen darin, daß die beiden Wicklungen L 11 und L 12 des Induktors Li in Fi g. 3 auf der potentialhöheren Seite der Punkte A und P angeordnet sind und nicht auf der potentialniedrigeren Seite wie in Fig. 1. Hieraus ergibt sich eine scheinbar veränderte Einschaltung der Dioden D\ und D 2. Genau wie in Fig. 1 ist die Diode D2 jedoch mit ihrer Kathode an dem auf höherem Potential liegenden Ende der W'cklung L 11 angeschlossen, und die Diode D 1 ist mit ihrer Anode an dem auf niedrigerem Potential liegenden Endpunkt der Wicklung LIl angeschlossen.
Die Steuerung erfolgt in gleicher Weise wie bei der Schaltung gemäß Fig. 1. F i g. 4 zeigt wieder in den oberen vier Diagrammen die an die vier Thyristoren gegebenen Steuersignale als Funktion der Zeit. Ferner werden wieder die Löschkondensatorspannung Uc. die Ein- und Ausgangsströme /1 und /2 sowie die Eingangsspannung U₁ als Funktion der Zeit dargestellt.

Zum Zeitpunkt ii wird der Löschthyristor S 1 gezündet und der Hauptthyristor Ti erlischt. Die Kondensatorladung schwingt über die Schaltkreiselemente Sl, L 12 und O 1 um, aufgrund der Verluste unter Umständen jedoch auf einen niedrigeren Wert. Zum Zeitpunkt f₂ wird der Hauptthyristor 72 gezündet und auf dem Wege über B 1, L 4. A, L 3, 72, O fließt nun ein anwachsender Eingangsslrom. Gleichzeitig wird zur Zeit i₂ ein kurzer Zündimpuls f η den Löschthyristor Sl gegeben, wobei die Kondensatorspannung Uc auf den vollen Wert gebracht wird. Zur Zeit I₃ wird der Löschthyristor S₂ gezündet und der Hauptthyristor Ti erlischt. Der Eingangsstrom /ι fließt nun auf dem Wege über L 4, A, C. S 2, O und lädt den Kondensator C um. Wenn Uc gleich f2 wird, erlischt der Löschthyristor S 2 und die Nebenwegdiode D 1 wird leitend. Ein abnehmender Strom wird nun vom Induktor L 4 über die Nebenwegdiode D 1 zur Leitung B 2 getrieben. Der Laststrom kann un-

Zo ZO ΟΖΟ

ter Umstünden kurz/eilig die Richtung wechseln und kommutiert dann von der Nebenwegdiode D 1 auf den Hauptthyristor Ti. Zur Zeit u wird der Hauptthyristor T\ gezündet. Es werden also bei der normalen Leistungsrichtung nur die Nebenwegdiode D 1 und der Hauptthyristor Γ2 (und in gewissem Maße der Loschthyristor 52) von Laststrom durchflossen. Genau wie bei der Schaltung in Fig. I werden daher ebenfalls nicht die Wicklungen L 11 und L 12 vom Laststrom durchflossen oder nur von einem kleinen Teil des Laststromes durchflossen, und die Nennleistung und die Verluste des Induktors sind klein.

Genau wie bei der Schaltung nach F i g. I ist bei der Schaltung nach Fig. 3 die Spannungsübersetzung kontinuierlich steuerbar, und die Schaltung kann bei beliebiger Leistungsrichtung arbeiten. Wenn eine Rückspeisung vorkommen kann, wird die Induktorwicklung L 11 von Nutzstrom durchflossen, und die Abmessungen des Induktors müssen aus diesem Grunde etwas vergrößert werden.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele, und ein Umrichter nach der Erfindung kann auf viele verschiedene Arten ausgeführt werden. In den F i g. I und 3 ist die gemeinsame Leitung die an die negativen Pole der Ein- und Ausgangsspannungen angeschlossene Leitung. Alternativ kann die Schaltung so vorgenommen werden, daß die gemeinsame Leitung an die positiven Pole der Spannungen angeschlossen ist.

Der Eingangskondensator C1 kann fortgelassen wer- jo den, wenn das speisende Netz eine kleine innere Impedanz hat und gegenüber Wechselstromkomponenten im abgegebenen Gleichstrom unempfindlich ist. Ebenfalls kann in bestimmten Fällen der Ausgangskondensator C2 fortgelassen werden. Die Drossel L 4 hat eine we- J5 sentliche Funktion, insbesondere in der Schaltung nach F i g. 3, doch kann sie in bestimmten Fäiien weggelassen werden, wenn die innere Induktanz des an die Niederspannungsseite des Umrichters angeschlossenen Netzes oder der sonstigen Last hoch genug ist.

In den Fig. 1 und 3 sind die Löschthyristoren an die höhere der beiden Spannungen, also U i bzw. U 2 angeschlossen, und diese Spannung dient als Kommutierungsspannungsquelle. in einigen Fällen, beispielsweise dann, wenn diese Spannung stark variieren kann, kann es zweckmäßig sein, die Löschkor.densatoren an eine separate, vorzugsweise konstante Kommutierungsspannungsquelle anzuschließen.

Ein Umrichter nach der Erfindung bietet gegenüber bekannten Umrichtern bedeutende Vorteile. Seine Spannungsübersetzung kann kontinuierlich gesteuert werden und ist vom Laststrom unabhängig. Der Leistungsfluß kann ohne Umschaltmaßnahmen die Richtung wechseln, wodurch ohne weiteres eine Rückspeisung in das speisende Netz stattfinden kann. Durch die Anordnung der beiden Wicklungen des Induktors L 1 und ihre induktive Kopplung erhält man eine schnelle Löschung der Hauptthyristoren mit einem minimalen Verbrauch an Löschkondensatorleistung. Der Löschkondensator kann also klein sein. Die Induktoranordnung in Verbindung mit der gezeigten Art zum Einschalten der Dioden DX und D 2 ergibt eine wohldefinierte und belastungsunabhängige Aufladung des Löschkondensators. Hierdurch kann erstens der Kondensator im Hinblick auf die Spannung knapper dimensioniert werden und zweitens werden die maximalen Spannungsbeanspruchungen der Thyristoren geringer, wodurch auch diese im Hinblick auf die Spannung knapper dimensioniert werden können.

In den Fällen, in denen ein Richtungswechsel des Leistungsflusses nie auftritt, werden die Wicklungen L 11 und L 12 des Induktors nicht vom Laststrom oder nur von einem kleinen Teil des Laststromes durchflossen. Die Anordnung nach der Erfindung erlaubt es daher, den Induktor für eine sehr geringe Leistung auszulegen und die Induktorverluste klein zu halten. Auch dann, wenn eine gelegentliche Rückspeisung erfolgt, erhält man dieselben Vorteile in verringertem Maße.

Die Erfindung kann im Rahmen des offenbarten Erfindungsgedankens in mannigfacher Weise variiert werden. So können beispielsweise im gezeigten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 die Glieder L 12 und S2 und in F i g. 3 die Glieder L 12 und 5 1 ihre Reihenfolge tauschen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. CIaichspannungsumrichter zur Umwandlung einer Gleichspannungsleistung zwischen einem höheren und einem niedrigeren Spannungsniveau mit zwei Hauptthyristoren, die in Reihe an die höhere Spannung angeschlossen und abwechselnd leitend sind, mit einem Anschluß der niedrigeren Spannung zwischen den Hauptthyristoren, mit zwei in Reihe an eine Kommutierungsspannungsquelle angeschlossenen Löschthyristoren zum Löschen der Hauptthyristoren, mit einem Löschkondensator zwischen dem genannten Anschluß der niedrigeren Spannung und einem zwischen den Löschthyristoren liegenden Punkt und mit einer ersten und einer zweiten Diode, von denen die erste mit ihrer Kathode an den positiven Pol der höheren Spannung angeschlossen ist und die zweite mit ihrer Anode an den negativen Pol der höherfcii Spannung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Umschwinginduktor (L 1) mit zwei induktiv gekoppelten Wicklungen vorhanden ist, von denen die erste Wicklung (L 11) zwischen dem Anschluß (A) der niedrigeren Spannung und den Hauptthyristor (T2) angeschlossen ist und die zweite Wicklung (L 12) in Reihe mit dem Löschthyristor (52) angeschlossen ist, welcher an denselben Pol wie der genannte eine Hauptthyristor (T2) angeschlossen ist, daß die erste Diode (D 1) mit ihrer Anode an das auf niedrigerem Potential liegende Ende der ersten Wicklung (L 11) des Induktors angeschlossen ist und daß die zweite Diode (D 2) mit ihrer Kathociv: an das auf höherem Potential liegende Ende der ersien Wicklung (Z-Il) angeschlossen ist.

2. Gleichspannungsumrichter nach Anspruch 1 mit hauptsächlicher Leistungsrichtung von dem höheren zum niedrigeren Spannungsniveau, bei dem die höhere und die niedrigere Spannung einen gemeinsamen Pol haben, dadurch gekennzeichnet, daß w die erste Wicklung (L 11) des Induktors (L 1) zwischen dem Anschluß (A) und dem gemeinsamen Poi (Ctyangeschlossen ist.

3. Gleichspannungsumrichter nach Anspruch 1 mit hauptsächlicher Leistungsrichtung von dem niedrigeren zum höheren Spannungsniveau, bei dem die höhere und die niedrigere Spannung einen gemeinsamen Pol haben, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (L 11) des Induktors zwischen dem Anschluß (A) und dem nicht gemeinsamen Pol der höheren Spannung angeschlossen ist.

4. Gleichspannungsumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte höhere Spannung als Kommutierungsspannungsquelle dient.