DE3325612C2

DE3325612C2 -

Info

Publication number: DE3325612C2
Application number: DE3325612A
Authority: DE
Inventors: Chihiro Fuchu Tokio/Tokyo Jp Okado; Kazushi Hachioji Tokio/Tokyo Jp Ichimura; Tatsuaki Tokio/Tokyo Jp Ambo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-07-15
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1990-01-25
Also published as: DE3325612A1; US4646222A

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsunterdrückungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, 2 oder 3 (US-PS 37 75 663). Derartige Überspannungsunterdrückungsvorrichtungen werden z. B. dann verwendet, wenn eine Ausgangsspannung eines Spannungsquelle-Wechselrichters durch einen Transformator verstärkt wird.

Wenn eine Ausgangsspannung eines Spannungsquellen-Wechselrichters durch einen Transformator verstärkt wird, entsteht üblicherweise eine Resonanzspannung in der Größenordnung von einigen 10 kHz aufgrund der Streuinduktivität des Transformators und der Streukapazitäten eines Lastkabels und eines Last-Wechselstrommotors. Da sich die Ausgangsspannung des Spannungsquellen-Wechselrichters schrittweise ändert, kann in einem Extremfall eine Spannungsschwingung auftreten, die doppelt so groß ist wie die schrittweise Ausgangsspannungsänderung. Diese Erscheinung ist nachstehend anhand des Beispiels einer bisherigen Schaltung gemäß Fig. 1A und 1B beschrieben.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1A wird eine Ausgangswechselspannung einer rechteckigen Wellenform von einer Ausgangsklemme eines durch eine Gleichstromquelle gespeisten Spannungsquellen-Wechselrichters 2 erhalten, und diese Ausgangswechselspannung wird zur Speisung oder Ansteuerung eines Wechselstrommotors 4 durch einen Transformator 3 verstärkt. Gemäß Fig. 1A besteht der Wechselrichter 2 z. B. aus einem Transistor-Wellenrichter, dessen Rechteckwellen-Ausgangsspannung Vi durch den Transformator 3 auf einen hohen Spannungsausgang V₀ verstärkt wird.

Fig. 1B zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 1A. In Fig. 1B ist das Wicklungsverhältnis des Transformators 3 mit n bezeichnet, und die Eingangsspannung Vi wird über Eingangsklemmen 3 a und 3 b des Transformators 3 angelegt. Letzterer ist durch eine zwischen die eine Eingangsklemme 3 a und eine Eingangsklemme des Wechselstrommotors 4 geschaltete Streuinduktivität L₀ sowie eine zwischen die Eingangsklemmen des Wechselstrommotors 4 geschaltete Streukapazität C₀ angedeutet. Letztere beinhaltet eine Streukapazität des Last-Wechselstrommotors 4.

Wenn eine stufenförmige Wechselrichter-Ausgangsspannung Vi gemäß Fig. 2A über die Eingangsklemmen 3 a und 3 b der Ersatzschaltung nach Fig. 1B angelegt wird, entsteht eine schwingende Resonanzspannung aufgrund der Reaktanzelemente L₀ und C₀, so daß die verstärkte Spannung V₀ mit bzw. an Vorder- und Hinterflanke der Eingangs-Rechteckwellenform Vi schwingt (vgl. Fig. 2B). Ein der Ausgangsspannung V₀ hinzuaddierter Scheitelwert der schwingenden Spannung erreicht das Doppelte der normalen Ausgangsspannung V₀= n · Vi, was eine schnelle Verschlechterung der Isoliereigenschaften von Transformator 3 und Wechselstrommotor 4 zur Folge hat. Im allgemeinen tritt eine Verschlechterung oder Herabsetzung der Isoliereigenschaften eines elektrischen Geräts dann auf, wenn eine das 1,2fache der Nennspannung übersteigende Stoßspannung wiederholt angelegt wird. Es empfiehlt sich daher, den Scheitelwert einer solchen schwingenden Spannung auf das 1,2fache der Nennspannung oder weniger zu unterdrücken. Gemäß Fig. 3 ist ein Unterdrückungsverfahren bekannt, bei dem der Spannungsquellen-Wechselrichter 2 zur Verringerung der Stufenbreite der Eingangsspannung Vi des Transformators 3 in Mehrfachschaltung betrieben wird.

Diese Mehrfachschaltung des Spannungsquellen-Wechselrichters bedingt jedoch eine übermäßige Komplizierung der Grundschaltung des Wechselrichters sowie hohe Fertigungskosten, weshalb dieses Verfahren für einen Wechselrichter vergleichweise kleiner Kapazität ungeeignet ist. Außerdem kann es dabei vorkommen, daß die stufenförmige vorlaufende Phase der Eingangsspannung eines Wechselrichters unter den Multiplex-Wechselrichters mit der Phase der Resonanzspannung eines Wechselrichters der vorgeschalteten Stufe koinzidiert. In diesem Fall wird die Amplitude des Ausgangssignals des ersteren Wechselrichters zu groß. Dies macht den Zweck der Mehrfachschaltung des Wechselrichters zunichte.

Als Wechselrichter kann auch ein Pulsbreitenmodulations- bzw. PBM-Wechselrichter verwendet werden. In diesem Fall ist jedoch die Änderungsgröße der Eingangsspannung des PBM-Wechselrichters festgelegt, so daß die Multiplexanordnung des Wechselrichters zur Lieferung des Ausgangssignals gemäß Fig. 3 unmöglich ist.

Aus der US-PS 37 75 663 ist eine Überspannungsunterdrückungsvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die einen Wechselrichter mit elektronisch gesteuertem Nullpunktanschluß aufweist. Bei dieser Vorrichtung werden LC-Filter aus Spulen sowie aus Kondensatoren dazu verwendet, harmonische Schwingungen zu unterdrücken.

Weiterhin ist aus der DE-AS 19 56 145 eine Schaltungsanordnung zum Schutz von induktiv belasteten Schalttransistoren vor Überspannungen beschrieben. Bei dieser Schaltungsanordnung sind zwischen einer Ansteuerschaltung und einem Leistungsüberträger Schalttransistoren vorgesehen, die mit ihren Kollektoren direkt an den Leistungsüberträger angeschlossen sind und mit ihren Emittern am negativen Pol einer Gleichspannungsquelle liegen. Außerdem ist zwischen den beiden Kollektoren der Transistoren eine Reihenschaltung aus einer ersten Diode, einem ersten Kondensator, einem weiteren Kondensator und einer entgegengesetzt zur ersten Diode gepolten weiteren Diode vorgesehen. Die Verbindungspunkte zwischen der ersten Diode und dem ersten Kondensator bzw. zwischen dem weiteren Kondensator und der weiteren Diode sind über jeweils eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Zenerdiode mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden.

Schließlich ist aus der DD-PS 81 901 eine Anordnung zum Schutze von Halbleiterventilen gegenüber Spannungen bekannt, bei der eine Induktivität zwischen dem Anschlußpunkt einer RC-Schaltung und einer Überspannungsquelle wirksam ist. Hinter dieser RC-Schaltung liegt eine nicht näher dargestellte zu schützende Anlage, wie beispielsweise ein Thyristor-Stromrichter. Im Querzweig ist hinter einem Dämpfungswiderstand eine Gleichrichterbrückenschaltung vorgesehen, wodurch sich ein einfacher Elektrolytkondensator einsetzten läßt. Parallel zu diesem Kondensator ist schließlich ein nichtlinearer spannungsabhängiger Widerstand vorgesehen. Der Kondensator wird ständig auf den Scheitelwert der Netzspannung aufgeladen. Der spannungsabhängige Widerstand nimmt bei dieser Spannung nur einen relativ geringen Verluststrom auf. Beim Auftreten von Überspannungen am Eingang des LRC-Gliedes wird der Kondensator höher aufgeladen. Da nun der spannungsabhängige Widerstand mit zunehmender Spannung einen mehr als proportionalen Strom aufnimmt, ist er in der Lage, größere Ströme abzuleiten und den Kondensator nach Abklingen der Überspannung wieder auf den Ausgangswert zu entladen, wodurch die Schutzwirkung des LRC-Gliedes wiederhergestellt ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Überspannungsunterdrückungsvorrichtung zu schaffen, mit welcher sekundäre Schwingungsspannungen eines Verstärkungs- oder Hilfstransformators unabhängig von der Ausgangsspannungs-Wellenform des Spannungsquellen-Wechselrichters unterdrückt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Überspannungsunterdrückungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2 bzw. 3 erfindungsgemäß durch die in dessen jeweiligen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A und 1B ein Ersatzschaltbild einer Motortreiber- oder -speiseschaltung mit einem herkömmlichen Spannungsquellen-Wechselrichter,

Fig. 2A und 2B Spannungswellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ersatzschaltung nach Fig. 1B,

Fig. 3 eine Ausgangswellenform eines Wechselrichters vom Multiplextyp,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Überspannungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für eine Phase der Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 6A und 6B graphische Darstellungen von Spannungswellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 7A bis 7F graphische Darstellungen von Spannungswellenformen zur Darstellung der Wirkung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu bisherigen Vorrichtungen dieser Art,

Fig. 8 und 9 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild für eine Phase der Schaltung nach Fig. 9,

Fig. 11 und 12 Schaltbilder noch anderer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 13 und 14 ein Ersatzschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15A und 15B graphische Darstellungen von Spannungswellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ersatzschaltung nach Fig. 14 und

Fig. 16 und 17 Schaltbilder noch weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß Fig. 4 ist eine Gleichstrom- oder -spannungsquelle 1 mit ihren Ausgangsklemmen über Gleichspannungs-Eingangsklemmen eines Spannungsquellen-Wechselrichters 2 geschaltet, dessen Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen jeweils an das eine Ende von Drosseln (Drosselspulen) 11, 12 und 13 angeschlossen sind, deren andere Enden wiederum mit der Primär(wicklungs)seite eines Verstärkungs- bzw. Hilfs-Transformators 3 verbunden sind, dessen Sekundär(wicklungs)seite ihrerseits an eine nicht dargestellte Last, z. B. einen Hochspannungs-Wechselstrommotor, angeschlossen ist.

Die genannten anderen Enden der Drosseln 11-13 sind außerdem jeweils mit einem Kondensator 14, 15 bzw. 16 verbunden, während die anderen Enden oder Seiten mit Wechselspannungs-Eingangsklemmen einer Diodenbrücke 17 aus sechs Diosen 17 a-17 f verbunden sind. Die Diodenbrücke 17 bildet einen Vollweg-Gleichrichterkreis für die drei Phasen, wobei eine Gleichspannungsquelle 18 über die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen dieser Diodenbrücke 17 geschaltet ist, um eine Gleichspannung Vj in entgegengesetzter Richtung anzulegen.

Die genannten anderen Enden der Drosseln 11-13 sind weiterhin an Wechselspannungs-Eingangsklemmen eines Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterkreises 19 aus sechs Dioden 19 a-19 f angeschlossen. Dessen Gleichspannungs-Ausgangsklemmen sind entgegengesetzt zur Gleichspannungsquelle 1 geschaltet.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 4 anhand eines in Fig. 5 dargestellten Ersatzschaltkreises für eine Phase dieser Schaltung beschrieben. Beim Ersatzschaltkreis gemäß Fig. 5 ist der Spannungsquellen-Wechselrichter 2 durch zwei Schalter 2 a und 2 b angedeutet. Das eine Ende der Drossel 11 ist mit dem Verbindungspunkt bzw. der Verzweigung zwischen diesen Schaltern 2 a und 2 b verbunden. Ein Kondensator 14 a stellt einen Ersatzkondensator dar, welcher den Kondensator 14 einschließt.

Im folgenden sei angenommen, daß als Ausgangssignal der einen Phase des Wechselrichters 2 durch eine Reihe von Ein- und Ausschaltvorgängen der Schalter 2 a und 2 b die stufenartige Spannung Vi gemäß Fig. 6A erhalten wird. Wenn z. B. zum Zeitpunkt t 1 der Schalter 2 a geschlossen und der Schalter 2 b offen ist, liegt eine Spannung Vp von der Gleichspannungsquelle 1 am einen Ende der Drossel 11 an. Hierbei wird durch die Drossel 11 und den Kondensator 14 a ein Resonanzkreis gebildet. Die Dioden 17 a und 17 e sind durchgeschaltet, so daß die Spannung V ₀₁ an der Ausgangsklemme der Drossel 11 gemäß Fig. 6B zum Zeitpunkt t 1 nur um die Spannung Vj der Gleichspannungsquelle 18 ansteigt. Danach steigt die Spannung V ₀₁ bis zum Zeitpunkt t 2 nach Maßgabe der durch den Resonanzkreis aus der Drossel 11 und dem Kondensator 14 a zu erzeugenden bzw. erzeugten Spannung allmählich an.

Ab dem Zeitpunkt, zu welchem die Spannung V ₀₁ der Spannungsquellenspannung Vp gleich wird (zum Zeitpunkt t 2), wird die Spannung V ₀₁ durch die Diode 19 a angeklammert bzw. festgehalten, so daß vom Resonanzkreis keine Überspannung geliefert wird. An die Primärseite des Hilfs-Transformators 3 wird daher keine die Nennspannung übersteigende Spannung angelegt.

Wenn zum Zeitpunkt t 3 der Schalter 2 a öffnet und der Schalter 2 b schließt, fließt die im Kondensator 14 a gespeicherte Ladung über die Drossel 11 und die Dioden 17 b und 17 d. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Resonanzstrom entgegengesetzt zur Stromrichtung zum Zeitpunkt t 1, so daß die Ausgangsspannung V ₀₁ gemäß Fig. 6B nur um die Spannung -Vj ansteigt. Nach dem Zeitpunkt t 3 wird wegen der Arbeitsweise der Diode 19 d kein Unterschwingen hervorgerufen.

Das Ausgangssignal mit der Spannungswellenform V ₀₁ gemäß Fig. 6B wird als Ausgangssignal oder -spannung des Wechselrichters 2 der Primärseite des Hilfs-Transformators 3 zugeführt. Durch zweckmäßige Wahl der Resonanzfrequenz der Drossel 11 und des Kondensators 14 a sowie der "Sprung"-Spannung Vj kann somit die Überspannung an der Lastklemme, d. h. am primärseitigen Verbindungspunkt zwischen Drossel 11 und Hilfs-Transformator 3, auf nahezu Null unterdrückt werden. Mit anderen Worten: die Schwingung infolge der stufenartigen Spannung zum Zeitpunkt t 1 und die Erregungswellenform zwischen dem Zeitpunkt t 1 und t 2 wirken so, daß ihre Phasen einander entgegengesetzt sind und damit die Schwingung zum Zeitpunkt t 2 aufhört. Wenn die Spannung mit der Wellenform gemäß Fig. 6B dem Hilfs-Transformator 3 zugeführt wird, gilt

Vj ≒ 1/3 Vp, LC = 9 L₀C₀

In obigen Formeln bedeutend L = Induktivität der Drossel 11 und C = Kapazität des Kondensators 14 a, die zur Minimierung der Schwingungsspannung gewählt sein kann bzw. können. Die Symbole L₀ und C₀ besitzen die in Verbindung mit Fig. 1B angegebene Bedeutung.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nachstehend anhand der Fig. 7A-7F im Vergleich zu bisherigen Vorrichtungen erläutert. Fig. 7A veranschaulicht eine Wellenform der vom Motor 4 gemäß Fig. 1A zuzuführenden Ausgangsspannung V₀ des Transformators 3, bei welcher eine schwingende Spannung großer Amplitude auftritt. Fig. 7A und 7B veranschaulichen die Wechselrichter-Ausgangsspannung Vi für den Fall, daß im Ersatzschaltkreis gemäß Fig. 5 Vj < 1/3 Vp und LC < 9 L₀C₀ gelten. In diesem Fall zeigt die Ausgangsspannung V₀ an der Sekundär- bzw. Hochspannungsseite des Hilfs-Transformators 3 gemäß Fig. 7B eine Spannungswellenform, die nahezu keine Schwingungskomponenten enthält.

Fig. 7C und 7D veranschaulichen eine Wellenform der Wechselrichter-Ausgangsspannung Vi für den Fall von LC=9 L₀C₀.

In diesem Fall enthält die Wellenform der Ausgangsspannung V₀ des Transformators 3 gemäß Fig. 7E kleine Schwingungskomponenten. Der Scheitelwert der Schwingungskomponenten ist dabei jedoch nur etwa 30% größer als die Nennspannung und offensichtlich kleiner als bei den bisherigen Vorrichtungen.

Fig. 7E und 7F zeigen eine Wellenform der Wechselrichter-Ausgangsspannung für LC < 9 L₀C₀.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird die einzige Gleichspannungsquelle 1 sowohl als Gleichstromquelle für die Ansteuerung oder Speisung des Spannungsquellen-Wechselrichters 2 als auch als Gleichstromquelle verwendet, die über die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen des Vollweg-Gleichrichterkreises 19, welcher die "Anklammerschaltung", bildet, geschaltet ist. Für diese "Anklammerschaltung" kann jedoch auch eine andere, getrennte Gleichspannungsquelle verwendet werden.

Fig. 8 veranschaulicht eine andere Ausführungsform, bei welcher den Teilen von Fig. 4 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind. Gemäß Fig. 8 sind die Ausgangsklemmen an der Plusseite des Vollweg-Gleichrichterkreises 19 mit dem Verbindungspunkt bzw. der Verzweigung zwischen einem Glättungskondensator 20 und einer Drossel 21 verbunden. Der Kondensator 20 ist an die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen des Vollweg-Gleichrichterkreises 19 angeschlossen. Die andere Seite der Drossel 21 und die minusseitigen Ausgangsklemmen des Vollweg-Gleichrichterkreises 19 sind über jeweilige Gleichspannungs-Ausgangsklemmen einer Thyristorbrückenschaltung 22 geschaltet. Die Dreiphasen-Wechselspannungs-Eingangsklemmen dieser Thyristorbrückenschaltung 22 sind an eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle 23 angeschlossen. Auf diese Weise ist die Gleichspannungsquelle 1 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 durch eine Konstantspannungs-Gleichstromquelle aus der Thyristorbrückenschaltung 22, der Drossel 21 und dem Glättungskondensator 20 ersetzt.

Bei der Ausführungsform gemäß 8 wird weiterhin anstelle der Strom- oder Spannungsquelle 18 zur Lieferung der Spannung Vj eine Konstantspannungs-Gleichstromquelle mit einer Thyristorbrückenschaltung verwendet. Insbesondere ist dabei ein Glättungskondensator 24 zwischen die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen des Vollweg-Gleichrichterkreises 17 geschaltet, und die plusseitigen Klemmen der genannten Ausgangsklemmen sind über eine Drossel 25 mit einer Ausgangsklemme an der Minusseite einer Thyristorbrückenschaltung 26 verbunden. Eine Ausgangsklemme an der Plusseite dieser Thyristorbrückenschaltung 26 ist mit den Ausgangsklemmen an der Minusseite des Vollweg-Gleichrichterkreises 17 verbunden. Wechselspannungs-Eingangsklemmen der Thyristorschaltung 26 sind an eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle 27 angeschlossen.

Die Schaltung gemäß Fig. 8 arbeitet ähnlich wie die Schaltung gemäß Fig. 4, vorausgesetzt, daß sie so aufgebaut ist, daß die Spannungen entsprechend den Ausgangsspannungen der Gleichstromquellen 1 und 18 über die Klemmen der Glättungskondensatoren 20 bzw. 24 erhalten werden; eine weitere nähere Erläuterung dürfte sich daher erübrigen. Es können entweder gleichartige oder verschiedenartige Dreiphasen-Wechselstrom- bzw. -spannungsquellen 23 und 27 verwendet werden.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform sind Kondensatoren 14, 15 und 16 jeweils an einem Ende bzw. an der einen Seite mit der Primärseite eines Dreiphasen-Transformators 28 verbunden, und die sekundärseitigen Ausgangsspannungen werden durch einen Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterkreis 29 zur Lieferung einer Ausgangsgleichspannung an seinen Gleichspannungs-Ausgangsklemmen gleichgerichtet. Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 die "Sprung"-Spannung Vj von der Gleichspannungsquelle 18 erhalten bzw. geliefert wird, wird diese Spannung bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 durch das Transformationsverhältnis des Transformators 28 bestimmt. Die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen des Gleichrichterkreises 29 sind zusammen mit dem Gleichrichterkreis 19 an der Gleichspannungsquelle 1 zusammengeschaltet.

In Fig. 10 ist ein Teil-Ersatzschaltkreis für eine Phase der Schaltung gemäß Fig. 9 dargestellt. Wenn der Schalter 2 a des Wechselrichters 2 geschlossen und der Schalter 2 b offen ist, liegt an der Eingangsklemme der Drossel 11 die Eingangsspannung Vi gemäß Fig. 6A an. Die "Sprung"-Spannung Vj erscheint über die Primärklemmen des Transformators 28 an der Vorderflanke der Spannung Vi zum Zeitpunkt t 1, und die Ausgangsspannung V ₀₁ "spring" bzw. steigt gemäß Fig. 6B um nur Vj. Danach steigt diese Spannung aufgrund der Drossel 11 und des Kondensators 14 a allmählich an. Gemäß Fig. 6B ändert sich die Spannung V ₀₁ auch an der Hinterflanke zum Zeitpunkt t 3. Dioden 29 a bis 29 b gemäß Fig. 10 arbeiten in bezug auf vorbestimmte Phasen des Gleichrichterkreises 29.

Bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen steigt die Ausgangsspannung V ₀₁ der Drossel zum Schaltzeitpunkt des Wechselrichters gemäß Fig. 6B um nur Vj an. Auch wenn diese "Sprung"-Spannung Vj gleich Null ist, verschlechtert sich die Spannungsunterdrückungscharakteristik, d. h. die Dämpfungscharakteristik, geringfügig. Wenn jedoch die Induktivität der Drossel und die Kapazität des Kondensators zweckmäßig gewählt werden, kann das Überschwingen an der Lastseite des Transformators 3 in ausreichendem Maße unterdrückt werden. Entsprechende Ausführungsformen sind in den Fig. 11 und 12 dargestellt.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 11 sind Kondensatoren 14, 15 und 16 jeweils an der einen Seite mit Drosseln 11, 12 bzw. 13 verbunden und an ihren anderen Seiten zusammengeschaltet, so daß Vj auf ein Null-Potential gesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Gleichspannungsquelle zur Anklammerung der Spannung auf dieselbe Weise wie bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und 9 an der Gleichspannungsquelle 1 gesetzt bzw. durch diese gebildet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 sind die anderen Seiten der Kondensatoren 14-16, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11, zusammengeschaltet, doch wird die Gleichspannung für die Anklammerung ohne Heranziehung der Gleichspannungsquelle 1 von einer Konstantspannungs-Stromquelle erhalten, die aus dem Glättungskondensator 20, der Drossel 21, der Thyristorbrückenschaltung 22 und einer Wechselspannungsquelle 23 besteht. Obgleich die Kondensatoren 14-16 in Fig. 11 und 12 in Sternschaltung angeordnet sind, können sie auch in Dreiecksschaltung vorliegen.

Da die beschriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung Drosseln und Kondensatoren verwendet, tritt nur ein sehr geringer Stromverlust auf, während die Ausgangsschwingung an der Hochspannungsseite des Hilfs-Transformators wirksam unterdrückt werden kann.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen wird der Ausgang bzw. die Ausgangsspannung des Hilfs-Transformators an den Ausgangsklemmen der Drosseln 11, 12 und 13 abgenommen. Es können jedoch auch Drosseln mit Anzapfungen verwendet werden, um die Ausgangsspannung von diesen Anzapfungen abzunehmen.

Fig. 13 veranschaulicht eine entsprechende Ausführungsform, bei welcher ein Ausgang jeder Phase des Spannungsquellen-Wechselrichters 2 jeweils mit dem einen Ende einer Drossel 11 a, 12 a, und 13 a verbunden ist, die ihrerseits mit Anzapfungen versehen sind. Die Anzapfungen sind an die Primär(wicklungs)seite des Hilfs-Transformators 3 angeschlossen. Die anderen Enden der Drosseln 11 a bis 13 a sind jeweils mit den Wechselspannungs-Eingangsklemmen des aus den Dioden 19 a-19 f bestehenden Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterkreises 19 verbunden. Die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen dieses Gleichrichterkreises 19 sind an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen. Die drei Kondensatoren 14, 15 und 16 sind zwischen jede Phase an den Dreiphasen-Eingangsseiten des Gleichrichterkreises 19 geschaltet.

Fig. 14 ist ein Ersatzschaltbild für eine Phase der Schaltung gemäß Fig. 15. Dabei ist ein Schalterelement des Wechselrichters 2 mit 2 a bezeichnet, während bei 14 a der für einen Einphasenschaltkreis abgewandelte Kondensator 14 angegeben ist.

Die Arbeitsweise des Ersatzschaltkreises gemäß Fig. 14 ist nachstehend anhand der Fig. 15A und 15B beschrieben. Zunächst sei angenommen, daß der Schalter 2 A zum Zeitpunkt t 1 gemäß Fig. 15A schließt und die Eingangsspannung Vi der Drossel 11 a auf Vp ansteigt. Die von der Anzapfung der Drossel 11 a abzunehmende Ausgangsspannung V ₀₁ ist eine Gesamtspannung aus der Klemmenspannung des Kondensators 14 a und dem Spannungsabfall von der Anzapfung der Drossel 11 a zur Klemme am Kondensator 14 a. Die Phase des Spannungsabfalls der Drossel 11 a ist derjenigen der Klemmenspannung des Kondensators 14 a entgegengesetzt, so daß die Spannung V ₀₁ gemäß Fig. 15B zum Zeitpunkt t 1 nur um den Spannungsabfall Vj der Drossel 11 a ansteigt. Sodann steigt die Spannung bis zum Zeitpunkt t 2 nach Maßgabe der durch die Drossel 11 a und den Kondensator 14 a bestimmten Resonanzwellenform allmählich an, bis sie zum Zeitpunkt t 2 (der Spannung) Vi gleich ist. Danach tritt keine Überspannung im Eingangssignal zum Hilfs-Transformator 3 auf, weil sie durch die Spannung der Gleichspannungsquelle 1 über die Diode 17 a angeklammert wird.

Zur Minimierung der dem Hilfs-Transformator 3 eingespeisten schwingenden Spannung muß die Beziehung Vj ≒ 1/3 Vp erfüllt sein. Zu diesem Zweck kann die Anzapfung der Drossel 11 a erfüllt sein. Zu diesem Zweck kann die Anzapfung der Drossel 11 a um eine 2/3-Windung von ihrer Eingangsseite herausgeführt und mit der Eingangsseite des Hilfs-Transformators 3 verbunden sein. Wenn auf diese Weise die Anzapfung mit einer Last durch eine 2/3-Windung verbunden ist, ist die Impedanz der Drossel 11 a von der Lastseite dem Quadrat der Windungszahl proportional. Der Spannungsabfall aufgrund des Laststroms beträgt 4/9 im Vergleich zu dem Fall, in welchem keine Zwischenanzapfung der Drossel 11 a verwendet wird, so daß die Blindleistung reduziert wird. Wenn eine schwingende Spannung von 20-30% zulässig ist, kann die Anzapfung der Drossel 11 a auch an einer Stelle entsprechend einem Windungsverhältnis von 1 : 2 herausgeführt sein. Der Spannungsabfall wird in diesem Fall zu 1/4, so daß die Blindleistung weiter verringert wird.

Wenn Vj=1/3 Vp und LC=9L _OC_O gilt, ergibt sich die Ausgansspannung V ₀₁ gemäß Fig. 7B. In diesem Fall ist nämlich, wie in Fig. 7C gezeigt, kaum eine schwingende Spannung im Ausgang des Hilfs-Transformators 3 vorhanden.

Gemäß Fig. 16 sind die einen Seiten der Kondensatoren 14-16 jeweils mit einer Klemme der Drosseln 11 a bis 13 a mit den Anzapfungen verbunden, während ihre anderen Seiten in Sternschaltung zusammengeschaltet sein können. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 16 sind die Anzapfungsausgänge der Drosseln 11 a bis 13 a an die Wechselspannungs- Eingangsklemmen der Diodenbrücke 19 und auch an die Primärseite des Hilfs-Transformators 3 angeschlossen. Mit dieser Anordnung kann die Überspannung auf ähnliche Weise unterdrückt werden.

Obgleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 16 der Gleichspannungsausgang der Diodenbrücke 19 durch die Gleichspannungsquelle 1 angeklammert wird, kann dies auch wie in Fig. 17 gezeigt durch eine Konstantspannung-Stomquelle aus dem Glättungskondensator 20, der Drossel 21, der Thyristor brückenschaltung 22 und der Wechselspannungsquelle 23 in ähnlicher Weise wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 8 und 12 geschehen.

Das der Laststrom, wie vorstehend beschrieben, von den Anzapfungen der Drossel abgenommen wird, wird der Spannungsabfall aufgrund der Induktivität verringert, so daß die Schwingung wirksam unterdrückt wird.

Claims

1. Überspannungsunterdrückungsvorrichtung mit:

- einem Spannungsquellen-Wechselrichter (2), der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse hat,
- mindestens einer Drossel (11, 12, 13), die mit einem Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß des Spannungsquellen-Wechselrichters (2) und mit einem Ausgangsanschluß an die Primärseite eines Verstärkungstranformators (3) angeschlossen ist, und
- mindestens einem Kondensator (14, 15, 16), von dem eine Seite mit dem Ausgangsanschluß der Drossel (11, 12, 13) verbunden ist, während die andere Seite mit einem ersten vorbestimmten Potential gekoppelt ist, wobei der Kondensator (14, 15, 16) und die Drossel (11, 12, 13) eine Resonanzschaltung bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ausgangsanschluß der Drossel (11-13) mit dem Verbindungspunkt von zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden (19 a-19 f) verbunden ist, deren anderer Anschluß derart an einem vorbestimmten Potential liegt, daß von der Resonanzschaltung keine Überspannung geliefert wird (Fig. 4, 8).

2. Überspannungsunterdrückungsvorrichtung mit:

- einer Gleichspannungsquelle (1),
- einem Dreiphasen-Spannungsquellen-Wechselrichter (2), der mit der Gleichspannungsquelle (1) verbundene Gleichstrom-Eingangsanschlüsse an drei Ausgangsanschlüsse hat,
- drei Drosseln (11, 12, 13), die mit Eingangsanschlüssen an einen jeweiligen Ausgangsanschluß des Spannungsquellen-Wechselrichters (2) und mit als Ausgangsanschlüsse vorgesehenen Anzapfungen an die Primärseite eines Verstärkungstransformators (3) angeschlossen sind, und
- drei Kondensatoren (14, 15, 16) von denen jeweils eine Seite mit einem der Ausgangsanschlüsse der Drosseln (11, 12, 13) verbunden ist, während die andere Seite mit einem zweiten vorbestimmten Potential gekoppelt ist, wobei die Kondensatoren (14, 15, 16) und die Drosseln (11, 12, 13) Reso nanzschaltungen bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die drei Ausgangsanschlüsse der Drosseln (11-13) jeweils mit dem Verbindungspunkt von zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden (19 a-19 f) verbunden ist, deren anderer Anschluß derart an einem vorbestimmten Potential liegt, daß von den Resonanzschaltungen keine Überspannung geliefert wird (Fig. 13).

3. Überspannungsunterdrückungsvorrichtung, mit:

- einer ersten Gleichspannungsquelle (1),
- einem Dreiphasen-Spannungsquellen-Wechselrichter (2), der mit der ersten Gleichspannungsquelle (1) verbundene Gleichstrom-Eingangsanschlüsse und drei Ausgangsanschlüsse hat,
- drei Drosseln (11, 12, 13), die mit Eingangsanschlüssen an einen jeweiligen Ausgangsanschluß des Spannungsquellen-Wechselrichters (2) und mit Ausgangsanschlüssen an die Primärseite eines Verstärkungstransformators (3) angeschlossen sind, und
- drei Kondensatoren (14, 15, 16), von denen jeweils eine Seite mit einem der Ausgangsanschlüsse der Drosseln (11, 12, 13) verbunden ist, während die anderen Seiten an einem zweiten vorbestimmten Potential liegen, wobei die Kondensatoren (14, 15, 16) und die Drosseln (11, 12, 13) Resonanzschaltungen bilden;

dadurch gekennzeichnet, daß

die drei Ausgangsanschlüsse der Drosseln (11-13 jeweils mit dem Verbindungspunkt von zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden (19 a-19 f) verbunden ist, deren anderer Anschluß derart an einem vorbestimmten Potential liegt, daß von den Resonanzschaltungen keine Überpsannung geliefert wird (Fig. 8, 9, 11, 12, 16, 17).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden einer Dreiphasen-Diodenbrücke (19) mit an die anderen Seiten der Drosseln (11, 12, 13) angeschlossenen Wechselspannungs-Eingangsklemmen und an eine zweite Gleichspannungsquelle (20-23) mit dem ersten vorbestimmten Potential angeschlossenen Gleichspannungs-Ausgansklemmen umfassen (Fig. 8).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle auch als Gleichspannungsquelle für den Wechselrichter (2) eingesetzt ist (Fig. 9).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Seiten der Kondensatoren (14, 15, 16) in Sternschaltung angeordnet sind (Fig. 9).

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (14, 15, 16) Dreiphasen- Anschlußklemmen aufweisen und daß eine zweite Diodenbrücke (17) mit an die anderen Enden der Dreiphasen- Anschlußklemmen angeschlossenen Wechselspannung- Eingangsklemmen sowie mit einer zweiten Gleich spannungsquelle (24-27) verbundenen Gleichspannungs- Ausgangsklemmen vorgesehen ist (Fig. 8).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle (24-27) eine Konstantspannungs-Gleichstromquelle mit einer Dreiphasen-Wechselspannungsquelle (27), einem Gleichrichterkreis (26) zum Gleichrichten einer Ausgangs spannung der Dreiphasen-Wechselspannungsquelle (27) sowie einer Glättungsdrosell (25) und einem Glättungskondensator (24) zum Glätten eines gleichgerichteten Ausgangssignals des Gleichsrichterkreises (26) umfaßt (Fig. 8).

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (14, 15, 16) mit der Primärwicklung eines Transformators (28) verbunden ist, dessen Sekundärwicklung an eine zweite Dreiphasen- Diodenbrücke (29) angeschlossen ist (Fig. 9.).

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle (20-23) eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle (23), einen Gleichrichterkreis (22) zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung der Dreiphasen-Wechselspannungsquelle (23) sowie eine Glättungsdrossel (21) und einen Glättungskondensator (20) zum Glätten eines gleichgerichteten Ausgangssignals des Gleichrichterkreises (22) umfaßt und daß eine Klemme des Glättungskondensators (20) mit der Gleichspannungs-Ausgangsklemme der Dreiphasen-Diodenbrücke (19) verbunden ist (Fig. 8).

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln (11 a, 12 a, 13 a) jeweils mindestens eine Anzapfung haben und daß eine Eingangsklemme jeweils an der anderen Seite jeder Drossel (11 a-13 a) mit deren Eingangsanschluß und eine Ausgangsklemme jeweils an deren Anzapfung ausgebildet ist (Fig. 13, 16, 17).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden eine Dreiphasen-Diodenbrücke (19) bilden, deren Wechselspannungs-Eingangsklemme an den anderen Seiten der Drosseln (11 a-13 a) mit deren Anzapfungen verbunden sind und deren Gleichspannungs- Ausgangsklemmen an die Gleichspannungs quelle (1) angeschlossen ist, und daß die Kondensatoren (14-16) jeweils mit der einen Seite an die anderen Seiten der Drosseln (11 a-13 a) mit deren Anzapfungen sowie an jeweils zugeordneten Phasenleitungen der Dreiphasen-Diodenbrücke (19) und mit der anderen Seite an die Phasenleitungen neben den zugeordneten Phasenleitungen angeschlossen sind (Fig. 13, 17).

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden eine Dreiphasen-Diodenbrücke (19) mit an die Anzapfungen angeschlossenen Wechsel spannungs-Eingangsklemmen und an die Gleichspannungsquelle (1) angeschlossenen Gleichspannungs-Aus gangsklemmen aufweisen und daß die Kondensatoren (14-16) Dreiphasen-Verbindungskondensatoren sind, die jeweils mit der einen Seite an die anderen Seiten der Drosseln (11 a-13 a) mit den Anzapfungen angeschlossen und mit der anderen Seite in Sternschaltung angeordnet sind (Fig. 16).

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden eine Dreiphasen-Diodenbrücke (19) mit an die Anzapfungen angeschlossenen Wechselspannungs- Eingangsklemmen und an eine weitere Gleichspannungsquelle angeschlossenen Gleichspannungs- Ausgangsklemmen aufweisen, daß die Kondensatoren (14-16) Dreiphasen-Verbindungskondensatoren sind, die jeweils mit der einen Seite an die anderen Seiten der Drosseln (11 a-13 a) mit den Anzapfungen angeschlossen und mit der anderen Seite in Sternschaltung angeordnet sind, daß die weitere Gleichspannungsquelle eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle (23), einen Gleichrichterkreis (22) zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung der Dreiphasen- Wechselspannungsquelle (23) sowie eine Glättungsdrossel (21) und einen Glättungskondensator (20) zum Glätten eines gleichgerichteten Ausgangssignales des Gleichrichterkreises (22) umfaßt und daß eine Klemme des Glättungskondensators (20) mit der Gleichspannungs-Ausgangsklemme der Dreiphasen- Diodenbrücke (19) verbunden ist (Fig. 17).