Gesteuerte Gleichrichter mit weitem Stellbereich und geringer Welligkeit der Ausgangsspannung

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0. Einleitung

Zusammenfassung

Für Anwendungen in der elektrochemischen Industrie wird elektrische Leistung in Form von niedrigen bis mittleren Gleichspannungen und meist sehr hohen Strömen benötigt.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

1. Stromrichterschaltungen nach dem Verfahren der Spannungsprofilsteuerung

Zusammenfassung

Die Welligkeit der Ausgangsspannung, d.h. das Verhältnis des Effektivwertes des Wechselanteils U_üi Gleichwert der Mischgröße U_dα, hängt von der verwendeten Stromrichterschaltung und deren Arbeitspunkt ab. Wenn die Welligkeit der ungeglätteten Ausgangsspannung für einen Anwendungsfall zu groß ist, können passive Siebglieder zur Glättung nachgeschaltet werden. Die Kosten für die Glättungseinrichtungen bilden besonders bei großen Leistungseinheiten einen erheblichen Teil der Gesamtanlagenkosten.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

2. Steuerkennlinien und Welligkeit der Ausgangsspannung von Stromrichterschaltungen nach dem Verfahren der Spannungsprofilsteuerung

Zusammenfassung

Nach der ideellen Theorie netzgeführter Stromrichter ist der Aussteuerungsgrad a durch

$$ {\rm{a = }}\frac{{^{\rm{U}}{\rm{dia}}}}{{^{\rm{U}}{\rm{di}}}} $$

(1)

definiert.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

3. Steuerwinkeloptimierung

Zusammenfassung

Ersetzt man die ungesteuerten Ventile der Schaltung nach Bild 1 durch steuerbare, dann hat diese Stromrichterschaltung drei Freiheitsgrade: Das bei der Bemessung festgelegte Spannungsverhältnis b und die betrieblich veränderten Steuerwinkel α₁ und α₂.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

4. Vergleich der Welligkeit der Ausgangsspannung mit anderen netzgeführten Stromrichterschaltungen

Zusammenfassung

Um Vergleiche zwischen dem Schaltungsaufwand und den erzielten Ergebnissen anstellen zu können, wurden noch weitere netzgeführte Stromrichterschaltungen untersucht. Es sind dieses:

a)

Symmetrisch gesteuerte Stromrichterschaltungen höherer Pulszahl p ,

 

b)

die halbgesteuerte DB-Schaltung (Bild 30) ,

 

c)

eine Schaltung mit drehstromseitiger unsymmetrischer Steuerung (Bild 31) , /5/ , /6/ ,

 

d)

die DB — Schaltung mit 6pulsig wirkender Freilaufdiode (Bild 32) , /4/ und

 

e)

eine Schaltung mit drehstromseitiger symmetrischer Steuerung (Bild 33) , /5/ , /6/

 

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

5. Berechnung der Zeitverläufe der Ströme auf der Drehstromseite aus dem Strom auf der Gleichstromseite unter Berücksichtigung des Stromrichtertransformators

Zusammenfassung

Für die spätere Berechnung der netzseitigen Wirk-, Blind- und Scheinleistungen müssen zunächst die Zeitverläufe der Netzströme bekannt sein.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

6. Berechnung der Stromeffektivwerte

Zusammenfassung

Um die Netzrückwirkungen und den Leistungsfaktor ermitteln zu können, müssen folgende Effektivwerte des Leiterstromes berechnet werden:

• Gesamteffektivwert des Stromes: I_L
• Effektivwert der Grundschwingung des Stromes: I_1L

Der Gesamteffektivwert I_L wird aus

$${{I}_{L}}=\sqrt{\frac{1}{T}}\int\limits_{O}^{T}{{{i}^{2}}_{L}}(t)dt$$

(84)

bestimmt.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

7. Berechnung und Darstellung der Netzrückwirkungen und des Leistungsfaktors einer Stromrichterschaltung mit Spannungsprofilsteuerung

Zusammenfassung

Die Verschiebung der Grundschwingung des Stromes zur zugehörigen Sternspannung erzeugt eine Verschiebungsblindleistung. Zudem sind die Leiterströme nichtsinusförmig, sodaß das Netz zusätzlich mit Verzerrungsblindleistung belastet wird.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

8. Drehstrombrückenschaltung für Spannungsprofilsteuerung mit nichteingeschränktem Aussteuerbereich

Zusammenfassung

Der Einsatz als Gleichrichter für galvanotechnische Prozesse soll hier im Vordergrund stehen. Die weiteren Betrachtungen beschränken sich daher auf den Einquadrantenbetrieb, wenn auch im Prinzip Wechselrichterbetrieb möglich ist. Dieser Betriebsfall erfordert wegen der Wechselrichtertrittgrenzen eine gesonderte Analyse. Die Ausgangsspannung der Schaltung Bild 1 kann nur im Bereich

$$ b {{U}_{di}}^{\le } {{U}_{d}}^{\le } {{U}_{di}}$$

verstellt werden. Ersetzt man die ungesteuerten Ventile einer Kommutierungsgruppe durch steuerbare Ventile, so erhält man als Teilschaltung eine halbgesteuerte Drehstrombrücke mit der Versorgungsspannung bU_S. Mit dieser Anordnung kann bei ohmscher Last die Aussteuerung stetig bis auf den Wert Null verringert werden. Es sind zwei Bereiche der Aussteuerung zu unterscheiden.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

9. Aufbau und Betrieb einer Stromrichterschaltung mit Spannungsprofilsteuerung

Zusammenfassung

Für die Anwendung in Galvanikanlagen bei extrem niedrigen Ausgangsspannungen (z.B. 6 V) und hohen Gleichströmen können die bisher betrachteten Schaltungsanordnungen aus zwei Gründen nicht eingesetzt werden:

1.

Das Parallelschalten einer großen Anzahl von steuerbaren Ventilen ist unwirtschaftlich.

 

2.

Da die Durchlaßspannungen der Ventile in der Größenordnung der Ausgangsspannung liegen, ist der Wirkungsgrad gering.

 

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

10. Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird eine neuartige Gruppe von steuerbaren netzgeführten Stromrichterschaltungen beschrieben, die wegen ihrer Eigenschaft der Spannungsprofilsteuerung schon bei geringer Pulszahl p ausgangsseitig Gleichspannungen von besonders geringer Welligkeit liefern. Deswegen sind diese Schaltungen für den Einsatz in elektrochemischen Anlagen besonders geeignet.

Joachim Holtz, Ulrich Schwellenberg

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