Schaltungslehre der Stromrichtertechnik

481 Pages·1962·16.54 MB·German

by  Dipl.-Ing. Dr. techn. Th. Wasserrab (auth.)

Schaltungslehre der Stromrichtertechnik
Schal tungslehre
der Stromrichtertechnik
Von
Dipl.-Ing. Dr. techno Th. Wasserrab
Honorarprofessor an der Technischen Hochschule Karlsruhe
Direktionsassistent der AG. Brown, Boveri & Cie.
Baden/Schweiz
Mit 373 Ahhildungen
Springer-Verlag
Berlin / Gottingen /Heidelberg
1962
ISBN-13: 978-3-640-02922-9 e-ISBN-13 :978-3-642-92849-9
DOl: 10.1007/978-3-642-92849-9
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© by' Springer-Verlag OHG., Berlin/GOttingen/Heidelberg 1962
Softoover reprint of the hanioover 1st edition 1962
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen UBW_
in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An
nahme, daB Bolche Namen 1m Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetz
gebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dllrften
Vorwort
Das vorliegende BttCh ist aus Vorlesungen entstanden, die der Ver
fasser seit 1949 an der Technischen Hochschule zu Karlsruhe halt,
wobei el' sich bemiiht, die Stromrichtertechnik nicht zu verselbstandigen,
sondern in den Rahmen der allgemeinen Elektrotechnik einzufiigen und
wo immer moglich Beziige aufzuzeigen, so z. B. zu der Lehre von den
Schaltvorgangen, den nichtlinearen Kreisen, den magnetischen Kreisen
usw. Eine solche Tendenz erscheint im Hinblick auf gewisse moderne
Entwicklungen dringend geboten und sollte im Ziel dazu fUhren, die
heute in Teilgebiete aufgesplitterte Elektrotechnik wieder zu vereinigen.
Nun bietet gerade die Stromrichtertechnik viele Moglichkeiten zu einem
solchen Vorgehen: Die zunehmende Verwendung der gittergesteuerten
Stromrichter als Stellglieder in Regelkreisen macht es z. B. notwendig,
den Stromrichter als Verstarker zu betrachten und gewisse Grundlagen
der Nachrichten- und Regeltechnik kennenzulernen. Ebenso fiihrt die
Untersuchung der Stromrichter mit Steuerdrosseln zwangslaufig zu den
Magnetverstarkern usw. Kurz, iiber die bloBe Vermittlung von Tatsachen
hinausgehend, kann ein Beitrag zur "Integration" geleistet werden.
Wie der Titel besagt, werden lediglich die Stromrichter-Schaltungen
eingehend behandelt und die verschiedenen Ventile nur so weit erwahnt,
als es mit Riicksicht auf das Verstandnis erforderlich ist. Eine solche
Beschrankung empfiehlt sich besonders im gegenwartigen Zeitpunkt,
wo physikalische Erforschung und technische Entwicklung der Ventile
ein geradezu atemberaubendes Tempo angenommen haben, wahrend die
Schaltungstechnik dagegen eher als klassisch gelten kann. Fiir die
rechnerische Untersuchung der Schaltungen ist auch in der Regel eine
genauere Kenntnis der Ventileigenschaften gar nicht erforderlich; um
rechnen zu konnen, muB man ohnedies die Ventilkennlinien so weit
idealisieren, daB die individuellen Unterschiede verlorengehen. Es ist
daher nur folgerichtig, wenn im folgenden die Darstellung sehr allgemein,
d. h. unabhangig von der Ventilart, durchgefiihrt wird.
Bei der Untersuchung der Schaltungen wurde versucht, jeweils den
gesamten Arbeitsbereich vom Leerlauf bis zum KurzschluB und sowohl
im Gleichrichter-als auch im Wechselrichterbetrieb zu behandeln. Die in
Veroffentlichungen haufig geiibte Beschrankung auf die Vorgange im
VI Vorwort
"Quasileerlauf", wie man den ublichen Arbeitsbereich bezeichnen kann,
wurde als zu elementar befunden, um einegrundliche Kenntnis der
verschiedenen Schaltungen vermitteln zu konnen. 1m Buche ist daher
dem KurzschluB eine ausfUhrliche Betrachtung eingeraumt und grund
satzlich das Betriebsdiagramm als das allein geeignete Mittel zur voll
standigen Kennzeichnung einer Schaltung herangezogen worden. Indem
dabei systematisch vom Einpulsstromrichter zu hoheren Pulszahlen
fortgeschritten wurde, zeigten sich mehrfach Probleme, die bisher in der
Literatur noch keine ausreichende Behandlung erfahren hatten. Der
Aut-or hat sich bemiiht, einige dieser Lucken zu schlieBen, aus Zeitmangel
muBten jedoch andere noch offenbleiben. Um den Rahmen nicht zu
sprengen, muBte auch manches weggelassen werden, was sonst haufig
in den Buchern uber Stromrichtertechnik zu finden ist: der selbst
gefUhrte Wechselrichter, die verschiedenen Umrichterschaltungen usw.
Indessen sollte der Leser an Hand der Literaturhinweise leicht die ge
wUnschten Erganzungen finden konnen.
Weil der beste Weg zum Verstandnis einer mathematischen Ab
leitung uber die eigene Nachrechnung fiihrt, so wurde durch einen An
hang mit Zwischenrechnungen (Texthinweise [R ...] ) dafUrgesorgt,
daB der Leser auch dort, wo mit Rucksicht auf die Lesbarkeit des
Textes nicht der ganze Rechnungsgang gebracht werden konnte, diesen
selbst rekonstruieren und sich damit in der Durchfuhrung von Rech
nungen uben kann. Diese Detailrechnungen lieBen die Zusammenstellung
besonderer Dbungsbeispiele entbehrlich erscheinen.
Bei der Wahl der Symbole und Indizes hat sich der Verfasser von
DIN 5483 und dem Gesichtspunkt der Einfachheit leiten lassen. 1m
ganzen Buch werden hochstens zwei lndizes verwendet. Die im CEI
Dokument [Commission Electrotechnique lnternationale, Publication 84
(1957)] verwendeten Bezeichnungen konnten nur zum Teil ubernommen
werden.
Es ist dem Verfasser eine angenehme Pflicht, den Herren D. BOSE,
K. ROLLIG, K. ROTH, welche Teile des Manuskriptes, und den Herren
R. SCHNORR und Dr. M.-J. SCHONHUBER, welche die Korrekturen mit
gelesen haben, seinen Dank auszusprechen. Sein Dank gilt sodann dem
Springer-Verlag fUr das Entgegenkommen hinsichtlich des Umfanges
und die traditionell gute Ausstattung des Buches, und last not least
seiner lieben Frau, welche mit Geduld und Verstandnis zur Entstehung
des Werkes beigetragen hat.
Baden/Schweiz, im Herbst 1961
Theodor Wasserrab
Inhaltsverzeichnis
Seite
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen. . . . . XIII
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Die Stromrichtertechnik im Rahmen der Elektrotechnik. 1
2. Die Stromrichter zwischen einem Wechselstrom- und einem Gleich-
stromnetz ................... . 8
3. Die Stromrichter zwischen zwei Wechselstromnetzen 10
I. Die Ersatzschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . 14
1. Das Abbilden mittels idealer Schaltelemente . . . . 14
1.1 Empfehlenswertes Vorgehen bei der Losung technischer Probleme 14
1.2 Die Losung von Stromrichterproblemen 14
1.3 Die Ersatzschaltung . . . 15
1.4 Die idealen Schaltelemente . . . 16
2. Die realen Bauelemente . . . . . . 20
2.1 Wechselstromseitige Bauelemente 21
a) Energiequellen . . . . . . 21
b) Leitungen und Kabel ... 23
2.2 Transformatoren und Drosseln. 24
a) Transformatoren ... 24
b) Wechselstromdrosseln . . . 26
2.3 Die Richtelemente . . 32
a) Hochvakuumventile (Elektronenrohren) 32
b) Gasentladungs- und Quecksilberdampfventile. 34
c) Halbleiterventile. . 41
d) Unechte Richtelemente. . . . . . . 51
2.4 Gleichstromseitige Bauelemente . . . . 52
a) Gleichstromdrossel (Kathodendrossel) 52
b) Verbraucher .......... . 54
3. Die Vereinfachung von Ersatzschaltungen . 58
3.1 Die bezogenen Reaktanzspannungen . . 59
a) Wechselstromnetz und Primardrosseln . 59
b) Stromrichtertransformator . . . . . 59
c) Sekundarseitige Wechselstromdrosseln 60
3.2 Die netzseitige Ersatzschaltung 60
a) Parallelschaltung . . . . . . . . 60
b) Reihenschaltung ....... . 61
3.3 Die gleichstromseitige Ersatzschaltung 61
II. Einpulsstromrichter. . . . . . . . . . . 62
4. Die Berechnungsverfahren fiir Stromrichternetzwerke 62
4.1 Allgemeines liber elektrische Netzwerke . . . . 62
VIII Inha.ltsverzeichnis
Selte
4.2 Elektrische Netzwerke mit nichtlinea.ren Schaltelementen 63
a.) Analytische Verfahren . . . . . . . . . . 63
b) Gra.phische Verfa.hren . . . . . . . . . . 64
c) Qua.silineare Verfahren. . . . . . . . . . 68
4.3 Die Berechnung von Stromrichterschaltungen. 69
5. Ungesteuerte Einpulsstromrichter 71
5.1 Einfache Belastungen. . . . 71
a.) Rein Ohmsche Last . . . 71
b) Rein induktive Belastung 75
c) Rein ka.pa.zitive Belastung 77
d) Kaskadenschaltungen . . 77
5.2 Gemischte Belastungen. . . 79
a) Parallelschaltung von Widerstand und Kapa.zitii.t. 79
. b) Parallelschaltung von Widersta.nd und Induktivitat. 84
c) Reihenschaltung von Widersta.nd und Induktivitii.t . 86
d) Reihenschaltung von Widersta.nd und Ka.pazitii.t . . 90
e) Vergleichende Betrachtung. . . . . . . . . . . . 90
f) Einpulsstromrichter mit "Nulla.noden"-Ventil . . . . 91
5.3 Ungesteuerter Einpulsstromrichter mit Gegenspannung. 93
a.) Ohmsche Strombegrenzung. . . . . . . 93
b) Induktive Strombegrenzung . . . . . . 96
c) Ohmsche und induktive Strombegrenzung 99
6. Gesteuerte Einpulsstromrichter . 101
6.1 Einfache Belastungen. . . . 102
a) Rein Ohmsche Last . . . 102
b) Rein induktive Belastung 105
c) Rein kapazitive Belastung 106
6.2 Belastungen mit Gegenspannung. 106
a.) Ohmsche Strombegrenzung. . 106
b) Induktive Strombegrenzung . 112
c) Ohmisch-induktive Strombegrenzung 117
III. Zwei- und Dreipulsstromrichter . . . . 120
7. Allgemeines iiber Zweipulsstromrichter. 120
7.1 Elementare Betra.chtung . . . . . 120
a) Die beiden Schaltungsa.rten. . . 120
b) Leerla.uf und rein Ohmsche Last 122
c) Rein induktive Belastung . . . 123
d) Die Kommutierung . . . . . . 123
7.2 Genauere Betra.chtung . . . . . . 126
a) Die Rolle der wechselstromseitigen Rea.kta.nzen. 126
b) Das Gleichungssystem. . . . . . . . . 127
c) Die Reduktion der Schaltungen. . . . . 129
d) Scha.ltungen mit einseitigen Rea.ktanzen . 132
8. Die klassischen Zweipulsschaltungen. . . . . . 133
8.1 Zweipulsstromrichter mit unendlich groBer Ka.thodendrossel 134
a) Ungesteuerter Betrieb . . . . . . . . . . . 134
b) Gesteuerter Betrieb . . . . . . . . . . . . 138
8.2 Zweipulsstromrichter ohne Ohmsche Widersta.nde 145
a) Der Bereich des liickenhaften Stromes 145
b) Der Bereich des liickenlosen Stromes 149
c) Gesa.mter Bereich . . . . . . . . . . 155
Inhaltsverzeichnis IX
Seite
9. Dreipulsstromrichter. . . . . . . . . . . . . . . 161
9.1 Die Normalsohaltung. . . . . . . . . . . . . 162
9.2 Die Betriebskennlinie im ungesteuerten Betrieb . 162
a) Unendlich gro13e Kathodendrossel (L = 00) • . 162
b) Keine Ohmschen Widerstiinde . . . . . . . 170
9.3 Betriebsdiagramm fiir gesteuerten Betrieb und unendlich gro13e
Gl.ii.ttungsdrosse1 . 172
a) Gittersteuerung . . . 172
b) Steuerdrosseln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
IV. Stromrichtertransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10. Allgemeines iiber unsymmetrisch belastete Drosseln und Transfor-
matoren. . . . . . . . . . . . . . . 177
10.1 Unsymmetrisch belastete Drosseln . 178
a) Der magnetische Kreis. . . . . . . . 178
b) Ideale Verkettungen. . . . . . . . . 180
c) Reale Verkettungen . . . . . . . . . 196
10.2 Unsymmetrisch belastete Transformatoren 198
a) Einphasentransformatoren . . . . . . 198
b) Mehrphasentransformatoren. . . . . . 199
0) Die Normalschaltung . . . . . . . . 205
ll. Ein- und zweiphasige Stromrichtertransformatoren. 209
11.1 Transformatoren fiir Einpulsstromrichter . 209
a) Die Ermittlung des Primarstromes . . 209
b) Die Reduktion der Sohaltung. . . . . 213
0) Die Bemessung des Transformators . . 214
11.2 Transformatoren fiir Zweipulsstromrichter 215
a) Transformatoren fiir die Briiokenschaltung. 215
b) Transformatoren fiir Mittelpunktschaltungen . 216
12. Drei- und sechsphasige Stromrichtertransformatoren 222
12.1 Transformatoren fiir Dreipulsstromriohter. 222
a) Primare Sternschaltung . . . . . . . 222
b) Primii.re Dreiecksohaltung . . . . . . 224
0) Sekundare Ziokzacksohaltung. . . . . 225
12.2 Transformatoren fiir Sechspulsstromrichter 227
a) Briickenschaltung . . . . . . . . . 227
b) Doppelsternschaltungen . . . . . . 228
0) Gabelsohaltungen . . . . . . . . . 230
d) Zweiphasige Saugdrosselschaltungen . 232
e) Dreiphasige Saugdrosselschaltung 237
V. Sechspulsstromrichter. . . . . . . . . . . . 240
13. Die Reihenschaltungen . . . . . . . . . . 241
13.1 Die dreiphasige Reihenschaltung und die Dreiphasen-Briicken-
schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
a) Die Betriebskennlinien des ungesteuerten Betriebes . 243
b) Die Betriebsdiagramme des gesteuerten Betriebes. 252
13.2 Die zweiphasige Reihenschaltung . . . . . . . . . 256
13.3 Die Seohsphasen-Briickenschaltung (Latour-Schaltung) 258
14. Mittelpunktschaltungen . . . . . . . . . . 259
14.1 Die sechsphasige Mittelpunktschaltung . 259
a) Der ungesteuerte Betrieb. . . 260
b) Gittergesteuerter Betrieb. . . 269
14.2 Die sechsphasige GabeIschaltung. 271
x InhaltsverzeichniB
Seite
15. Parallel- oder Saugdrosselschaltungen. . . . . . . . . . .. 272
15.1 Doppel-Dreiphasenstromrichter (zweiphasige Saugdrossel
schaltung). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 273
a) Die Doppel-Dreiphasenschaltung mit· idealer Saugdrosse1 273
b) Die Doppel-Dreiphasenschaltung mit realer Saugdrossel . 274
c) Die Gesamtkennlinie und die erzwungene Saugdrossel-
erregung . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . 279
15.2 Die Dreifach-Zweiphasenschaltung . . . . . . . . . . . . 280
a) Die Dreifach-Zweiphasenschaltung mit idealer Saugdrossel 281
b) Die Dreifach-Zweiphasenschaltung mit realer Saugdrossel 282
15.3 Vergleichende Betrachtung der Sechspulsschaltungen 284
VI. Stromrichter mit beliebiger Pnlszahl 287
16. Zwolf- und Vielpulsschaltungen 287
16.1 Zwolfpulsstromrichter. 287
a) Schaltungen. . . . 287
b) Betriebskennlinien . 291
16.2 Vielpulsstromrichter . 293
a) Stromrichteranlagen mit Sechspulsgruppen. 294
b) Stromrichteranlagen mit Zwolfpulsgruppen. 296
c) Schwenktransformatoren. . 296
17. Der p-Puls-Stromrichter. . . . . . 298
17.1 Gleichstromseitige Betrachtung 298
a) Die Leerlaufspannung . . . 298
b) Die einfache Kommutierung 300
c) Der Symmetriesatz von E. GERECKE . 302
d) Die Transformatorstrome. . . . . 304
17.2 Wechselstromseitige Betrachtung. . . . . 306
a) Der Effektivwert des Netzstromes . . 306
b) Die Kommutierungsreaktanz . . . . . 309
c) Gleichspannungsabfall nnd NennkurzschluJlspannung 312
d) Der Kurzschlu13. . . . . . . . . . . . 315
18. ·Stromrichter fiir motorische Antriebe. . . . . . 316
18.1 Stromrichter mit endlicher Glattungsdrossel 316
a) Die Liickgrenze . . . . . . . 317
b) Die Betriebskennlinien. . . . 319
18.2 Die Umkehrstromrichter . . . . 321
a) Die Einstromrichterschaltung . 322
b) Die ZweiBtromrichterschaltungen 323
c) Der Kreisstrom . . . . . . . . 324
VII. Die wechselstromseitigen Verhaltnisse von Stromriehtern 326
19. Die Kenngro13en der mehrwelligen Wechselstromkreise 327
19.1 Emphasiger Stromkreis . 327
a) Einwelliger Strom. . 327
b) Mehrwellige Strome . 328
19.2 Dreiphasiger Stromkreis 330
a) Einwelliger Strom. . 330
b) Mehrwelliger Strom . 331
19.3 Die Netzstrome von Stromrichtern 331
20. Der Stromrichter am idealen Wechselstromnetz 336
20.1 Die Grundschwingung des Ventilstromes 336
a) Der Zweipulsstromrichter. 336
b) Mehrpulsstromrichter. . . . . . . . 337
Inhaltsverzeichnis XI
Sette
20.2 Die Grundschwingung des Netzstromes. 337
a) Zweipulsstromrichter ..... 337
b) Mehrpulsstromrichter. . . . . . 340
20.3 Der Effektivwert des Ventilstromes 340
20.4 Der Effektivwert des Netzstromes . 342
20.5 Der Leistungsfaktor . . . . . . . 344
a) Verschiebungsfaktor . . . . . . 344
b) Verzerrungsfaktor . . . . . . . 345
c) Beeinflussung des Verschiebungsfaktors durch den Magneti-
sierungsstrom. . . . . . . . . . . . 347
20.6 Die Blindleistung . . . . . . . . . . . 348
21. Der Stromrichter am realen Wechselstromnetz 351
21.1 Das Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . 351
21.2 Der Spannungsabfall im Wechselstromnetz 352
21.3 Der netzbeeinfluJ3te Gleichspannungsabfall 356
21.4 Der Leistungsfaktor . . . . . . . . . . 357
21.5 Die Verzerrung der Netzspannung. . . . 360
VIII. Oberwellen der Gleichspannung und des Wechselstromes 361
22. Die Gleichspannungsoberwellen. . . . . . . . 362
22.1 Ungesteuerter Betrieb und Leerlauf . . . 362
22.2 Die Oberwellen des Zweipulsstromrichters 364
22.3 Die Oberwellen der Mehrpulsstromrichter. 368
23. Die Wechselstromoberwellen. . . . . . . . . 372
23.1 Ungesteuerter Betrieb und Leerlauf . . . 372
23.2 Die Oberwellen des Zweipulsstromrichters 376
23.3 Die Oberwellen der Mehrpulsstromrichter. 382
23.4 Die Oberwellen bei Ohmscher Last . 384
24. Die Siebmittel . . . . . . . . . . . . . . 385
24.1 Die Siebmittel des Gleichstromkreises . 385
24.2 Die Siebmittel des Wechselstromkreises 389
24.3 Die Beeinflussung von Fernmeldeanlagen. 393
IX. Der transiente Stromrichterbetrieb . . . . 394
25. Das transiente Verhalten der Stromrichter 394
25.1 Steuersatze fiir Gasentladungsventile. 394
a) Steuersatze mit sinusformiger Steuerspannung 395
b) Steuersatze mit Impulssteuerspannungen. 396
25.2 Die 'Obergangsfunktionen. . . . . . . . . . . 399
a) Die 'Obergangsfunktion des Stromrichters . . 399
b) Die Obergangsfunktionen der Steuersatze . .. . 400
c) Die Obergangsfunktion des Stromrichters mit Steuersatz 401
25.3 Der Leistungskreis bei transientem Betrieb . 401
a) Das Ersatzschaltbild des Stromrichters . . . . 401
b) Die Saugdrosseldimensionierung. . . . . . . . 402
26. Der Stromrichter in der Steuerungs- und Regeltechnik. 403
26.1 Der Stromrichter in der Steuerungstechnik. . . . 403
a) Der Stromrichter als Steuerungsorgan. . . . . 403
b) Die Steuerkennlinien von gittergesteuerten Stromrichtem 404
c) Der kompoundierte Stromrichter . . . . . . . . . . . 406