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Steuerung für Umrichter.
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können die Bedingungen, welche an einen einwandfreien Parallelbetrieb des Umrichters mit andern
Stromerzeugern den Umformern gestellt werden müssen, weitgehend erfüllt werden.
Der erwähnte Schwingungskreis ist notwendig, um den Steuerstromkreisen eine möglichst sinusförmige Spannung, d. h. die Grundwelle der Spannung des betreffenden Netzes, zuzuführen. Er besteht meist aus der Hintereinanderschaltung einer Induktivität und einer Kapazität, die in Reihe mit einem Ohmschen Widerstand an das Wechselstromnetz angeschlossen sind. Dem Widerstand werden, zweckmässig über verstellbare Anzapfungen, die Steuerspannungen für den Umrichter entnommen. Von dieser Steuerspannung hängt die Umrichterleistung in der Weise ab, dass die Grösse der Steuerspannung für die Blindleistung, die Phasenlage der Spannung dagegen für die Wirkleistung des Umrichters, massgebend ist.
Nimmt man an, dass der Sehwingungskreis für eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist, so erhält man bei dieser Frequenz eine bestimmte Phasenlage der Steuerspannung und damit eine bestimmte von dem Umrichter übertragene Wirkleistung. Es lässt sich zeigen, dass sieh durch Wahl der Abmessungen der Induktivitäten und Kapazitäten der Schwingungskreise eine mehr oder weniger starke Frequenzabhängigkeit der Steuerspannung in der Weise erzielen lässt, dass die Steuerspannung bei einer Änderung der Frequenz des Wechselstromnetzes sich ihrer Phase nach ändert, während die Grösse praktisch unverändert bleibt.
Es lässt sich dies beispielsweise dadurch erreichen, dass die Induktivität einer Hintereinanderschaltung, die aus Induktivität und Kapazität besteht, gegenüber der Kapazität gross bemessen wird. Wenn dann die Frequenz des Netzes steigt, so steigt die Spannung an der Induktivität.
Die Steuerspannung eilt nach und die Wirkleistung, welche von dem Umrichter in das Einphasennetz geliefert wird, wird kleiner oder die Wirkleistung ändert ihre Richtung, d. h. der Umrichter liefert Leistung aus dem Einphasennetz in das Drehstromnetz zurück.
Die Steuerungsmittel werden zweckmässig nicht nur so ausgebildet, dass die Wirkleistung des Umrichters von der Frequenz des von dem Umrichter gespeisten Netzes abhängig ist, sondern dass die Form bzw. die Charakteristik dieser Abhängigkeit geändert werden kann. Solche Änderungen können in zweierlei Richtung erwünscht sein. Zunächst wird zweckmässig diejenige Frequenz, bei der die von dem Umrichter übertragene Wirkleistung ihre Richtung ändert, einstellbar gemacht. Ausser- dem wird der Grad der Frequenzabhängigkeit veränderlich gemacht, d. h. die Neigung einer die Frequenz- abhängigkeit kennzeichnenden Geraden wird geändert.
Die Leistungsregelung kann dadurch verschiedene Werte zwischen den beiden Endlagen, konstante Leistung bei allen Frequenzen (Grundlastregelung) und konstante Frequenz bei jeder übertragenen Leistung einnehmen.
Die vorstehend erwähnten Änderungen lassen sich wiederum in besonders einfacher Weise dadurch erzielen, dass der Schwingungskreis, über den die Steuerspannung des Umrichters aus dem Wechselstromnetz entnommen wird, der geforderten Leistungsregelung angepasst wird. Die Frequenz, bei der die Wirkleistung ihre Richtung ändert, lässt sich durch Verschiebung des Resonanzpunktes des Schwingungskreises ändern. Man wird sowohl die Induktivität als auch die Kapazität des Sehwingungskreises ändern, wenn es darauf ankommt, die Neigung der Regelcharakteristik des Umrichters beizubehalten. Die Neigung als solche kann dadurch geändert werden, dass die Frequenzabhängigkeit des Schwingungskreises bzw. der Einfluss dieses Schwingungskreises auf die Steuerspannung geändert wird.
Dies lässt sich durch Änderung des Verhältnisses zwischen der Induktivität und der Kapazität des Schwingungskreises oder durch Änderung des Belastungsstromes des Schwingungskreises bzw. des ganzen Steuerstromkreises erreichen. Dieser Strom kann beispielsweise dadurch geändert werden, dass ein Widerstand, über den der Schwingungskreis an das Wechselstromnetz angeschlossen und an dem die Steuerspannung abgegriffen wird, verändert wird. Ein Steuerstromkreis mit vorgeschaltetem Schwingungskreis ist somit ein besonders einfaches und wirkungsvolles Mittel, um verschiedene Grade und Arten der Frequenzabhängigkeit, d. h. verschiedene Punkte des Energierichtungswechsels für die Regelkurve des Umrichters, zu erreichen.
Eine weitere Verbesserung und Ausgestaltung der Regeleinrichtung kann noch dadurch erzielt werden, dass man für den Umrichter zweierlei Regelmöglichkeiten vorsieht, eine frequenzabhängige und eine frequenztmabhängige Regelung. Die frequenzunabhängige Regelung ist gleichbedeutend mit einer Regelung des Umrichters derart, dass er unabhängig von den Betriebszuständen des von ihm gespeisten Netzes stets ein und dieselbe Leistung abgibt. Auch diese Forderung lässt sich durch einen Steuerstromkreis mit Schwingungskreisen erfüllen ; denn der aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehende Schwingungskreis lässt sich so bemessen, dass die hinter dem Schwingungskreis abgenommene Steuerspannung von der Frequenz nicht abhängig ist und dass der Umrichter daher bei allen Frequenzen konstante Leistung abgibt.
Man kann in den Steuerstromkreis zwei verschiedene Schwingungskreise schalten, von denen der eine frequenzabhängig, der andere dagegen frequenzunabhängig ist. Durch einen Umschalter kann man von der einen Betriebsart auf die andere übergehen, d. h. jeweils nur denjenigen Schwingungskreis einschalten, der bezüglich der Frequenzabhängigkeit die richtige Leistungsregelung ergibt.
Es ist in jedem Fallfür die Erfindung wesentlich, dass Schwingungskreise in der Zuführungsleitung der sekundären Steuerspannung vorgesehen und derart ausgebildet sind, dass die von dem Umrichter zwischen den Wechselstromnetzen übertragene Leistung, u. zw. insbesondere seine Wirkleistung,
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selbsttätig von der Frequenz des Sekundärnetzes abhängig ist. Es können jedoch darüber hinaus auch noch zusätzliche Abhängigkeiten vorgesehen sein, derart, dass die Steuerung von den Frequenzen beider Netze oder wahlweise von der Frequenz des einen oder des andern Netzes abhängig ist.
Die Steuerung nach der Erfindung wird zweckmässig mit einer Umrichtersteuerung verbunden, durch die der innere Spannungsabfall des Umrichters ganz oder zumindest weitgehend ausgeglichen wird und durch die ausserdem ein induktiver Spannungsabfall des Umrichters erzeugt wird ; denn bei Anwendung dieser zusätzlichen Steuerung gelingt es, den Umrichter einwandfrei mit andern Strom- erzeugern oder Umformern parallel arbeiten zu lassen, die nicht die gleichen Betriebseigenschaften haben wie der Umrichter, also insbesondere mit Stromerzeugern oder Umformern, die mit umlaufenden
Maschinen arbeiten.
Dieser den inneren Spannungsabfall ausgleichenden Steuerung liegen Erkenntnisse zugrunde, deren wichtiges Ergebnis darin zu sehen ist, dass einFrequenxumformer, der mit steuerbarenEntladungs- strecken arbeitet, sich betriebsmässig in mancher Hinsicht ganz wesentlich von andern Umformern bekannter Art, insbesondere von Umformern, die mit umlaufenden Maschinen arbeiten, unterscheidet. Die Erkenntnisse wurden aus Erfahrungen mit dem Parallelbetrieb eines Umrichters mit andern
Stromerzeugern gewonnen.
Die Versuche erstrecken sich dabei in Sonderheit auf die Verwendung eines Umrichters zur Kupplung zwischen einem Drehstromnetz und einem Einphasen-Bahnnetz unter der Voraussetzung, dass der Umrichter asynchron arbeitet, dass also zwischen der Frequenz der Einphasenspannung und der Frequenz des Drehstromnetzes keine festliegende Beziehung besteht und unter der weiteren Voraussetzung, dass es sich bei dem Einphasen-Bahnnetz nicht um ein unabhängiges
Netz, sondern um ein Netz handelt, welches auch noch von andern Stromerzeugern, beispielsweise von Einphasen-Bahngeneratoren, gespeist wird, so dass Leistungsverbrauch und Frequenz des Netzes nicht allein vom Umrichter gedeckt bzw. bestimmt sind.
Es sei bemerkt, dass die Einführung des Umrichters in die allgemeine Bahnstromversorgung erst dann in grösserem Umfange gelingen kann, wenn der Umrichter die Forderungen, welche bei dem vorstehend gekennzeichneten Betrieb auftreten, ebenso befriedigend erfüllt, wie dies heute bei Netzkupplungsumformernmit umlaufenden Maschinender Fall ist. Das Verfahren nach derErfindung, welehes diesen Betrieb besonders berücksichtigt, ist daher für die Anwendung der Umrichter zur Kupplung zwischen Wechselstromnetzen von erheblicher Bedeutung.
Die Erfindung sei an Hand der in der Zeichnung dargestellten Diagramme näher erläutert. Fig. 1 zeigt die Strom-und Spannungskurven eines Umrichters, beispielsweise eines sogenannten Steuerumrichters, bei dem den einzelnen Entladungsstreeken der beiden Umrichterteilstromkreise Wechselspannungen gleicher Amplitude zugeführt werden, und die Kurvenform auf der Ausgangsseite des Umrichters durch unterschiedliche Aussteuerung der einzelnen Entladungsstreeken erzielt wird. Die Sinuslinien 1 und 2 entsprechen den von den beiden Umriehterteilstromkreisen abgegebenen Spannungen.
Bekanntlich ist zwischen beiden Spannungen ein geringer Amplitudenabstand, der sogenannte Steuerabstand, auch Respektabstand genannt, notwendig, um Schwierigkeiten zu begegnen, die durch Ausgleichsströme innerhalb der Umrichteranordnung entstehen können. Unter den Spannungskurven ist die Stromkuive 3 gezeichnet unter der Voraussetzung, dass es sich um Wirkbelastung des Umrichters handelt, dass also Strom und Spannung in Phase sind.
Die Spannungskurve 4 gibt die bei der Belastung durch den Strom 3 entstehende Umrichterspannung an. In dem Umrichter tritt ein Spannungsabfall auf, der von der Grösse des Stromes abhängig ist und die Differenz zwischen den Spannungskurven 1 und 2 und der Spannungskurve 4 in der in Fig. 1 dargestellten Form ergibt.
In Fig. 2 ist die Stromspannungscharakteristik des Umrichters unter den für Fig. 1 angenommenen Voraussetzungen dargestellt. Als Ordinaten sind Spannungen, als Abszissen Ströme eingezeiehnet.
Das Diagramm zeigt, dass die Umrichterspannung bei Wirkbelastung mit zunehmendem Strom abnimmt, wobei es sich um Spannungsabfälle handelt, die je nach der Spannung, für die der Umrichter bemessen ist, einen mehr oder weniger grossen Prozentsatz darstellen können.
In Fig. 3 sind die an Hand der Fig. 1 und 2 geschilderten Verhältnisse im Vektordiagramm dargestellt. Uo ist die Leerlaufspannung des Umrichters, J der mit'dieser Spannung gleichphasig Strom, A U ist der Spannungsabfall, der dem Strom J proportional und der Spannung Po entgegengesetzt gerichtet ist. Die vom Umrichter abgegebene Spannung ist U als Differenz zwischen Uo und A U.
Aus den Fig. 1-3, insbesondere dem Diagramm der Fig. 3 ergibt sich, dass sich der Umrichter bei Wirkbelastung wie ein rein Ohmscher Widerstand ohne jeden induktiven Spannungsabfall verhält.
Die Fig. 4,5 und 6 entsprechen in ihrer Anordnung den Fig. 1-3, nur dass jetzt angenommen ist, dass zwischen Strom und Spannung des Umrichters eine Phasenverschiebung von 900 besteht.
In Fig. 4 sind wieder die beiden Spannungskurven 1 und 2 der beiden Teilstromkreise des Umrichters als Sinuslinien eingezeichnet. Die Kurve 5 gibt bei der angegebenen Lage der Stromkurve 6 die vom Umrichter abgegebene Spannung an. Die Kurve 5 entsteht dabei ebenso wie die Kurve 4 in Fig. 1 durch den inneren Spannungsabfall des Umrichters, jedoch ist das Endergebnis wesentlich ver- schieden von dem der Fig. l. Der Mittelwert bzw. der Effektivwert der Weehselspannung J ist praktisch
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ebenso gross wie bei den Kurven 1 und 2. Der Spannungsabfall ergibt keine Änderung der vom Umrichter abgegebenen Spannung der Grösse nach, sondern nur eine Änderung der Phasenlage der Umrichterspannung.
Es folgt daraus die Charakteristik der Fig. 5, welche für Blindbelastung bzw. induktive Belastung des Umrichters gilt und zeigt, dass die Umrichterspannung über den ganzen Belastungsbereich unverändert ist.
In Fig. 6 ist mit den gleichen Bezeichnungen wie Fig. 3 das Vektordiagramm bei induktiver
Belastung eingezeichnet. Der Strom ist gegenüber der Spannung um 900 in der Phase verschoben.
Der Spannungsabfall A U steht dementsprechend auf den Spannungsvektoren senkrecht.
Aus den Diagrammen der Fig. 1-6 ergibt sich, dass der Umrichter in seinem Betriebsverhalten keineswegs mit andern Stromerzeugern oder Umformern übereinstimmt ; denn ihm fehlt das kennzeichnende Merkmal, das bei allen umlaufenden Maschinen infolge der für den Betrieb dieser Maschinen notwendigen magnetischen Felder stets vorhanden sein muss, nämlich der vorwiegend induktive
Spannungsabfall der Umformer. Ein Maschinenumformer hat somit, bezogen auf die Wechselstromnetze, an die er angeschlossen ist, im wesentlichen die Eigenschaften eines induktiven Widerstandes, während der Umrichter demgegenüber einen fast induktionslosen Widerstand darstellt.
Dieser Unterschied der beiden Umformerarten ist, abgesehen von Fragen des Wirkungsgrades, nicht entscheidend, wenn der Umrichter allein das Sekundärnetz speist, er ist aber von ganz wesentlicher Bedeutung, wenn der Umrichter mit andern Stromerzeugern oder Umformern zusammenarbeiten soll. In diesem Falle kann der Betrieb nur dann durchgeführt werden, wenn das Steuerverfahren der Erfindung angewendet wird und wenn durch dieses Verfahren die Betriebsverhältnisse des Umrichters dahingehend abgeändert werden, dass auch dieser Umformer einen im wesentlichen induktiven Widerstand für die Wechselstromnetze darstellt, an die er angeschlossen ist.
Das wird gemäss der Erfindung, wie bereits erwähnt wurde, dadurch erreicht, dass durch stromabhängige Steuerungsmittel der innere Spannungabfall des Umrichters ganz oder zumindest annähernd ganz kompensiert wird und dass ausserdem ein künstlieh er induktiver Spannungsabfall erzeugt wird. Beides lässt sich bei dem Steuerumriehter dadurch erreichen, dass die Zündzeitpunkte der Entladungsstrecken des Umriehters stromabhängig verschoben werden.
Die Verschiebung wird zum Ausgleich des inneren Spannungsabfalles, d. h. zur Kompoun- dierungdes Umriehters, vondem inden Umrichterentladungsstreckm fliessenden Strom abhängig gemacht, während der induktive Spannungsabfall des Umrichters dadurch erreicht werden kann, dass mit dem Umrichter eine Drosselspule in Reihe geschaltet wird und dass die den Umrichter steuernde Spannung hinter dieser Drosselspule abgenommen wird. Bezogen auf einen Dreiphasen-Einphasen-Umrichter würde dies bedeuten, dass zwischen dem Einphasentransformator und das Einphasennetz eine Drosselspule geschaltet wird und dass die dem Einphasennetz entnommene Steuerspannung hinter der Drosselspule, also unmittelbar am Transformator, abgenommen und den Steuerkreisen des Umrichters zugeführt wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Steuerung für Frequenzumformer, die mit steuerbaren Gas-oder Dampfentladungsstrecken arbeiten (Umrichter) und den von ihnen miteinander gekuppelten Netzen je eine Steuerspannungs- komponente entnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Zuführungsleitung der sekundären Steuerspannung vorgesehener Sehwingungskreis durch Wahl der Grösse der Induktivitäten und der
Kapazitäten oder durch Wahl des Verhältnisses zwischen den Induktivitäten und den Kapazitäten oder durch beide Mittel derart ausgebildet ist, dass die dem Umrichtersteuerkreis zugeführte Spannung, insbesondere ihrer Phasenlage nach, selbsttätig von der Frequenz des S. kundärnetzes abhängig ist.