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Verfahren zur Erreichung eines transformator-analogen Wirkleistungsverhaltens eines frequenzelastischen Umrichters
Es sind verschiedene Verfahren zur frequenzelastischen Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer andern Frequenz-z. B. Speisung eines mit 16 2/3 Hz betriebenen Einphasen-Bahn- netzes aus einem mit 50 Hz betriebenen Drehstromnetz - mit Hilfe von gesteuerten Entladungsgeflssen (Um- richtern) bekannt. Derartige frequenzelastische Umrichter dienen vornehmlich zur Kupplung zweier lei- stungsstarker Netze, die in ihrem Frequenzverhalten voneinander unabhängig sind.
Es ist auch bekannt, dass bei frequenzelastischen Umrichtern durch Verschieben der Phasenlage der vom Umrichter gebildeten Einphasenspannung gegenüber der Phasenlage der EMKdes Einphasennetzes die vom Umrichter übertrage- ne Wirkleistung nach Grösse und Richtung bestimmt werden kann. So bedeutet eine Voreilung des Zeit- vektors der Umrichterspannung gegenüber dem Zeitvektor der Netz-EMK Wirkleistungslieferung des Um- richters in das Einphasennetz. und umgekehrt bedeutet eine Nacheilung einen Wirkleistungsbezllg aus dem
Einphasennetz, d. h. Wirkleistungslieferung, in das Drehstromnetz. Ein frequenzelastischer Umrichter hat also natürlicherweise ein Wirkleistungsverhalten, das dem eines Generators analog ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, das es ermöglicht, bei frequenzelastischen Umrichtern, die zur Kupplung zweier leistungsstarker Wechselstromnetze eingesetzt sind, ein transformator-analoges
Wirkleistungsverhalten zu erreichen, so dass die Wirkleistungsabgabe an eines der Netze ausschliesslich durch die Verbraucher dieses Netzes bestimmt wird.
Dieses Verfahren hat besondere Bedeutung bei Einspeisung einzelner Umrichter in ein vorhandenes leistungsstarkes Einphasen-Bahnnetz, wenn die Umrichter zur direkten Fahrdrahtversorgung eingesetzt sind und ein Parallelbetrieb mit Transformator-Unterwer- ken des Einphasen-Bahnnetzes vorliegt, wobei die Parallelschaltung von Umrichtern undtransformatoren sowohl direkt, bei Einsatz im gleichen Unterwerk, wie auch in getrennten Unterwerken unter Zwischenschaltung der Fahrdrahtimpedanz erfolgen kann. Unter transformator-analogem Wirkleistungsverhalten wird dabei verstanden, dass die Wirkleistungsabgabe des Umrichters, wie es bei einem Transformator natürlicherweise der Fall ist, durch die Bedürfnisse des Bahnbetriebes bestimmt ist.
Bei direktem Parallelbetrieb soll dabei die prozentuale Belastung von Umrichter und Transformator gleich sein, bei Einsatz in getrennten Unterwerken soll dagegen die Lastverteilung etwa umgekehrt proportional dem Verhältnis der zwischen dem Verbraucher und den Speispunkten liegenden Fahrdrahtimpedanzen erfolgen.
Zur Verdeutlichung der Verhältnisse bei Parallelbetrieb zweier Unterwerke bei Zwischenschaltung einer Fahrdrahtimpedanz soll Fig. 1 dienen.
Zwei Transformatoren A und B liegen am gleichen Primärnetz Ui, dessen Reaktanzen vernachlässigt werden sollen. Die Primärspannung beider Transformatoren ist also nach Betrag und Phase gleich. Über den Fahrdraht sind die Transformatoren sekundärseitig parallel geschaltet und speisen beide den Verbraucher ZV, wobei der Transformator A über die Fahrleitungsimpedanz ZA und der Transformator B über die Fahrleitungsimpedanz ZB den Verbaucher ZV speisen. Die Ausgangsspannung Uv ist wieder für beide Transformatoren gemeinsam. In Fig. 1 sind die vereinfachten Zeigerdiagramme für beide Transformatoren wiedergegeben. Der Phasenwinkel zwischen Ul und U muss nach dem Vorhergesagten für beide Transformatoren gleich sein.
Die zwei Transformator-Sekundärspannungen UA bzw. UB liegen dagegen nach Massgabe der Impedanzen zwischen U und Uv. Ist z. B. die Fahrleitungsimpedanz ZA Null, so fällt U A mit UV zusammen, ist dagegen die Belastung des Transformators A Null, so deckt sich UA mit U.. Der Win- kel zwischen U und U. ist ein Mass für die Belastung des Transformators A. Bei dem in Fig. 1 gewählten Beispiel ist ZA klein, da sich der Verbraucher in der Nähe des Unterwerkes A befinden soll. Die Verbrau-
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cher-Spannung Veilt daher der Transformator-Sekundärspannung UA nur um einen kleinen Winkel nach.
Zwischen UA und Ul ist dagegen eine grosse Phasenverschiebung, entsprechend einer hohen Transformator- belastung. Umgekehrt speist Transformator B über einen hohen Fahrdrahtwiderstand ZB ; zwischen U und
UB tritt daher eine grosse Phasenverschiebung auf. Der Phasenwinkel zwischen UB und Ul kann dann nur noch klein sein, das entspricht einer geringen Belastung des Transformators B.
Die Verhältnisse liegen anders, wenn die Kupplung beider Transformatoren auf der Primärseite fehlt und man sich statt dessen die Primärspannung z. B. des Transformators B durch eine besondere Einrichtung so gesteuert denkt, dass sie stets in Phase mit der Fahrdrahtspannung im Anschlusspunkt des Transformators B ist. Dann ist keine Wirkbelastung des Transformators B denkbar, denn es kann kein Phasenwinkel zwischen U undüc aufoeten. Lediglicheine reine Blindstromübertragungwäre möglich, weil dann die inneren Trans- formator-Spannungsabfälle der Primärspannung entgegengerichtet sind, so dass die Sekundärspannung die gleiche Phasenlage wie die Primärspannung hat, nur in der Amplitude gegenüber Leerlauf kleiner ist.
Genauso verhältsichauchein frequenzelastischer Umrichter, beidem die Phasenlage der von ihm gebil- deten Einphasenspannung durch eine Steuerspannung bestimmt wird, die dem Einphasennetz an der Anschlussstelle des Umrichters entnommen wird ; denn auch bei einem Umrichter findet bei Belastung eine Nacheilung der Ausgangsspannung gegenüber der Phasenlage der Spannung bei Leerlauf statt. Wenn nun auf Grund einer solchen Gleichlaufsteuerung U und UB erzwungenermassen immer in Phase sind, ist eine Wirklastabgabe des Umrichters tatsächlich nicht möglich.
Die bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Steuerung von frequenzelastischen Umrichtern sehen daher die künstliche Verdrehung des Zeitvektors der Umrichter-Ausgangsspannung gegenüber dem Zeitvektor der Netz-EMK durch willkürlichen Eingriff von Hand oder durch Regler vor, um damit die Wirklastabgabe zu erzwingen.
Hiedurch erreicht man ein Verhalten entsprechend eines Generators, bei dem die elektrische Leistungsabgabe durch eine Regelung der zugeführten mechanischen Leistung bestimmt ist, jedoch praktisch unbeeinflusst ist durch den Leistungsbedarf der Verbraucher.
Um für einen elastischen Umrichter ein transformator-analoges Wirkleistungsverhalten zu erreichen, wird nach der Erfindung eine Verbindung zur Sammelschiene des Einphasennetzes z. B. zur Primärspannung eines benachbarten Einphasen-Transformator-Unterwerkes geschaffen, die der Kupplung der Transformatoren in Fig. 1 über die leistungsstarke Hochspannungsleitung entspricht, wobei hier jedoch die Zuführung einer Steuerspannung über eine Hilfsleitung genügt. Auch ist eine drahtgebundene oder drahtlose Übertragung von Signalen, die Frequenz und Phasenlage derSammelschienenspannung des Einphasennetzes eindeutig festlegen, möglich. Die so herangeführte Information bildet den Ausgangspunkt der Umrichtersteuerung.
Eine derartige Anordnung der Parallelschaltung eines Transformator-Unterwerkes und eines Umrichter-Unterwerkes zeigt Fig. 2. Das Transformator-Unterwerk A ist durch den Transformator 1 dargestellt. Das Umrichter-Unterwerk B durch die wesentlichen Bestandteile, den Transformator 2, die Gefässgruppen 3 und die Steuereinrichtung 4. Letztere ist über eine Hilfsleitung und den Wandler 5 mit der Primär-Sammelschiene des Transformator-Unterwerkes mit der Spannung U1 verbunden.
Damit ist nach entsprechendem Abgleich die Umrichter-Leerlauf spannung in Phase mit der PrimärSammelschienenspannung des benachbarten Unterwerkes und damit auch mit der Transformator-Leerlaufspannung. Auch bei beliebiger Belastung von Umrichter und Transformator bleiben die Primärspannungen beider Unterwerke in Phase, wobei als "Primärspannung" des Umrichter-Unterwerkes die durch die Umrichtersteuerung bestimmteEinphasenspannung verstanden werden muss. Somit ist die Voraussetzung für ein transformator-analoges Wirkleistungsverhalten des Umrichters entsprechend den Verhältnissen nach Fig. 1 gegeben.
Durch Einführung einer stromabhängigen Schwenkung der Steuerspannung bzw. des Umsteuerbefehles lässt sich nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung das Verhalten des Umrichters bei Belastung dem Verhalten der benachbarten Transformatoren noch weiter angleichen. Man kann mit andern Worten dem Unterwerk künstlich eine bestimmte Kurzschlussspannung zuordnen. Eine solche Massnahme ist besonders dann von Bedeutung, wenn ein Umrichter und ein Transformator im gleichen Unterwerk aufgestellt und direkt parallel geschaltet sind.
Eine solche stromabhängige Schwenkung der Steuerspannung lässt sich beispielsweise durch Einfügen einer Phasenschwenkbrücke erreichen, die aus Widerstand und veränderlicher Induktivität einer Drossel besteht, wobei die Drossel durch einen dem Belastungsstrom proportionalen Gleichstrom vormagnetisiert wird.
Besteht in ungünstig gelagerten Fällen nicht die Möglichkeit, eine Verbindung zwischen der Sammelschienenspannung des Einphasennetzes und der Umrichterstation zur Übertragung von Messwerten herzu-
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stellen, so kann nach einer Abwandlung der Erfindung ein transformator-ähnliches Wirk1eistUngsverhalten eines frequenzelastischen Umrichters dadurch erreicht werden, dass die Messwerte dem Einphasennetz an der Anschlussstelle des Umrichters entnommen werden und die zur Wirkleistungsübertragung notwendige Verdrehung des Zeitvektors der Umrichterspannung gegenüber dem Zeitvektor der Netz-EMK durch eine
Steuerautomatik vorgenommen wird. Diese Automatik ist so ausgebildet, dass in Abhängigkeit einer den Leistungsbedarf des Einphasennetzes kennzeichnenden Grösse, z.
B. einer Spannungsabsenkung im Einphasennetz, eine Pr'asenvordrehung der Umrichterspannung ausgelöst wird, so dass bei einem durch einen Verbraucher bedingten Spannungsabfall der Umrichter Wirklast abgibt. Hiebei kann das Mass der Verdrehung zweckmässigerweise so gewählt werden, dass das Verhältnis der vom Umrichter abgegebenen Werklast zur Blindlast dem mittleren cosY im Einphasennetz entspricht.
Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die Steuereinrichtung 4 des Umrichters ist über eine Einrichtung 6, die die geschilderte Auswertung des Belastungszustandes an der Anschlussstelle des Umrichters vornimmt, angeschlossen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erreichung eines transformator-analogen Wirkleistungsverhaltens für einen frequenzelastischen Umrichter, der zur Kupplung zweier Netze, Insbesondere eines Dreiphasen- und eines Einphasennetzes dient, und mit Einphasen-Transformatoren parallel arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anschlussweise der Umrfchtersteuerung die Phasenlage der vom Umrichter gebildeten Einphasenspannung durch diePhasenlage derPrimär-Sammelschienenspannung desEinphasennetzes, insbesondere der Primärspannung von parallel arbeitenden Einphasentransformatoren bestimmt wird, derart,
dass die zur Umrichtersteuerung erforderliche Information über die Phasenlage der Sammelschienenspannung des Einphasennetzes in Form einer Hiltswechselspannung, die über eine Steuerleitung oder eine sonstige Übertragungseinrichtung an den Umrichter herangeführt wird, erfolgt.