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Klasse : 21 g 18 ÖSTERREICHISCHES PATENTAMT
Int. CI. : H 02 m COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE IN PARIS
Anordnung mit einem Umrichter Angemeldet am 29. März 1967 (A 3012/67) ; Priorität der Anmeldung in Frankreich vom 29. März 1966 (PV 55484) beansprucht.
Beginn der Patentdauer : 15. Juli 1968.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Umrichter, der als Gleich- oder Wechselrichter betrieben werden kann, bei dem ein Wechselstromnetz über Strom- und Spannungsabgriffe und einen
Tiefpass an die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Sekundärseite über eine aus steuerbaren Stromtoren aufgebaute Gleichrichteranordnung, ein Glättungsglied und über Strom- und
5 Spannungsabgriffe an ein Gleichstromnetz geführt ist und die steuerbaren Stromtore der Gleichrichter- anordnung durch eine ein vorgegebenes Programm in Abhängigkeit von den beidseitigen Strom- und
Spannungsmesswerten auswertende Steuereinrichtung gesteuert sind, wobei entweder das Gleichstrom- oder das Wechselstromnetz eine vorgegebene, definierte Belastung darstellt, sowie eine Schaltung unter
Verwendung solcher Anordnungen.
10 Es sind Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und Wechselrichter zur
Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom bekannt. Diese Vorrichtungen erhalten mehr und mehr
Bedeutung bei der Übertragung von hohen elektrischen Leistungen über grosse Entfernungen. Zur Lösung dieses Problems unter optimalen Bedingungen geht man bekanntlich mehr und mehr zur Verwendung von hohen Gleichspannungen über, die einen Gleichrichter zwischen dem den (in der Regel dreiphasigen) 15 Wechselstrom erzeugenden Netz und dem Gleichstromnetz und einen Wechselrichter zwischen dem
Gleichstromnetz und dem Drehstrom-Versorgungsnetz erforderlich machen.
Eine derartige Umwandlung, vor allem Gleichrichtung, erfolgt im allgemeinen über (Quecksilber- dampf- oder Festkörper-) Gleichrichter, die mit einer Steuerelektrode ausgerüstet sind, und insbeson- dere über Siliziumgleichrichter mit Steuerelektrode, Diese Vorrichtungen werden gewöhnlich in Brük- 20 kenschaltung ausgelegt, von denen es mehrere in der Technik gut bekannte Anordnungen gibt, und die zur Gewährleistung kontinuierlicher Fortleitung an eine oder mehrere Induktivitäten angeschlossen sind.
Bei diesen Anlagen wird bekanntlich die Regelung der gleichgerichteten Energie durch Anpassung der Zundphase der einzelnen Brückenglieder erreicht. Zur Erzielung einer maximalen Abgabeleitung geht man von dem für die verwendete Brückenschaltung maximal zulässigen Öffnungswinkel aus. Die- 25 ser Winkel beträgt z. B. 1800 bei einer Einphasenbrücke und 1200 bei einer Drehstrombrücke. Bei Ab- gabe einer geringeren Leistung wählt man einen kleineren Öffnungswinkel.
Hieraus folgt, dass der vom Generator abgegebene Strom nicht mit der Spannung in Phase liegt, wobei der Wert cos 9 des Versorgungsnetzes beträchtlich kleiner als eins ist. Bekanntlich ist dies ein wenig wirtschaftlicher Betrieb des Netzes, und man bemüht sich daher, den Wert cos cP möglichst 30 gleich eins zu halten, indem man den Verbrauch an Blindleistung durch Kondensatorbatterien ausgleicht.
Anderseits ergeben sich bei der Gleichrichtung Stromkomponenten mit Oberwellenfrequenzen der Be- triebsfrequenz, die herausgefiltert werden müssen, um das Eindringen dieser Frequenzen in das Wech- selstromnetz zu verhindern.
Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom über Wechselrichter stösst man auf ähnliche
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Probleme.
Die Umwandlung von starken Wechselströmen in Gleichströme und umgekehrt wird also durch eine beträchtliche Erhöhung der Anlagekosten erschwert, die auf die Verwendung von Blindleistlings- Aus- gleichkondensatoren und Filter zurückzuführen ist.
5 Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Anlagen zur Energieumwandlung, die eineLeistungsrege- lung gestatten, bei der cos ç bei jedempegel im wesentlichen gleich eins gehalten wird, und beidenen gleichzeitig die Kosten für die Filtermittel beträchtlich niedriger sind.
Erfindungsgemäss ist an eine Mittelanzapfung der Sekundärseite des Transformators eine aus einer
Induktivität und einer Kapazität bestehende, durch ein steuerbares Stromtor überbrückte Serienschat-
10 tung angeschlossen ist, deren anderes Ende den einen Gleichstromausgang bildet, wogegen der andere
Gleichstromausgang durch die beiden symmetrisch ausgebildeten und zueinander parallelgeschalteten je eine Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators, gegebenenfalls eine zusätzliche Induktivität, sowie je ein steuerbares Stromtor der Gleichrichteranordnung enthaltenden Stromkreis gebildet ist und wobei die LC-Serienschaltung gemeinsam mit insbesondere den Streuinduktivitäten des Transformators
15 bzw.
den zusätzlichen Induktivitäten und den übrigen Induktivitäten und allfälligen Kapazitäten, die mit ihr im Verbraucherstromkreis liegen, einen auf eine weit über der Frequenz des Wechselstromnetzes liegenden Wert (z. B. 2 kHz) abgestimmten Resonanzkreis, die LC-Serienschaltung für sich jedoch einen weiteren, auf einen noch wesentlich darüber liegenden Wert (z.
B. 50 kHz) abgestimmten Resonanzkreis bilden, wobei das dem Vorzeichen der jeweiligen Halbwelle im Wechselstromnetz entsprechende steuer-
20 bare Stromtor für eine der Dauer der Halbperiode der Resonanzfrequenz des über dieses geführten Reso- nanzkreises in leitenden Zustand versetzt wird, worauf anschliessend das der LC-Serienschaltung par- allelliegende steuerbare Stromtor für die Dauer einer Halbperiode seiner Resonanzfrequenz durchgeschal- tet wird, so dass die LC-Serienschaltung in ihren Ruhezustand zurückkehrt und wobei dieneuerliche
Durchschaltung des steuerbaren Stromtores der Gleichrichterschaltung durch die Steuereinrichtung un- 25 ter Wahrung der Übereinstimmung von Phasenlage von Wechselstrom- und Wechselspannung in Abhän- gigkeit vom eingegebenen Programm und den ermittelten Messwerten erfolgt.
Vorteilhafterweise ist ein Tiefpass vergleichsweise hoher Grenzfrequenz zwischen das Wechsel- stromnetz und den Transformator geschaltet.
Zur Gleich- oder Wechselrichtung in Verbindung mit einem Mehrphasennetz ist zweckmässi- 30 gerweise für jede Phase eine gesonderte erfindungsgemässe Anordnung vorhanden, wobei alleAnordnun- gen gleichstromseitig zusammengeschaltet sind.
Bei der erfindungsgemässen Anordnung erfolgt die Anpassung der abgegebenen Wechselspannung an den gewünschten Wert zur Erzielung bestimmter Parameter auf der Gleichstromseite durch ein der
Amplitudenmodulation gleichkommendes Verfahren, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben 35 ist. Zwischen dem Strom und der Spannung besteht keine Phasenverschiebung und die Leistungsabgabe der Wechselstromquelle erfolgt im wesentlichen bei cos ç'= 1.
Im übrigen erfolgt die Stromabgabe bei einer vergleichsweise hohen Frequenz (z. B. 2000 Hz), so dass bedeutend kleinere und billigere Filtermittel als bei den bekannten Gleichrichtern verwendeter- den können.
40 Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnungen. in denen unter anderem einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
Fig. l zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage, die an ein
Einphasen-Wechselstromnetz angeschlossen ist, Fig. 2 und 3 zeigen graphische Darstellungen zur Erläu- terung der Wirkungsweise der Anlage nach Fig. 1, Fig. 4 ein Blockschaltbild einer mit Drehstrorn be- 45 triebenen Anlage und Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Wirkungsweise eines Wechselrichters besonderer
Art.
In Fig. 1 liegt ein Einphasen-Wechselstromnetz-L-von etwa 50 Hz an den Klemmen-1 und
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50 kreis des gleichgerichteten Stromes, -10- eine Gleichstromlast, z. B. eine Energieübertragungslei- tung mit den Klemmen-8 und 8'-,-9-- ein Stromwandler,-9'-ein Nebenwiderstand zwischen
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8"-der Gleichstromseite, und-11-einB, C-, d. h. über Klemmen, die an-8, 8', 8"- liegen, Angaben über Spannung und Gleichstrom 55 empfängt.
Der Eingang-P-des Steuerkreises-11-stellt die Anwendung eines Steuerprogrammes belie-
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- 3-Nr. 269995 biger herkömmlicher Art dar ; wenn es sich z. B. um einen konstanten Gleichspannungswerthandelt, wird dieser in einem entsprechenden Massstab durch die Stellung eines im Kreis --11-- eingebauten
Spannungsteilers dargestellt. Handelt es sich um einen in Abhängigkeit von der Zeit nach einem be- stimmten Gesetz veränderlichen Wert, so werden die entsprechenden Angaben der Anlage über einen 5 mit einer bestimmten Geschwindigkeit ablaufenden Lochstreifen eingegeben.
Vom Steuerkreis-11-gehen drei Leitungen-p, q und r- zum Schwingkreis -6-.
Auf der Grundlage der bei-a, b, c, d- empfangenen Angaben, z. B. einer Spannung ua = Ua
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1'- sowieGleichstromabgabe bei einer bei-P-programmierten Spannung erfolgt.
Der Gleichrichter des Schwingkreises --6-- gibt einen aus halb-sinusförmigen Wellenzugen, d. h. aus aufeinanderfolgenden Halbwellen gleicher Polarität, bestehenden pulsierendenStrom-Ip-ver- 15 gleichsweise hoher Frequenz, z. B. 2 kHz ab (Dauer einer Halbwelle 0, 25 ms). Dieser Kreis-6-
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des Schwingkreises -6-- und vergleicht den verbrauchten Strom la cos w t, der durch das von den
Klemmen-c und d-empfangene Signal angezeigt wird, mit dem Bezugsstrom Ir cos w t.
20 Wenn der Momentanwert des abgegebenen Stromes --ia-- unter demMomentanwert des Bezugs- stromes-ir.-liegt, löst der Steuerkreis --11-- den Betrieb des Schwingkreises -6-- aus, der einen pulsierenden Strom --1p-- abgibt; übersteigt der Momentanwert des abgegebenen Stromes-ia-den
Momentanwert des Bezugsstromes-ir-, so unterbricht der Kreis --11- den Betrieb des Kreises --6--, wodurch die Abgabe von pulsierendem Strom-Ip-unterbrochen wird. Für die Ein- und Aus- 25 schaltbefehle dieser Ströme gelten Toleranzen von beispielsweise 1 bis 30/0.
Das Filter --2- ist als Tiefpass ausgebildet, der Betriebsfrequenzstrom hindurchlässt und ver- hindert, dass Oberwellenkomponenten des pulsierenden Stromes in das Versorgungsnetz zurückgelangen.
Ein solches Filter ist in den bekannten Gleichrichteranlagen vorhanden ; bei der erfindungsgemässen An- lage dient es jedoch zur Sperrung weit höherer Frequenzen und ist bedeutend platzsparender und billiger 30 als bekannte Vorrichtungen.
In Fig. 2 ist in Abhängigkeit von der Zeit eine an den Klemmen-1, 1'-des Netzes-L-abge- nommene Periode der Wechselspannung ua = DA cos (J) t aufgetragen. Der vom Steuerkreis-11-er- zeugte Strom ist ir= Ir cos # t.Der vom Wechselstromnetz --I,-- abgegebene Strom ist durch die Kurve - ia- dargestellt. Der an den Ausgang des Kreises-6-gelieferte pulsierende Strom ist mit-In- 35 bezeichnet. Dieser pulsierende Strom --Ip-- gelangt nurw ährend der Zeitspannen t1 bis t2, t3 bis t, t5 bis t6 t7 bis t8 und tgbis tlo hindurch, während deren die Ordinaten der Kurve-ia-kUrzeralsdie
Ordinaten der Kurve-ir-sind.
Der Vorgang ist der gleiche bei negativer Halbwelle, die der positi- ven Halbwelle, wie weiter oben im einzelnen beschrieben, folgt.
In Wirklichkeit sind die Abstände zwischen den Kurven und lu--wesentlich geringer als in 40 Fig. 2 aufgetragen. Zur Vereinfachung der Zeichnungen wurden nur 5 Zeitspannen angegeben, während deren pulsierender Strom abgegeben wird ; tatsächlich ist jedoch deren Anzahl grösser.
Der Schwingkreis --6-- besitzt drei Eingangsklemmen ; die Klemmen-22 und 23-liegen an den
Enden der Sekundärwicklung --5-- des Transformators --3--, während die Klemme-21-an die Mit- telanzapfung dieser Sekundärwicklung angeschlossen ist.
45 Der Schwingkreis -6- mit zugeordnetem Gleichrichter weist in Reihe geschaltet eine erste In- duktilität-25-, ein erstes Stromtor-30-, ein zweites Stromtor-28-in Gegenschaltung und eine zweite Induktivität -24- mit gleichem Wert wie die Induktivität -25-- auf ; die Induktivit ten - 24 und 25-können gegebenenfalls durch die Streuinduktivitäten des Transformators - 3 - selbst gebildet werden.
50 Die Eingangsklemme -21- liegt an einem Stromkreis, der einen Kondensator-26-in Reihe mit einer Induktivität -27-- aufweist, deren Wert bedeutend kleiner als derjenige der Induktivitaten
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und 25--ist ; die Teile-26 und 27-sind über ein Stromtor-29-kurzgeschlossen. Die Steuer-q, r- verbunden. Die den Stromtoren-28 und 30-gemeinsame Klemme-31-sowie die der Induk- 55tivität--27--unddemStromtor--29--gemeinsameKlemme--32--bildendieEingangsklemmen des Glâttungskreises-7-, an dessen Ausgangsklemmen über den Widerstand --9'-- die Last --10-- liegt.
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Man nehme an, dass im Augenblick-ta-ein Zündsignal-Vp-uber die Leitung-p-- der
Steuerelektrode desStromtores-28- zugeführt wird. Es setzt daraufhin eine Schwingung im Stromkreis - 32, 27, 26, 22, 24, 28, 31- ein, u. zw. bei einer Resonanzfrequenz von beispielsweise etwa 2 kHz. Die- ser Strom hat die Form der in Fig. 3 dargestellten Halbwelle der Sinuskurve-Ip-.
5 Bekanntlich ist dieser Strom die Ableitung nach der Zeit der an den Klemmen des Kondensators - 26- liegendenSpannung-Vc-. Wenn der Strom- !..- den Wert Null annimmt, kehrt das Stromtor-28-in den Sperrzustand zurück. In diesem Augenblick macht das über die Leitung-q-an die
Steuerelektrode des Stromtores-29-angelegte Zundsignal-Vq-letzteres leitend. Dadurch wird im Stromkreis-27, 26, 29- ein Resonanzstrom vergleichsweise hoher Frequenz (z. B. 50 kHz) gezün-
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men.
Der Einsatz der Schwingung vergleichsweise hoher Frequenz erfolgt im Zeitpunkt -tb- (Fig. 3).
Wenn bei-te-die an den Klemmen des Kondensators-26-liegende Spannung wieder den Wert - angenommen hat, den sie bei-ta-besass, wird das Stromtor-29-erneut gesperrt, und der
15 Kondensator ist zur Abgabe eines Stromes-Ip-bereit. Die Zeitspanne-t bis tc--ist imgewählten
Beispiel etwa 25 mal kürzer als die Zeitspanne-t bis ta.
Während einer Halbwelle des Netz-Wechselstromes bewirkt also die Anlegung einer Spannung - und einer Reihe von Impulsen-Vq-den Durchgang eines aus einer Vielzahl von Impulsen - Ip, Ip-.... gebildeten pulsierenden Stromes. Während der nächsten Halbwelle wird ein pulsie- 20 render Strom der gleichen Polarität durch das zweite Stromtor-30-erzeugt. Die Abschaltung der Spannung-Vp-unterbricht den pulsierenden Strom, wodurch die Regelung des durch die Last-10- fliessenden gleichgerichteten Stromes erfolgt.
Hieraus ergibt sich, dass der durch das Wechselstromnetz abgegebene Strom systematisch mit der
Spannung in Phase folgegesteuert wird, wobei die Anpassung der Amplitude durch die Anzahl der 25 Stromimpulse-Ip-und die Stromverteilung also stets bei cos < /'= 1 erfolgt.
Fig. 4 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung bei einem Drehstromnetz. Es wird von einer
Sternschaltung mit drei Phasen-R, S, T- und einem Nulleiter-N-ausgegangen. Jeder Phase sind die Einheiten-2, 3, 6, 11 und 7-zugeordnet, die Stromerzeugung, Gleichrichtung und Glättung der pulsierenden Ströme in der beschriebenen Weise gewährleisten. Die Ausgänge der Glättungskreise lie- 30 gen in Reihe, und der erzielte Gleichstrom fliesst im Stromkreis-10-.
Die erfindungsgemässe Anordnung, deren Betrieb als Gleichrichter beschrieben wurde, kanneben- falls als folgegesteuerter Wechselrichter arbeiten und, von einem Gleichstromgenerator gespeist, eine
Wechselstromleistung abgeben.
Liefert z. B. ein Generator oder ein Stromnetz einen Wechselstrom für eine bestimmte Anlage, so 35 ist der durch eine bestimmte Klemme fliessende Strom in Phase mit der Potentialdifferenz zwischen zwei Klemmen des betreffenden Generators oder Netzes. Arbeitet das Netz als Leistungsverbraucher, so weist der gleiche Strom die entgegengesetzte Phase auf ; alle übrigen Merkmale sind gleich.
Ein solcher Zustand ist mit der erfindungsgemässen Anordnung leicht zu erreichen. Es genügt, dass der Steuerkreis --11- einen Bezugsstrom -ir- in Phasenopposition zum Bezugsstrom bei Gleich- 40 richterbetrieb liefert.
Beim Betrieb als folgegesteuerter Wechselrichter wird die Bezugsspannung durch das Wechselstrom- netz geliefert. Beim Betrieb als nicht folgegesteuerter oder unabhängiger Wechselrichter speist der
Wechselrichter eine Last oder einen nicht an andere Netze angeschlossenenStromkreis. IndiesemFall kommen die Bezugswerte beispielsweise aus einem Oszillator oder einem Hilfsstromkreis. Diese An- 45 ordnung zeigt Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.
Die Klemmen-1 und 1'- liefern eine Wechselstromleistung in das Netz -1. --, während ein Hilfsstromnetz -12- über die zusätzlichen Anschlüsse-a', b', c', d'-- eine Betriebsfrequenzleistung, gegebenenfalls niedrigen Pegels, in den Steuerkreis-11-einspeist.
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