AT702U1 - Frequenzumrichter - Google Patents
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Description
AT 000 702 Ul 5 Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Umwandlung von 50 Hz-Drehstrom in 16 2/3-Hz Einphasenstrom, insbesondere zur Bahnstromversorgung.
Elektrische Energieversorgungsnetze weisen oftmals unter-10 schiedliche Frequenzen auf. Um diese Netze miteinander zu verbinden, ist es notwendig, sogenannte Frequenzumrichter einzusetzen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Versorgung von 16 2/3 Hz-Bahnnetzen auf, die aus dem 50 Hz-Netz versorgt werden sollen. 15
In der Vergangenheit wurden zur Frequenzumrichtung überwiegend rotierende Maschinen eingesetzt. In jüngerer Zeit werden auch Lösungen mit Stromrichtern, insbesondere für höhere Leistungen, diskutiert und versuchsweise eingesetzt. 20
Aus Elektrische Bahnen 89 (1991) 11, Seiten 503 und 504, 7ist beispielsweise ein statischer Umrichter für die Bahnstromversorgung beschrieben, bei dem zunächst aus den 50 Hz über einen Umkehrstromrichter eine Gleichspannung erzeugt wird. 25 Aus der Gleichspannung wird dann wiederum mittels einer Vielzahl von GTO-Wechselrichtern eine vorgegebene Anzahl von TeilSpannungen erzeugt, die mittels der entsprechenden Anzahl von speziellen Transformatoren zu der gewünschten Spannung mit 16 2/3 Hz aufaddiert werden. Eine derartige Anordnung ist 30 seitens der Wechselrichter und der zugehörigen Transformatoren sehr aufwendig und kostspielig, wobei zur Erreichung einer verzerrungsarmen AusgangsSpannung Filter im Zwischenkreis und u. U. zusätzliche Filter auf der Ausgangsseite zur Unterdrückung von Oberschwingungen nötig sind.
Aus dem Asea Journal 1973, Vol. 46, Nr. 5, Seiten 119 bis 122, ist ein 12pulsiger Direktumrichter bekannt, der zur Ver- 2 35 AT 000 702 Ul sorgung eines 16 2/3 Hz-Bahnnetzes dient. Dieser benötigt jedoch ebenfalls ausgangsseitig aufwendige Filter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzum-richter für Energieverteilungsnetze zur Versorgung eines Bahnnetzes bereitzustellen, der bei einfacher Ausbildung sekundärseitig nur einen geringen oder möglichst keinen Filteraufwand erfordert.
Die Lösung gelingt erfindungsgemäß mit einem Frequenzumrich-ter zur Bahnstromversorgung - wobei jeweils zwei antiparallel geschaltete 6-Puls Ventilbrücken eine von einem 50 Hz-Netz versorgte Grundeinheit bilden, - wobei jeweils zwei Grundeinheiten in Reihe geschaltet sind und eine 12-Puls-Einheit bilden und - die zwei 12-Puls-Einheiten über Koppelglieder parallel geschaltet sind.
Direktumrichter in Thyri stortechnik sind bereits schon seit ca. 25 Jahren bekannt. Sie wurden jedoch bisher nur bei Einheiten geringer Leistung und niedriger Pulszahl von den Fachleuten auf dem Sektor der Energieverteilung eingesetzt. Siehe hierzu auch obengenannten Stand der Technik. Zunächst lagen Vorbehalte gegen Halbleiter vor, da großer Wert auf eine betriebssichere Energieversorgung gelegt wurde. Dies gilt insbesondere für den Einsatz bei der Bahnstromversorgung. Zudem kommt, daß Direktumrichter in der Regel Oberschwingungen erzeugen, die aufwendige Filter erfordern, was wiederum mit Kosten und Aufwand verbunden ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wurden nunmehr die Vorbehalte überwunden und ein Direktumrichter in Thyristortechnik mit hoher Pulszahl (p=24) und hoher Leistung für das spezielle Anwendungsgebiet vorgesehen. Die bevorzugte Anwendung ist die Versorgung von Bahnnetzen. Durch den Einsatz einfacher und sicherer Techniken sowie erprobter Komponenten wird ein Um- 3 AT 000 702 Ul richter hoher Zuverlässigkeit möglich, wobei auch z. B. gegenüber einem Zwischenkreisumrichter nunmehr ein sekundärseitiger Wechselrichter und ein Transformator nicht mehr erforderlich sind.
Die Anordnung kann mit Vorteil Wirk- und Blindleistung in beide Richtungen (50 Hz-» 16 2/3 Hz bzw. 16 2/3 Hz -»50 Hz) austauschen und ins 16 2/3 Hz-Netz induktive und kapazitive Blindleistung liefern. Die positiven Eigenschaften der rotierenden Maschinen für den Obertragungsbetrieb bleiben beim vorgeschlagenen Umrichter erhalten. Da die AusgangsSpannung nur geringe Verzerrungen aufweist, ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand nötig. Darüber hinaus bestehen keine Anforderungen an das 16 2/3 Hz-Netz, wie z.B. eine Mindestkurzschlußleistung oder eine definierte Konstanz der 16 2/3 Hz Netzfreguenz. Für besonders hohe Anforderungen kann am Ausgang ein Filter angeordnet sein. Aufgrund der ohnehin hohen Qualität der Ausgangsspannung ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand erforderlich. Das Filter ist mit Vorteil als Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 800 bis 1 200 Hz ausgebildet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Figur zeigt ein 50 Hz-Netz 1, das über einen Frequenzumrichter 3 mit einem 16 2/3 Hz-Netz 5 verbunden ist. Das 50 Hz-Netz 1 ist bevorzugt ein Energieversorgungsnetz mit beispielsweise 400 kV. Das 16 2/3 Hz-Netz 5 kann beispielsweise ein Bahnversorgungsnetz sein, das in der Praxis 110 kV aufweisen kann. Gegebenenfalls kann das 16 2/3 Hz-Netz 5 gelöscht oder wirksam geerdet betrieben werden. Seine Netzfrequenz ist beliebig vorgebbar.
Der Frequenzumrichter 3 ist wie folgt aufgebaut: 4 AT 000 702 Ul
Er weist zunächst vier Grundeinheiten 7aa, 7ab, 7ba und 7bb auf, die jeweils von zwei antiparallel geschalteten 6-Puls-Ventilbrücken 9 gebildet sind. Die Ventilbrücken 9 sind bevorzugt als an sich bekannte 6-Puls Thyristorbrücken ausgestaltet. Es können jedoch auch andere geeignete steuerbare Halbleiter zur Anwendung kommen. Jeweils eine Ventilbrücke 9 bildet dabei die positive Halbwelle und eine weitere Ventilbrücke 9 die negative Halbwelle der zu bildenden Ausgangsspannung .
Jeweils zwei Grundeinheiten 7aa und 7ab bzw. 7ba und 7bb sind in Reihe geschaltet und bilden dadurch jeweils eine 12-Puls-Einheit 11a, 11b. Die Grundeinheiten 7aa, 7ab und 7ba, 7bb einer jeden 12-Puls-Einheit 11a bzw. 11b erhalten jeweils eine um 30° phasenverschobene EingangsSpannung, wobei zwischen den beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b eine Phasenverschiebung um 15° besteht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Grundeinheiten 7aa bis 7bb folgende Phasenwinkel auf:
Grundeinheit 7aa 0° Grundeinheit 7 ab 30° Grundeinheit 7ba -15° Grundeinheit 7aa 15°
Die einzelnen Phasenwinkel können ggf. auch anders gewählt werden. Wesentlich ist, daß dadurch eine 24pulsige Ausgangsspannung mit geringen Verzerrungen gebildet ist.
Die Phasenverschiebungen werden vorliegend durch den Einsatz von Transformatoren 13a, 13b erzielt, die jeweils sekundärseitig zwei die Phasenverschiebung bildende Sekundärwicklungen aufweisen. Alternativ können auch beispielsweise die strichliert dargestellten Transformatoren 15a bis 15d oder äquivalent wirkende Bauelemente eingesetzt werden. 5 AT 000 702 Ul
Die beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b sind ausgangsseitig parallel geschaltet. Um Kreisströme zwischen den 12-Puls-Einheiten 11a, 11b zu verhindern, sind diese mittels Drosseln 17a, 17b, insbesondere Saugdrosseln, voneinander elektrisch 5 entkoppelt. Vorliegend weisen die Drosseln 17a, 17b eine Mittelanzapfung auf, die als Spannungsausgang dient. Andere äquivalent wirkende Entkopplungsschaltungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise eine Unterteilung der Drosseln 17a, 17b in Einzeldrosseln oder der Anschluß der 12-Puls-Einheiten 10 11a, 11b an eine speisende Doppelleitung, die erst im Netz 5 galvanisch verbunden ist. Die Induktivität zur Entkopplung ist hierbei durch die Induktivität der Doppelleitung gegeben.
Die Mittelanzapfungen der Drosseln 17a, 17b sind zum 16 2/3 15 Hz-Netz 5 geführt. Gegebenenfalls kann für zusätzliche Beeinflussungen der Erdung im 16 2/3 Hz-Netz 5 der zusätzlich gebildete Mittelpunkt des Umrichters für eine Erdverbindung über die Zusatzdrossel 19 (strichlierte Darstellung) herausgeführt werden. Dadurch sind Maßnahmen wie direkte Erdung, 20 wirksame Erdung oder Einsatz von Löschspulen möglich.
Der vorgestellte Frequenzumrichter 3 weist ein sehr gutes Oberschwingungsverhalten in seiner AusgangsSpannung auf. Die Verzerrungen sind dabei derart gering, daß gegebenenfalls auf 25 Filter verzichtet werden kann. Bei hohen Anforderungen kann jedoch ein beliebiges geeignetes Filter 21 eingesetzt werden (strichliert dargestellt). Je nach Bedarf kann das Filter 21 auch in üblicher Anordnung zwischen den Phasenanschlüssen und dem Nulleiter angeordnet werden. In diesem Beispiel können 30 charakteristische Oberschwingungen in der Ausgangsspannung im Frequenzbereich von 24 x 50 = 1 200 Hz, deren Vielfachen und deren Seitenbändern erwartet werden. Insbesondere kann bei einem induktiven Verhalten des 16 2/3 Hz-Netzes 5 auf Filter verzichtet werden. Gegebenenfalls reicht es aus, lediglich 35 einen Hochpaß im Bereich der unteren Seitenbänder von 1 200 Hz (ca. bei 800 Hz) einzusetzen. 6 AT 000 702 Ul
Durch die Kopplung der 12-Puls-Einheiten 11a, 11b über die Drosseln 17a, 17b ist auch ein Teillastbetrieb bei Ausfall einer 12-Puls Einheit 11a, 11b möglich. Die AusgangsSpannung weist in diesem Fall zwar nicht die Qualität auf, es ist je-5 doch ein Notbetrieb möglich.
Im Hinblick auf eine möglichst verzerrungsfreie Ausgangsspannung wird der als Direktumrichter ausgelegte Frequenzumrichter 3 auf eine sinusförmige AusgangsSpannung mit 16 2/3 Hz 10 ausgesteuert. Bei Tolerierung einer erhöhten Verzerrung der AusgangsSpannung kann, z. B. bei trapezförmiger Aussteuerung der Spannung, die Übertragungsleistung unmittelbar um ca. 10 bis 20 % gesteigert werden. 7 AT 000 702 Ul
Bezugszeichenliste 1 3 5 7aa bis 7bb 9 11a, 11b 13a, 13b 15a bis 15d 17a, 17b 19 50 Hz Netz Frequenz umri chter 16 2/3 Hz Netz Grundeinheit Ventilbrücken 12-Puls Einheit Transformator Transformator Drossel Zusatzdrossel 8
Claims (6)
- AT 000 702 Ul Ansprüche: 1. Frequenzumrichter (3) zur Bahnstromversorgung, - wobei jeweils zwei antiparallel geschaltete 6-Puls Ventil-5 brücken (9) eine von einem 50 Hz Netz versorgte Grundeinheit (7aa bis 7bb) bilden, - wobei jeweils zwei Grundeinheiten (7aa,7ab bzw. 7ba,7bb) in Reihe geschaltet sind und eine 12-Puls-Einheit (11a bzw. 11b) bilden und 10 - die zwei 12-Puls-Einheiten (11a,11b) über Koppelglieder (17a,17b) parallel geschaltet sind.
- 2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, wobei die Grundeinheiten (7aa,7ab bzw. 7ba,7bb) einer.jeden 12-Puls-Einheit 15 (11a bzw. 11b) eine tarn 30° zueinander versetzte Eingangs spannung erhalten und die Eingangsspannungen der Grundeinheiten (7aa,7ab bzw. 7ba,7bb) einen Phasenversatz um 15° aufweisen. 2 0
- 3. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elek trischen Mittelpunkte der 12-Puls-Einheiten (11a,11b) über ein zusätzliches Koppelglied (19) miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Mittelpunkt für das zu versorgende Netz (5) bilden. 25
- 4. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei an dessen Ausgang ein Filter (21) angeordnet ist.
- 5. Frequenzumrichter nach Anspruch 3, wobei das Filter (21) 30 als Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 800 Hz bis 1 200 Hz ausgebildet ist.
- 6. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausgangs Spannung eine Frequenz von 16 2/3 Hz aufweist. 9
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