Anordnung zum Kommutieren bei Gleichrichtern oder Wechselrichtern, die mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken und Synchrontrennern arbeiten. Für die Energieübertragung mit hoch gespanntem Gleichstrom hat man bereits Gleichrichter oder Wechselrichter vorge schlagen, die mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken und Synchron- trennern arbeiten.
Diese Synchrontrenner sind synchron betätigte Trennstrecken in den Entladungsstromkreisen und dienen zurUnter- teilnng der Spannung während der Sperrzeit d. Ir. sie haben die Aufgabe, den grössten Teil der Sperrspannung aufzunehmen. Der Synchrontrenner soll dabei -möglichst un mittelbar nach Beendigung der Kommutie- rung die Entladungsstrecke von der Span nung entlasten.
Die Entladungsstrecke wild also nur in der Zeit vom Endpunkt der Kommutierung bis zum Schalten der Trenn kontakte, also nur eine kurze Zeit in bezug auf die Periode des Wechselstromnetzes, auf Sperrspannung, die nachfolgend mit Sprung- spannung bezeichnet wird, beansprucht. Die Sprungspannung selbst ist bestimmt durch die Kommutierungsdauer, deren Länge durch die Grösse des zu kommutierenden Stromes und durch die Streuung des Transformators vorgeschrieben ist. Nehmen wir als Beispiel eine Kommutierungsdauer von rund 12 o an, so wird in der Sechsphasensternscbaltung der Vervielfachungsfaktor f = 10.
Mit diesem Vervielfachungsfaktor f soll im folgenden das Verhältnis der grössten im Normalbetrieb auftretenden Sperrspannung zu der Span nungsbeanspruchung der Entladungsstrecke bei Betrieb mit Synchrontrenner bezeichnet werden. Die Streureaktanz des Transforma tors darf hierbei nur S /o betragen, für einen 100 kV-Transformator ein nur durch erheb liche Überbemessung zu erreichender Wert.
Die Vorteile des Synchrontrenners können nur dann wirklich ausgenutzt werden, wenn es gelingt, die Sprungspannung zu verklei nern. Im Sinne vorliegender Erfindung ist eine zusätzliche, den Kommutierungsvorgang beeinflussende Wechselspannung mit einer Frequenz gleich einem Vielfachen der Fre quenz des Wechselstromnetzes und solcher Grösse und Phase vorgesehen, dass die nach der Kommutierung an der gelöschten Ent ladungsstrecke auftretende Sprungspannung <I>kleiner</I> bleibt als die für die Entladungs strecke zulässige Sperrspannung und für alle Belastungsfälle annähernd konstant gehalten wird.
In Abb. 1 der Zeichnung ist ein Aus führungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die sechsphasige, von den Entladungsströmen durchflossene Wicklung des Haupttrans formators T einer Gleichrichteranlage ist in zwei phasenverschobene, dreiphasige Stern wicklungen 8i und S2 unterteilt.
Zwischen die Sternpunkte wird im Sinne vorliegender Erfindung eine von einem Hilfsgenerator H erzeugte und dem Zwischenphasentransfor- mator Z zugeführte Wechselspannung drei facher Frequenz geschaltet: Die Entladungs strecken _E arbeiten zusammen mit dem Syn- chrontrenner .g während je 60 , wie es von jeder normalen Sechsphasenschaltung bekannt ist. Bei andersphasigen Schaltungen gelten naturgemäss andere Verhältnisse. So kommt für Zwölfphasenschaltungen die sechste Har monische in Frage.
-Ein Beispiel für die Einfügung einer Spannung dreifacher Frequenz, deren Scheitel wert 20 /o von dem der Phasenspannung beträgt, ist in Abb. 2 erläutert. Die Ober welle e3 eilt der Grundwelle e'g bezw. e",. um den Winkel (3, der 5 in Abb. 2 beträgt, nach. Die schraffierte Fläche steht für die Kommutierung zur Verfügung.
Die rechte Grenze ist durch die zulässige Sprungspan nung gegeben, die beim normalen Betrieb nach einer Kommutierungsdauer von 12 erreicht wird (in Abb.2 ist die bei nor malem Betrieb auftretende Kommutierungs- fläche stark umrahmt).' Durch Einfügen der dritten Harmonischen beiss - 5 wird bei gleicher Sprungspannung die Kommutierungs- fläche gegenüber dem normalen Betrieb um das Vierfache vergrössert. Diese Vergrösse rungszahl soll mit n bezeichnet werden.
Abb. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen Anode und Kathode einer Entladungsstrecke, und zwar sowohl ohne Zusatzspannung (Kurve e,po), wie mit einer dritten Harmonischen (Kurve e$pn bezw. e'apm). Die Kurve espen gilt nur für eine bestimmte Belastung. Sie verläuft in ihrem letzten Teil genau wie die Kurve e'spm, und zwar um so früher, je geringer die Belastung, d. h. je kürzer die Kommutierungsdauer ist.
Die Kurven der Abb. 3 sind aus denen der Abb. 2 entnommen, und zwar stellen sie jeweils die Differenz der beiden Phasenspannungen dar, durch welche die Entladungsstrecke bean sprucht wird, bezw. im Bereich der bren nenden Entladung die Brennspannung, die jedoch' gegenüber den andern Spannungs grössen vernachlässigt werden kann. (In der gleichen Weise sind auch die später zu be sprechende Abb. 5 bezw. 8 aus den Abb. 4 bezw. 7 gewonnen).
Ein Vergleich der Kurve e,p. und eepo zeigt, dass vor dein Entladungs einsatz in einem Gebiet von etwa 10 e1. die Spannung espen nicht steiler verläuft als die Spannung e$,.. Es können somit durch die Einfügung der Zusatzspannung keine zu sätzlichen Einschaltschwierigkeiten entstehen. Wie aus Abb. 2 und 3 hervorgeht, ist die eigentliche, d. h. theoretische Brenndauer der Entladungsstrecke 60 e1., an die sich eine Kommutierungsdauer von 35 e1. für den betrachteten Belastungsfall anschliesst.
Am Schluss der Kommutierungsdauer springt die Spannung espen um den Wert der tatsäch lichen Sprungspannung U$_ auf den durch die Differenzkurve e'gpm bestimmten Wert.
Im betrachteten Ausführungsbeispiel ergibt sich eine Sprungspannung von etwa ein Drittel der zulässigen Sprungspannung U".. Während der auf das Kommutierungsende folgenden 23 e1. Grade bleibt die Beanspru chung der Entladungsstrecke unter dem Wert der zulässigen Sprungspannung U,.. Diese ganze Zeit steht also zur Abschaltung des Synchrontrenners zur Verfügung, so dass eine sehr exakte Betätigung des Synchrontrenners, wie sie bei einem Betrieb ohne Zusatzspan nung gewährleistet sein muss, nicht not wendig ist.
Je nach der Belastung, d. h. der Kommutierungadauer "springt" die Spannung eöPn früher oder später auf den durch die Kurve e',Pn bestimmten Wert. Die Kurve e',P. lässt also erkennen, wie sich die Grösse der Sprungspannung U,_ mit der Belastung ändert.
Bei der Anwendung des Erfindungsge- dankens ergeben sich nun noch verschiedene Gesichtspunkte, auf die nachstehend kurz eingegangen werden soll.
Zunächst kann man eine Vergrösserung der für die Kommutierung zur Verfügung stehenden Fläche erreichen, wenn man die Grösse oder Phase der Zusatzspannung regelt. Aus Abb. 4 ist beispielsweise die Arbeits weise zu ersehen, wenn man eine Phasen verschiebung ss - 10 zugrunde legt. Man erreicht dann eine 9,4-facbe Vergrösserung der Fläche gegenüber dem Betrieb ohne Zu satzspannung, wobei auch in diesem Falle für Betrieb ohne Zusatzspannung eine Kom- rnutierungsdauer von 12 und eine zulässige Sprungspannung U,. z ugrunde gelegt ist.
Behält man das Amplitudenverhältnis von Harmonischer zu Grundwelle mit 1:5 bei, so ist beiss = 10 die Grenze erreicht; bei der gerade noch sämtliche Werte von e,pm bezw. e',Pm innerhalb des ganzen in Frage kommenden Kommutierungsbereiches kleiner als U,. sind (vergl. Abb. 5). Der Flächen vergrösserungsfaktor n ist für das Verhältnis 1 : 5 in Abhängigkeit von R in Abb. 6 der Zeichnung angegeben.
Ferner lässt sich durch Berechnungen und Versuche zeigen, dass gleichzeitig eine strom abhängige Regelung eintritt, und zwar in der Richtung, dass mit steigender Belastung e,P. kleiner wird und erst in einer späteren Phasenlage der noch zulässige Wert U,. er reicht wird.
Im Gegensatz zum Betrieb ohne Zusatzspannung, wo mit steigender Belastung auch die Sprungspannung und damit auch die Rückzündungsgefahr steigt, ergibt sich also bei Betrieb mit Zusatzspannung eine steigende Entlastung hinsichtlich der Sprung- spannung und somit eine Verringerung der Rückzündungsgefahr. Naturgemäss ist der Erfindungsgedanke auch bei Wechselrichtern anwendbar, nur muss die Phasenverschiebung R voreilend ge wählt werden.
In Abb. 7 der Zeichnung sind die einzelnen Spannungsverläufe für Grund welle und Harmonische dargestellt; in Abb. 8 der Verlauf der Sprungspannungen bei Be trieb mit und ohne Zusatzspannung. Wie beim Gleichrichterbetrieb, so braucht man auch beim Wechselrichterbetrieb keine hoben Anforderungen an die Scbaltgenauigkeit der Trennkontakte - im Gegensatz zum Betrieb ohne Zusatzspannung - zu stellen.
Wie bereits eingangs angedeutet wurde, ist man hinsichtlich der Zusatzspannung nicht auf eine sinusförmige Wechselspannung an gewiesen. Vorteilhaft kann man auch ehre dreieckförmige Wechselspannung verwenden. Die Erzeugung einer solchen Kurvenform mittelst besonderer Generatoren ist nicht zweckmässig. Besser ist es, an die Klemmen des Zwischenphasentransformators Z gon- densatorerr zu schalten.
Kann mau im Be trieb mit ziemlich konstanten Belastungs verhältnissen rechnen, so wird man den Kon densator derart bemessen, dass die Kom- mutierung 30 vor dem Schnittpunkt der beiden Phasenspannungen beginnt. Das ist der günstigste Betrieb. Man kann auch, bei spielsweise bei kleinen Lastschwankungen 10 von dieser Lage abweichen. Grössere Abweichungen sind unerwünscht, und es empfiehlt sich daher, insbesondere bei Be trieb mit stark schwankender Belastung, die Grösse des Kondensators lastabhängig einzu stellen.
Das Drehstromnetz wird bei Einfügung von Zusatzspannungen im Sinne vorliegender Erfindung im Gleichrichterbetrieb schwach kapazitiv oder mit einem Leistungsfaktor praktisch gleich 1 belastet. Bei Wechsel richterbetrieb kann auch in einem gewissen Umfang induktive Blindlast geliefert werden.
Arrangement for commutation in rectifiers or inverters that work with grid-controlled vapor or gas discharge paths and synchronous isolators. Rectifiers or inverters that work with grid-controlled vapor or gas discharge paths and synchronous isolators have already been proposed for energy transmission with high-voltage direct current.
These synchronous isolators are synchronously operated isolating sections in the discharge circuits and serve to subdivide the voltage during the blocking time d. Ir. they have the task of absorbing most of the reverse voltage. The synchronous isolator should relieve the voltage on the discharge path as soon as possible after the end of the commutation.
The discharge path is therefore only claimed in the time from the end point of commutation to the switching of the isolating contacts, i.e. only a short time with respect to the period of the alternating current network, to reverse voltage, which is referred to below as jump voltage. The step voltage itself is determined by the commutation duration, the length of which is prescribed by the size of the current to be commutated and the transformer's scatter. If we assume a commutation time of around 12 o as an example, the multiplication factor f = 10 in the six-phase star connection.
This multiplication factor f is used below to denote the ratio of the largest reverse voltage occurring in normal operation to the voltage stress of the discharge path when operated with a synchronous isolator. The leakage reactance of the transformer may only be S / o, for a 100 kV transformer a value that can only be achieved through considerable oversizing.
The advantages of the synchronous separator can only really be exploited if it is possible to reduce the jump voltage. For the purposes of the present invention, an additional alternating voltage influencing the commutation process is provided with a frequency equal to a multiple of the frequency of the alternating current network and such a size and phase that the step voltage occurring after commutation on the deleted discharge path is <I> smaller </I> remains as the reverse voltage permissible for the discharge path and is kept approximately constant for all load cases.
In Fig. 1 of the drawing, an exemplary embodiment of the invention is shown. The six-phase winding of the main transformer T of a rectifier system through which the discharge currents flow is divided into two phase-shifted, three-phase star windings 8i and S2.
In the context of the present invention, an alternating voltage generated by an auxiliary generator H and fed to the intermediate phase transformer Z is switched between the star points at three times the frequency: The discharge paths _E work together with the synchronous separator for 60 times, as is the case with any normal six-phase circuit is known. In the case of circuits in different phases, other conditions naturally apply. So the sixth harmonic comes into question for twelve-phase circuits.
-An example of the insertion of a voltage of three times the frequency, the peak value of which is 20 / o of that of the phase voltage, is shown in Fig. 2. The harmonic e3 rushes the fundamental e'g respectively. e ",. by the angle (3, which is 5 in Fig. 2. The hatched area is available for commutation.
The right limit is given by the permissible step voltage, which is reached in normal operation after a commutation period of 12 (in Fig. 2, the commutation area occurring in normal operation is heavily framed). By inserting the third harmonic beiss - 5, the commutation area is four times larger than normal operation with the same step voltage. This magnification number should be denoted by n.
Fig. 3 shows the time curve of the voltage between anode and cathode of a discharge path, both without additional voltage (curve e, po) and with a third harmonic (curve e $ pn and e'apm). The aspen curve only applies to a specific load. In its last part it runs exactly like the curve e'spm, namely the earlier the lower the load, i.e. the lower the load. H. the shorter the commutation time.
The curves of Fig. 3 are taken from those of Fig. 2, and that they each represent the difference between the two phase voltages through which the discharge path is claimed, respectively. in the area of the burning discharge the burning voltage, which however 'can be neglected compared to the other voltage variables. (Fig. 5 and 8, which will be discussed later, are obtained in the same way from Figs. 4 and 7, respectively).
A comparison of the curve e, p. and eepo shows that before your discharge use in an area of about 10 e1. the voltage espen does not run any steeper than the voltage e $, .. There can therefore be no additional switch-on difficulties due to the insertion of the additional voltage. As can be seen from Fig. 2 and 3, the actual, i.e. H. theoretical burning time of the discharge path 60 e1., to which a commutation time of 35 e1. for the load case under consideration.
At the end of the commutation period, the voltage espen jumps by the value of the actual step voltage U $ _ to the value determined by the difference curve e'gpm.
In the exemplary embodiment under consideration, the result is a step voltage of about one third of the permissible step voltage U ". During the 23 e1 degrees following the end of the commutation, the stress on the discharge path remains below the value of the permissible step voltage U, .. All this time is therefore available Disconnection of the synchronous separator available, so that a very precise actuation of the synchronous separator, as must be guaranteed when operating without additional voltage, is not necessary.
Depending on the load, i. H. the commutation duration, the voltage eöPn "jumps" sooner or later to the value determined by the curve e ', Pn. The curve e ', P. thus shows how the size of the step voltage U, _ changes with the load.
When applying the inventive concept, there are still various aspects that will be discussed briefly below.
First of all, the area available for commutation can be increased by regulating the size or phase of the additional voltage. From Fig. 4, for example, the working method can be seen if a phase shift ss - 10 is used. A 9.4-fold enlargement of the area is then achieved compared to operation without additional voltage, with a commutation time of 12 and a permissible step voltage U 1 for operation without additional voltage. is the basis.
If the amplitude ratio of harmonic to fundamental wave is kept at 1: 5, the limit is reached at = 10; in which all values of e, pm and e ', Pm less than U, within the entire commutation range in question. are (see Fig. 5). The area enlargement factor n is given for the ratio 1: 5 depending on R in Fig. 6 of the drawing.
Furthermore, it can be shown by calculations and tests that a current-dependent regulation occurs at the same time, namely in the direction that with increasing load e, P. becomes smaller and only in a later phase position the still permissible value U,. he is enough.
In contrast to operation without additional voltage, where the step voltage and thus the risk of re-ignition also increase with increasing load, operation with additional voltage results in increasing relief with regard to the step voltage and thus a reduction in the risk of re-ignition. Naturally, the concept of the invention can also be used with inverters, only the phase shift R must be selected in advance.
In Fig. 7 of the drawing, the individual voltage curves for fundamental waves and harmonics are shown; Fig. 8 shows the course of the jump voltages when operated with and without additional voltage. As with rectifier operation, there is no need to make any high demands on the switching accuracy of the isolating contacts in inverter operation - in contrast to operation without additional voltage.
As already indicated at the beginning, one is not dependent on a sinusoidal alternating voltage with regard to the additional voltage. It is also advantageous to use a triangular alternating voltage. Generating such a curve by means of special generators is not practical. It is better to connect capacitorerr to the terminals of the interphase transformer Z.
If you can expect fairly constant load conditions during operation, the capacitor will be dimensioned in such a way that the commutation 30 begins before the point of intersection of the two phase voltages. This is the cheapest company. One can also deviate from this position, for example with small load fluctuations 10. Larger deviations are undesirable, and it is therefore advisable, especially when operating with heavily fluctuating loads, to set the size of the capacitor as a function of the load.
When additional voltages are added in the sense of the present invention, the three-phase network is subjected to a weak capacitive load or a power factor practically equal to 1 in rectifier operation. With inverter operation, inductive reactive load can also be supplied to a certain extent.