Verfahren zur Verbesserung des Leistungsfaktors und Verringerung der Stromwelligkeit in gesteuerten Stromrichteranlagen. Die vorliegende Erfindung kann bei An lage mit gesteuerten Stromrichtern jeder Art Verwendung finden, insbesondere bei solchen mit gas- oder dampfgefüllten Stromrichtern mit Gittersteuerung oder Steuerung durch Initialzündung oder bei solchen mit Licht- bogenstromriehtern nach Marx usw.
und be zweckt bei Regelung dieser ,Stromrichter eine Verbesserung des Leistungsfaktors und eine Verringerung der .Stromwelligkeit.
Bekanntlich ist die Regelung eines Strom richters durch Gittersteuerung oder die ent sprechenden Steuerverfahren mit dem grund sätzlichen Nachteil verbunden, dass der Lei stungsfaktor der Stromrichter proportional der Herabregelung der Spannung sinkt. In Fig.l sind die Zusammenhänge dargestellt unter der Annahme eines konstanten Gleich stromes und eines streuungslosen Transfor mators. Abszisse ist der Aussteuerungsgrad in 9o'. Aufgetragen sind in Kurve a der cos 9p und die diesem proportionale Gleich- Spannung E.
Man sieht, dass Leistungsfaktor und Gleichspannung proportional dem Aus steuerungsgrad absinken, das heisst um so kleiner werden, je weiter .Strom bezw. Span nung des Gleichrichters herabgeregelt wer den. Ferner sind eingetragen die Wirklei stung, für die ebenfalls die Kurve a gilt, sowie die Blindleistung in Kurve b.
Diese nimmt mit sinkender Aussteuerung immer mehr zu und erreicht bei der Aussteuerung 0 den Wert von 100 %, das heisst der Gleichrichter nimmt, da ja sein Gleichstrom als konstant angenommen wird, nunmehr 100 % Blindlei stung auf, statt <B>100</B> % Wirkleistung bei vol ler Aussteuerung. Der konstant angenommene Gleichstrom wird dabei dem Gleichrichter praktisch ohne Spannung entnommen. Die Blindleistungsaufnahme wirkt sich nicht nur in den Stromkosten aus, sondern kann auch ein technisches Hindernis sein, zum Beispiel wenn der Stromrichter sehr rasch geregelt wird.
Die dann stark schwankende Blindlast ruft im speisenden Drehstromnetz unange nehme Spannungsschwankungen hervor, die nicht durch Aufstellung einer Blindleistungs- erzeugungsanlage mit Kondensatoren behoben werden können und an den Stromerzeugern nicht ausgeregelt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Verbesserung des Leistungs faktors und zur Verringerung der Oberwellen in gesteuerten Stromrichteranlagen mit meh reren in Reihe geschalteten Gefässen, wobei erfindungsgemäss die Steuerung der Span nung bezw. des Stromes durch Beeinflussung nur eines Teils der in Reihe geschalteten Stromrichter vorgenommen wird.
In Fig. 2 sind 8, und S ., zwei Gleichrieli- ter, die mit ihren Transformatoren T, und T... in Reihe geschaltet sind und auf das Gleich stromnetz G arbeiten. Die Transformatoren sind auf der Oberspannungsseite parallel ge schaltet.
Die Anlage arbeitet wie folgt: Der Gleich richter S, wird zunächst nicht gesteuert und liefert also seine volle Gleichspannung von beispielsweise e, = 50 Volt. Wenn nun der Gleichrichter S., gleichfalls auf volle Gleich spannung (ey = 50 Volt) ausgesteuert wird, so beträgt die Gesamtspannung<I>e =</I> e, -I-- e..
50 -@ 50 = 100 Volt. Regelt man nun den Gleichrichter S. allmählich herunter, so wird bei der Aussteuerung 0 die Gleichspan nung e.. = 0. Die Gesamtspannung ist dann = 50 + 0 = 50 Volt; sie ist also um 50 herabgeregelt.
Betrachtet man nun die Blindlastverhäll- ni.sse, so ist gemäss F'ig. 3 bei e = 100 Volt der cos 99 = 1, da beide Gleichrichter voll ausgesteuert sind. Beie = 50 Volt ist die Blindleistung in S, immer noch Null. da S, voll ausgesteuert ist. Dagegen nimmt S.= jetzt. eine Blindleistung von 50 VA auf, da sein Strom konstant und sein cos rp = 0 geworden ist.
Die Wirkleistung von S, ist bei Strom von 1 Amp. 50 Watt und die von S, = 0, da e#, <I>= 0</I> ist. Es ist also für beide Gleich richter zusammen die Wirklast = 50 M, Taft und die Blindlast = 50 VA, das heisst der cos p = 0,707. Gegenüber einer normal ge- steuerten Gleicbriehteranlage nach Fig. 1 ist also eine Verminderung der Blindleistung von<B>86%</B> auf 50% , eine Verbesserung des cos (p von 0,5 auf 0,707 eingetreten.
Es ist nun auch bei dieser Schaltung mög- l,ali, die Gleichspannung noch weiter her unterzuregeln, wenn man den Zündwinkel noch weiter verzögert, das heisst den Strom richter S.= ,jetzt als Wechselrichter steuert. Ei, gibt dann eine negative Gleichspannung ab, die von der Spannung des immer noch als Gleichrichter mit voller Aussteuerung arbei tenden Gefässes S, zu subtrahieren ist.
@ Im Extremfall erhält man mit e, = -+- 50 Volt und e#,=-50 Volt die Gesamtspannung e=50-50=0 Volt, das heisst. man kann die Gesamtanlage bis auf die Gleichspannung Null regeln.
Betrachtet man wieder die Blindlastver- hältnisse, so ist, die Blindleistung des voll ausgesteuerten Gleichrichters S, = 0, die des voll ausgesteuerten (idealen) Wechselrichters S., ebenfalls 0. Während also beim entspre chenden normal geregelten Gleichrichter die Blindleistung bei der Spannung Null 100 VA beträgt, ist sie bei der Regelung naeb vor liegender Erfindung gleich Null.
Das ist nun besonders wertvoll, zum Beispiel für den Be trieb von Walzwerkmotoren, die beim An lassen bezw. Umsteuern bei der Spannung Null einen besonders hohen Strom aufneh- inen, der bei der bekannten Regelung der Gleichrichter eine hohe Blindleistungsauf.- iiahme ans dem Netz zur Folge hat.
Der Verlauf von cos 9p und Blindleistung bei einer der Erfindung entsprechenden An lage ist nach vorstehendem leicht zu ermit teln und in Fig. 3 eingetragen.
Das beschriebene Verfahren ist nun keine.s- wegs auf den als Beispiel behandelten Fall. wo die Gesamtanlage als Gleichrichter arbeitet, beschränkt. Man kann in sinngemässer Weise auch auf Wechselrichterbetrieb übergehen und eine stetige Regelung von e=e, -I- evon 0 bis --100 Volt Spannung erreichen.
Der Weg hierzu ist klar; man braucht nur einen der beiden Stromrichter, zum Beispiel wieder S'._, , zu regeln, und zwar von e2 = + 50 Volt (Gleichrichter) bis e2 = 50 Volt (Wechsel richter), während Sl konstant als Wechselrich ter mit voller Aussteuerung e2 =-50 Volt arbeitet. Man erhält dann an den Enden des Regelbereiches e = -50 - 50 =-100 Volt bezw. e =-50, -I- 50 = 0 Volt, womit der Anschluss an den Gleichrichterbetrieb gegeben ist.
Der Verlauf von Blindleistung und cos 9a ist ähnlich wie im Gleichrichterbetrieb.
Die Welligkeit des Gleichstromes der vön den beiden in Reihe geschalteten und nach vorstehenden Angaben gesteuerten Strom richter wird gegenüber den bekannten Steuer verfahren gleichfalls beträchtlich vermindert und ermöglicht somit eine entsprechende Ver kleinerung der Glättungsdrosselspulen. Auch auf der Drehstromseite tritt eine Verminde rung der Oberwellen ein, weil die beiden Stromrichter bei der Regulierung in der Phase gegeneinander verschoben werden und infolge der niedrigen Blindleistung der pri märe Netzstrom ohnehin kleiner wird, wenn die Aussteuerung sinkt.
Die beschriebene Reihenschaltung von zwei Stromrichtern hat auch hinsichtlich des Verhaltens bei Störungen eine Reihe von Vor teilen, von denen nur die grosse .Sicherheit gegen Rückströme aus dem Gleichstromnetz erwähnt sei. Bei einem einzigen in bekannter Weise gesteuerten Gefäss ist zum Beispiel jede Rückzündung mit einem Rückstrom aus dem Gleichstromnetz verbunden, wenn dieses eine Gegen-EMg besitzt. Bei der Reihen schaltung kann ein Rückstrom nur auftreten, wenn beide Gefässe gleichzeitig rückzünden, was sehr unwahrscheinlich ist.
Eine Stromrichteranlage gemäss der Er findung hat zwar den Nachteil eines schlech teren Wirkungsgrades, da der doppelte Licht- bogenverlust auftritt. Ein Ausgleich lässt sich aber erzielen, wenn man von der nachstehend beschriebenen Transformatorausführung Ge brauch macht. Bisher war angenommen, dass jeder Stromrichter seinen eigenen Transfor mator besitzt. Dann treten zum Beispiel bei der Herabregelung der Spannung auf Null (e = 50 - 50 = 0) in beiden Transformato- ren die vollen Verluste auf, da primär und sekundär der volle Strom fliesst.
Der aus dem Wechselstromnetz entnommene Strom ist da gegen Null (wenn man von den Verlusten absieht), da der Wechselrichter<B>8,</B> die vom Gleichrichter S, erzeugte Gleichstromleistung wieder gewinnt. Diese Rückgewinnung geht über die parallel geschalteten Primärklemmers der Transformatoren und deren Primärwick lungen vor sich.
Man kann nun die Verluste in. der Primärwicklung vermeiden, wenn man die beiden Stromrichter aus einem gemein samen Transformator speist, der nur eine Primärwicklung hat, mit der die beiden Sekundärwicklungen zur Speisung der Strom richter S1 und S verkettet sind. Die Rück gewinnung der Energie des Gleichrichters k9, durch den Wechselrichter S. geschieht dann unmittelbar über die Sekundärwicklungen, und in der Primärwicklung fliesst nur der Differenzstrom. Dieser nähert sich, wenn die Gleichspannung auf Null geregelt wird, eben falls dem Wert Null.
Die beschriebene Erfindung ist nun keines falls auf die Reihenschaltung von zwei Strom richtern beschränkt. Sie kann sinngemäss auch bei Reihenschaltung mehrerer Gefässe angewendet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung anzuwenden, wenn man bereits aus andern Gründen zwei oder mehr in. Reihe geschaltete Gefässe anwenden muss, zum Beispiel bei der Gleichstrom-Hochspannungs-graftüber- tragung.
F'ig. 4 zeigt eine derartige Anlage, bei der jede Phase des Drehstromnetzes BST einen ein- bezw. zweiphasigen Gleichrichter G, bis G, speist. Zu diesem Zweck sind die Primär wicklungen der Transformatoren T1 bis Tr, an die drei Phasen des Drehstromnetzes RST an geschlossen und die Sekundärwicklungen je weils an die Minusleitung bezw. an die Kathode des vorangehenden Gleichrichter gefässes einerseits und an die Anoden des nachfolgenden Gefässes anderseits.
Die Gleich richter G1 bis G3 bilden die Gruppe I, die Gleichrichter G4 bis G6 die Gruppe 1I. Die beiden Gruppen werden in Reihe geschaltet und gegebenenfalls wird der Mittelpunkt der Anlage zwischen Gefässen G3 und G., geerdet. Man kann nun die beiden Gruppen 1 und 11 entsprechend dem erfindungsgemässen Ver fahren regeln, indem man nur die Gitter der Gefässe G1 bis G, beeinflusst und die Gefässe G., bis GE mit voller Aussteuerung arbeiten lässt.
Falls nur eine Gruppe vorhanden ist. kann man gemäss der Erfindung nur eines oder zwei von den Gefässen beeinflussen und die andern bezw. das dritte mit voller Aus steuerung arbeiten lassen. Dabei entsteht allerdings eine unsymmetrische Belastung des Drehstromnetzes. Sind nun mehrere Gruppen von den in Reihe geschalteten Gefässen unter sich parallel geschaltet, so kann man von jeder Gruppe nur einzelne Gefässe steuern, diese jedoch so auswählen, dass keine ein phasige Last im Drehstromnetz auftritt.
Process for improving the power factor and reducing the current ripple in controlled power converter systems. The present invention can be used in systems with controlled converters of any type, in particular in those with gas or steam-filled converters with grid control or control by initial ignition or in those with arc current conductors according to Marx, etc.
and when regulating this, converter is intended to improve the power factor and reduce the current ripple.
As is known, the regulation of a converter by grid control or the corresponding control method is associated with the fundamental disadvantage that the power factor of the converter drops proportionally to the down regulation of the voltage. In Fig.l the relationships are shown assuming a constant direct current and a non-scattering transformer. The abscissa is the degree of modulation in 9o '. The cos 9p and the DC voltage E proportional to it are plotted in curve a.
You can see that the power factor and DC voltage drop proportionally to the degree of control, that is, the smaller the further .Strom respectively. The voltage of the rectifier can be reduced. Furthermore, the Wirklei capacity, for which curve a also applies, and the reactive power in curve b are entered.
This increases more and more with decreasing modulation and reaches a value of 100% at modulation 0, i.e. the rectifier now consumes 100% reactive power, since its direct current is assumed to be constant, instead of <B> 100 </ B >% Active power at full modulation. The constant assumed direct current is taken from the rectifier with practically no voltage. The reactive power consumption not only affects the electricity costs, but can also be a technical obstacle, for example if the converter is regulated very quickly.
The then strongly fluctuating reactive load causes unpleasant voltage fluctuations in the feeding three-phase network, which cannot be remedied by installing a reactive power generation system with capacitors and cannot be regulated at the power generators.
The invention now relates to a method for improving the performance factor and for reducing the harmonics in controlled converter systems with several vessels connected in series, whereby according to the invention the control of the voltage BEZW. of the current is made by influencing only part of the series-connected converters.
In Fig. 2 are 8, and S., Two DC directors, which are connected with their transformers T, and T ... in series and work on the direct current network G. The transformers are connected in parallel on the high-voltage side.
The system works as follows: The rectifier S is initially not controlled and therefore delivers its full DC voltage of, for example, e = 50 volts. If the rectifier S., is also controlled to full direct voltage (ey = 50 volts), the total voltage is <I> e = </I> e, -I-- e ..
50 - @ 50 = 100 volts. If you now regulate the rectifier S. gradually down, the DC voltage e .. = 0. The total voltage is then = 50 + 0 = 50 volts at level 0; So it's downgraded by 50.
If one now considers the reactive load ratios, according to FIG. 3 at e = 100 volts cos 99 = 1, since both rectifiers are fully controlled. At = 50 volts, the reactive power in S is still zero. because S, is fully controlled. In contrast, S. takes = now. a reactive power of 50 VA, since its current has become constant and its cos rp = 0.
The effective power of S, is 50 watts for a current of 1 amp and that of S, = 0, since e #, <I> = 0 </I>. So for both rectifiers together the active load = 50 M, Taft and the reactive load = 50 VA, i.e. cos p = 0.707. Compared with a normally controlled equalizing system according to FIG. 1, the reactive power has been reduced from 86% to 50%, and the cos (p from 0.5 to 0.707 has been improved.
With this circuit, too, it is now possible to reduce the direct voltage even further if the ignition angle is retarded even further, that is, the converter S = is now controlled as an inverter. Ei, then emits a negative DC voltage, which is to be subtracted from the voltage of the vessel S, which is still working as a rectifier with full modulation.
@ In the extreme case, with e, = - + - 50 volts and e #, = - 50 volts, you get the total voltage e = 50-50 = 0 volts, that is. the entire system can be regulated to zero DC voltage.
If one looks again at the reactive load ratios, the reactive power of the fully controlled rectifier S, = 0, that of the fully controlled (ideal) inverter S, is also 0. While with the corresponding normally regulated rectifier the reactive power is at zero voltage If 100 VA is, it is equal to zero in the control according to the present invention.
This is now particularly valuable, for example for the operation of rolling mill motors, which bezw when to let. Reversing at zero voltage draw a particularly high current which, with the known regulation of the rectifier, results in high reactive power consumption in the network.
The course of cos 9p and reactive power in a situation corresponding to the invention is easy to determine according to the above and entered in FIG.
The method described is now not a way of dealing with the case treated as an example. where the entire system works as a rectifier. You can also switch to inverter operation in a similar manner and achieve constant regulation of e = e, -I- evon 0 to --100 volts.
The way to do this is clear; you only need one of the two converters, for example again S '._, to regulate, from e2 = + 50 volts (rectifier) to e2 = 50 volts (inverter), while S1 is constant as an inverter with full modulation e2 = -50 volts works. You then get at the ends of the control range e = -50 - 50 = -100 volts respectively. e = -50, -I- 50 = 0 volts, with which the connection to the rectifier operation is given.
The course of reactive power and cos 9a is similar to that in rectifier operation.
The ripple of the direct current of the two series-connected and controlled according to the above converter is also considerably reduced compared to the known control method and thus enables a corresponding reduction of the smoothing reactors. There is also a reduction in harmonics on the three-phase current side, because the two converters are shifted in phase against each other during regulation and, due to the low reactive power, the primary mains current becomes smaller anyway when the modulation drops.
The series connection of two converters described also has a number of advantages with regard to the behavior in the event of faults, of which only the great .Safety against reverse currents from the DC network should be mentioned. In the case of a single vessel controlled in a known manner, for example, each flashback is connected to a return current from the direct current network if this has a counter-EMg. When connected in series, a reverse current can only occur if both vessels re-ignite at the same time, which is very unlikely.
A power converter system according to the invention has the disadvantage of poorer efficiency, since double the arc loss occurs. Compensation can be achieved, however, if the transformer design described below is used. Until now it was assumed that every converter has its own transformer. Then, for example, when the voltage is reduced to zero (e = 50 - 50 = 0), full losses occur in both transformers, since the full current flows primarily and secondarily.
The current drawn from the alternating current network is almost zero (if one disregards the losses), since the inverter <B> 8 </B> recovers the direct current power generated by the rectifier S. This recovery takes place via the parallel-connected primary terminal of the transformers and their primary windings.
The losses in the primary winding can now be avoided if the two converters are fed from a common transformer that has only one primary winding with which the two secondary windings for feeding the converters S1 and S are concatenated. The recovery of the energy of the rectifier k9 by the inverter S. then takes place directly via the secondary windings, and only the differential current flows in the primary winding. If the DC voltage is regulated to zero, this also approaches the value zero.
The invention described is now in no case limited to the series connection of two power converters. It can also be used analogously when several vessels are connected in series.
The invention can be used particularly advantageously when two or more vessels connected in series have to be used for other reasons, for example in direct current high-voltage graft transmission.
F'ig. 4 shows a system of this type in which each phase of the three-phase network BST has a one or two. two-phase rectifier G, to G, feeds. For this purpose, the primary windings of the transformers T1 to Tr are connected to the three phases of the three-phase network RST and the secondary windings each Weil to the negative line respectively. to the cathode of the preceding rectifier vessel on the one hand and to the anodes of the following vessel on the other.
The rectifiers G1 to G3 form the group I, the rectifiers G4 to G6 the group 1I. The two groups are connected in series and, if necessary, the center point of the system between vessels G3 and G. is earthed. The two groups 1 and 11 can now be controlled according to the inventive method by only influencing the grids of the vessels G1 to G and allowing the vessels G. to GE to operate at full control.
If there is only one group. you can influence only one or two of the vessels according to the invention and the other BEZW. let the third work with full control. However, this creates an asymmetrical load on the three-phase network. If several groups of the vessels connected in series are now connected in parallel, you can only control individual vessels from each group, but select these so that no phase load occurs in the three-phase network.