CH621440A5

CH621440A5 - Balancing device for a three-phase power system

Info

Publication number: CH621440A5
Application number: CH1576377A
Authority: CH
Inventors: Gottfried Prof Moeltgen
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1981-01-30
Also published as: DE2713073B2; DE2713073A1; SE7803176L; DE2713073C3; JPS53118747A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit einem selbstgeführten Stromrichter, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist.

Eine solche Symmetrierungseinrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 247 819 bekannt. Diese Symmetrierungseinrichtung beruht auf folgender Überlegung: Das von einem unsymmetrischen Verbraucher im Drehstromnetz hervorgerufene Stromsystem lässt sich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Durch Einspeisung eines entsprechenden Gegen-stromsystems in das Drehstromnetz lässt sich der Verbraucher symmetrieren, indem der als Unsymmetrieleistung bekannte Anteil der Scheinleistung, der keinen Wirkanteil hat, aufgebracht ist.

Die bekannte Symmetrierungseinrichtung benutzt zur Lieferung des Gegenstromsystems einen selbstgeführten Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen in Drehstrombrückenschal-tung, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist. Dieser Wechselrichter wiederum bezieht seinen Gleichstrom über eine Glättungsdrossel aus einem Gleichrichter, der ebenfalls steuerbare Ventile in Drehstrombrückenschaltung besitzt und über einen Netztransformator an das Drehstromnetz angeschlossen ist.

Es hat sich gezeigt, dass der Aufwand bei dieser bekannten Symmetrierungseinrichtung recht gross ist; denn die Netzwechselspannung des Drehstromnetzes wirkt auf die Gleichstromseite des Wechselrichters in der Weise zurück, dass dort

- bei eine Übersetzung des Drehstromtransformators von 1:1

- Spannungswerte vom Doppelten der Leiterspannung des Drehstromnetzes auftreten. Die Zwischenkreisspannung enthält einen hohen Wechselanteil von doppelter Netzfrequenz. Das hat eine hohe Beanspruchung der Ventile des Wechselrichters zur Folge und macht eine sehr grosse Induktivität der Glättungsdrossel erforderlich. Diese grosse Induktivität wiederum verlangt einen grossen Steuerbereich des Gleichrichters, wenn der eingeprägte Gleichstrom rasch geändert werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Symmetrierungseinrichtung den Gesamtaufwand zu verringern. Insbesondere soll erreicht werden, dass eine Glättungsdrossel und ein Gleichrichter jeweils kleiner Auslegung zum Einstellen des eingeprägten Gleichstroms ausreichen, so dass die Verluste gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen den selbstgeführten Stromrichter und das Drehstromnetz als Drehstromtransformator ein über einen Synchronmotor angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator geschaltet ist, und dass die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter in den Läufer des Drehfeldtransformators eingespeisten Stromes des Stromgegensystems gleich dem Doppelten der Netzfrequenz ist.

Der rotierende Drehfeldtransformator kann insbesondere in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt und von einer an dasselbe Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmaschine angetrieben sein. Die Eigenschaften des rotierenden Drehfeldtransformators sind bespielsweise in dem Buch «Elektrische Maschinen» von Th. Bödefeld und H. Sequenz, 1971, Springer-Verlag, Wien, New York, 8. Aufl., Seiten 202-203 beschrieben.

Häufig ist bei einem Verbraucher neben der Symmetrierungseinrichtung gleichzeitig auch eine Einrichtung zur Blindleistungskompensation vorhanden, die einen rotierenden Phasenschieber umfasst. Dieser ohnehin vorhandene Phasenschieber kann nach einer Weiterbildung der Erfindung gleichzeitig auch zum Antrieb des Drehfeldtransformators verwendet werden. Dadurch kann eine besondere Synchronmaschine eingespart werden.

Der rotierende Drehfeldtransformator überträgt im vorliegenden Fall selbst keine Wirklast, läuft also praktisch leer und erfordert zum Antrieb nur ein Antriebsaggregat kleiner Leistung, also zum Beispiel nur einen kleinen Synchronmotor. Ist nach Anschluss des Ständers des netzsynchron rotierenden Drehfeldtransformators an das Drehstromnetz das Ständerdrehfeld so gerichtet, dass die Läuferfrequenz Null ist, so ist der Drehfeldtransformator für das Drehstromnetz ohne Wirkung, das heisst an den Läuferklemmen entsteht durch die Netzspannung keine Spannung, die sich dem Wechselrichter mitteilen könnte. Wird bei dieser der Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl in den Läufer ein Strom mit der doppelten Netzfrequenz (zum Beispiel mit 100 Hz) bei vertauschter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Ständerseite als das gewünschte Gegenstromsystem mit einfacher Netzfrequenz (zum Beispiel 50 Hz).

Die Läuferwicklung des Drehfeldtransformators muss für eine Spannung isoliert sein, die sich aus der für das Gegenstromsystem wirksamen Induktivität einschliesslich derjenigen des Drehfeldtransformators und der maximalen Stromänderungsgeschwindigkeit des Wechselrichterstroms ergibt. Diese Stromänderungsgeschwindigkeit kann gering gehalten werden durch verhältnismässig grosse Löschkondensatoren im Wechselrichter. Eine grosse Kommutierungsdauer ist nicht nachteilig, weil keine Energieübertragung stattfindet. Die Spannung im Gleichstromkreis erreicht dann nur noch niedrige Werte und ist - bei einer Wechselspannung mit doppelter Netzfrequenz - im übrigen zum Beispiel sechspulsig, so dass eine kleine Glättungsdrossel und ein kleiner Gleichrichter zum Einstellen des Gleichstroms ausreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur erläutert.

Nach der Figur speist ein Drehstromnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen unsymmetrischen Verbraucher 4 mit einer

2

5

10

15

20

25

30

35

40

4-5

50

55

60

6")

3

Wechselspannung der Netzfrequenz f. Der Verbraucher 4 ist hier eine einphasige Last, zum Beispiel ein Lichtbogenschmelzofen. Weiterhin ist an das Drehstromnetz 3 eine ruhende Symmetrierungseinrichtung 10 angeschlossen. Diese Symmetrierungseinrichtung 10 sorgt für die Zufuhr der benö- 5 tigten Unsymmetrieleistung auf elektronischem Wege.

Die Symmetrierungseinrichtung 10 umfasst einen selbstgeführten Stromrichter 11, der über eine Glättungsdrossel 12 mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist wird. Der selbstgeführte Stromrichter 11 ist mit doppelter Netzfrequenz 2f getaktet und arbeitet als Wechselrichter. Die wechselspannungsseitigen Anschlussklemmen sind mit u, v, w bezeichnet. Er ist mit zwei vertauschten Phasenleitungen über einen mit netzsynchroner Drehzahl rotierenden Drehfeldtransformator 50 an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Dadurch ist er in der Lage, je nach ' 5 der Höhe des eingeprägten Gleichstroms und der zeitlichen Lage seiner Steuerimpulse zi 1 ein beliebig einstellbares symmetrisches Stromsystem mit einem zur Phasenfolge des Drehstromnetzes 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein Gegenstromsystem abzugeben, wie es zur Symmetrierung des -'<> einphasigen Verbrauchers 4 benötigt wird. Der Drehfeldtransformator 50 ist in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt.

Im einzelnen ist aus der Figur ersichtlich, dass der Ständer 51 des Drehfeldtransformators 50 direkt an das Drehstrom- r> netz 3 angeschlossen ist. Der Läufer 52 ist ebenfalls direkt mit den wechselspannungsseitigen Klemmen u, v, w des Stromrichters 11 verbunden; allerdings sind hier die Anschlüsse für die Klemmen v und w vertauscht. Der Läufer 52 wird mit netzsynchroner Drehzahl gedreht. Zum Antrieb ist eine besondere so Synchronmaschine 53 vorgesehen, die aus dem Drehstromnetz 3 gespeist wird. Da der Drehfeldtransformator 50 keine Wirklast überträgt, also praktisch leerläuft, erfordert er zum Antrieb eine nur klein bemessene Synchronmaschine 53. Abweichend hiervon kann, falls am Drehstromnetz 3 gleichzei- 1-tig ein (nicht gezeigter) rotierender Phasenschieber arbeitet, dessen Synchronmaschine zum Antrieb des Drehfeldtransformators 50 vorgesehen sein.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 enthält gesteuerte Hauptventile 21 bis 26 in Drehstrombrückenschaltung. Insbe-sondere können Thyristoren vorgesehen sein. Für die Hauptventile 21 bis 26 wird eine an sich bekannte Kommutierungseinrichtung für Phasenfolgelöschung verwendet. Diese enthält für jede Brückenhälfte einen Kommutierungskondensator 27a, 28a, 29a bzw. 27b, 28b, 29b sowie in Reihe mit jeweils einem der <"■

621440

gesteuerten Hauptventile 21 bis 26 je ein ungesteuertes Kommutierungsventil 31 bis 36. Die Kommutierungskondensatoren 28a bis 29b sind jeweils zwischen Hauptventil und zugehörigem Kommutierungsventil angeschlossen. Der selbstgeführte Stromrichter 11 wird sechspulsig betrieben (Pulszahl p = 6).

Die Glättungsdrossel 12 am Eingang des selbstgeführten Stromrichters 11 sorgt dafür, dass der speisende Gleichstrom eingeprägt ist.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 bezieht den eingeprägten Gleichstrom aus einem üblichen netzgeführten Stromrichter 13 in grundsätzlich beliebiger Schaltung. Der Stromrichter 13 ist über einen Netztransformator 17 ebenfalls an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Als netzgeführter Stromrichter 13 wird hier ein solcher mit gesteuerten Hauptventilen 41 bis 46 in Drehstrombrückenschaltung verwendet. Der Stromrichter 13 wird mit Hilfe von Steuerimpulsen zl3 sechspulsig betrieben (Pulszahl p = 6).

Zum Betrieb der Symmetrierungseinrichtung 10 ist folgendes zu sagen: Zunächst wird der vom Drehstromnetz 3 abgeschaltete Drehfeldtransformator 51 durch die Synchronmaschine 53 auf netzsynchrone Drehzahl hochgefahren. Danach wird der Ständer 51 an das Drehstromnetz 3 angeschaltet. Ist nach diesem Anschluss des Ständers 51 an das Drehstromnetz 3 das Ständerdrehfeld des Drehfeldtransformators 50 entsprechend gerichtet, so ist die Läuferfrequenz Null. In diesem Fall ist der Drehfeldtransformator 50 für das Drehstromnetz 3 ohne Wirkung, das heisst an den Klemmen des Läufers 52 entsteht durch die Netzwechselspannung keine transformatorische Spannung, die an den selbstgeführten Stromrichter 11 weitergeleitet werden könnte. Wird nun bei der netzsynchronen Drehzahl vom eingeschalteten Stromrichter 11 in den Läufer 52 Strom mit der doppelten Netzfrequenz 2f bei verkehrter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Seite des Ständers 51 als das gewünschte Gegensystem mit der einfachen Netzfrequenz f.

Da an den Klemmen des Läufers 52 keine transformatorische Spannung auftritt, ist der Höchstwert der Spannung im Gleichstromkreis nicht mehr durch die Höhe der Netzwechsel-spannung bestimmt. Die Spannung im Gleichstromkreis ist nur bestimmt durch die Höhe des vom Gleichrichter 13 zu liefernden Gleichstroms und die für das Stromgegensystem massgeblichen Impedanzen. Daher reichen ein klein dimensionierter Gleichrichter 13 und eine klein bemessene Glättungsdrossel 12 zum Einstellen des Gleichstroms aus.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims

621440 PATENTANSPRÜCHE

1. Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit einem selbstgeführten Stromrichter, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den selbstgeführten Stromrichter ( 11 ) und das Drehstromnetz (3) als Drehstromtransformator ein über einen Synchronmotor (53) angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator (50) geschaltet ist, und dass die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter (11) in den Läufer (52) des Drehfeldtransformators (50) eingespeisten Stromes des Stromgegensystems gleich dem Doppelten (2f) der Netzfrequenz (f) ist.

2. Symmetrierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehfeldtransformator (50) die Bauweise einer Schleifringläufermaschine besitzt.

3. Symmetrierungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zum netzsynchronen Antrieb des Drehfeldtransformators (50) vorgesehene Synchronmotor (53) ein rotierender Phasenschieber ist.