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Verfahren zur Erreichung eines transformatorähnlichen Wirkleistungsverhaltens
eines frequenzelastischen Umrichters Es sind verschiedene Verfahren zur frequenzelastischen
Umformung von Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer anderen Frequenz
- z. B. Speisung eines mit 162/a Hz betriebenen Einphasen-Bahnnetzes aus einem mit
50 Hz betriebenen Drehstromnetz - mit Hilfe von gesteuerten Entladungsgefäßen (Umrichtern)
bekannt. Derartige frequenzelastische Umrichter dienen vornehmlich zur Kupplung
zweier leistungsstarker Netze, die in ihrem Frequenzverhalten voneinander unabhängig
sind. Es ist auch bekannt, daß bei frequenzelastischen Umrichtern durch Verschieben
der Phasenlage der vom Umrichter gebildeten Einphasenspannung gegenüber der Phasenlage
der EMK des Einphasennetzes die vom Umrichter übertragene Wirkleistung nach Größe
und Richtung bestimmt werden kann. So bedeutet eine Voreilung des Zeitvektors der
Umrichterspannung gegenüber dem Zeitvektor der Netz-EMK Wirkleistungslieferung des
Umrichters in das Einphasennetz und umgekehrt bedeutet eine Nacheilung einen Wirkleistungsbezug
aus dem Einphasennetz, d. h. Wirkleistungslieferung in das Drehstromnetz. Ein frequenzelastischer
Umrichter hat also natürlicherweise ein Wirkleistungsverhalten, das dem eines Generators
ähnlich ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erreichung eines
transformatorähnlichen Wirkleistungsverhaltens für einen frequenzelastischen Umrichter,
der zur Kupplung eines Dreiphasen- und eines Einphasennetzes dient und mit Einphasentransformatoren
parallel arbeitet. Dabei wird die Wirkleistungsabgabe an eines der Netze ausschließlich
durch die Verbraucher dieses Netzes bestimmt. Dieses Verfahren hat besondere Bedeutung
bei der Einspeisung einzelner Umrichter in ein vorhandenes -leistungsstarkes Einphasen-Bahnnetz,
wenn die Umrichter zur direkten Fahrdrahtversorgung eingesetzt sind und ein Parallelbetrieb
mit Transformatorunterwerken des Einphasen-Bahnnetzes vorliegt, wobei die Parallelschaltung
von Umrichtern undTransformatoren sowohl direkt, bei Einsatz im gleichen Unterwerk,
wie auch in getrennten Unterwerken unter Zwischenschaltung der Fahrdrahtimpedanz
erfolgen kann. Unter transformatorähnlichem Wirkleistungsverhalten wird dabei verstanden,
daß die Wirkleistungsahgabe des Umrichters, wie es bei einem Transformator natürlicherweise
der Fall ist, durch die Bedürfnisse des Bahnbetriebes bestimmt ist. Bei direktem
Parallelbetrieb soll dabei die prozentuale Belastung von Umrichter und Transformator
gleich sein, bei Einsatz in getrennten Unterwerken soll dagegen die Lastverteilung
etwa umgekehrt proportional dem Verhältnis der zwischen dem Verbraucher und den
Speisepunkten liegenden Fahrdrahtimpedanzen erfolgen. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse
beim Parallelbetrieb zweier Unterwerke unter Zwischenschaltung einer Fahrdrahtimpedanz
soll Fig. 1 dienen.
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Zwei Transformatoren A und B liegen am gleichen Primärnetz
Ui, dessen Reaktanzen vernachlässigt werden sollen. Die Primärspannung beider Transformatoren
ist also nach Betrag und Phase gleich. Über den Fahrdraht sind die Transformatoren
sekundärseitig parallel geschaltet und speisen beide den Verbraucher Zv, wobei der
TransformatorA über die Fahrleitungsimpedanz ZA, der Transformator B über
die Fahrleitungsimpedanz ZB einspeist. Die Verbraucherspannung UV ist wieder
für beideTransformatoren gemeinsam. In Fig. 1 sind die vereinfachten Zeigerdiagramme
für beideTransformatoren wiedergegeben. Der Phasenwinkel zwischen Ui und
UV muß nach dem Vorhergesagten für beide Transformatoren gleich sein. Die
zwei Transformatorsekundärspannungen UA bzw. UB liegen dagegen nach Maßgabe der
Impedanzen zwischen Ui und UV. Ist z. B. die Fahrleitungsimpedanz ZA Null,
so fällt UA mit Uv zusammen, ist dagegen die Belastung des Transformators A Null,
so deckt sich UA mit Ui. Der Winkel zwischen Ui und UA ist ein Maß für die Belastung
des Transformators A. Bei dem in Fig. 1 gewählten Beispiel ist ZA klein, da sich
der Verbraucher in der Nähe des Unterwerkes mit dem Transformator A befinden soll.
Die Verbraucher-Spannung UV eilt daher der Transformatorsekundärspannung
UA nur um einen kleinen Winkel nach. Zwischen UA und Ui ist dagegen eine große Phasenverschiebung,
entsprechend einer hohen
Transformatorbelastung. Umgekehrt speist
der Transformator B den Verbraucher über einen hohen Fahrdrahtwiderstand
ZB; zwischen UV und UB tritt daher eine große Phasenverschiebung auf.
Der Phasenwinkel zwischen UB und U1 kann dann nur noch klein sein, das entspricht
einer geringen Belastung des Transformators B.
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Die Verhältnisse liegen anders, wenn die Kupplung beider Transformatoren
auf der Primärseite fehlt und man sich statt dessen die Primärspannung z. B. des
Transformators B durch eine besondere Einrichtung so gesteuert denkt, daß sie stets
in Phase mit der Fahrdrahtspannung im Anschlußpunkt des Transformators B ist. Dann
ist keine Wirkbelastung des Transformators B denkbar, denn es kann kein Phasenwinkel
zwischen U1 und BB auftreten. Lediglich eine rein.-Blindstromübertragung wäre möglich,
weil dann die inneren Transformatorspannungsabfälle der Primärspannung entgegengerichtet
sind, so daß die Sekundärspannung die gleiche Phasenlage wie die Primärspannung
hat, nur in der Amplitude gegenüber Leerlauf kleiner ist.
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Genau so verhält sich auch ein frequenzelastischer Umrichter, bei
dem die Phasenlage der von ihm gebildeten Einphasenspannung durch eine Steuerspannung
bestimmt wird, die dem Einphasennetz an der Anschlußstelle des Umrichters entnommen
wird; denn auch bei einem Umrichter findet bei Belastung eine Nacheilung der Ausgangsspannung
gegenüber der Phasenlage der Spannung bei Leerlauf statt. Wenn nun auf Grund einer
solchen Gleichlaufsteuerung U1 und UB
erzwungenermaßen immer in Phase sind,
ist eine Wirklastabgabe desUmrichters tatsächlich nicht möglich. Die bisher bekanntgewordenen
Verfahren zur Steuerung von frequenzelastischen Umrichtern sehen daher die künstliche
Vordrehung des Zeitvektors der Umrichterausgangsspannung gegenüber dem Zeitvektor
der Netz-EMK durch willkürlichen Eingriff von Hand oder durch Regler vor, um damit
die Wirklastabgabe zu erzwingen.
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Hierdurch erreicht man ein Verhalten entsprechend einem Generator,
bei dem die elektrische Leistungsabgabe durch eine Regelung der zugeführten mechanischen
Leistung bestimmt ist, jedoch praktisch unbeeinfiußt ist durch den Leistungsbedarf
der Verbraucher.
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Um für einen elastischen Umrichter ein transformatorähnliches Wirkleistungsverhalten
zu erreichen, wird nach der Erfindung durch die Anschlußweise der Umrichtersteuerung
die Phasenlage der vom Umrichter gebildeten Einphasenspannung durch die Phasenlage
der Primärsammelschienenspannung des Einphasennetzes und damit der Primärspannung
der parallel arbeitenden Einphasentransformatoren bestimmt, und zwar derart, daß
die zur Umrichtersteuerung erforderliche Information über die Phasenlage der Sammelschienenspannung
des Einphasennetzes in Form einer Hilfswechselspannung, die über eine Steuerleitung
oder eine sonstige Übertragungseinrichtung an den Umrichter herangeführt wird, erfolgt.
Es wird also eine Verbindung zur Sammelschiene des Einphasennetzes z. B. zur Primärspannung
eines benachbarten Einphasentransformator-Unterwerkes geschaffen, die der Kupplung
der Transformatoren in Fig. 1 über die leistungsstarke Hochspannungsleitung entspricht,
wobei hier jedoch die Zuführung einer Steuerspannung über eine Hilfsleitung genügt.
Auch ist eine drahtgebundene oder drahtlose -Übertragung von Signalen, die Frequenz
und Phasenlage der Sammelsehienenspannung des Einphasennetzes eindeutig festlegen,
möglich. Die so herangeführte Information bildet den Ausgangspunkt der Umrichtersteuerung.
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Eine derartige Anordnung der Parallelschaltung eines Transformatorunterwerkes
und eines Umrichterunterwerkes zeigt Fig.2. Das Transformatorunterwerk A ist durch
den Transformator 1 dargestellt, das Umrichterunterwerk B durch die wesentlichen
Bestandteile, den Transformator 2, die Gefäßgruppen 3 und die Steuereinrichtung
4. Letztere ist über eine Hilfsleitung und den Wandler 5 mit der Primärsammelschiene
des Transformatorunterwerkes mit der Spannung U1 verbunden.
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Damit ist nach entsprechendem Abgleich die Umrichter-Leerlaufspannung
in Phase mit der Primärsammelschienenspannung des benachbarten Unterwerkes und damit
auch mit der Transformator-Leerlaufspannung. Auch bei beliebiger Belastung von Umrichter
und Transformator bleiben die Primärspannungen beider Unterwerke in Phase, wobei
als »Primärspannung« des Umrichterunterwerkes die durch die Umrichtersteuerung bestimmte
Einphasenspannung verstanden werden muß. Somit ist die Voraussetzung für ein transformatorähnliches
Wirkleitungsverhalten des Umrichters entsprechend den Verhältnissen nach Fig.1 gegeben.
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Durch Einführung einer stromabhängigen Schwenkung der Steuerspannung
bzw. des Umsteuerbefehles läßt sich nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung
das Verhalten des Umrichters bei Belastung dem Verhalten der benachbarten Transformatoren
noch weiter angleichen. Man kann, mit anderen Worten, dem Unterwerk künstlich eine
bestimmte Kurzschlußspannung zuordnen. Eine solche Maßnahme ist besonders dann von
Bedeutung, wenn ein Umrichter und ein Transformator im gleichen Unterwerk aufgestellt
und direkt parallel geschaltet sind.
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Eine solche stromabhängige Schwenkung der Steuerspannung läßt sich
beispielsweise durch Einfügen einer Phasenschwenkbrücke erreichen, die aus Widerstand
und veränderlicher Induktivität einer Drossel besteht, wobei die Drossel durch einen
dem Belastungsstrom proportionalen Gleichstrom vormagnetisiert wird.