DE1102266B - Verfahren zur Erreichung eines transformatoraehnlichen Wirkleistungsverhaltens eines frequenzelastischen Umrichters - Google Patents

Verfahren zur Erreichung eines transformatoraehnlichen Wirkleistungsverhaltens eines frequenzelastischen Umrichters

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DE1102266B
DE1102266B DEB48311A DEB0048311A DE1102266B DE 1102266 B DE1102266 B DE 1102266B DE B48311 A DEB48311 A DE B48311A DE B0048311 A DEB0048311 A DE B0048311A DE 1102266 B DE1102266 B DE 1102266B
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DE
Germany
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converter
phase
transformer
voltage
parallel
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Application number
DEB48311A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Manfred Depenbrock
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BBC Brown Boveri France SA
Original Assignee
BBC Brown Boveri France SA
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/005Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases using discharge tubes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Erreichung eines transformatorähnlichen Wirkleistungsverhaltens für einen frequenzelastischen Umrichter, der zur Kupplung eines Dreiphasen- und eines Einphasennetzes dient und mit Einphasentransformatoren parallel arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anschlußweise der Umrichtersteuerung die Phasenlage der vom Umrichter gebildeten Einphasenspannung durch diePhasenlage derPrimärsammelschienenspannung des Einphasennetzes und damit der Primärspannung der parallel arbeitenden Einphasentransformatoren bestimmt wird, 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung des Umrichters erforderliche Information in Form von elektrischen Impulsen, drahtgebunden oder drahtlos zu derUmrichterstation übertragen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Parallelarbeit des Umrichters mit einem im gleichen Unterwerk befindlichen Transformator zusätzlich durch Einführung einer vom Umrichterstrom abhängigen Schwenkung der aus der Primärspannung des Transformators abgeleiteten Steuerspannung bzw. des Umsteuerbefehles das Verhalten des Umrichters bei Belastung dem des parallel geschalteten Transformators angepaßt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 685 799, 730 423, 736038.
DEB48311A 1958-03-25 1958-03-25 Verfahren zur Erreichung eines transformatoraehnlichen Wirkleistungsverhaltens eines frequenzelastischen Umrichters Pending DE1102266B (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE685799C (de) * 1934-09-14 1939-12-23 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Anordnung zur Steuerung von Umrichtern
DE730423C (de) * 1937-02-27 1943-01-12 Siemens Ag Regeleinrichtung fuer Netzkupplungsumrichter
DE736038C (de) * 1935-07-10 1943-06-05 Siemens Ag Verfahren zum Parallelbetrieb von Umrichtern mit anderen Stromrichtern oder Umformern

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