DE1588664C - Anordnung zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom konstanter Spannung und konstanter Frequenz durch Synchrongeneratoren verander hcher Drehzahl - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, ein Bordnetz, z. B. auf Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen, mit Wechselstrom konstanter Spannung und konstanter Frequenz durch Synchrongeneratoren zu speisen, die mit veränderlicher Drehzahl angetrieben werden (VDI-Z. 108 (1966), Nr. 32, S. 1615, 1616). Der von den Generatoren mit ■ veränderlicher Frequenz gelieferte Wechselstrom wird hierbei zunächst über Gleichrichter einem Gleichstromzwischenkreis zugeführt und dann über fremdgesteuerte Wechselrichter auf die konstante Netzfrequenz umgeformt. Die für den Wechselrichte erforderliche kommutierende Blindleistung wird da bei von einer in diesem Netz vorhandenen Blindlei stungsmaschine, insbesondere mit lastabhängiger Erregung, geliefert, durch welche weiterhin auch dk Spannung des Netzes konstant gehalten wird. Dk Frequenz bleibt dadurch auf gleichbleibendem Wert daß bei Frequenzerhöhung der Erregerstrom der Ge neratoren verringert und bei Frequenzabsenkung er höht wird. Für die Wechselrichterbrücke werden nor malerweise Thyristoren verwendet, die bekanntlicl sowohl gegen Überströme als auch gegen Überspan nungen sehr empfindlich sind und dagegen geschütz werden müssen. Gegen Überströme werden die Thyristoren dadurch geschützt, daß die Generatoren mil kleinem Kurzschlußverhältnis ausgeführt werden, so daß sie mit nahezu eingeprägtem Strom arbeiten, der auch bei Kurzschluß nicht wesentlich größer wird als bei Betrieb.

Weiterhin ist es zum Schutz der Thyristoren eine? über einen Gleichrichter gespeisten Gleichstromkreises bekannt, eine Gegenparallelbrücke vorzuseher (SCR Manual, 2. Ausgabe, d. Gen. El. N.Y., 1961 S. 94). Jedoch sind bei der bekannten Anordnung vor jeden Thyristor dieser Brücke Widerstände geschaltet, derart, daß die Gleichstromkreise nicht unmittelbar, sondern nur über diese Widerstände kurzgeschlossen werden können. Dies ist erforderlich, weil sonst infolge der im Bremsbetrieb vom Gleichstrommotor gelieferten, im wesentlichen konstanten Spannung ein unzulässiger Kurzschlußstrom beim Zünden der Gegenparallelbrücke auftreten würde.

Durch die vorliegende Erfindung soll dagegen ein Schutz gegen Kurzschlüsse in einem Wechselstromnetz konstanter Spannung und Frequenz der vorher beschriebenen Art geschaffen werden. Bei derartigen Kurzschlüssen im Wechselstromnetz verliert nämlich der vom Netz gesteuerte Wechselrichter seine Steuerung und sperrt, so daß sich der vom Generator in den Gleichstromzwischenkreis gelieferte Strom nicht mehr schließen kann und infolgedessen am Generator, am Gleichrichter und am Wechselrichter zu hohe Spannungen entstehen können.

Dieser Schutz wird bei einer Anordnung zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom konstanter Spannung und konstanter Frequenz durch Synchrongeneratoren (Wellengeneratoren) veränderlicher Drehzahl mit kleinem· Kurzschlußverhältnis über einen statischen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis und Wechselrichter, wobei die Spannung des Netzes durch Blindleistungsmaschinen aufrechterhalten wird, insbesondere zur Speisung eines .Wechselstrombordnetzes auf Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß gegenparallel zum Gleichrichter eine aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Thyristoren bestehende Brücke geschaltet ist, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Gleichrichters verbunden ist und die in Abhängigkeit von einer Überspannung im GJeichstromzwischenkreis züridbar ist, und daß im Gleichstromzwischenkreis eine Drosselspule mit einem magnetischen Kreis und zwei Wicklungen gleicher Windungszahl zur Begrenzung des Stromanstiegs in den Thyristoren vorhanden ist, deren eine Wicklung mit dem Plusleiter und deren andere Wicklung mit dem Minusleiter in Reihe geschaltet ist.

Wenn nun bei Kurzschluß im Wechselstromnetz der Wechselrichter sperrt und dem Gleichstrom kei-

nen Durchlaß mehr gewährt, steigt die Spannung im Gleichstromzwischenkreis, die Durchbruchspannung der gegenparallelen Brücke wird erreicht und die beiden Thyristoren werden leitend. Dadurch kann sich der vom Synchrongenerator gelieferte Strom im Gleichstromzwischenkreis schließen, wobei also der Synchrongenerator unmittelbar auf einen Kurzschluß geschaltet wird, weil die Mittelpunkte der gegenparallelen Brücke und einer Teilbrücke des Gleichrichters unmittelbar leitend verbunden sind. Die Stroman-Stiegsgeschwindigkeit des sich dabei ausbildenden Stoßkurzschlußstromes ist aber auf für die Thyristoren unschädliche zulässige Werte begrenzt, weil die im Gleichstromzwischenkreis vorhandene Drosselspule abwechselnd in beiden Richtungen durchflutet wird und somit einen induktiven Blindwiderstand bildet. Diese Drosselspule braucht dabei nur für diesen Störungsfall bemessen zu sein, weil sich im ungestörten Betrieb die Durchflutungen der beiden Wicklungen gegenseitig aufheben, so daß in ihr kein Spannungsabfall und keine Sättigung auftritt.

Solange der Kurzschluß im Wechselstromnetz auftritt, werden wegen der unmittelbaren Verbindung der beiden Mittelpunkte die beiden Thyristoren abwechselnd zeitweise stromlos, so daß sie in den stromlosen Pausen wieder sperren können, bis sie von der steigenden Spannung des Gleichstromzwischenkreises erneut gezündet werden. Erst wenn der Wechselrichter nach Rückkehr der Netzspannung seine Steuerfähigkeit wiedererlangt hat, wird die gegenparallele Brücke völlig sperrfähig, weil im Gleichstromzwischenkreis keine Überspannung mehr auftreten kann, und der Gleichrichter-Wechselrichter-Betrieb geht wie zuvor ungestört weiter, ohne daß der Generator entregt werden muß.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Brennkraftmotor 1 zum Antrieb der Schraubenwelle eines Schiffes und einen ebenfalls von diesem Motor mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Synchrongenerator (Wellengenerator) 2, dessen Schleifringe auf irgendeine Weise mit Gleichstrom erregt werden und der ein dreiphasiges Wechselstromnetz, also ein Drehstromnetz (Bordnetz) 3 konstanter Spannung und konstanter Frequenz versorgt. Dazu wird der vom Synchrongenerator 2 gelieferte Drehstrom veränderlicher Frequenz zunächst über einen Gleichrichter 4 in Gleichstrom und dann aus einem Gleichstromzwischenkreis über einen Wechselrichter5 in Drehstrom konstanter Frequenz und konstanter Spannung umgeformt. Die Spannung im Drehstromnetz wird durch eine Blindleistungsmaschine 6 konstant gehalten, die z. B. über einen Gleichrichter 7, einen Stromwandler 8, eine Drosselspule 9 und einen Kondensator 10 in bekannter Weise lastabhängig erregt wird.

Gegenparallel zum Gleichrichter 4 ist eine Thyristorbrücke, bestehend aus den beiden Thyristoren 11 und 12, geschaltet, .deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke, z. B. der rechten, des Gleichrichters 4 verbunden ist. Die Steuerelektroden der beiden Thyristoren 11 und 12 sind über je eine Zener-Diode 13 bzw. 14 mit dem Pluspol des Gleichstromzwischenkrciscs verbunden. Die beiden Zener-Dioden können auch über einen Spannungsteiler an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sein.

Außerdem ist im Gleichstromzwischenkreis eine Drosselspule 20 mit einem magnetischen Kreis und zwei Wicklungen 21, 22 gleicher Windungszahl vorhanden. Die eine Wicklung 21 ist mit dem Plusleiter, die andere Wicklung 22 mit dem Minusleiter in Reihe geschaltet.

Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Solange das Drehstromnetz ungestört ist, wird von dem Synchrongenerator 2, da dieser mit kleinem Kurzschlußverhältnis ausgeführt ist, im ganzen Drehzahlbereich des Generators ein nahezu konstanter Wirkstrom ins Drehstromnetz 3 geliefert. Die Spannung dieses Netzes wird hierbei durch die Blindleistungsmaschine 6 bestimmt, die Spannung des Synchrongenerators 2 paßt sich selbsttätig dieser Spannung an. Die Verbindungsleitung der beiden Mittelpunkte ist bei diesem ungestörten Betrieb stromlos und die Durchflutungen in den Wicklungen 21, 22 der Drosselspule 20 sind entgegengesetzt gleich, so daß kein Feld in der Drosselspule entsteht.

Tritt nun im Drehstromnetz 4 ein Kurzschluß auf, so verliert der Wechselrichter 5 seine Steuerspannung, und sämtliche Thyristoren des Wechselrichters 5 sperren, wenn die gerade Strom führenden Thyristoren stromlos geworden sind, weil keine neuen Zündbefehle mehr kommen. Infolgedessen kann sich der durch die Erregung im wesentlichen eingeprägte Strom des Synchrongenerators 2 nicht mehr über den Wechselrichter 5 und das Drehstromnetz schließen, so daß die Spannung am Synchrongenerator 2 und im Gleichstromzwischenkreis steigt. Dadurch wird aber die Durchbruchspannung der beiden Zener-Dioden 13 und 14 erreicht, und die beiden Thyristoren 11 und 12 werden leitend. Weil aber der Mittelpunkt der Brücke 11, 12 mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Gleichrichters 4 verbunden ist, wird das Potential an diesem Mittelpunkt so beeinflußt, daß die beiden Thyristoren 11, 12 zeitweise, aber zeitlich verschieden, stromlos und damit wieder sperrfähig werden. Solange aber die Störung im Drehstromnetz anhält, werden sie von der im Gleichstromzwischenkreis anstehenden Spannung immer wieder neu gezündet und bilden so einen Parallelweg zum gesperrten Wechselrichter. Im Gleichstromzwischenkreis und in der gegenparallelen Brücke entsteht also ein zeitlicher Stromfluß in Abhängigkeit von der Periode des Wellengeneratorstromes. Im Verlauf einer Periode sind jeweils von 0 bis 60° der Plusleiter und die Wicklung 21 stromlos, während der Minusleiter und die Wicklung 22 Strom führen; von 180 bis 240° sind dagegen der Minusleiter und die Wicklung 22 stromlos, und der Plusleiter sowie die Wicklung 21 führen Strom. Wie man erkennt, wird daher die Drosselspule abwechselnd in beiden Richtungen durchflutet, so daß sie einen induktiven Blindwiderstand darstellt, der die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt. Erst wenn die Spannung im Drehstromnetz den alten Wert erreicht hat, wird der Wechselrichter erneut steuerungsfähig und kann wieder richtig arbeiten. Der Parallelweg über die Brücke 11, 12 bleibt dann gesperrt, weil die Spannung im Gleichstromzwischenkreis nicht mehr die zum Ansprechen der Zener-Dioden 13, 14 erforderlichen Werte erreicht. Die Verbindungsleitung der beiden Mittelpunkte wird stromlos und die Durchflutungen der beiden Wicklungen 21, 22 der Drosselspule 20 heben sich wieder auf.

Der ganze Vorgang läuft selbsttätig ab, wenn die Ansprechspannung der Zener-Dioden richtig einge-

stellt ist. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß der Synchrongenerator nicht entregt zu werden braucht; er kann vielmehr mit der bisherigen Erregung weiterbetrieben werden und kann sofort wieder Leistung an das Drehstromnetz abgeben, wenn die Störung behoben ist. Wenn im Drehstromnetz nur ein- oder zweipolige Kurzschlüsse auftreten und für mindestens zwei Teilbrücken des Wechselrichters noch die Steuerspannungen zur Verfugung stehen, kann das Bordnetz über diese noch betriebsfähigen Teilbrücken gespeist werden, so daß der Parallelweg über die Thyristoren 11, 12 gesperrt bleiben kann. Man kann aber auch in diesem Fall den Wechselrichter ganz sperren und den Parallelweg freigeben.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 wird der Parallelweg durch eine eigene Brücke 11, 12 gebildet. Man kann dafür aber auch einen Brückenzweig des Wechselrichters 5 verwenden, wie es in F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Hier übernimmt der Brückenzweig mit den Thyristoren 16 und 17, die durch die Zener-Dioden 13 und 14 gesteuert werden, diese Aufgabe. Dies ist ohne weiteres möglich, weil im Störungsfall der Wechselrichter5 sowieso gesperrt ist, so daß ein Brückenzweig für diese Aufgabe zur Verfügung steht, der nach Beseitigung der Störung wieder normal weiterarbeitet.

Ist ein zweiter Drehstromgenerator 18 mit seinem zugehörigen Gleichrichter 19 vorhanden, so kann man gemäß F i g. 2 den Mittelpunkt einer Teilbrücke dieses Gleichrichters mit dem einer Teilbrücke des Gleichrichters 4 parallel schalten und beide gemeinsam mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Wechselrichters 5 verbinden.

Man kann aber auch eine Teilbrücke des Gleichrichters 19 einer anderen Teilbrücke des Wechselrichters 5 zuordnen, so daß jeder Gleichrichter einen eigenen Parallelweg hat.

Ebenso könnte man natürlich jedem Gleichrichter eine eigene gegenparallele Thyristorbrücke zuordnen und den Mittelpunkt dieser Brücke mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke dieses Gleichrichters verbinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Speisung eines Netzes mit Wechselstrom konstanter Spannung und konstanter Frequenz durch Synchrongeneratoren (Wellengeneratoren) veränderlicher Drehzahl mit kleinem Kurzschlußverhältnis über einen statischen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis und Wechselrichter, wobei die Spannung des Netzes durch Blindleistungsmaschinen aufrechterhalten wird, insbesondere zur Speisung eines Wechselstrombordnetzes auf Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß gegenparallel zum Gleichrichter (4) eine aus mindestens zwei in Reihe geschalteten Thyristoren (11, 12; 16, 17) bestehende Brücke geschaltet ist, deren Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer Teilbrücke des Gleichrichters (4) verbunden ist und die in Abhängigkeit von einer Überspannung im Gleichstromzwischenkreis zündbar ist, und daß im Gleichstromzwischenkreis eine Drosselspule (20) mit einem magnetischen Kreis und zwei Wicklungen (21, 22) gleicher Windungszahl zur Begrenzung des Stromanstiegs in den Thyristören (11, 12; 16, 17) vorhanden ist, deren eine Wicklung (21) mit dem Plusleiter und deren andere Wicklung (22) mit dem Minusleiter in Reihe geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als gegenparallele Brücke ein Brückenzweig (16, 17) des Wechselrichters (5) dient, der bei Netzstörungen für den Betriebsstrom gesperrt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2 für mehrere Synchrongeneratoren, die über je einen Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem Gleichrichter der Mittelpunkt eines Brükkenzweiges mit dem Mittelpunkt der gegenparallelen Brücke (16,17) verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 für mehrere Synchrongeneratoren, die über je einen Gleichrichter mit dem ersten Gleichrichter parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem Gleichrichter der Mittelpunkt einer Teilbrücke mit dem Mittelpunkt je einer gegenparallelen Brücke verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Teilbrücke des Wechselrichters als gegenparallele Brücke für einen der Gleichrichter dient.