DE1961104A1 - Drehstromwechselrichter mit drei zu einem Drehstromsystem zusammengekoppelten Einphasenwechselrichtern - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.in.b.H.

6 Prankfurt/Main 70, Theοdor-Stern-Kai 1.

Unger/sc

3.12.1969 I¹BE 69/4-1

"Drehstromwechselrichter mit drei zu einem Drehstromsystem zusammengekoppelten Einphasenwechselrichtern"

Die Erfindung betrifft einen Drehstromwechselrichter, insbesondere Thyristorwechselrichter mit drei über Ausgangstransformatoren und ein Sinusfilter zu einem Drehstromsystem zusammengekoppelten Einphasenwechselrichtern, deren Ausgangsspannungen einzeln so verändert werden, daß die Phasenlastspannungen auch bei unsymmetrischer Belastung des Drehstromsystems auf gleiche Sollbeträge regelbar sind.

Zur Aufrechterhaltung einer gesicherten Wechselstromversorgung auch für die Speisung von Drehstrommotoren und anderer Drehstromverbraucher werden statische Drehstromwechselrichter, insbesondere Thyristorwechselrichter, verwendet. Da diese Wechselrichter im allgemeinen ein Dreileiter- oder Yierleiternetz speisen, an das verschiedenartige Verbraucher angeschlossen werden, ist es zweckmäßig, daß sie zur Abgabe einer sinusförmigen Ausgangsspannung und jni% Spannungsregelung ausgeführt sind.

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Bei Drehstromwechselrichtern der einleitend bezeich- \ neten Zusammensetzung werden die drei Einphasenwechselrichter durch drei um je 120° versetzte Steuerspannungen angesteuert. Die Steuerspannungen werden z.B..von einem Steueroszillator geliefert, welcher einen der Einphasenwechselrichter direkt und die "beiden anderen Wechselrichter über 120 -Phasenschwenkglieder ansteuert. Es ist für die Spannungsregelung dieser Wechselrichter bekannt, daß jeder Einphasenwechselrichter aus zwei selbständigen Wechselrichtersätzen mit in Reihe geschalteten Ausgangstransformatoren mit zweckmäßig gleichgroßen Ausgangsspannungen besteht und die Spannung der Drehstromverbraueher dadurch geregelt wird, daß bei jedem der drei Einphasenwechselrichter die Phasenlage der Ausgangsspannung von einem der beiden Wechselrichtersätze um den gleichen Betrag in Abhängigkeit von einer Regelgröße "verändert wird. Es sind ferner Einphasenwechselrichter bekannt, die aus zwei nicht selbständigen Teilen bestehen, z. B. in gesteuerter Brückenschaltung, bei welchen die Breite der Ausgangsspannungsblöcke durch Phasenverschiebung der Steuerung bei dem einen Wechselrichterteil gegenüber der Steuerung beim anderen Teil verändert wird.

Soweit solche Drehstromwechselrichter durch einen dreiphasigen Verbraucher in den drei Phasen gleichmäßig belastet werden, bleibt das Drehstromsystem immer symmetrisch. Bei Lastschwankungen oder Schwankungen der gemeinsamen Speisegleichspannung der Einphasenwechselrichter werden bei einer bekannten Ausführung die drei Phasenlastspannungen gemeinsam auf den vorgegebenen Sollbetrag geregelt. Bei unsymmetrischer Belastung in den drei Phasen ergeben sich jedoch Abweichungen sowohl der Beträge der Spannungen wie auch von der Symmetrie des Drehstromsystems. Soll dies vermieden werden_v müssen die

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Einphasenwechselrichter nicht nur einzeln auf gleiche Sollspannungsbeträge der Phasenlastspannungen geregelt, sondern auch die 120°-PhasenbeZiehung des Drehstromsystems aufrecht erhalten werden. .

Es ist ein Verfahren für diese Spannungsregelung bekannt, wonach jeder Einphasenwechselrichter aus zwei selbständigen Wechselrichtersätzen mit in Reihe geschalteten Ausgangstransformatoren besteht, die, um eine Phasendrehung zu vermeiden, beide in der Phasenlage gegenläufig verstellt werden. Bei diesem Verfahren werden die Istwerte für eine Einzelphasenregelung der Spannung zwischen dem von den drei Einphasenwechselrichtern gebildeten Sternpunkt und den entsprechenden Leitern abgenommen. Die diesem Wechselrichter nachgeschalteten Filter zur Herabsetzung des Oberwellengehaltes der Lastspannungen sind so ausgeführt, daß sie keine Phasendrehung verursachen, da sonst die winkeltreue des Drehstromsystems nicht erhalten bleibt. Dies erfordert z. B. Reihenresonanzkreise als Längsimpedanzen im Filter, die aufwendig sind und weiter den Nachteil haben, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters beim Anschluß von Motoren zu Pendelungen neigt. Es ist auch die elektronische Steuerung bei diesem Verfahren für die Spannungsregelung aufwendig.

Die Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden, zugleich aber auch die Vorteile der Wirksamkeit der Einzelregelung bei unsymmetrischer Belastung, so wie diese bei bekannten Drehstromwechselrichtern zur Sicherung der 120°- PhasenbeZiehung zwischen den Phasenlastspannungen gegeben sind, zu erhalten und darüber hinaus auch eine weitgehende Unterdrückung der dritten Oberwelle in den Phasenlastspannungen zu erreichen.

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Ein Drehstromwechselrichter der eingangs bezeichneten Art, welcher diesen Anforderungen genügt,, ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß ein mit Hilfe eines an sich bekannten, an das Drehstromsystem angeschlossenen Sternpunkttransformators gebildeter belastbarer Sternpunkt als Basis zur Erfassung der Istgrößen der Phasenlastspannungen dient, welche den Regeleinfluß auf die Aus gangs spannungen der Einphasenwechselrichter steuern.

™ Me Erfindung umfaßt Drehstromwechselrichter, bei welchen die Einphasenwechselrichter aus mindestens je zwei •Wechselrichtersätzen zusammengesetzt sind, und bei welchen zumindest die Ausgangsspannung eines Wechselrichtersatzes durch den Regeleinfluß in der Phasenlage veränderbar ist. Die Erfindung umfaßt ferner auch solche Drehstromwechselrichter, bei welchen die Einphasenwechselrichter aus je zwei durch den Regeleinfluß in der Phasenlage gegeneinander verstellbaren Wechselrichterteilen bestehen. Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß bei jeder beliebigen unsymmetrischen Last die Symmetrie des Drehstromsystems erhalten bleibt, ohne daß aufwendige Steuerungsmittel oder

P aufwendige Sinusfilter erforderlich sind.

Durch die Erfindung wird weiter der Vorteil erzielt, daß wie schon erwähnt, in den Phasenlastspannungen die dritte Oberwelle weitgehend unterdrückt wird, so daß die Siebmittel in der Schaltung des Sinusfilters reduziert werden können. Ferner werden durch den Sternpunkttransformator die ungleichen Phasenlastströme besser auf die drei. Phasen verteilt. Dadurch werden bei unsymmetrischer Belastung die Regelabweichungen und schließlich auch die erforderlichen Regelbereiche und die Regelzeiten kleiner als bei einem Wechselrichter ohne Sternpunkttransformator.

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Zur näheren Beschreibung der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel wird nun auf"die Figuren 1 und 2 Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Drehstromwechselrichters.

Fig. 2 zeigt ein Zeigerdiagramm der Spannungen und Ströme des geregelten Wechselrichters nach Fig. 1 bei einphasiger ohmscher Belastung der Phase T. f

Als Ausführungsbeispiel ist ein Drehstromwechselrichter der eingangs bezeichneten Art gewählt, bei dem die Einphasenwechselrichter 1, 2, 3 aus je zwei selbständigen Wechselrichtersätzen 11, 11'; 21, 21'; 31,31' bestehen, von welchen der eine Wechselrichtersatz 11, 21, 31 eine feste Phasenlage hat, der andere Wechselrichtersatz 11', 21 ' , 31 ' i& der Phasenlage veränderbar ist. Jeder Wechselrichtersatz hat einen Ausgangstransformator 12, 12'; 22, 2¹; 32, 32', und es sind bei jedem Einphasenwechselrichter die Ausgangstransformatoren der betreffenden Wechselrichtersätze sekundärseitig in Reihe geschaltet. Die drei Einphasenwechselrichter 1, 2, 3 sind über diese paarweise in Reihe geschalteten Ausgangstransformatoren zu einem Drehstromsystem mit einem Sternpunkt St-¹' zusammengefaßt. In die drei Phasenleitungen ist je eine Reihendrossel 14, 24, 34 geschaltet. Hinter den Reihendrosseln ist ein Sternpunkttransformator 15, 25, 35 angeschlossen. Der Sternpunkt St dieses Transformators ist als belastbarer MP-Leiter des Drehstromsystems RST herausgeführt, an welches die nicht in der Zeichnung dargestellten drei- und einphasigen Verbraucher angeschlossen sind. Das Sinusfilter enthält außer den Reihendrosseln 14, 24, 34 drei zwischen den Phasenleitungen RST und dem MP-Leiter geschaltete Kondensatoren 16, 26, 36 und drei Drosseln 16', 26', 36'.

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Für die Steuerung der Einphasenwechselrichter ist ein gemeinsamer Frequenzgeber 13 vorgesehen. Dem Einphasenwechselrichter 1 wird die Steuerspannung aus- dem Frequenzgeber 13 direkt zugeführt. Den Einphasenwechselrichtern 2 und 3 wird die Steuerspannung über 120°-Phasenschwenkglieder 23, 33 zugeführt. Von den drei Phasenleitungen geht je eine Fühlleitung 17, 27, 37 zu einem Regelverstärker 18, 28, 38 und vom Mittelpunkt leiter MP bzw. vom Sternpunkt St des ' Sternpunkttransformators eine gemeinsame Leitung L zu den Regelverstarkern, über diese Leitungen werden die Istgrößen der drei Last spannungen U-n, Uc,, U^ erfaßt, wobei das Potential des Sternpunktes St des Sternpunkttransformatörs als Meßbasis dient. In den Regelverstärkern werden die Beträge der Istgrößen mit vorgegebenen gleichgroßen Beträgen der Sollgrößen vergleichen, auf die die drei Phasenlastspannungen konstant geregelt werden sollen. Die dadurch gewonnenen ver-. stärkten Regelabweichungsgrößen wirken auf Phasenschiebglieder 19, 29, 39 ein, welche jeweils dem Steuereingang des in der Phasenlage zu verstellenden Wechselrichtersatzes 11', 21', 31* der Einphasenwechselrichter vorangeschaltet sind. Zur Spannungsregelung werden die von den Wechselrichtersätzen 11', 21', 31' erzeugten Wechselspannungen U¹^₂J U-'op» U¹ -to i-ⁿ Abhängigkeit von den Regelabweichungen gegenüber den Wechselspannungen U^,ο» Up2' ^32 ^^er Sätze 11 »-21, 31, und damit die Ausgangsspannungen U^ , U^, U^ der Wechselrichter 1, 2, 3, die aus den Spannungen an den Transformatoren 12, 12'; 22, 22*; 32, 32' zusammengesetzt sind, nach dem Prinzip des Drehtransformators in der Phasenlage so verschoben, daß die Phasenlastspannungen U™, Ug-, U™ entsprechend den vorgegebenen Sollbeträgen konstant bleiben.

Damit sind auch die Flüsse in den Schenkeln des zweckmäßig als Dreischenkeltransformator ausgeführten Sternpunkttransformators den Beträgen nach gleich, während aufgrund

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der Flußbedingungen des Transformators ihre vektorielle Summe gleich Null ist, so daß auch bei beliebiger Last die i20°-Symmetrie der Spannungen des .Drehstromsystems RST erhalten bleibt. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungsabfälle IL^, Πρ, , Uv^ an den Längsimpedanzen 14, 24, 34 ergeben sich jedoch bei unsymmetrischer Last für die Spannungen IL, TJp, U, der Einzelwechselrichter 1, 2, 3 unterschiedliche Beträge und Phasenwinkel. Die Belastung wird durch den Sternpunkttransformator im Verhältnis 1/3 zu 1/3 zu 2/3 auf die drei Einphasenwechselrichter 1, 2, 3 aufgeteilt. Aus der Stromaufteilung I™-* I^ ^, L·,, 1,^ ergeben sich die Spannungen U^4.5 Up^, U^ an den Reihendrosseln 14, 24, 34 und damit die Eckpunkte R', S¹, T¹ des Spannungsdreiecks der Einphasenwechselrichter 1, 2, 3. Der Sternpunkt St¹ ergibt sich aus der Bedingung, daß die Beträge der Spannungen TL₁₂* ^12» ^U22' ^ü'22> ^U32> ^U*32 ^an 22, 22'; 32, 32' jeweils gleich, und die Spannungen Up₂, U,2 ^an- 12, 22, 32 um 120° gegeneinander phasenverschoben sind, während die Spannung U¹^₂ gegen die Spannung U^* ferner die Spannung U'po gegen up2 ^¹¹^ ^® Spannung U¹20 gegen TJ^p von den Regelverstärkern 18,28,38 in Abhängigkeit von den Ausgangsspannungen jeweils so in der Phase verschoben sind, daß die Einphasenwechselrichter 1, 2, 3 die zur Konstanthaltung der Ausgangsspannungen erforderlichen Spannungswerte ergeben.

Da in den Phasenlast spannungen XL,, Ug, Um die dritte Oberwelle der Wechselrichtergrundschwingung bei symmetrischer Last vollständig und bei Schieflast teilweise wegfällt, wird auch der erforderliche Aufwand für die Siebmittel des Sinus-* filters kleiner. Ein Klirrfaktor,der im ganzen Lastbereich kleiner als z. R. 5 % ist, kann jedenfalls bei einem Drehstromwechselrichter nach der Erfindung mit einem geringeren

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Aufwand an oder bei geringerer Bemessung der Siebiaittel als "bei bekannten Drehstromwechselrichtern erzielt werden. Je nach den Anforderungen und Anwendungen sind verschiedene^^ Bemessungen und Ausführungsformen des Filters und deren Kombinationen möglich. So können zur besseren Unterdrückung des bei Schieflast in den Phasenlastspannungen verbleibenden Anteiles der dritten Oberwelle zusätzliche Saugkreise 1-6'', 26¹¹, 36" vorgesehen sein. Weiter können je nach Art der Last anstelle der Reihendrosseln 14, 24, 34 auch auf die Grundfrequenz des Wechselrichters abgestimmte Eeihenresonanzkreise in bekannter Ausführung verwendet werden.

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Claims (3)

- 9 - FBE 69/4-1 Patentansprüche:

1) Drehstromwechselrichter, insbesondere Thyristorwechselrichter, mit drei über Ausgangstransformatoren und ein Sinusfilter zu einem Drehstromsystem zusammengekoppelten-Einphasenwechselrichtern, deren AusgangsSpannungsblöcke In der Breite einzeln so verändert werden, daß die Phasenlastspannungen auch bei unsymmetrischer Belastung des Drehstromsystems auf gleiche Sollbeträge regelbar .sind, dadurch gekenn* zeichnet, daß ein mit Hilfe eines an sich bekannten an das Drehstrorasystem (EST) angeschlossenen Sternpunkttransformators (15, 25, 35) gebildeterjbelastbarer, mit dem Kp*-Leiter verbundener, Sternpunkt (St) als Basis zur Erfassung der Istgrößen der Phasenlastspannungen (Uq₅Uo,^) dient, welche den Regeleinfluß auf die Ausgangsspannungen (U^,Up,U^) der Einphasenwechselrichter (1,2,3) steuern.

___it)^j&ehstromwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einphasenwechselrichter (1,2,3) aus mindestens je zwei Wechselrichtersätzen (11,11'; 21,21'; 31,31') zusammengesetzt sind und daß zumindest bei einem Wechselrichtersatz (11',21',31¹O jedes Einphasenwechselrichters (1,2,3) die Ausgangsspannung (U'^2>^u*22¹^'32^ ^<iurc^ ^^en Regeleinfluß in der Phasenlage veränderbar 1st.

3) Drehstromwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch Rekennzeichnet, daß die Einphasenwechselrichter (1,2,3) je zwei durch den Regeleinfluß in der Phasenlage gegeneinander verstellbare Wechselrichterteile enthalten. .

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4-) Drehstromwechselrichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinusfilter aus in den Phasenleitungen des Drehstromsystems (EST) geschalteten

Beihengliedern (14·,24,34-) sowie aus zwischen den einzelnen Phasenleitungen und dem durch den Sfrernpunkttransformator (15,25,35) gebildeten Sternpunkt (St) geschalteten Parallelresonanzgliedern (16,16'; 26,26'; 36,36') und Saugkreisen (16'', 26'', 36¹¹), welche auf höhere Oberwellen der Einpha- _: senwechselrichterspannungen abgestimmt sind, zusammengesetzt ist, ^: .

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