DE2054967A1

DE2054967A1 - Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE2054967A1
Application number: DE19702054967
Authority: DE
Inventors: Carl Ingvar Dipl Ing Ludvika Boksjo (Schweden^ P
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1969-11-12
Filing date: 1970-11-09
Publication date: 1971-05-27
Also published as: CH512847A; FR2069378A5; SE341958B; US3622861A; DE2054967B2

Description

i'Tequenzurarichter

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zum asynchronen Zusammenschalten zweier Wechselstromnetze mit mehreren Stromrichtern, deren Gleichstromseiten in Reihe geschaltet und deren Wechselstromseiten an dem einen bzw. dem anderen der beiden Wechselstromnetze angeschlossen sind.

Frequenzumrichter dieser Art haben bisher gesteuerte lonenventile, aber seit dem Aufkommen von ttalbleiterventilen für hohe Spannungen und Leistungen liegt es nahe, die Ionenventile durch Thyristorventile zu ersetzen. Ein v/eiterer Schritt auf diesem Wege ist, die Thyristorventile in den als Gleichrichter arbeitenden Stromrichtern durch Diodenventile zu ersetzen, wobei das Steuern nur in den Wechselrichtern erfolgt. Dabei müssen die Stromrichter über Schalter an den V/echselstromnetzen angeschlossen sein, so daß man bei Leistungsumkehrung die Anschlüsse für Gleich- und Wechselrichter wechseln kann. Solche Schalter müssen schnell wirken, damit man schnellen JrId ο rung en des Leistungsbedarfs in dea "beiden Hetzen untaprecneu kann. Su loht,·

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schnellen Schalter sind bekannt. Es ist jedoch ein Problem, ^; '' die Dioden in den ungesteuerten Gleichrichtern gegen überströme zu schützen, z.B. bei Störungen in dem an den Wechsel- " richtern angeschlossenen Wechselstromnetz.'Dabei gibt nämlich ' die Wechselrichtersteuerung keine ausreichende Gegenspannung· auf der Gleichstromseite, d.h. der Strom kann unzulässig ansteigen, da es nicht möglich ist, die Gleichrichter herabzusteuern.

Um dieses Problem zu lösen, wird gemäi3 der Gründung vorgeschlagen, einen zusätzlichen Stromrichter mit gesteuerten Ventilen einzuführen, der für den gesamten Steuerbereich für Gleichrichter-Wechselrichterbetrieb vorgesehen ist. Bin Frequenzumrichter gemäß der Erfindung umfaßt also eine Gruppe Stromrichter, die am speisenden Wechselstromnetz angeschlossen und als Diodengleichrichter aufgebaut sind, eine zweite Gruppe Stromrichter mit gesteuerten Ventilen, die als Wechselrichter in dem gespeisten Wechselstromnetz arbeiten, und einen v/eiteren Stromrichter mit gesteuerten Ventilen.

Zweckmäßigerweise werden die Wechselrichter mit festem, maximalen Steuerwinkel gesteuert, wobei ihr reaktiver Leistungsbedarf begrenzt wird. Die Steuerung des Frequenzumrichters geschieht' dann nur mit Hilfe des zusätzlichen Stromrichters, der also im Verhältnis zu den übrigen Stromrichtern ausreichend gr*oß sein ruui3. live η tue 11 bekommt der zusätzliche Stromrichter' die itilszahl 12, um die Anzahl Oberwellen zu begrenzen. W.i e aua eier nuch-

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folgenden Beschreibung hervorgeht, ist es im Prinzip gleichgültig, an welches der "Wechselstromnetze der zusätzliche Stromrichter angeschlossen wird, aber in der Praxis ist es vermutlich zweckmäßig, ihn an das speisende Wetz anzuschließen,

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Frequenzumrichter gemäß der Lrfindung,

Fig. 2 einen Steuerkreis für den zusätzlichen, gesteuerten Stromrichter,

Fig. 3 eine Anordnung zum Polumschalten des

Frequenzuinrichters bei Leistungsumkehrung zwisehen den 'wechselstromnetzen und

Fig. 4 eine Variante von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt zvei wechselstromnetze 1 und 2, die über einen Frequenzumrichter zusammengeschaltet v/erden, der fünf Stromrichter 3 bis 7 umfaßt, deren Gleichstromseiten über einen lilättungsreaktor 10 in Reihe geschaltet sind. Jeder Stromrichter umfaßt einen Stromrichtertransformator 31> 41 usw. und eine Ventilbrücke 32, 42 usw. Diese sind über ein Schalt-

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organ 33» 43 usw. zusammengeschaltet, parallel hierzu ist jedoch ein zusätzliches Schaltorgan 34, 44 usw. zum Umschalten des Stromrichters in einer später beschriebenen Weise angeordnet. Die Stromrichter sind als Sechs-Puls-Ventilbrücken mit einem Ventil an jedem Brückenzweig gezeichnet. In Wirklichkeit ist jedoch jeder Zweig aus einer größeren Anzahl in Reihe- und parallel-geschalteter Ventile aufgebaut, die der gewünschten Spannung und dem gewünschten Strom entsprechen.

Die am Netz 1 angeschlossenen Stromrichter 4 und 7 sind aus Dioden aufgebaut und daher als Gleichrichter vorgesehen. Die Stromrichter 3, 5 und 6 sind dagegen mit gesteuerten Ventilen vereehen, z.B. Thyristorventilen mit Steuerorganen 35» 55, 65, wobei die am Netz 2 angeschlossenen Stromrichter 3 und 6 als Wechselrichter arbeiten sollen. Ein Stromrichter 5 ist der zusätzliche Stromrichter gemäß der Erfindung, der über den ganzen Gleichrichter-Wechselrichter-Bereich gesteuert werden kann.

Der Strom im Gleichstromkreis entspricht

2. E_L+2.

wobei E_L die Gleichspannung in den Gleichrichtern 4 und 7 und Ey die Gleichspannung in den Wechselrichtern 3 und 6 ist, wobei Ey im Verhältnis zu Εγ negativ ist, E₅ ist die Gleichspannung in dem steuernden Stromrichter 5. R ist die Resistanz im Gleichstromkreis. E_L ist hierbei ausnahmslos abhängig von

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- 5 und proportional der Spannung im Netz 1, während Ey, die

proportional der Spannung im Netz 2 ist, außerdem von der

in Steuerung der Steuerimpulsgerät 35 und 65 bee>flusst v/erden

kann. Um jedoch die reaktive Leistung im Netz 2 zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die Wechselrichter 3 und 6 mit festem minimalen Sicherheitswinkel zu steuern, so daß die Steuergeräte den Charakter von Sicherheitswinkelsteuergeräten bekommen, z.B. gemäß dem deutschen Patent 1 226 196, Schweizer Patent

319 023 oder deutscher Patentanmeldung P 19 21 948.8. I

Um das Umschalten der Stromrichter mittels der Schalter 33» 34, 43, 44 usw., wie noch erklärt wird, vornehmen zu können, müssen die Stromrichtertransfornctoren 31, 41 und 61, 71 ein solches Umsetzungsverhältnis haben, daß die Spannung in ihren Ventilwicklungen dieselbe wird. Für einen Stromrichter gilt weiter, daß seine Gleichspannung gleich E . cos c* ist, wobei

«Λ der Steuerwinkel ist, während E die maximale oder ideale Leerlaufspannung ist, die von der Spannung in der Ventilwick- a lung des Stromrichtertransformators bestimmt wird, so daß E für die Stromrichter 3, 4, 6 und 7 gleich ist. Für die Diodengleichrichter 4 und 7 ist c< » Null, während man sich einen so niedrigen Wert wie c< = 150° für die Wechselrichter 3 und denken kann. Damit ist der Gleichstrom also

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Hieraus kann" man ableiten, wie groß die Nennspannung des Stromrichters 5 sein muß, da der Gleichstrom I zwischen einem Maximalwert I max. und Null wechseln können soll» Die Gleichspannung E^ = E^! cos ί\Γ , wobei E¹ ein Maß für die Nennspannung der Ventilwicklung des Transformators 51 ist.

Maximaler Gleichstrom I max. entspricht voller Aussteuerung des Stromrichters 5 im Gleichrichterbetrieb, während der Gleichstrom Null vollem Wechselrichterbetrieb dieses Stromrichters entspricht. Die entsprechenden Steuerwinkel oC können auf 5° und 150° festgesetzt werden. Setzt man diese Werte in die obige Gleichung ein, so ist E¹ = R.I max. - 0,26.E bzw. 0,3.E, was bedeutet, daß E¹ gleich oder größer als der größte dieser Werte sein soll. Bei zweckmäßiger Wahl von E und I max. im Verhältnis zueinander sollten diese beiden Ausdrücke beinahe gleich sein, und man sieht also aus dem Ausdruck E¹ = 0,3.E, daß der Stromrichter 5 eine Nennspannung haben sollte, die nur ungefähr einem Drittel der Nennspannung der übrigen Stromrichter entspricht.

Obengenanntes Beispiel kann nur als Zahlenbeispiel angesehen werden, um zu zeigen, daß der Stromrichter 5 wesentlich kleiner als die übrigen Stromrichter sein kann. Außerdem soll auch erwähnt werden, daß der Steuerwinkel mit 150° bei Wechselrichter betrieb niedrig gewählt worden ist. Bei größeren Steuerwinkeln, z.B. um 165°, die wahrscheinlicher sind, wird E¹ noch kleiner·

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Das Steuersystem 55 des Stromrichters 5 ist in Fig. 2 näher gezeigt und umfaßt einen Steuerimpulsgenerator 56, der Steuerimpulse mit einem gewissen Steuerwinkel an die Ventile der Brücke 52 in Fig. 1 gibt. Dieser Steuerwinkel wird von Regelverstärker 11 bestimmt, an dessen Eingangsseite teils der wirkliche Wert des Gleichstroms, der mit dem Meßtransduktor 9 gemessen wird, und teils ein Sollwert angeschlossen ist, den man von einem zweiten Regelverstärker 12 erhält. An diesen sind Istwert und Sollwert einer Betriebsgröße des Frequenzumrichters angeschlossen, z.B. überführte Leistung. Der Istwert dieser Leistung kann mit einem Watt-Messer 13 gemessen verden, der an eines der i\ietze 1 oder 2 am Eingang des Frequenzumrichters angeschlossen ist, oder durch Summierung von Gleichspannungen, die über die Stromrichter an das eine Netz angeschlossen sind, und Multiplikation mit dem Gleichstrom. Der Sollwert wird auf dem Potentiometer 14 eingestellt.

Der Unterschied zwischen den Signalen von 13 und 14 entsprechend wirklicher und gewünschter überführter Leistung führt zu einem Ausgangssignal von 12, das den Sollwert für den Gleichstrom bildet, wobei von 11 ein Signal ausgeht, das den Steuerwinkel des Steuerimpulsgenerators 56 einstellt, eo daß der mit dem Transduktor 9 gemessene Stromwert dem Signal von 12 entspricht.

Aus obengenanntem geht hervor, daß es für die Steuerung des Stromrichters 5 und damit des Frequenzumrichters im großen und

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ganzen gleichgültig ist, an welches der Netze 1 oder 2 der Stromrichter 5 angeschlossen ist. In Hinsicht darauf, daß der Stromrichter 5 jedoch mit sehr veränderlichem Steuerwinkel gesteuert werden kann, kann er eine ziemlich große reaktive Leistung verursachen oder erforderlich machen, so daß es zweckmäßig sein dürfte, ihn an das speisende Wechselßtromnetz azuschließen. In Hinsicht auf Leistungsumkehrung kann daher auch dieser Stromrichter mit einem Umschalter 53» 54 versehen sein, der zusammen mit den Schaltern für die anderen Stromrichter gesteuert wird.

Der wichtigste Grund dafür, daß der steuernde Stromrichter an das speisende Wechselstromnetz angeschlossen sein sollte, ist seine strombegrenzende Fuktion beim Auftreten von Störungen in dem gespeisten Wechselstromnetz· In diesem Fall sollte nämlich E,- möglichst die Verminderung von 2.Ey in dem früheren Ausdruck für Gleichstrom aufwiegen, was am besten dadurch erreicht wird, daß der Stromrichter 5 an ein Netz mit voller Spannung angeschlossen wird. Auch hier hat man also ein Verhältnis, das die Wahl der Größe deB Stromrichters 5 beeinflusst. Wenn man den Stromrichter 5 nicht so groß wählen will, daß er einen totalen Spannungsausfall in dem gespeisten Wechselstromnetz kompensieren kann, muß die Anlage mit einem Überstromschutz versehen werden, beispielsweise gemäß der deutschen Patentanmeldung P 16 13 708.9 bzw* der Schweizer Patentanmeldung 14 518/67.

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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, wie die eine Hälfte der Stromrichter im Verhältnis zu der anderen Hälfte durch Y- bzw. D-Schaltung der Ventilwicklungen der Transformatoren phasenverschoben

im sind. Durch die auf diese Weise erhaltene Zwöl^pulsschaltung wird Anzahl und Effekt der Oberwellen von den Stromrichtern begrenzt. Aus demselben Grund kann man eventuell den Stromrichter 5 mit zwei Sechsimpulsbrücken ausrüsten, die im Verhältnis zueinander phasenverschoben sind, so daß auch der Stromrichter 5 im Zwölfimpulsbetrieb arbeitet. Dies wird automatisch durch eine Schaltung gemäß Fig. 4 erreicht.

Wie bereits erwähnt wurde, kann eine Leistungsumkehr nur durch Umschalten der Stromrichter geschehen, da die Dioden-Stromrichter nur als Gleichrichter arbeiten können. Ein solches geschieht mittels der Umschaltkontakte 33, 34 usw. in Fig. 1, nachdem der Gleichstrom in dem Umrichter auf lMull gebracht wordenÄst. in Fig. 1 sind diese Umschalterzwischen den Stromrichtertransformatoren und den Ventilbrücken eingesetzt, wobei die Transformatoren für die aktuelle Netzfrequenz gebaut werden können und die Umschalter stromlos werden, wenn der Gleichstrom Null 1st. Sind die Umschalter auf der Netzseite der Stromrichtertransformatoren angeordnet, wie es bei dem Stromrichter 5 der Fall ist, werden sie immer zumindestens den Magnetisierungsstrom für die Transformatoren führen. Auf der anderen Seite kann bei dieser Anordnung die Funktion der Umschalter von vorhandenen, nicht gezeigten Wechselstromschaltern erfüllt werden. Beim

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Stromrichter 5 würde ein Anordnen von Umschaltern zwischen Transformator und Ventilen eine doppelte Anzahl von Transformatoren bedeuten. Für alle Stromrichter gilt, daß Umschalter zwischen Netz und Transformator nur möglich sind, wenn die nominelle Spannung der Netze gleich oder nahezu gleich ist.

Die Umschalter werden von einem Steuerorgan 8 gesteuert, dessen Aufbau und Funktion im Prinzip aus der Fig. 3 hervorgeht.

Das Steuerorgan besteht hier aus einem sogenannten Kipprelais 81, d.h. einem Relais, das, wenn es einen Impuls bekommt, von seiner einen Lage zur anderen Lage geht. Das Relais 81 wird über zwei Kontakte gesteuert, nämlich von dem Kontakt 83 eines Relais 82, der vom Messtransduktor 9 gesteuert wird und einem Kontakt 15a, der eventuell von Hand bedient werden kann.

Umkehrung der Leistungsrichtung geschieht ganz einfach durch Bindrücken des Kontaktsatzes 15, der in Fig. 2 und 3 zu sehen ist. Dadurch schließen die Kontakte 15a und b, von denen der letztere das Ausgangssignal von dem Verstärker 12 in Fig. annuliert, wobei der Regelverstärker 11 den Stromrichter 5 heruntersteuert, bis der Gleichstrom des Umrichters gleich WuIl ist. Dabei fällt das Relais 82 und das Relais 81 wird über die Kontakte 83 und 15a beeinflußt, wobei ein Umschalten der Kontakte 33t 34, 43» 44 usw. in Fig. 1 geschieht. Wie zuvor

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ist ein Umschalten des Stromrichters 5 nicht absolut erforderlich, sondern davon abhängig, wie zuverlässig das wetz 1 ist. Die Verbindungen zu 54 sind deshalb gestrichelt gezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine Variante von Fig. 1, bei der der Stromrichter 5 in 5' und 5" aufgeteilt ist, während der umrichter im übrigen der Fig. 1 entspricht, weshalb solche Details wie Umschalter und Steuersystem ausgelassen sind. Bs geht aus den früheren Gleichungen hervor, da$iie Nennspannung für jeden der Stromrichter 5¹ und 5" nur die Hälfte der Spannung für Stromrichter 5 zu sein braucht. Durch diese Aufteilung wird erreicht, daß die an einem Netz angeschlossenen Stromrichter ständig die resultierende Impulszahl zwölf aufweisen, während gemäß Fig. 1 der Stromrichter 5 die Impulszahl sechs hatte.

Der Einfachheit halber sind die Umschalter in Fig. 4 nicht gezeigt, aber es ist selbstverständlich, daß für die Leistungsumkehr umschalter wie in Fig. 1 erforderlich sind. Außerdem sind in Fig. 4 die Stromrichter auf zwei getrennte Gleichstromkreise mit ae einer Drossel 10' bzw. 10" verteilt worden, was von Vorteil sein kann, wenn man bei halber Leistung die Hälfte der Stromrichter abschalten will.

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Claims

Patentansprüche:

1 .J Frequenzumrichter zum asynchronen Zusammenschalten von zwei Wechselstromnetzen mit mehreren Stromrichtern, deren Gleichstromseiten in Reihe geschaltet und deren Wechselstromseiten an dem einen bzw. dem anderen der Wechselstromnetze angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe der Stromrichter die Form von Diodengleichrichtern hat und an dem einen Netz angeschlossen ist, während die an dem anderen Netz angeschlossenen Stromrichter mit gesteuerten Ventilen ausgerüstet sind und als Wechselrichter arbeiten, und daß außerdem ein weiterer Stromrichter an einem der Netze angeschlossen und mit gesteuerten Ventilen versehen ist, der zum Steuern des gesamten Gleichrichter-Wechselrichterbereichs vorgesehen ist.
2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter über Umschalter zum Umkehren der Leistungsrichtung zwischen den beiden Netzen an den Wechselstromnetzen angeschlossen sind.
3. Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter zwischen den Ventilgruppen und den Transformatoren der Stromrichter angeordnet sind.
4. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche gesteuerte Stromrichter an demselben Netz

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- 13 angeschlossen ist wie die Gleichrichter.
5. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter mit festen Steuerwinkeln arbeiten, vorzugsweise mit dem maximal zugelassenen, während die eigentliche Steuerung des Frequenzumrichters mittels des zusätzlichen Stromrichters erfolgt.

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