DE2054967B2 - Frequenzumrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenz- steuerbaren Stromrichter,

umrichter zum asynchronen Zusammenschalten zweier F i g. 3 eine Anordnung zum Umschalten des

Wechselstromnetze mit mehreren Stromrichtern, deren Frequenzumrichters bei Leistungsumkehrung zwischen Gleichstromseiten in Reihe geschaltet und deren den Wechselstromnetzen und
Wechselstromseiten an da_a eine bzw. das andere der 5° F i g. 4 eine Variante von F i g. 1.
beiden Wechselstromnetze angeschlossen sind. Solche F i g. 1 zeigt zwei Wechselstromnetze 1 und 2, die

Frequenzumrichter sind bekannt (deutsche Auslege- über einen Frequenzumrichter zusammengeschaltet schri^ft 1 244 942). werden, der fünf Stromrichter 3 bis 7 umfaßt, deren

Frequenzumrichter dieser Art haben bisher Steuer- Gleichstromseiten über eine Glättungsdrosselspule 10 bare Ionenventile, aber seit dem Aufkommen von 55 in Reihe geschaltet sind. Jeder Stromrichter umfaßt Halbleiterventilen für hohe Spannungen und Lei- einen Stromrichtertransformator 31, 41, 51, M, 71 stungen liegt es nahe, die Ionenventile durch Thy- und eine Ventilbrücke 32, 42, 52, 62, 72. Diese sind ristorventile zu ersetzen. Ein weiterer Schritt auf über Schalter 33, 43, 63, 73 zusammengeschaltet, diesem Wege ist, die Thyristorventile in den als Gleich- parallel hierzu sind jedoch zusätzliche Schalter 34, 44, richter arbeitenden Stromrichtern durch Dioden- 60 64, 74 zum Umschalten des Stromrichters in einer ventile zu ersetzen, wobei das Steuern nur in den später beschriebenen Weise angeordnet. Die Strom-Wechselrichtern erfolgt. Dabei müssen die Strom- richter sind als Sechspuls-Ventilbrücken mit einem richter über Schalter an die Wechselstromnetze an- Ventil an jedem Brückenzweig gezeichnet. In Wirkgeschlossen sein, so daß man bei Leistungsumkehrung lichkeit ist jedoch jeder Zweig aus einer größeren die Anschlüsse für Gleich- und Wechselrichter 65 Anzahl von in Reihe und parallelgeschalteten Venwechseln kann. Diese Schalter müssen schnell wirken, tilen aufgebaut, die der gewünschten Spannung und damit man schnellen Änderungen des Leistungs- dem gewünschten Strom entsprechen,
bedarfs in den beiden Netzen entsprechen kann. Die am Netz 1 angeschlossenen Stromrichter 4 und

7 sind aus Dioden aufgebaut und daher als Gleich- gleich sein, und man sieht also aus dem Ausdruck

,jdrter vorgesehen. Die Stromrichter 3, 5 und 6 sind E' = 0,3 · E daß der Stromrichters eine Nenn-

jggjgen mit steuerbaren Ventilen versehen, z.B. spannung haben sollte, die nur ungefähr einem Drittel

•jl,yristorventilen mit Steuersätzen 35, 55, 65, wobei der Nennspannung der übrigen Stromrichter em-

£e am Netz 2 angeschlossenen Stromrichter 3 und 6 s spricht.

ab Wechsc'richter arbeiten sollen. Der Stromrichter 5 Obengenanntes Beispiel kann nur als Zahlenbeispiel

^t der zusätzliche Stromrichter gemäß der Erfindung, angeschen werden, um zu zeigen, daß der Stromrichters

te über den ganzen Gleichrichter-Wechselrichter- wesentlich kleiner als die übrigen Stromrichter sein

bjrtjjch gesteuert werden kann. _kann Außerdem soll auch erwähnt werden, daß der

Der Strom im Gleichstromkreis entspricht to Steuerwinkel mit 150° bei Wechselrichterbetrieb

■> F-U-) F _l ir niedrig gewählt worden ist. Bei größeren Steuer-

rüit^trf^ winkeln, z. B. um 165°, die wahrscheinlicher sind,

R ' wird E' noch kleiner. Der Steuersatz 55 des Stromrichters 5 ist in F i g. 2 näher gezeigt und umfaßt

_und 7 und Ey die Gleichspannung in den Wechsel- mit einem gewissen Steuenvinkel an die Ventile der richtern S und 6 bezeichnet und Ey im Verhältnis zu Brücke 52 in F i g. 1 gibt, dieser Steuerwinkel wird £_L negativ ist. £₅ ist die GIeichsp?nnung in dem vom Regelverstärker 11 bestimmt, an dessen Einsteuernden Stromrichter 5. R ist der Widerstand im gangsseite teils der wirkliche Wert des Gleichstroms. Gleichstromkreis. Die Spannung E_L ist hierbei aus- 20 der mit dem Meßtransduktor 9 gemessen wird, und nahmslos abhängig von und proportional der Span- teils ein Sollwert angeschlossen ist, den man von nung im Netz 1, während die Spannung Ey, die pro- einem zweiten Regelverstärker 12 erhält. An diesen portional der Spannung im Netz 2 ist, außerdem von sind Istwert und Sollwert einer Betriebsgröße des der Steuerung der Steuersätze 35 und 65 beeinflußt Frequenzumrichters angeschlossen, z. B. überführte werden kann. Um jedoch die Blindleistung im Netz 2 as Leistung. Der Istwert dieser I eistung kann mit einem zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die Wechselrichter 3 Leistungsmesser 13 gemessen werden, der an eines der und 6 mit festem minimalen Sicherheitswink-l zu Netze 1 oder 2 am Eingang des Frequenzumrichters steuern, so daß die Steuergeräte den Charakter von angeschlossen ist, oder durch Summierung von Sicherheitswinkelsteuergeräten bekommen. Solche Gleichspannungen, die über die Stromrichter an das Geräte sind bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 226196, 30 eine Netz angeschlossen sind, und Multiplikation mit schweizerische Patentschrift 319 023). dem Gleichstrom. Der Sollwert wird an dem Potentio-

Um das Umschalten der Stromrichter mittels der meter 14 eingestellt.

Schalter 33, 34, 43, 44, 63, 64, 73, 74, wie noch erklärt Der Unterschied zwischen den Signalen von 13 und wird, vornehmen zu können, müssen die Strom- 14 entsprechend wirklicher und gewünschter überrichtert ansformatoren 31, 41, 61, 71 ein solches 35 führter Leistung führt zu einem Ausgangssignal des Übersetzungsverhältnis haben, daß die Spannung in Regelverstärkers 12, das den Sollwert für den Gleichihren Ventilwicklungen dieselbe wird. Für einen strom bildet, wobei von dem Regelverstärker 11 ein Stromrichter gilt weiter, daß seine Gleichspannung Signal ausgeht, das den Steuerwinkel des Steuergleich £ · cos s ist, wobei λ der Steuerwinkel ist, impulsgenerator 56 einstellt, so daß der mit dem während £ die maximale oder ideale Leerlaufspannung 40 Transduktor 9 gemessene Stromwert dem Signal des ist, die von der Spannung in der Ventilwicklung des Regelverstärkers 12 entspricht.

Siromrichtertransformators bestimmt wird, so daß E ' Aus Obengenanntem geht hervor, daß es für die

für die Stromrichter 3, 4, 6 und 7 gleich ist. Für die Steuerung des Stromrichters 5 und damit des Fre-

Gleichrichter 4 und 7 ist λ = Null, während man sich quenzumrichters im großen und ganzen gleichgültig

einen niedrigen Wert wie λ = 150° für die Wechsel- 45 ist, an welches der Netze 1 oder 2 der Stromrichter 5

richter3 und 6 denken kann. Damit ist der Gleich- angeschlossen ist. Im Hinblick darauf daß der

strom also Stromrichter 5 jedoch mit sehr veränderlichem Steuer-

2 · £ — 2 · £ · 0,87 -f £₅ winkel gesteuert werden kann, kann er eine ziemlich

' ⁼ _R · große Blindleistung verursachen oder erforderlich

50 machen, so daß es zweckmäßig sein dürfte, ihn an das

Hieraus kann man ableiten, wie groß die Nenn- speisende Wechselstromnetz anzuschließen. Im Hinspannung des Stromrichters 5 sein muß, da der blick auf Leistungsumkehrung kann daher auch dieser Gleichstrom / zwischen einem Maximalwert / max. Stromrich' .τ mit einem Umschalter 53, 54 versehen und Null wechseln können soll. Die Gleichspannung sein, der zusammen mit den Schaltern für die anderen £₅ ist gleich £' · cos «, wobei £' ein Maß für die 55 Stromrichter gesteuert wird.

Nennspannung der Ventilwicklung des Transfor- Der wichtigste Grund dafür, daß der steuernde

mators 51 ist. Stromrichter an das speisende Wechselstromnetz an-

Maximaler Gleichstrom/ max. entspricht voller geschlossen sein sollte, ist seine strombegrenzende Aussteuerung des Stromrichters 5 im Gleichrichter- Funktion beim Auftreten von Störungen in dem gebetrieb, während der Gleichstrom Null vollem 60 speisten Wechselstromnetz. In diesem Fall sollte Wechselrichterbetrieb dieses Stromrichters entspricht. nämlich £_E möglichst die Verminderung von 2 · Ev Die entsprechenden Steuerwinkel λ können auf 5° in dem früheren Ausdruck für Gleichstrom aufwiegen, und 150° festgesetzt werden. Setzt man diese Werte in was am besten dadurch erreicht wird, daß der Stromdie obige Gleichung ein, so ist £' = RI max. — richter 5 an ein Netz mit voller Spannung ange-0,26 · £ bzw. 0,3 · E, was bedeutet, daß £' gleich oder 65 schlossen wird. Auch hier hat man also ein Vergrößer als der größte dieser Werte sein soll. Bei zweck- hältnis, das die Wahl der Größe des Stromrichters mäßiger Wahl von E und / max. im Verhältnis zu- beeinflußt. Wenn man den Stromrichters nicht so einander sollten diese beiden Ausdrücke beinahe groß wählen will, daß er einen totalen Spannungs-

ausfall in dem gespeisten Wechselstromnetz kompensieren kann, muß die Anlage mit einem Überstromschutz versehen werden.

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, wie die eine Hälfte der Stromrichter im Verhältnis zu der anderen Hälfte durch Stern- bzw. Dreieckschaltung der Ventilwicklungen der Transformatoren phasenverschoben sind. Durch die auf diese Weise erhaltene Zwölfpulsschaltung wird Anzahl und Effekt der Oberwellen von den Stromrichtern begrenzt. Aus demselben Grund kann man eventuell den Stromrichter S mit zwei Sechspuls· brückenschaltungen ausrüsten, die im Verhältnis zueinander phasenverschoben sind, so daß auch der Stromrichter 5 im Zwölfpulsbetrieb arbeitet. Dies wird automatisch durch eine Schaltung gemäß F i g. 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 ao der Umschalter 33, 34, 43, 44, 53, 54, 63, 64, 73, 74 in F i g. 1, nachdem der Gleichstrom in dem Umrichter auf Null gebracht worden ist. In F i g. 1 sind diese Umschalter zwischen den Stromrichtertransformatoren und den Ventilbrücken eingesetzt, wobei die as Transformatoren für die aktuelle Netzfrequenz gebaut werden können und die Umschalter stromlos werden, wenn der Gleichstrom Null ist. Sind die Umschalter auf der Netzseite der Stromrichtertransformatoren angeordnet, wie es bei dem Stromrichter 5 der Fall ist, werden sie immer zumindest 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 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 F i g. 3 hervorgeht.

Das Steuerorgan 8 besteht hier aus einem sogenannten Kipprelais 81, d. h. einem Relais, das, wenn es einen Impuls bekommt, von seiner einen Lage zur anderen Lage kippt. Das Relais 81 wird Über zwei Kontakte gesteuert, nämlich von dem Kontakt S3 eines Relais 82, das vom Meßtransduktor 9 gesteuert wird, und einem Kontakt ISa, der eventuell von Hand bedient werden kann.

Umkehrung der Leistungsrichtung geschieht ganz einfach durch Eindrücken des Kontaktsatzes 15, der in F i g. 2 und 3 zu sehen ist. Dadurch schließen die Kontakte 15a und 156, von denen der letztere das Ausgangssignal von dem Verstärker 12 in F i g. 2 unwirksam macht, wobei der Regelverstärker 11 den Stromrichter 5 heruntersteuert, bis der Gleichstrom des Umrichters gleich Null ist. Dabei fällt das Relais82 ab, und das Relais 81 wird über die Kontakte 83 und 15a eingeschaltet, wobei ein Umschalten der Kontakte 33, 34, 43, 44, 53, 54, 63, 64, 73, 74 in F i g. 1 geschieht. Wie zuvor ist ein Umschalten des Stromrichters 5 nicht absolut erforderlich, sondern davon abhängig, wie zuverlässig das Netz 1 ist. Die Verbindungen zu 54 sind deshalb gestrichelt gezeichnet.

F i g. 4 zeigt eine Variante von F i g. 1, bei der der Stromrichter 5 in zwei Stromrichter 5' und 5" aufgeteilt ist, während der Umrichter im übrigen der F i g. 1 entspricht, weshalb solche Details wie Umschalter und Steuersystem ausgelassen sind. Es geht aus den früheren Gleichungen hervor, daß die Nennspannung für jeden der Stromrichter 5' und 5" nur die Hälfte der Spannung für den Stromrichter 5 zu sein braucht. Durch diese Aufteilung wird erreicht, daß die an das eine Netz angeschlossenen Stromrichter ständig die resultierende Pulszahl 12 aufweisen, während gemäß F i g. 1 der Stromrichter 5 die Pulszahl 6 hatte.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Solche schnellen Schalter sind bekannt. Es ist jedoch Patentansprüche: ein Problem, die Dioden in den ungesteuerten Gleichrichtern gegen Überströme zu schützen, z. B. bei

1. Frequenzumrichter zum asynchronen Zu- Störungen in dem an den Wechselrichtern angesammenschalten von zwei Wechselstromnetzen mit S schlossenen Wechselstromnetz. Dabei £,Jbt nämlich mehreren Stromrichtern, deren Gleichstromseiten die Wechselrichtersteuerung keine ausreichende Gein Reihe geschaltet und deren Wechselstromseiten genspannung auf der Gleichstromseite, d. h., der an das eine bzw. das andere der Wechselstrom- Strom kann unzulässig ansteigen, da es nicht möglich netze angeschlossen sind, dadurchgekenn- ist, die Gleichrichter herabzusteuern, zeichnet, daß die als Gleichrichter arbeitende to Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gruppe der Stromrichter (4, 7) mit Dioden aus- Steuerfähigkeit der eben beschriebenen Frequenzgerüstet und an das eine Netz (1) angeschlossen umrichter mit Diodengleichrichtern zu verbessern, so ist, daß die als Wechselrichter arbeitende Gruppe daß diese Umrichter die gleichen guten Steuereigen-

Aof Ctmtnru4itarn. ^S mi* ctettArlvircm Ventilen M*nof»An tu»L-#tmnrw»n lllip /!■<» friih^r Vf?rU έπΗ^ΐ^Τ) IJrTI-

ausgerüstet und an das andere Netz (2) angeschlos- 15 richter mit steuerbaren Ionenventilen,

sen ist und daß zum Steuern des gesamten Gleich- Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter

richter-Wechselrichterbereichs ein zusätzlicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch

Stromrichter (5 bzw. 5', 5") mit steuerbaren Ven- gelöst, daß die als Gleichrichter arbeitende Gruppe

tilen vorgesehen ist, der an eines der Netze (1, 2) der Stromrichter mit Dioden ausgerüstet und an das

angeschlossen ist. 30 eine Netz angeschlossen ist, daß die als Wechselrichter

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, da- arbeitende Gruppe der Stromrichter mit steuerbaren durch gekennzeichnet, dai> die Stromrichter (3 Ventilen ausgerüstet und an das andere Netz angebis 7) über Umschalter (33, 34, 43, 44, 53, 54, 63, schlossen ist und daß zum Steuern des gesamten 64, 73, 74) zum Umkehren der Leistungsrichtung Gleichrichter-Wechselrichterbereichs ein zusätzlicher zwischen den beiden Netzen wahlweise an eines 25 Stromrichter mit steuerbaren Ventilen vorgesehen ist, der beiden Wechselstromnetze (1, 2) anschließbar der an eines der Netze angeschlossen ist.

sind. Zweckmäßigerweise werden die Wechselrichter mit

3. Frequenzrichtei nach Anspruch 2, dadurch festem, maximalen Steuerwinkel gesteuert, wobei ihr gekennzeichnet, daß uie Umschalter (33, 34, 43, reaktiver Leistungsbedarf begrenzt wird. Die Steuerung 44, 63, 64, 73, 74) zwischen den Ventilgruppen (32, 30 des Frequenzumrichters geschieht dann nur mit Hilfe 42, 62, 72) und den Transformatoren (31, 41, 61, des zusätzlichen Stromrichters, der also im Ver-71) der Stromrichter (3, 4, 6, 7) angeordnet sind. hältnis zu den übrigen Stromrichtern ausreichend

4. Frequenzrichter nach einem der Ansprüche 1 groß sein muß. Eventuell bekommt der zusätzliche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Stromrichter die Pulszahl 12, u.n die Anzahl der Obersteuerbare Stromrichter (5 bzw. 5', 5") an dasselbe 35 wellen zu begrenzen. Wie aus der nachfolgenden Be-Netz angeschlossen ist wie die Gleichrichter (4, 7). Schreibung hervorgeht, ist es im Prinzip gleichgültig,

5. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche an welches der Wechselstromnetze der zusätzliche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel- Stromrichter angeschlossen wird, aber in der Praxis richter (3, 6) auf einen festen, vorzugsweise den ist es zweckmäßig, ihn an das speisende Netz anzumaximal zugelassenen Steuerwinkel eingestellt sind. 40 schließen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Frequenzumrichter gemäß der Erfindung,
45 F i g. 2 einen Steuerkreis für den zusätzlichen