DE2054967C - Frequenzumrichter - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumrichter zum asynchronen Zusammenschalten zweier Wechselstromnetze mit mehreren Stromrichtern, oc.cn Gleichstromseiten in Reihe geschaltet und deren Wechselstromseiten an das eine bzw. das andere der beiden Wechselstromnetze angeschlossen sind. Solche Frequenzumrichter sind bekannt (deutsche Auslcgeschrift 1 244 942).

Frequenzumrichter dieser Art haben bisher steuerbare Ionenventile, aber seit dem Aufkommen von Halbleiterventilen für hohe Spannungen \:nd Leistungen liegt es nahe, die Ionenventile durch Thyristorventile zu ersetzen. Ein weiterer Schritt auf diesem Wege ist, die Thyristorventile in der. als Gleichrichter arbeitenden Stromrichtern durch Diodenventile zu ersetzen, wobei das Steuern nur in den Wechselrichtern erfolgt. Dabei müssen die Stromrichter über Schalter an die Wechselstromnetze an-. geschlossen sein, so daß man bei Leistungsumkehrung die Anschlüsse für deich- und Wechselrichter wechseln kann. Diese Schalter müssen schnell wirken, damit man schnellen Änderungen des Leistungsbedarfs in den beiden Netzen entsprechen kann.

Solche 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 a.i den Wechselrichtern 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuei fähigkeit der eben beschriebenen Frequt-nzumrichter mit Diodengleichrichtern zu verbessern, so daß diese Umrichter die gleichen guten Steuereigenschaften bekommen wie die frühe, verwendeten Umrichter mit steuerbaren Ionenventilen.

Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die als Gleichrichter arbeitende Gruppe der Stromrichter mit Dioden ausgerüstet und an das eine Netz angeschlossen ist, daß die ais Wechselrichter arbeitende Gruppe der Stromrichter mit steuerbaren Ventilen ausgerüstet und an das andere Netz angeschlossen ist und daß zum Steuern des gesamten Gleichrichter-Wechselrichterbereichs ein zusätzlicher Stromrichter mit steuerbaren Ventilen vorgesehen ist, der an einet der Netze angeschlossen ist.

Zweckmäßigerweise werden die Wechselrichter mit festem, maximalen Steuerwinkel gesteuert, wobei ihr reaktiver LeisUingsbedarf begrenzt wird. Die Steuerung des Frequenzumrichters geschieht dann nur mit Hilfe des zusätzlichen Stromrichters, der also im Verhältnis zu den übrigen Stromrichtern ausreichend groß sein muß. Eventuell bekommt der zusätzliche Stromrichter die Pulszahl 12, um die Anzahl der Oberwellen zu begrenzen. Wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, ist es in Prinzip gleichgültig, an welches der Wechselstromnetze der zusätzliche Stromrichter angeschlossen wird, aber in der Praxis ist es zweckmäßig, ihn an das speisende Netz anzuschließen.

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

F i g. 1 einen Frequenzumrichter gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Steuerkreis für den zusätzlichen steuerbaren Stromrichter,

F i g. 3 eine Anordnung zum Umschalten des Frequenzumrichters bei Leistungsumkehrung zwischen den Wechselstromnetzen und

F i g. 4 eine Variante von Fig. 1.

F i g. 1 zeigt zwei Wechselstromnetze 1 und 2, die über einen Frequenzumrichter zusammengeschaltet werden, der fünf Stromrichter 3 bis 7 umfaßt, deren Gleichstromseiten über eine Glättungsdrosselspule 10 in Reihe geschaltet sind. Jeder Stromrichter umfaßt einen Stromrichtertransformator 31, 41, 51, 61, 71 und eine Ventilbrücke 32, 42, 52, 62, 72. Diese sind über Schalter 33, 43, 63, 73 zusammengeschaltet, pgrallel hierzu sind jedoch zusätzliche Schalter 34, 44, 64, 74 zum Umschalten des Stromrichters in einer später beschriebenen Weise angeordnet. Die Stromrichter sind als Sechspuls-Ventilbrücken mit einem Ventil an jedem Brückenzveig gezeichnet. In Wirklichkeit ist jedoch jeder Zweig aus eii.er größeren Anzahl von in Reihe und parallelgeschalteten Ventilen 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 Gleich- gleich sein, und man sieht also aus dem Ausdruck richter vorgesehen. Die Stromrichter3, 5 und 6 sind £' = 0,3 · £, daß der Stromrichters eine Nenndagegen mit steuerbaren Ventilen versehen, z. B. spannung haben sollte, die nur ungefähr einem Drittel Thyristorventilcn mit Steuersätzen 35, 55, 65, wobei der Nennspannung der übrigen Stromrichter entdie am Netz 2 angeschlossenen Stromrichter 3 und 6 5 spricht.

als Wechselrichter arbeiten sollen. Der Stromrichter 5 Obengenanntes Beispiel kann nur als Zahler.beispiel

ist der zusätzliche Stromrichter gemäß der Erfindung, angesehen werden, um zu zeigen, daß der Stromrichters

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

bereich gesteuert werden kann. kann. Außerdem soll auch erwähnt werden, daß der

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

niedrig gewählt worden ist. Bei größeren Steuer-

Ά'.Λ'ι. tA' fyjjlß* winkeln, z. B. um 165°, die wahrscheinlicher sind,

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

wobei El die Gleichspannung in den Gleichrichtern 4 15 einen Steuerimpulsgenerator 56, der Steuerimpulse

uiii¹ 7 und Ev die Gleichspannung in den Wechsel- mit einem gewissen Steuerwinkel an die Ventile der

lichtem 3 und 6 bezeichnet und Ev im Verhältnis zu Brücke 52 in F i g. 1 gibt. Dieser Steuerwinkel wird

ti. negativ ist. £_s ist die Gleichspannung in dem νο·η Regelverstärker 11 bestimmt, an dessen Ein-

sieuernden Stromrichter 5. R ist der Widerstand im gangsseite teils der wirkli. .e Wert des Gleichstroms,

Gleichstromkreis. Die Spannung E; ist hierbei aus- ao der mit dem Meßtransdukto. 9 gemessen wird, und

nahmstos abhängig von und proportional der Span- teils ein Sollwert angeschlossen ist, den man von

η-.ι ng im Netz 1, während die Spannung Ev, die pro- einem zweiten Rcgelverstärker 12 e^ält. An diesen

portional der Spannung im Netz 2 ist, außerdem von sind Istwert und Sollwert einer Betriebsgrobe des

der Steuerung der Steuersätze 35 und 65 beeinflußt Frequenzumrichters angeschlossen, z. B. überführte

werden kann. Um jedoch die Blindleistung im Netz 2 35 Leistung. Der Istwert dieser Leistung kann mit einem

zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die Wechselrichter 3 Leistungsmesser 13 gemessen werden, der an eines der

und 6 mit festem minimalen Sicherheitswinkel zu Netze 1 oder 2 am Eingang des Frequenzumrichters

steuern, so daß die S^; uergeräte den Charakter von angeschlossen ist, oder .durch Summierung von

Sicherheilswinkelsteuergeräten 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 überrichtertransformatoren 31, 41, 61. 71 ein solches 35 führter Leistung führt zu einem Ausgangssignal des Übersetzungsverhältnis haben, daß die Spannung in Regelverstärkers 12, das den Soilwen 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 λ ist, wobei « der. Steuerwinkel ist, impulsgenerators 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.

Stromrichtertransformators 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 * = 150° für die Wechsel- 45 ist, an welches der Netze 1 oder 2 der Stromrichter 5

richter 3 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 · E - 2 · E · 0,87 + £₅ winkel gesteuert werden kann, kann er eine ziemlich

_ ^ , große Blindleistung verursachen oder erforderlich

.'u 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 blisk auf Leistungsumkehrung kann daher auch dieser Gleichstrom / zwischen einem Maximalwert / max. Stromrichter mit einem Umschalter 53, 54 versehen und Null wechseln können soll. Die Gleichspannung sein, der zusammen mit den Schaltern für die anderen E₅ ist gleich £' · cos <x, 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 seins 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 £₆ möglichst die Verminderung von 2 · Ev Die entsprechenden Steuerwinkel α 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 E' = R-1 max. — richter 5 an ein Netz mit voller Spannung ange-0,26 · E bzw. 0,3 · £, was bedeutet, daß E' gleich oder 65 schlossen wird. Auch hier hat man also ein Vergrößer als der gröiite dieser Werte sein soll. Bei zweck- hältnis, das die Wahl der Größe des Stromrichters 5 mäßiger Wahl von £ und / max. im Verhältnis zu- beeinflußt. Wenn man den Stromrichter 5 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 5 mit zwei Sechspulsbrückenschaltungen ausrüsten, die im Veihältnis 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 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 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 ejnem 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 83 eines Relais 82, das vom Meßtransduktor 9 gesteuert wird, und einem Kontakt 15a, der eventuell von Hand bedient werden kann.
Umkehrung der Leistungsrichtung geschieht ganz

ίο 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

is 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

ao 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. ^c i g. 4 zeigt eine Variante von F i g. 1, bei der der

*5 Stromrichters in zwei Stromrichters' 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 -ien 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 ei reicht, 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 halber sind die Umschalter in F i g. 4 nicht gezeigt, aber es ist selbstverständlich, daß für die Leistungsumkehr Umschalter wie ir F i g. 1 erforderlich sind. Außerdem sind in Fig.' die Stromrichter auf zwei getrennte Gleichstromkreise mit je einer Drossel 10' bzw. 10" verteilt worden, wa: von Vorteil sein kann, wenn man bei halber Leistuni die Hälfte der Stromrichter abschalten will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Frequenzumrichter zürn asynchronen Zusammenschalten von zwei Wechselstromnetzen mit mehreren Stromrichter!* deren Gleichstromseiten in Reihe geschaltet und deren Wechselstromseiten an das eine bzw. das andere der Wechselstromnetze angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die als Gleichrichter arbeitende Gruppe der Stromrichter (4, 7) mit Dioden ausgerüstet und an das eine Netz(l) angeschlossen ist, daß die als Wechselrichter arbeitende Gruppe der Stromrichter (3, 6) mit steuerbaren Ventilen ausgerüstet und an das andere Netz (2) angeschlossen ist und daß zum Steuern des gesamten Gleichrichter-Wechselrichterbereichs ein zusätzlicher Stromrichiw (5 bzw. 5', 5") mit steuerbaren Ventilen vorgesehen ist, der an eines der Netze (1, 2) angeschlossen ist. ao

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichter (3 bis 7) über Umschalter (33, 34 43, 44, 53, 54, 63, 64, 73, 74» zum Umkehren der LeistungsrLntung zwischen den beiden Netzen wahlweise an eines der beiden Wechselstromnetze (1, 2) anschließbar sind.

3. Frequenzrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalter (33, 34, 43, 44, 63, 64, 73, 74) zwischen Jen Ventilgruppen (32, 42, 62, 72) und den Transformatoren (31, 41, 61, 71) der Stromrichter (3, 4, 6, T) angeordnet sind.

4. Frequenzrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche steuerbare Stromrichter (5 bzw. 5', 5") an dasselbe Netz angeschlossen ist wie die Gleichrichter (4, 7).

5. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (3, 6) auf einen festen, vorzugsweise Hen maximal zugelassenen Steuerwinkel eingestellt sind.