DE2159394B2

DE2159394B2 - Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer Frequenz

Info

Publication number: DE2159394B2
Application number: DE19712159394
Authority: DE
Inventors: Arnold Dipl.-Ing. 6731 Lindenberg Schoenung
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1971-11-30
Filing date: 1971-11-30
Publication date: 1980-10-02
Also published as: DE2159394A1; DE2159394C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf «"ine Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer F-^quenz mit einem Umrichter mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis, einem weiteren Umformer und einem Transformator.

Eine derartige Anordnung mit Gleichstromzwischenkreis ist bekannt aus der DE-OS 16 38 646.

Beim Betrieb von Stromverbrauchern mit großer Leistung ist es i. a. erwünscht, das speisende Wechselspannungsnetz (Quelle) möglichst zu schonen, d.h. Leistungen zu entnehmen, deren zeitlicher Verlauf stetig ist.

Es ist bekannt (Heumann/Stumpe »1 hyristoren«, Teubner-Verlag, Stuttgart 1969, S. 198) zur Speisung von Wechselstromverbrauchern großer Leistung mit von der Netzfrequenz abweichender Frequenz Zwangskommutierte Umrichter zu verwenden, welche einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen selbstgeführten Stromrichter enthalten und die Netzspannung in eine Spannung mit wählbarer Frequenz umformen. Zur Steuerung der Spannung im Gleichstromzwischenkreis ist es ferner aus der genannten Literaturstelle auf S. 199 bekannt, als netzgeführten Stromrichter eine steuerbare Gleichrichterbrücke zu verwenden, der ein netzgeführter Wechselrichter antiparallel geschaltet ist. Mittels einer derartigen Anordnungist es jedoch nicht möglich, einen sieligen Verlauf der dem Netz entnommenen Leistung zu gewährleisten, da keine Möglichkeit besteht, den zeitlichen Verlauf der in den Gleichstromzwischenkrcis eingespeisten Neuleistung zu beeinflussen.

Bei der aus der DE-OS 16 38 646 bekannten Umrichterschaltung wird bezweckt, eine Einsparung von Stromrichter-Bauleistung zu erreichen, wenn die maximale Spannung und der maximale Strom im Läuferkreis einer Asynchronmaschine zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. Es handelt sich um eine untersynchrone Stromrichterkaskade, die zwei Drehspannungsnetz-Läuferkreise und das Drehspannungsnetz, in das zurückgespeist wird, miteinander verbindet Es ist kein weiterer Wechselspannungs-Zwischenkreis vorhanden. Da es sich um Drehspannungsnetze handelt, ist die übertragene Leistung konstant Die Glättungsdrossel des Gleichstromzwischenkreises muß nur die von den Stromrichtern erzeugte Oberschwingungsleistung speichern. Die Problematik der Belastung des speisenden Netzes mit zu hohen Leistungspuisationen besteht nicht und wird auch nicht gelöst

Bei einer aus der DE-OS 15 38165 bekannten Einrichtung handelt es sich um einen Kaskadenwandler,

is wobei Schleifringläufermaschinen benutzt werden, um die Ausgangsfrequenz heraufzusetzen, — Drehfrequenz und Rotorfrequenz addieren sich zur Ausgangsfrequenz. Die Einrichtung bezieht sich nur auf Maßnahmen an Getrieben und geschickten Reihenschaltungen von Maschinen, um die Ausgangsfrequenz auf einen gewünschten Wert zu regeln. Es handelt sich um »rotierende Frequenzumformer«.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, welche eine Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Einspeiseleistung eines WechselSpannungsnetzes in einem Umrichter ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen dem speisenden einphasigen Wechselspannungsnetz und dem Umrichter mit Gleichspan-

so nungs- oder -strorazwischenkreis ein fremdgeführter Direktumrichter als weiterer Umrichter, ein Wechselspannungszwischenkreis und der Transformator hintereinander geschaltet sind, daß der fremdgeführte Direktumrichter vom Wechselspannungszwischenkreis geführt ist und daß an letzterem ein Wechselspannungsspeicher angeschlossen ist.

In bevorzugter Weise ist als Wechselspannungsspeieher eine Synchronmaschine vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung besh.fi: darin, daß der fremdgeführte Umrichter so gesteuert wird, daß der zeitliche Verlauf des Netzstromes sowie dessen zeitliche Lage zur Netzspannung beliebig vorgebbar sind.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß es ermöglicht wird, leistungsschwache Netze, wie z. B. Bahnnetze mii einem Leistungsfaktor cos Φ von annähernd 1 zu belasten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. la bis c Diagramme eines zeitlichen Verlaufs

w von Leistung, Spannung bzw. Strom eines mit der erfindungsgemäßen Anordnung verbundenen WechselSpannungsnetzes,

F i g. 2a bis c Diagramme eines zweiten zeitlichen Verlaufs von Leistung, Spannung bzw. Strom eines mit

v> der erfindungsgemäßen Anordnung verbundenen Wechselspannungsnetzes

Fig.3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.
In Fig. la ist der zeitliche Verlauf der aus dem

w> Produkt der Netzspannung u_N und des Netzstromes i_N gebildeten Neuleistung Pn in Form einer Geraden mit der Steigung null (konstante Leistung) mit durchgezogener Linie aufgetragen. Da die Netzspannung im allgemeinen sinusförmig verläuft (Fig. Ib), wird der

ί> dem WechselspannungsneU entnommene Strom i_N in seinem zeitlichen Verlauf so gewählt, daß das Produkt aus der Spannungsamplitude u, und der Stromamplitude /, zu jedem beliebigen Zeitpunkt /, den in diesem

Beispiel gewünschten konstanten Wert ergibt. Wie man aus dem zeitlichen Verlauf des dem Wechselspannungsnetz entnommenen Stroms i'n entnehmen kann (Fig. Ic), steigt der Netzstrom in im Bereich sehr kleiner Netzspannung-Augenblickswerte auf sehr große Werte an und besitzt bei Spannungsnulldurchgang theoretisch den Wert unendlich. Da diese Forderung in der Praxis nicht zu verwirklichen ist, treten im Bereich der Spannungi-iulldurchgänge die in Fig. la mit gestrichelten Linien eingezeichneten Leistungseinbrüche auf.

In Fig.2a bis c sind Zeitdiagramme der Netzspannung Un und des Netzstroms i'n für einen zeitlichen Verlauf der Netzleistung pn in Form von positiven Sinushalbwellen (F i g. 2a) dargestellt Da die Netzspannung un wiederum sinusförmig vorgegeben ist (F i g. 2b), muß der dem Netz entnommene Strom i'n rechteckförmig mit wechselnden Polaritäten sein (F i g. 2c).

Es ist somit zur Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Speiseleistung N ·- i · u eines Wechselspannungsnetzes bei fest vorgegebener Netzspannung erforderlich, den Verlauf des dem Netz entnommenen Str&isis sowie gegebenenfalls dessen zeitliche Lage zur Netzspannung (Phasenlage) beliebig vorgeben zu können.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt.

Der aus einem Stromrichter 1, einem Gleichspannungszwischenkreis 10 und einem Stromrichter 2 bestehende Umrichter 3 wird von einem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 gespeist, wobei eine Umformung der Netzspannung in eine Wechselspannung am Ausgang des Umrichters 3 mit wählbarer Frequenz erfolgt Diese Ausgangsspannung wird einer Belastung 5 zugeführt, welche beispielsweise als Elektromotor ausgebildet sein kann. Zwischen dem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 und dem Umrichter 3 ist erfindungsgemäß ein fremdgeführter Direktumrichter 6 angeordnet, welcher einen Wechselspannungszwischenkreis 7 speist. Unter einem fremdgeführten Direktumrichter 6 wird ein mit steuerbaren Halbleiter- oder Gasentladungsventilen versehener Stromrichter verstanden, welcher die zur Löschung der steuerbaren Ventile erforderliche Kommutierungsspannung dem Weehselspannungszwischenkreis 7 entnimmt. Die Frequenz des Wechselspannungszwischenkreises 7 ist dabei größer als die Frequenz des einphasigen Wechselspannungsnetzes 4. Der Wechselspannungszwischenkreis speist über einen Transformator 8 den Umrichter 3. Gegenüber den üblichen für die Netzfrequenz bemessenen Netztransformatoren zwischen dem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 und dem Umrichter 3 kann der Transformator 8 der erfindungsgemäßen Anordnung für eine weit über der Netzfrequenz liegende Wechselstromzwischenkreisfrequenz ausgebildet werden, wodurch eine erhebliche Verkleinerung seiner Abmessungen ermöglicht ist Zur Führung der Spannung und der Frequenz des Wechselspannungszwischenkreises 7 ist dieser mit einem V-'.chselspannungsspeicher verbunden, der im Falle einer dreiphasigen Auslegung des Wechselspannungszwischenkreises 7 in Form einer Synchronmaschine 9 gewählt wird. Die Synchronmaschine 9 arbeitet bei Leistungsüberschuß im Wechsel-pannungszwischenkreis 7 im Motorbetrieb und bei Leistungsmangel im Wechselspannungszwischenkreis 7 im Generatorbetrieb.

Ausführungsbeispiele für den vorstehend beschriebenen fremdgeführten Umrichter sind bsispielsweise in der Literaturstelle »Thyristoren« von Heumann/Stumpe, Teubner-Verlag, Stuttgart 1969 auf S. 116 ff beschrieben. Als besonders vorteilhaft für den fremdgeführten Direktumrichter 6 hat sich dabei ein Steuerumrichter erwiesen, wie er in der vorgenannten Literaturstelle auf S. 125 ff beschrieben ist. Als Umrichter 3 ist ein zwangskommutierter Umrichter mit Gleinhspannungszwischenkreis vorgesehen, welcher in der genannten Literaturstelle auf S. 176 ff beschrieben ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer Frequenz mit einem Umrichter mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis, einem weiteren Umrichter und einem Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß zwisehen dem speisenden einphasigen Wechselspannungsnetz (4) und dem Umrichter (3) mit Gleichspannungs- oder -stromzwischenkreis (10) ein fremdgeführter Direktumrichter (6) als weiterer Umrichter, ein Wechselspannungszwischenkreis (7) und der Transformator (8) hintereinander geschaltet sind, daß der fremdgeführte Direktumrichter(6) vom Wechselspannungszwischenkreis (7) geführt ist und daß an letzterem ein Wechselspannungsspeicher angeschlossen ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab als Wechselspannungsspeicher eine Synchronmaschine (9) vorgesehen ist

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der fremdgeführte Direktumrichter (6) so gesteuert wird, daß der zeitliche Verlauf des Netzstromes (i'n) sowie dessen zeitliche Lage zur Netzspannung (u_N) beliebig vorgebbar sind.