DE2250437A1

DE2250437A1 - Einrichtung zur wechselstromspeisung eines verbrauchers

Info

Publication number: DE2250437A1
Application number: DE2250437A
Authority: DE
Inventors: Franz Amrein; Heinrich Gaechter
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-09-20
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1974-04-04
Also published as: AU6669574A; FR2200669B3; SE387786B; FR2200669A1; CH549894A; GB1442354A

Description

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Fd.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (S_Ghweiz)

Einrichtung zur Wechselstromspeisung eines Verbrauchers

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Wechselstromspeisung eines Verbrauchers, die eine Wechselstromquelle, einen Gleichstromsammler und einen Stromrichter umfasst. Derartige Einrichtungen sind auch unter der Bezeichnung "Dauer-oder Notstrom-Versorgungsanlagen" bekannt. Die WeehselstromquelLe ist dabei im allgemeinen ein für die Normalversorgung des gegen Ausfall zu sichernden Verbrauchers vorgesehenes·Wechselstromnetz.

Wesentliche Kenngrösse derartiger Stromversorgung'sanlagen ist die Unterbrechungsseit der Stromversorgung für den Verbraucher beim übergang zwischen normalem Netzbetrieb und Speisung des Verbrauchers aus dem Sammler über den dann als Wechselrichter arbeitenden Stromrichter. Anlagen mit mehr oder weniger langer Unterbrechungszeit erlauben grundsätzlich einen vergleichs-

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weise einfachen Aufbau_yund/gegebenenfalls mit nur einem Stromrichter, der eine wechselnde Energieflussrichtung ermöglicht (Zweienergierichtungs-Stromrichter) und beim Netzbetrieb als Gleichrichter die Sammleraufladung sowie bei Netzausfall als Wechselrichter die Verbraucher Versorgung Übernimmt. Die bekannten AnIi gen dieser Art (siehe z.B. den Sonderdruck "statische Wechselrichter" aus Brown, Boveri-Mitteilungen, Nr. 5, 1970, Seiten 1 - 3) benötigen jedoch grundsätzlich eine Umschaltung des Energieflusses über entsprechende Leistungsschalter und erlauben daher infolge der endlichen Schaltzeit keine ünterbrechungsfreie Stromversorgung.

Andererseits ist eine Dauerstromversorgungsschaltung bekannt (siehe die oben genannte Literaturstelle, Seite 2, Bild 2), die zwar eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und den aus Sicherheitsgründen erwünschten Dauerbetrieb der stromrichtenden Schaltungsteile ermöglicht,

jedoch zwei vollständige Stromrichter benötigt> nämlich einen Gleichrichter und einen Wechselrichter mit im Gleichstrom-Zwischenkreis angeordnetem Sammler. Ausgerdem muss hier die gesamte Verbraucher leistung auch im Normal*- Netzbetrieb durch beide Stromrichter übertragen werden, sofern nicht auf den letztgenannten Vorteil verzichtet werden soll. Diese zweifache Stromrichteranordnung mit der erforderlichen Dimensionierung für Dauerübertragung der Versorgungsleistung bedingt einen unerwünscht hohen

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Schaltungsaufwand.

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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Stromversorgungsanlage der eingangs genannten Art, die grundsätzlich nur einen Stromrichter benötigt, gleichwohl aber eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und einen Dauer-Bereitschaftsbetrieb des Stromrichters ermöglicht. Die erfindungsgemässe Lösung'

dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Stromrichter der erwähnten Art dadurch, dass ein Zweienergierichtungs-Stromrichter vorgesehen ist und dass der Sammler über diesen Stromrichter und eine Entkopplungsschaltung, die eine Längsimpedanz aufweist, mit der Wechselstromquelle sowie über den gleichen Stromrichter mit dem Verbraucher in Verbindung steht. Eine solche Stromversorgungseinrichtung weist ausserdem gegenüber der -bekannten unterbrechungsfreien Versorgungsanlage den Vorteil auf, dass der Stromrichter im Normal-Netzbetrieb nur die Ladeleistung für den Sammler zu übertragen braucht, und zwar ohne Zuhilfenahme einer Überbrückungsleitung mit zugehörigem Schalter, weil der Verbraucher nach Art eines Abzweiges zwischen dem wechselstromseitigen Anschluss des Stromrichters und der netzseitigen Entkopplungsschaltung angeschlossen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsvh$ö spielen anhand der Zeichunfren. Hierin zeigt:

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Pig. 1 das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemassen Stromversorgungseinrichtung,

Fig. 2 das Wirkschaltbild einer ersten AusfUhrungsform der Schaltung geraäss Fig. 1,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm zur Wirkungsweise der Schaltung gemäss Fig. 2,

Fig. 4 ein Skalardiagramm verschiedener Ströme in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel zwischen Verbraucherspannung und Netzspannung zur Erläuterung allgemeiner Zusammenhänge bei Schaltungen der vorliegenden Art,

Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung der Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 6 ein Zeigerdiagramm zur Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 5·

Die Einrichtung gemäss Fig. 1 umfasst einen Zweienergie-

« richtungs-Stromrichter T mit gleichstromseitig angeschlossener Sammlerbatterie B und wechseistromseitig über einen im Normalbetrieb geschlossenen Schalter S2 angeschlossenem Verbraucher V. Parallel zu letzterem

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ist an die Wechselstromseite des Tromrichters T eine Entkopplungsschaltung K angeschlossen, die ihrerseits über einen Schalter S1 an eine Wechselstromquelle Q, im allgemeinen also an ein Wechselstromnetz^angeschlossen ist. Der Schalter ST steht in Steuerverbindung mit einem Netzspannungs-Messglied Mun, welches bei Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestwertes der Netzwechselspannung Un den Schalter S1 öffnet und damit den Übergang zum alleinigen Batteriebetrieb herstellt.

Wesentlicher Bestandteil der Entkopplungsschaltung K ist

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eine Längsimpedanz Z1, an der die Differenzspannung UI

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zwischen der Eingangsspannung Uo bzw. bei geschlossenem

Schalter S1 der Netzspannung Un einerseits und der am Verbraucher V liegenden Spannung U2 abfällt. Im allgemeinen ist diese Längsimpedanz eine Drossel, die praktisch als reine Induktivität betrachtet werden kann. Sie führt beim Netzbetrieb mit geschlossenem Schalter S1 den

gesamten Eingangsstrom 11, d.h. die Summe des Laststromes • »

12 und des Stromrichter-Eingangsstromes 13. Der entsprechende Sammlerladestrom Ib ist in Fig. 1 ebenso wie die vorangehend erwähnten Ströme und Spannungen mit entsprechenden Zählpfeilen angegeben.

Gemäss dem vorgenannten Schaltungsaufbau ist der Verbraucher V als Abzweig zwischen dem wechselstromseitigen Anschluss des Stromrichters T und der Entkopplungsschaltung K angeschlossen* Dies hat zur Folge, dass der Verbraucher

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sowohl bei ausreichender Netzspannung Un und geschlossenem Schalter S1 wie auch bei Pehlen^der bzw. unzulässig abgefallener Netzspannung und entsprechend geöffnetem Schalter S1 ununterbrochen mit dem wechselstromseitigen Anschluss des Stromrichters T verbunden bleiben kann und somit bei Netzausfall unterbrechungsfrei von letzterem weitergespeist wird. Der Schalter S2 ist demgemäss im Betriebszustand der Anlage dauernd geschlossen und dient nur zum Abtrennen des Stromrichters für Wartungsarbeiten oder dergleichen. Das öffnen des Schalters S1 bei abfallender Netzspannung hat im übrigen nur den Zweck, eine unerwünschte Wechsel-

strom-Rückspelsung in das Netz und damit eine unnötige Entladung der Batterie D zu verhindern.

Andererseits braucht der Stromrichter T, obwohl er auch bei Netzbetrieb dauernd angeschlossen und somit erwünschtermassen in Betriebszustand ist, nicht für die Summe von Verbraucher- und BatterieladeIeistung ausgelegt zu sein, weil infolge der erwähnten Abzweigschaltung immer nur entweder die BatterieladeIeistung vom Netz über den Stromrichter zur Batterie oder aber die Verbraucherleistung von der Batterie über den Stromrichter zum Verbraucher fliesst. Im Normal-Netzbetrieb fliesst weiterhin über den Stromrichter nach erfolgter Batterieladung nur die zur Ladungserhaltung ("Schwebeladung") benötigte geringe Leistung, so dass der Stromrichter also im

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allgemeinen auch nicht für einen Langzeit-Dauerbetrieb mit der vollen Verbraucherleistung, sondern gegebenenfalls nur für die vorgesehene Maximaldauer der Notstromversorgung mit voller Verbraucherleistung ausgelegt zu sein braucht. Diese vorteilhafte Dauereinschaltung des Stromrichters wird durch die Längsimpedanz der Entkopplungsschaltung ermöglicht, welche die Ausgleichsströme zwischen dem Netz und dem Stromrichter entsprechend den vorhandenen Amplituden- und Phasendifferenzen begrenzt.

die

Die Entkopplungsschaltung ermöglicht ausserdem/im allgemeinen vorzusehende Stabilisierung bzw. Konstantregelung der Verbraucherspannung beim Betrieb mit schwankender Netzspannung, wobei Spannungs-Amplitudendifferenzen der vorgenannten Art auftreten. Die über den Stromrichter mit dem Wechselstromsystem gekoppelte Sammlerbatterie kann dabei gegebenenfalls vorteilhaft als Puffer verwendet werden.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorangehenden zunächst durch einen am wechselstromseitigen Anschluss des Zweienergierichtungs-Stromrichters T1 angeordneten, magnetischen Spannungskonstanthalter Suw, dessen Aufbau und Wirkungsweise bekannt sind und hier nicht näher erläutert werden. Innerhalb gewisser Grenzen der Netz- bzw. Eingangsspannung Uo einerseits,und der Batteriespannung Ub andererseits sowie innerhalb gewisser Grenzen der Lastimpedanz Z2 \ilrd die Verbraucher-

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spannung U2 annähernd konstant gehalten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im übrigen noch eine Konstantregelung der Verbraucherspannung für höhere Genauigkeitsanforderungen angegeben.

Hinsichtlich der Anordnung des Verbraucheranschlusses zwischen Stromrichter T1 bzw. Spannungskonstanthalter Suw einerseits und Entkopplungsschaltung K mit Längsimpedanz Z1 andererseits sowie hinsichtlich der Netzspannungsüberwachung mittels Spannungsgliedes Muni und damit gekoppeltem Schalter ST stimmt die Schaltung mit der Ausführung nach Fig. 1 übereine. Die Zählpfeile der

Spannungen Uo, U1 und U2 sowie der Ströme 11, 12 und 13 sind ebenfalls entsprechend wie in Fig. 1 eingetragen.

Ferner ist bei der Ausführung nach Fig. 2 ein bei noch vorhandener, jedoch unter einen vorgegebenen Mindestwert abgesunkener Netzspannung Un und entsprechend geöffnetem Schalter S1 wirksamer Regelkreis für den Phasenwinkel arischen Un einerseits und U2 andererseits vorgesehen. Dieser Phasenwinkel wird durch ein Messglied Mph erfasst, welches eingangsseitig mit zwei Messpfaden an die entsprechenden Wechselspannungen angeschlossen ist und ausgangsseitig ein dem erfassten Phasenwinkel zugeordnetes, positives Gleichspannungssignal liefert. Letzteres wird dem nichtinvertierenden

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Eingang eines als Sollwert-Istwertvergleicher D2 vorgesehenen Differenzverstärkers zugeführt, dessen invertierender Eingang mit einem Sollwertsignal von einem einstellbaren Sollwertgeber Gs2 beaufschlagt ist. Vom Ausgang des Vergleichers D2 gelangt demgemäss ein Regelabweichungssignal über einen mit dem Schalter S1 gekoppelten Umschalter S3 zum Steuereingang eines als Phasenstellglied vorgesehenen, spannungsgesteuerten Oszillators OsI, der seinerseits einen üblichen, im einzelnen nicht näher dargestellten Steuersatz St1 für den Stromrichter T1 hinsichtlich der Phasenlage der Zündimpulse steuert. Oszillator Os1 und Steuersatz St1 bilden somit ein Phasenstellglied Y1 innerhalb des vorliegenden Regelkreises. Die Wirksamkeit dieses Regelkreises nur bei geöffnetem Schalter S1 wird durch den mit letzterem gekoppelten Umschalter S3 gewährleistet, welcher den Steuereingang von Us1 bei geschlossenem Schalter S1 vom Ausgang des Vergleichers D2 abtrennt.

Durch diesen Phasenregelkreis wird erreicht, dass der Stromrichter und das Netz - sofern letzteres nicht vollständig ausgefallen ist - in ihrer Phasenlage nicht über ' ein vorgegebenes Höchstmass hinaus voneinander abweichen können. Dieses Höchstmass wird so eingestellt, gegebenenfalls auch auf den Wert Null, dass die Einschaltbedingungen fUr das Netz bei wiederkehrender Netzspannung jederzeit erfüllt sind und das Netzspannungs-Messglied Mun somit unverzögert und ohne die Gefahr von unzulässigen

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Einschaltetromstössen die Netzzuschaltung einleiten kann.

Weiter ist bei der Schaltung nach Fig. 2 ein Regelkreis für die vom Stromrichter aufgenommene und über den Ladestrom Ib an die Sammlerbatterie B weitergeleitete Wirkleistung als Regelgrösse vorgesehen. Dieser Regelkreis umfasst ein Wirkleistungsmessglied Mw, welches eingangsseitig an einen den Strom IjJ erfassenden Stromwandler M13 und mit seinem Spannungspfad an die Spannung U2 angeschlossen ist. Ausgangsseitig liefert das Messglied Mw ein der jeweils aufgenommenen Wirkleistung entsprechendes, positives Gleichspannungssignal, welches dem nichtinvertierenden Eingang eines Sollwert-Istwertvergleichers D1 in Form eines Differenzverstärkers zugeführt wird. Dem invertierendenEingang des Vergleichers D1 wird von einem Sollwertgeber Gs1 ein einstellbarer Sollwert zugeführt. Das Regelabweichungssignal vom Ausgang des Vergleichers D1 liegt am Umschalter S^ und wird über diesen zum Steuereingang des Oszillators Os1 geleitet. Damit ist dieser Regelkreis, für den wiederum Y1 das Stellglied, nunmehr aber der Phasenwinkel zwischen den Spannungen U2 und Uo die Stellgrösse ist, geschlossen. Die Wirksamkeit der hierzu erforderlichen funktioneilen Zuordnung der ,vom Stromrichter wechselstromseitig aus dem Netz aufgenommenen

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Wirkleistung einerseits und dem Phasenwinkel zwischen Uo und U2 wird im folgenden noch dargelegt. Zunächst sei aber noch darauf hingewiesen, dass Ziel der Wirkleistungsregelung letztlich die Regelung des Batterieladestromes Ib ist. Aus diesem Grund kann alternativ anstelle des Wirkleistungs-Messgliedes Mw unmittelbar das in Fig. 2. strichliert angedeutete Batteriestrom-Messglied Mib treten, welches eingangsseitig an einen Messwiderstand Rm und ausgangsseitig - wie in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet - an Stelle des Messgliedes Mw an den nichtinvertierenden Eingang des Sollwert-Istwertvergleichers Gs1 angeschbssen ist. Zwecks Potentialanpassung umfasst das Messglied Mib einen Wechselrichter mit nachfolgendem Gleichrichter und zwischengeschaltetem Verstärker. Dadurch wird die La destrommessung unabhängig von den Potentialverhältnisgen im Kreis der Sammlerbatterie. Diese Signalumsetzung kann jedoch bei geeigneten Potentiälverhältnissen in diesem Kreis entfallen.

In Fig. 2 ist ferner noch ein Batteriespannungs-Messglied Mub1 mit als Zeiger symbolisch angedeutetem Stellorgan dargestellt, welch letzteres über ein geeignetes Koppelglied Ks - in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet - mit dem Abgriff des Sollwertgeber Gs1 in Steuerverbindung steht. Eine solche Koppelung ermöglicht mit Hilfe im einzelnen nicht dargestellter, üblicher

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Steuerelemente eine Änderung des Sollwertes der aus dem Netz aufgenommenen Wirkleistung in Abhängigkeit von der im Verlauf des LadeVorganges ansteigenden

Samralerspannung. Auf diese Weise kann die übliche "Kennlinienladung" des Sammlers mit Übergang von anfänglicher Stromladung zu abschliessender Spannungsladung bzw. "Schwebeladung" verwirklicht werden.

Null wird der funktionale Zusammenhang zwischen der vom Stromrichter aufgenommenen Wirkleistung bzw. dem zugehörigen Wirkstrom I^w einerseits und dem Phasenwinkel G) zwischen Uo und U2 andererseits anhand des Zeigerdiagrammes in Fig. 3 näher erläutert. Hierbei ist ein Betriebszustand vorausgesetzt, bei dem Energie bei eingeschaltetem Netz über die Längsimpedanz Z1 der

Entkopplungsschaltung K einerseits zur Lastimpedanz Z2 und andererseits über den Spannungskonstanthalter Suw und den Stromrichter T1 zum Sammler B geliefert wird.

Dabei ist angenommen, dass die Wechselspannung U2 durch Suw gegenüber Schwankungen der Netzspannung Un bzw. der Eingangsspannung Uo und ebenso auch gegenüber Schwankungen der fliessenden Ströme genau konstant gehalten wird. Die praktisch auftretenden Abweichungen von diesem Idealzustand können für die vorliegende Grundsatzbetrachtung ausser Acht gelassen werden.

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Bei gegebener Eingangsspannung Uo und bei durch die Steuerung des Stromrichters T1 gegebenem Phasenwinkel

ψ zwischen U2 und Uo ist somit auch als Vektordifferenz zwischen den beiden vorgenannten Spannungszeigern der Spannungsabfall U1 an der Längsimpedanz Z1 bestimmt. Damit liegt aber bei nach Betrag und Phase gegebener Längsimpedanz Z1 auch der Gesamt-Eingangsstrom 11 fest.

Wenn Z1 entsprechend den praktischen Verhältnissen als reine Induktivität angenommen wird, so eilt 11 gegenüber U1 um 90° vor und nimmt einen Betrag an, der durch das Verhältnis von U1 zu Z1 gegeben ist.

Damit ist bei gegebenem Betrag der Netzspannung bzw. der Eingangsspannung Uo der Eingangsstrom 11 nach Betrag und Phase eine Punktion des Phasenwinkels ψ zwischen der Verbraucherspannung U2 und der Eingangsspannung Uo. In Fig. J5 ist die Phase von 11 durch den Phasenwinkel ρ gegenüber der Verbraucherspannung U2 gekennzeichnet. Nachdem infolge der Stromverzweigung zwischen Stromrichter und Verbraucher 11 die Summe des Verbraucherstromes 12 und des vom Stromrichter aufgenommenen Stromes T$ ist, so liegt bei gegebener Verbraucherimpedanz Z2, d.h. bei gegebenem Verhältnis der Beträge U2 und 12 und bei gege-

benem Phasenwinkel ^- zwischen U2 und 12, auch T3 fest und kann ebenfalls durch den Phasenwinkel ψ bei gege-

benen Netz- und Lastverhältnissen über den Stromrichter

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gesteuert werden, und zwar so, dass zu jedem Wert von

(p ein bestimmter Zeiger Ij5 gehört, d.h. eine bestimmte Paarung von Betrag von Fhase des letztgenannten Stromes. Sofern die Phasenlage von Γ3 und damit die vom Stromrichter aufgenommene Blindleistung nicht interessieren, ist also Φ als Steuergrösse für die vom Stromrichter aus dem Netz aufgenommene Wirkleistung bzw. für die Wirkkomponente Ij5w von Ij5 frei verfügbar. Dieser Wirkstrom IJvi entspricht aber dem beim angenommenen Betriebszustand vom Sammler aufgenommenen Ladestrom Ib. Die angegebene Schaltung weist also den Vorteil auf, dass der Sammlerladestrom bei gegebenen Netz- und Lastverhältnissen durch den über die Zündung des Stromrichter bequem zu beeinflussenden Phasenwinkel CP steuerbar ist. Mit den bereits eingefügten Bezeichnungen ergibt sich folgende Beziehung:

I3w = sin (p . Uo/Z1 - cos tf- . U2/Z2. (ή)

Abgesehen von dem schaltungstechnisch festliegenden Z1 (reine Induktivität) und dem konstant geregelten U2 treten hierin als Parameter nur der Betrag der Eingangsspannung Uo sowie Betrag und Phase der Verbraucherimpedanz Z2 auf. Auch der Einfluss dieser Parameter ist weiterhin in der Schaltung gemäss Fig. 2 aufgehoben, indem der Sammlerladestrom bzw. die vom Stromrichter aufgenommene Wirkleistung, d.h. bei konstanter Verbraucherspannung der aufgenommene Wirkstrorn, als Regel-

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grössen gemessen und durch den beschriebenen Regelkreis auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten werden, der seinerseits als PUhrungsgrösse vorgegebenen Änderungen bzw. funktionalen Zusammenhängen zur Erzielung einer Kennlinienregelung oder dergleichen unterworfen sein kann.

In Gleichung (l) ist Uo/%1 der Kurzschlusstrom der Längs-■ impedanz der Entkopplungsscha]tung in bezug auf die Netzspannung, während der gesamte zweite Term dieser GIeichung den Wirkanteil des Laststromes 12 wiedergibt. Demgemäss lautet die Gleichung in anderer Schreibweise:

I3w = sin ψ,- Hk - I2w (2)

In Fig. 4 ist demgemäss der -Term Hk.sin ψ über dem Phasenwinkel ψ für einen gegebenen Kurzschlusstrom Hk. sowie ein gegebener Wirk-Laststrom I2w dargestellt. Pur jedes ψ ergibt sich demgemäss ein bestimmter Wirk-Eingangsstrom IJm mit positivem bzw. negativem Vorzeichen (Wirkleistungsaufnahme bzw. Wirkleistungsabgabe des Stromrichters in bezug auf Netz bzw. Verbraucher) je nach der Grosse von ψ oberhalb bzw. unterhalb des für ein vorgegebenes I2w geltenden Phasenwinkels co . ' Weiterhin ist der für das gegebene Hk und I2w geltende maximale Wirk-Eingangsstrom I>?max bei α? -90° ersichtlich.

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Eine Phasenwinke!steuerung über 90 hinaus ist demnach

nicht sinnvoll, weil der Wirk-Eingangsstrom wieder abnimmt und ausserdem die Zuordnung zwischen Wirkleistung und Phasenwinkel nicht mehr umkehrbar eindeutig, d.h. also für eine selbsttätige Regelung nicht mehr geeignet ist. Aus praktischen Gründen ist dem Phasenwinkel im allgemeinen eine niedrigere Grenze gesetzt, die in Flg. 4* mit ^' angedeutet ist. Damit sind das Betrlebsver-

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halten und die Grenzen der Phasenwinkel-Wirkstromsteuerung bestimmt.

Die Ausführung nach Fig. 5 umfasst folgende in bezug auf Fig. 2 abweichende Schaltungsteile:

Anstelle des magnetischen Spannungskonstanthalters ist ein Regelkreis für U2 mit einem Spannungsmessglied Mu2, einem Sollwertgeber Gs6 und einem Sollwert-Istwertver- ' gleicher D6 vorgesehen, welch letzterer eine Steuergleichspannung für den Steuersatz St2 des Stromrichters T2 liefert. Durch diesen Regelkreis wird der Stromflusswinkel des Stromrichters so gesteuert, dass U2 mit der erforderlichen Genauigkeit konstant bleibt.

Weiterhin sind zwei in Kaskade miteinander vernaschte

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Regelkreise mit der Samrnlerspannung Ub einerseits und der wechselstromseitigen Wirkleistung NW = U2.I3w andererseits als Regelgrössen vorgesehen. Entsprechend findet sich ein Spannungsmessglied Mub und ein Sollwertgeber GsJ sowie ein Sollwert-Istwertvergleicher Dj5 einerseits und ein Wirkleistungsmessglied Mw mit Sollwertgeber Gs^ und ein zugehöriger Sollwert-Istwertvergleicher D4. Der Sollwerteingang des Vergleichers D4 ist über einen Entkopplungswiderstand RkK mit dem Ausgang des Vergleichers DJ und parallel dazu über eine Begrenzerdiode Gb4 mit dem Ausgang des Sollwertgebers Gs4 verbunden. Der Ausgang des Vergleichers Ok führt - bei ausreichender Netzspannung und demgemäss in bezug auf Pig. 5 in umgekehrter Schaltstellung befindlichem Schalter SJ - an den Steuereingang eines hinsichtlich seiner Frequenz steuerbaren Oszillator 0s2 mit dreieckförmiger Ausgangsspannung, deren Polgefrequenz die Grundfrequenz des Stromrichters bestimmt. Infolge des integralen Zusammenhanges zwischen Phase und Frequenz ist somit über den Steuereingang 0s2 auch die Phasenlage der wechselstromseitigen Stromrichterspannung bestimmbar.

In einen Differenzverstärker Ds wird die Ausgangsspannung von 0s2 mit derjenigen des Sollwert-Istwertvergleichers

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D6 des Spannungsregelkreises zu einer Gesamt-Stellgrösse in Form einer Dreieckspannung mit bestimmter Gleichspannungskomponente überlagert. Nach Abschneiden einer Polarität in einem Gleichrichterglied mit Vorwiderstand Rk7 und Querdiode Gb7 ist die Dauer eines jeden Dreieckimpulses bzw. der ImpulslUcken durch die GIeichspannungskomponente und damit durch die Regelabweichung des Spannungsregelkreises bestimmt. Durch gegenphasig angesteuerte Kippstufen K1 und K2 werden die DreieckJmpulse in rechteckige Zündimpulse umgesetzt sowie über Betriebsschalter S4 und Verstärker Vs sowie ferner über Zündtransformatoren Gr den Steuerelektroden der Thyristoren Th des Stromrichters T2 zugeleitet.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise der beiden vermäschten Phasenregelkreise:

Solange die gemessene Sammlerspannung Ub unterhalb der Ausgangsgleichspannung des Sollwertgebers Gsj5 liegt, liefert der Sollwert-Istwertvergleicher D^ ein positives, mit zunehmender Sammlerspannung abnehmendes Ausgangspotential. Sofern dieses Potential höher als das Ausgangspotential des Sollwertgebers Gs4 ist, befindet sich die Diode Gb4 in Durchlasszustand und der entsprechend

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bemessene Entkopplungswiderstand Rk4 sorgt dafür, dass nur/das Ausgangspotential des Sollwertgebers Gs4 am Sollwerteingang des Vergleiehers Ί04 wirksam ist. In diesem Betriebszustand wird .also die .vom-"Stromrichter übertragene Wirkleistung und damit der. Sammlerström mit einem festen Sollwert verglichen und auf diesen eingeregelt. Hier liegt also eine Stromregelung bzw. bei der im Netzbetrieb allein interessierenden Mlr3*> leistungsaufnahme um eine Stroirtlädung «des Sammler-ü,*

Wenn dagegen mit ansteigender Sammlerspannung das gangspotential des Vergleichers i>3 unter das Ausgangs* potential des Sollwertgebers Gs4 absinkt,, so sperrt die Diode Gb4 und bringt das Ausgangspötentläl des Vergleichers DJ zur alleinigen Einwirkung auf deal Söitosrteingang des Vergleicheis d4* Nun liegt eine Regelung der Sammlerspannung vor _$ während der mit dem Ausgang des Vergleichers d4 vernaschte WirkleIstüngsregelkreis in Verbindung mit dem auf die Phasenlage des Stromrichters einwirkenden Stellglied - in Pig* 5 mit Y2 bezeichnet - nun zusammen als Stellglied dieses Spannungsregelkreises wirkt. Wenn also die Sammlerspannung den am Sollwertgeber Gs3 eingestellten Sollwert erreicht und damit das Ausgangspotential des Vergleichers D3 zu Null wird, so bewirkt der Vergleicher D4 über das nachfolgende Stellglied,

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dass auch die Wirkleistungsaufnahme des Stromrichters und damit der Ladestrom zu Null wird. Letzterer stellt somit in diesem Zustand letztlich die Stellgrösse des Sammlerspannungs-Regelkreises dar.

Im Beispielsfall ist der Grenzwert der Sammlerspannung, bei welcher Übergang von Stromregelung zu Spannungsregelung eintritt, von der Einstellung beider Sollwertgeber Gs 3 und Gs4 abhängig. Gegebenenfalls kann jedoch unter Benutzung üblicher Schaltmittel, insbesondere eines zusätzlichen Sollwertgebers mit Entkopplungsverstärker und Schaltventil, eine von den genannten Sollwerten unabhängige Einstellung des Umschaltpunktes erreicht werden.

Am Ausgang des Vergleichers D4 ist noch ein Begrenzungsglied für den Phasenwinkel in Gestalt eines Grenzwertgebers Gs5 mit Begrenzungsdiode Gb5 und Entkopplungswiderstand Rk5 vorgesehen. Sobald das Ausgangspotential des Vergleichers D4 das Ausgangspotential von Gs5 übersteigt, tritt eine Begrenzung dieses Ausgangspotentials und damit der Steuerspannung des Oszillators 0s2 und damit eine Begrenzung des Phasenwinkels ψ zwischen Uo und U2 ein.

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In Pig. 6 ist der Be.triebsbereich einer Schaltung gemäss Pig. 5 im Ortskurvenfeld der Eingangsspannung Uo bei

konstanter Verbraucherspannung U2, jedoch ansonsten unterschiedlicher Betriebsparameter mit dem Spannungsdreieck U2, UI, Uo eines speziellen Betriebszustandes dargestellt.

Aus Gleichung (1) ergibt sich

Uo.sinf- Hw.Z1 (3)

Demgemäss besteht die Ortskurvenschar für konstanten Gesamtwirkstrom Hw = I2w + £3w aus zu U2 parallelen Geraden mit Hw = const, als Parameter. Gleichzeitig ergibt sich die linke Grenze des Betriebsbereiches (in Fig. 6 schraffiert umrandet) durch den maximal zulässigen Gesamtwirkstrom Hwmax, d.h. für maximalen Ladestrom und maximalen Verbraucherwirkstrom. Piir den Gesamtwirkstrom Hw des speziell eingezeichneten Spannungsdreiecks ergibt sich die Ortskurve 0^! mit der absolut geringstzu-

• t
lässigen Eingangsspannung Uomin. Praktisch ist dieser Mindestwert nicht interessant, weil wie bereits erläutert, unterhalb eines vorgegebenen Mindestwertes Uomin vom Netz auf alleinigen Sammlerbetrieb mit Speisung des Verbrauchers über den Stromrichter umgeschaltet wird.

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Die Ortskurven für den Betrag nach konstanter Eingangsspannung stellen selbstverständlich konstante Kreise dar, welche die in Fig. 6 angedeutete Kurvenschar Uo(Uo=const) bilden. Durch die maximal- und minimalzulässigen Eingangs-

spannungen Uomax und Uomin ist demgemäss der Betriebsbereich nach oben und unten begrenzt, ausserdem durch den bereits anhand von Fig. 4 erläuterten Grenzwert <p_ßrenz* Endlich ist in Fig. 6 noch der Phasenwinkel φ (abhängig von einem gegebenen I2w) angegeben, welcher den Bereich der Aufladung und Entladung des Sammlers trennt. Nachdem eine Wirkleistungsregelung im allgemeinen nur für Ladebetrieb interessiert, so verbleibt als eigentlicher Betriebsbereich das Gebiet links des Radiusvektors für CP

Das Gebiet rechts dieses Radiusvektors kommt jedoch für Betriebszustände mit Sammlerspannungsregelung bzw. Schwebeladung oder Netz-Sammler-Pufferbetrieb in Betracht.

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Claims

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Patentansprüche'

/ 1. Einrichtung zur Viechselstroinspeisung eines Verbrauchers, umfassend eine Viechselstromquelle, einen Gleichstrom-Sammler und einen Stromrichter_s dadurch gekennzeichnet, dass ein Zweienergierichtungs-Stromrichter (T) vorgesehen ist und dass der Sammler (B) über diesen Stromrichter (T) und eine- Entkopplungsschaltung (K), die eine Längsimpedanz (Zl) aufweist, mit der Wechselstromquelle (Q) sowie über den gleichen Stromrichter (T) mit dem Verbraucher (V) in Verbindung steht. . ,

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei Energieübertragung von der Viechs eist romquelle (Q) zum Sammler (B) wirksamer Regelkreis mit dem Sammler-Ladestrom (Ib) oder einer diesem zugeordneten Grosse als Regelgrösse sowie mit einem zugehörigen Messglied (Mib), einem Sollwertgeber (GsI) und einem Sollwert-Istwertvergleicher (Dl) und ferner mit dem Phasenwinkel ( Φ) zwischen den an beiden Anschlüssen der Entkopplungsschaltung (K) messbaren Wechselspannungen (Uo, U2) als Stellgrösse und mit einem zugehörigen, ein

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Phasensteuerglied (OsI) und einen Steuersatz (StI) des Stromrichters (Tl) umfassenden Stellglied (Yl) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als dem Sammler-Ladestrom (Ib) zugeordnete Regelgrösse die vom Stromrichter (Tl) wechselstromseitig aufgenommene Wirkleistung (Nw) mit einem zugehörigen Wirkleistungsmesser (Mw) als Messglied vorgesehen ist.

H. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sammler-Ladestromregelkreis ein Begrenzungsglied (Gs5, Gb5, Rk5) für den die Stellgrösse bildenden Phasenwinkel (cp) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein bei Energieübertragung von der Wechselstromquelle (Q) zum Sammler (B) wirksamer Regelkreis mit der Sammlerspannung (Ub) als Regelgrösse sowie einem zugehörigen Messglied (Mub), einem Sollwertgeber (Gs3) und einem Sollwert-Istwertvergleicher (D3) und ferner mit dem Sammler- Lacle st rom

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(Ib) oder einer diesem Strom zugeordneten Grosse als Stellgrösse und mit einem ein Phasensteuerglied (0s2) und einen Steuersatz (St2) des Stromrichters (T2) umfassenden Stellglied (Y2) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet,· dass ein bei Erreichen eines vorgebbaren Mindestwertes der Sammlerspannung ■ (Ub) wirksam werdendes Schaltglied (Gb¹I, RkH) für den Uebergang von Sammler-Ladestromregelung zu Sammler-Spannungsregelung vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Sammler-Spannungsregelkreis und für den Sammler-Ladestromregelkreis je ein eigener Sollwertgeber (Gs3, bzw. GsH) und je ein eigener Sollwert-Istwertvergleicher (D3 bzw. DH) vorgesehen ist und dass diese beiden •Regelkreise unter Zwischenschaltung des Schaltgliedes (GbH, RkH) für den übergang zwischen Stromregelung und Spannungsregelung mit ihren Sollwert-Istwertvergleichern (D3, DH) in Kaskade angeordnet sind und ein gemeinsames Stellglied (Y2) aufweisen.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche', dadurch gekennzeichnet, dass ein bei vom Stromrichter abgetrennter

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Wechselspannungsquelle (Q) wirksamer Regelkreis mit dem Phasenwinkel (<p) zwischen der wechselstromseitigen Ausgangsspannung (U2) und der Quellenwechselspannung (Un) als Regelgrösse sowie mit einem zugehörigen Messglied (Mph), einem Sollwertgeber (Gs2) und einem Sollwert-Istwertvergleicher (D2) vorgesehen ist.

,9. Einrichtung nach Anspruch 8 und nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalter (S3) für den Uebergang zwischen Sammler-Ladestromregelung bzw. Sammler-Spannungsregelung einerseits und Regelung des Phasenwinkels zwischen Stromrichterausgangsspannung (U2) und Quellenwechselspannung (Un) andererseits vorgesehen ist und dass dieser Umschalter mit einer Schalteinrichtung (Sl) zwischen der Wechselstromquelle (Q) und dem Stromrichter (T2) gekoppelt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (Sl) zwischen Stromrichter (T2) und Wechselstromquelle (Q) mit einem bei einem vorgegebenen Mindestwert der Quellenwechselspannung wirksam werdenden Messabschalter (Mun) gekoppelt ist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, dass am weehselstromseitigen Anschluss des Stromrichters (Tl) ein magnetischer Spannungsstabilisator (Suw) vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis mit der wechselstromseitigen Ausgangsspannung (U2) des Stromrichters (T2) als Regelgrösse sowie einem zugehörigen Messglied (Mut), einem Sollwertgeber (Gs6) und einem Sollwert-Istwertvergleicher (D6) und ferner mit dem Stromflusswinkel des Stromrichters (T2) als Stellgrösse und einem Steuersatz (St2) des Stromrichters als Stellglied vorgesehen ist.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,

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