DE2433825B2

DE2433825B2 - Vorrichtungen zur Energieversorgung und Verbesserung des Leistungsfaktors von Wechselstromnetzen

Info

Publication number: DE2433825B2
Application number: DE2433825A
Authority: DE
Inventors: Prof.- Dr.-Ing. Johannes Förster; Ernst Dipl.-Ing. 1000 Berlin Golde
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-07-11
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1981-07-09
Also published as: AT344285B; SE7507672L; CH607405A5; DE2433825C3; DE2433825A1; ATA533475A; CH603011A5; SE403540B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Energieversorgung aus einem Wechselstromnetz mit Verbesserung des Leistungsfaktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebe-

iii ne Wechselstromsteller ist aus der DE-OS 21 51 019 bekannt. Der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebene Umrichter ist in der AT-PS 2 92 135 beschrieben.

Mit wachsender Belastung der Stromnetze, insbesondere der Bahnnetze infolge ansteigenden Verkehrsaufkommens gewinnt das Blind- und Wirkleistungsproblem immer mehr an Bedeutung. Die elektrischen Fahrzeuge — gleich welcher Art — belasten die Unterwerke mit Wirkleistung und mit überwiegend induktiver Blindlei-

4» stung, also mit nacheilendem Strom, der den Leistungsfaktor λ und den Verschiebungsfaktor der Grundschwingung cos ψ herabsetzt. Blindleistung wird einerseits durch periodisch hin- und herpendelnde Energie, andererseits durch das nicht-lineare Verhalten von Stromrichterventilen und -schaltungen verursacht. In beiden Fällen wird kein Beitrag zur Wirkleistung geliefert, es sei denn als Verlust.

Neben der insbesondere für 16²/3 Hz-Bahnnetze aufwendigen Möglichkeit der Verbesserung des Leistungsfaktors durch Kompensation induktiver Blindleistung mit Hilfe von Filterkreisen bzw. Kondensatoren, bei denen zur Vermeidung einer Überkompensation eine last- oder spannungsabhängige Zu- und Abschaltung im allgemeinen erforderlich ist, kann der Leistungsfaktor eines Netzes auch durch den Pulsbetrieb eines einspeisenden Wechselstromstellers (DE-OS 21 51 019) oder Umrichters (AT-PS 2 92 135) verbessert werden.

Nachteilig am Pulsbetrieb ist, daß die Thyristoren wegen der hohen Schaltfrequenz hohe dynamische Kennwerte, wie z. B. die Freiwerdezeit, aufweisen müssen und daß auch kostspielige Hochfrequenzkondensatoren zum Einsatz kommen, um die Verluste gering zu halten. Insbesondere wird zwar der Leistungs-

h5 faktor des gespeisten Neizes verbessert, jedoch nur auf Kosten erhöhter Netzrückwirkung auf das speisende Netz.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,

die Netzrückwirkungen auf das speisende Wechselstromnetz in bezug auf Blindleistung und periodische Schieflast mit der Grundfrequenz bzw. höheren Harmonischen des gespeisten Wechselstronmetzes, das vorzugsweise einphasig sein kann, bei gleichzeitiger Herabsetzung der Beanspruchung der zu verwendenden Bauelemente und des Schaltungsaulwandes gegenüber den bekannten Anordnungen zu verringern. Insbesondere sollen die Wirk- und Blindleistung zur Energieversorgung des Wechselstromnetzes einerseits und die Verbesserung des Leistungsfaktors des Wechselstromnetzes andererseits über die Kommutierungseinrichtungen wahlweise getrennt eingestellt werden können.

Diese Aufgabe -vird gemäß der Erfindung für die eingangs angegebene Vorrichtung mit einem Wechselstromsteller durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale und für die eingangs angegebene Vorrichtung mit einem Umrichter durch die im Anspruch 4 gekennzeichneten Merkmale gelöst .

Die erfindungsgemäßen Lösungen der Wirkleistungs-Einspeisung mit Hilfe zwangskommutierter Stromrichter ermöglichen mit einmaliger Löschung pro Halbperiode eine Vorverlegung des Stromschwerpunktes jeder Halbperiode, wodurch die induktive Belastung des speisenden Wechselstromnetzes durch eine kapazitive Komponente wahlweise verringert, ausgeglichen oder sogar übertroffen wird. Auch wird gegenüber den bekannten Methoden der Schaltungsaufwand vermindert. Die Netzrückwirkung ist gering. Zudem ist eine m stufenweise Regelung der Spannung bzw. des Leistungsfaktors möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 8 angegeben. r>

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanks näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen selbstgeführten Wechselstromsteller mit einer Zwangskommutierungseinrichtung,

Fig.2 einen Umrichter mit ausgeprägtem Gleichstromzwischenkreis,

F i g. 4 einen Umrichter mit zwei am Gleichstromzwischenkreis angeschlossenen Wechselrichtern.

F i g. 3 und Fi g. 5 zeigen die zeitliche Darstellung der 4> Wechselrichterausgangsspannungen bei Anwendung der Schaltungen nach den F i g. 2 und 4.

Der in Fig. 1 dargestellte zwangskommutierte Wechselstromsteller besteht aus den Thyristoren 1 und 2 und speist aus dem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Transformator 3 ein Wechselstromnetz 4 als Einphasennetz mit den daran angeschlossenen ohmischinduktiven Verbrauchern 5 und 6. Der Wechselstromsteller kann mit Hilfe der in den Löschkondensatoren 7, 8 gespeicherten Energie durch Zünden der ^! .öschthyristoren 9,10 gelöscht werden.

Die Löschkondensatoren 7 und 8 werden über die Ladewiderstände 11 und 12 und die Ladedioden 13 und I4 aus dem Transformator 3 aufgeladen. Den Lade-Widerständen 11, 12 sind Dioden 15, 16 parallel iäeschaltet, um den Löschstrom über diese zu leiten und ^omit die Kommutierung verlustarm zu ermöglichen. ')er Strom des gespeisten Wechselstromnetzes fließt im •alle einer Löschung über die Löschthyristoren 9, 10 ind die Ladedioden 13,14 als Freilaufstrom weiter. e>5

Die Löschkondensatoren 7, 8 müssen so bemessen werden, daß sie einerseits den Thyristoren 1 und 2 des Wechselstromstellers eine ausreichende Schonzeit sichern und andererseits Ausschaltüberspannungen vermeiden, die von der Größe der wirksamen Induktivität des speisenden Wechselstromneizes abhängen. Eine Möglichkeit, diese Überspannungen zu begrenzen, gibt der gestrichelt dargestellte Anschluß der Ladedioden 13, I⁴ an eine Anzapfung des speisenden Transformators 3. Damit wird nur ein Teil der Gesamtleistung des Wechselstromstellers löschbar gemacht, was im Hinblick auf die Bemessung der Löscheinrichtung günstig ist Außerdem sorgt die magnetische Verkettung der angezapfen Sekundärwicklung des Transformators 3 dafür, daß Überspannungen wegen des im Freilauf über eine Transformator-Teilwicklung weiterfließenden Teilstromes vermieden werden. Bei dem in F i g. 2 dargestellten Umrichter mit ausgeprägtem Gleichstromzwischenkreis speist der Transformator 3 über einen Brückengleichrichter 17 und eine Glättungsdrossel 18 einen Wechselrichter, der wiederum seine Leistung an ein Einphasennetz 4 abgibt Der Wechselrichter ist löschbar bzw. zwangskommutiert und besteht aus zwei Thyristorzweigen mit je zwei in Reihe geschalteten Thyristoren 19,20 bzw. 21,22.

Den Thyristoren 19, 20 eines der beiden Thyristorzweige ist je eine Löscheinrichtung parallel geschaltet, die aus der Reihenschaltung je eines Löschthyristors 23, 24 und je eines Löschkondensators 25,26 besteht, wobei die Löschkondensatoren 25, 26 über einen Ladewiderstand 29 und je einen Ladethyristor 27, 28 aufgeladen werden. Mit Hilfe der Löscheinrichtungen ist eine Zwangskommutierung des Wechselrichters auch nach dem Nulldurchgang der Spannung möglich und somit eine quasi-kapazitive Belastung des gespeisten Netzes 4 in Verbindung mit der erforderlichen Wirkleistungseinspeisung zu erzielen.

Weisen das speisende und das gespeiste Netz die gleiche Frequenz auf und sind sie synchron, dann kann die Glättungsdrossel 18 im Gleichstromzwischenkreis so ausgelegt werden, daß lediglich die höheren Harmonischen aufzunehmen sind. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das speisende Wechselstromnetz eine höhere Frequenz aufweist als das gespeiste, denn bei ausreichend großer Glättung der Spannung im Gleichstromzwischenkreis kann das speisende Wechselstromnetz symmetrisch belastet werden. Zudem kann der Leistungsfaktor im gespeisten Wechselstromnetz verbessert werden. Schließlich können die zu übertragende Wirk- und Blindleistung getrennt verstellt werden, wenn die Ventile des Gleichrichters ebenfalls steuerbar ausgeführt werden.

Wird entsprechend der Fig. 2 der Gleichstromzwischenkreis vor dem zwangskommutierten Wechselrichter mit einem Kondensator 30 abgeschlossen, dann läßt sich die vom Wechselrichter abgegebene Wechselspannung Uwr entsprechend der F i g. 3 mit einer Nullspannungsstufe versehen. Der auf etwa 120° el. verkürzte Spannungsblock hat gegenüber einer Rechteckspannung mit 180° el. Blockbreite den Vorteil, das gespeiste Wechselstromnetz von niedrigen Harmonischen, z. B. der dritten, zu entlasten, so daß der Filteraufwand dort klein gehalten werden kann.

In Fig.4 ist ein Umrichter mit ausgeprägtem Gleichstromzwischenkreis dargestellt, dessen zur Hälfte mit steuerbaren Ventilen versehener Gleichrichter 31 an ein Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Gleichrichterbrücke 31 speist den über die Glättungsdrossel 18 teilgeglätteten Gleichstromzwischenkreis. Eine weitere Glättung erfolgt durch abgestimmte Saugkreise im Gleichstromzwischenkreis, um das speisende Dreh-

stromnetz wirksam von der Grundfrequenz und den nächsten Harmonischen des gespeisten (einphasigen) Wechselstromnetzes zu entlasten. Der Saugkreis besteht aus einer Saugdrossel 32 und einem Kondensator 33 und ist auf die zweite Harmonische des gespeisten Wechselstromnetzes 4 abgestimmt. Als kapazitiver Abschluß des Gleichstromzwischenkreises ist ein weiterer Kondensator 30 parallel zum Saugkreis geschaltet. An den Ausgang des Gleichstromzwischenkreises sind zwei parallelgeschaltete, zwangskommutierte Wechselrichter 34 und 35 entsprechend dem Wechselrichter nach F i g. 2 angeschlossen, deren Ausgänge zwei voneinander entkoppelte Primärwicklungen eines Transformators 36 speisen, an dessen Sekundärwicklung das gespeiste Wechselstromnetz 4 angeschlossen ist. Im gespeisten Wechselstromnetz 4 sind Filter vorzugsweise als Saugkreise 37 und 38 zur weiteren Glättung vorgesehen.

Die an einen gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis angeschlossenen und mit einmaliger Zwangslöschung pro Halbwelle betriebenen Wechselrichter erzeugen phasenversetzte Blockspannungen, die über die galvanisch und magnetisch getrennten Primärwicklungen des Transformators 36 in Reihe geschaltet werden und eine in F i g. 5 mit ihrem zeitlichen Verlauf dargestellte, ungefilterte Summenspannung Uwr bei einem Phasenversatz der Wechselrichter von 30° el. ergeben.

Natürlich können auch noch mehr als zwei Wechselrichter mit entsprechendem Phasenversatz vorgesehen werden, um nächsthöhere Harmonische der Einphasenspannung zu verringern.

Bei der geschilderten Anordnung kann die Blindleistung für das Wechselstromnetz 4 vor- oder nacheilend durch Veränderung der Zwischenkreis-Spannung eingestellt werden. Die übertragene Wirkleistung kann durch zeitliche Verschiebung der Spannungsblöcke der Wechselrichter 34 und 35 nahezu unabhängig von der Blindleistung eingestellt werden.

Im Gegensatz zu bekannten Verfahren mit gepulsten Wechselrichtern sollen die hier dargestellten Ausführungsbeispiele mit je einmaliger Löschung pro Halbwel- ·· Ie arbeiten, um Netz-Thyristoren ohne besondere Anforderung an die dynamischen Kennwerte, wie z. B. die Freiwerdezeit, und verlustarme Kondensatoren für niedrige Frequenz verwenden zu können. Ferner sollen die Wechselrichter eine Spannung mit Nullspannungs-

i«) stufe liefern, die durch einen internen Freilauf ermöglicht wird und in bezug auf ihre Dauer variabel ist. Damit kann die Blindleistung wahlweise ebenfalls eingestellt werden, was einen geringeren Spannungs-Stellbereich des Gleichrichters 31 und einen höheren

ι '< Leistungs- bzw. Verschiebungsfaktor im Drehstromnetz erlaubt.

Im Vergleich zu einem Direkt-Umrichter sind bei der erfindungsgemäßen Lösung die Netzrückwirkungen auf das speisende Wechselstromnetz in bezug auf Blindleistung und periodische Schieflast mit der Grundfrequenz eines einphasigen Wechselstromnetzes bzw. höheren Harmonischen wesentlich zu verbessern. Ferner sind die Anforderungen an die im Gleich- und Wechselrichter eingesetzten Ventile und andere Schaltmittel niedrig, so daß der Aufwand, also die Kosten, geringer sind. Während die in F i g. 2 dargestellte sehr einfache Schaltung, deren Zwischenkreis ebenfalls mit Saugkreis versehen werden kann, das Vorhandensein einer aktiven Einphasenschiene z. B. durch Parallelbetrieb mit

w einem Maschinenumformer verlangt, kann die Anordnung nach F i g. 4 auch bei Inselbetrieb bzw. ausschließlich passiven Verbrauchern eingesetzt werden.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht auf sinusförmige Wechselspannungsverläufe beschränkt, sie lassen sich auch aut z. B. rechteckförmige übertragen. Außerdem sind sie sowohl für speisende als auch gespeiste Mehrphasensysteme anwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Energieversorgung aus einem Wechselstromnetz mit Verbesserung des Leistungsfaktors

— bestehend aus einem selbstgeführten, aus antipa^rallelgeschalteten Thyristoren aufgebauten Wechselstromsteller und

— einer parallel zu jedem Thyristor angeordneten Reihenschaltung eines Löschthyristors und eines Löschkondensators

dadurch gekennzeichnet, daß

— an den einen Pol jedes Löschkondensators (7,8) die Reihenschaltung einer Ladediode (13,14) und eines Ladewiderstandes (11. 12) angeschlossen ist und

— die Ladedioden (13,14) einerseits an die jeweilige Verbindung zwischen Ladewiderstand (11 bzw. 12) und Löschthyristor (9 bzw. 10) und andererseits an die eine Klemmen der Sekundärwicklung eines den Wechselstromsteller speisenden Transformators (3) angeschlossen sind, dessen andere Klemme direkt mit dem Wechselstromsteller verbunden ist (F i g. 1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Ladewiderständen (11,12) Dioden (15, 16) mit gleicher Durchlaßrichtung wie die der Löschthyristoren (9, 10) parallel geschallet sind (Fig-1)·

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedioden (13, 14) an eine Anzapfung der Sekundärwicklung des Transformators (3) außer dem Anschluß an die Verbindung zwischen den Ladewiderständen (11,12) und den Löschthyristoren (9,10) angeschlossen sind (Fig. 1).

4. Vorrichtung zur Energieversorgung aus einem Wechselstromnetz mit Verbesserung des Leistungsfaktors

— bestehend aus einem Umrichter mit einem eingeprägten Gleichstromzwischenkreis, an dessen Ausgang ein Wechselrichter mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Thyristoren angeschlossen ist und

dadurch gekennzeichnet, daß

— an den einen Pol jedes Löschkondensators (25, 26) die Reihenschaltung eines Ladethyristors (27, 28) und eines Ladewiderstandes (29) angeschlossen ist und

— die Ladethyristoren (27, 28) einerseits mit ihren Leistungsanschlüssen an die jeweilige Verbindung zwischen Löschthyristor (23, 24) und Löschkondensator (25, 26) und andererseits gemeinsam über den Ladewiderstand (29) mit der einen der beiden Ausgangsklemmen des Wechselrichters direkt verbunden sind (Fig. 2 und 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromzwischenkreis wechselrichterseitig mit einem Kondensator (30) abge-

schlossen ist (F i g. 2 und 4).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter im Gleichstromzwischenkreis und im gespeisten Einphasennetz (4) abgestimmte Saugkreise (32, 33, 37, 38) vorgesehen sind (F i g. 4).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wechselrichter (34,35) parallel an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sind, deren phasenversetzte Ausgangsspannungen mit Hilfe eines oder mehrerer Transformatoren (36) in Reihe geschaltet sind (F ig. 4).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über jeden Wechselrichter (34, 35) bei nur einmaliger Zündung und Löschung pro Halbperiode Spannungsblöcke mit Nullspannungsstufen am Anfang und Ende des Spannungsblockes abgebbar sind (F i g. 3).