DE2434316A1

DE2434316A1 - Statische leistungsumformungseinrichtung

Info

Publication number: DE2434316A1
Application number: DE2434316A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Gyugyi
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-17
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2238275B1; JPS5042356A; BE817785A; AU7090474A; JPS5513048B2; US3858105A; GB1480832A; FR2238275A1; IT1018342B

Description

DIPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2434316

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

.. ___o Düsseldorf, 15. Juli 1974

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Statische Leistungsumformungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine statische Leistungsumformungseinrichtung mit einer Blindleistungsquelle für Wechselströme sowie auf Verfahren zum Anwenden einer solchen Leistungsumformungseinrichtung.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, ein Umformersystem mit einer Eingangsspannung zu betreiben, die von einer Blindleistungsquelle abgegeben wird, welche keine Wirkleistung an das System zu liefern braucht. Die Blindleistungsquelle ist als Hochfrequenz-Koppelgenerator ausgebildet und weist eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften auf, zum Beispiel einen im wesentlichen verzerrungsfreien Eingangs- bzw. Ausgangsstrom und einen steuerbaren Leistungsfaktor am Eingang bzw. am Ausgang. Weiterhin hat die Verwendung eines Hochfrequenz-Koppelgenerators den wichtigen praktischen Vorteil, daß die in den Frequenzumformern verwendeten statischen Schalter (Thyristoren) nicht unmittelbar mit dem Wechselstromnetz verbunden sind, sojfiaß sie den Netzstörungen nicht unterworfen sind. Die Eingangsspannung für die Umformer wird von dem Hochfrequenz-Koppelgenerator geliefert, wobei deren Betrag entweder intern von den Umformern selbst gesteuert wird (Selbsterregung) oder extern von einer äußeren Vorrichtung

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(Fremderregung). In beiden Fällen ist die an die Thyristoren der Umformer angelegte Eingangsspannung frei von Einschwingvorgängen und anderen Störungen, die auf dem Wechselstromnetz auftreten können. Diese Eigenschaft der Systeme mit Hochfrequenz-Koppe!generatoren ist von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung, da sie es ermöglicht, auf die üblichen großen Sicherheitsabstände hinsichtlich der Spannung zu verzichten, die bei den üblichen statischen Umformereinrichtungen verwendet werden und 150-200% der Nennspannung betragen können. Hierdurch kann das Leistungsvermögen der Thyristoren nahezu voll ausgenutzt werden.

Trotz der vielen Vorteile einer Verwendung von Hochfrequenz-Koppelgeneratoren gibt es doch einige Faktoren, die derzeit noch verhindern, daß die Vorzüge dieses neuen Vorgehens voll verwirklicht werden. Dies gilt besonders für den Fall, daß passive Hochfrequenz-Koppelgeneratoren verwendet werden, beispielsweise abgestimmte LC-Schwingkreise, und beruht darauf, daß ein selbstgeführter Umformer, wie er in der erwähnten Einrichtung verwendet wird, einen nacheilenden Eingangsleistungsfaktor aufweist.

Zunächst übt ein nacheilender Eingangsleistungsfaktor einen unerwünschten Einfluß auf die Frequenz eines passiven Hochfrequenz-Koppelgenerators aus. Der nacheilende Eingangsleistungsfaktor eines selbstgeführten Umformers besitzt einen Wert, der eine Funktion des Leistungsfaktors der Last und des Spannungsreduzierungsfaktors am Ausgang ist (^n^Omax^ * ^Be;*" ^{der erw}^hnten Einrichtung wird die nacheilende Blindkomponente des Eingangsstromes des Umformers durch den Koppelgenerator geliefert. Da diese Blindkomponente der Koppelgeneratorspannung um 90° nacheilt und da ihr Betrag unter normalen Betriebsbedingungen zwischen Null und einem Maximalwert schwankt, stellt sie eine Belastung des abgestimmten Schwingkreises im Koppelgenerator dar, die demjenigen einer veränderlichen Spule ähnelt. Deshalb kann unter normalen Betriebsbedingungen die Frequenz eines Hochfrequenz-Koppelgenerators sich in einem weiten Bereich ver-

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ändern, sofern nicht die Nennblindleistung des abgestimmten Schwingkreises beträchtlich höher gewählt wird, als die bei einem statischen Umformer auftretende Blindleistung. Der schwankende Blindstrom eines Hochfrequenz-Koppelgenerators führt daher zu dem praktischen Problem, daß ein Kompromiß gefunden werden muß zwischen den durch die höhere Nennbelastung des Koppelgenerators erhöhten Kosten und den infolge der veränderlichen Koppelgeneratorfrequenz auftretenden Schwierigkeiten, die sich bei einer minimalen Koppelgeneratorfrequenz in einer Vergrößerung der Verzerrungen bei den Klemmenspannungen und -strömen sowie bei einer maximalen Koppelgeneratorfrequenz in einer Vergrößerung der Verluste in dem Schalt- und Unterdrückungskreis äußern.

Ein weiterer Gesichtspunkt des durch den zwangsläufig nacheilenden Eingangsleistungsfaktor eines selbstgeführten Umformers verursachten Problemes liegt darin, daß der Hochfrequenz-Koppelgenerator eine relativ hohe Nennblindleistung aufweisen muß, auch wenn ein aktiver Hochfrequenz-Koppelgenerator bei einer festen Koppelgeneratorfrequenz benutzt wird, sofdaß das vorstehend behandelte Problem einer veränderlichen Frequenz garnicht auftritt. Dieser Nachteil wird allgemein als der Preis angesehen, der für die Vorteile gezahlt werden muß, welche sich durch die Verwendung von selbstgeführten Umformern erzielen lassen. Es gibt jedoch einige Anwendungen, wo die Vorteile eines selbstgeführten Umformers von geringerer Bedeutung sind als die wirtschaftlichen Vorteile und das bessere technische Betriebsverhalten, die sich dadurch erzielen lassen, daß Veränderungen des von dem Hochfrequenz-Koppelgenerator gelieferten Blindstromes zu einem Minimum reduziert werden.

Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine statische Leistungsumformungseinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß unter Beibehaltung der vorteilhaften Verwendung eines Hochfrequenz-Koppelgenerators die insbesondere durch den nacheilenden Eingangsleistungsfaktor eines

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selbstgeführten Umlauf-Umformers verursachten Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, daß die Veränderungen des von dem Hochfrequenz -Koppel generator gelieferten Blindstromes auf ein Minimum reduziert werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die statische Leistungsumformungseinrichtung zwei Umformer aufweist, deren Eingänge mit der Blindleistungsquelle verbunden sind, daß die Eingangsblindströme der beiden Umformer untereinander einen entgegengesetzten Phasenwinkel aufweisen und daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche die Umformer zur Lieferung von Ausgangsströmen veranlaßt, die Veränderungen des gesamten Blindstromes der Blindleistungsquelle auf ein Minimum reduzieren.

Der Hochfrequenz-Koppelgenerator kann eine beliebige Blindleistungsquelle sein, vorteilhafterweise wird jedoch im Zusammenhang mit der Erfindung eine passive Quelle verwendet, beispielsweise ein abgestimmter LC-Schwingkreis. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Blindleistungsquelle für eine Wechselstromversorgung dadurch erreicht, daß ein fremdgeführter Umlauf-Umformer mit einem selbstgeführten Umlauf-Umformer parallel geschaltet und zwischen der Blindleistungsquelle und der Wechselstromversorgung eingeschaltet-wird. Der fremdgeführte Umformer wird so eingestellt, daß sein voreilender Eingangsleistungsfaktor die gleiche Größe hat, wie der nacheilende Eingangsleistungsfaktor des selbstgeführten Umformers, sojdaß der Phasenwinkel des Blindstromes zu dem fremdgeführten Umformer dem Phasenwinkel des Blindstromes zu dem selbstgeführten Umformer entgegengesetzt ist. Es wird eine Steuereinrichtung verwendet, welche die Ausgangsströme der Umformer derart einstellt, daß Veränderungen des- Blindstromes der Blindleistungsquelle zu einem Minimum reduziert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die UmIauf-Umformer so gesteuert, daß jeder die Hälfte der erforderlichen Ausgangsblindleistung liefert, sojdaß die Eingangsblindströme zu den Umformern ebenfalls die gleiche Größe aufweisen. Infolge der entgegengesetzten Phasenwinkel der Ströme gleicher

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Größe heben sich diese Ströme gegenseitig auf, sq|daß die Blindleistungsquelle keine Blindleistung bei der Grundfrequenz liefern muß.

Durch Anschließen des Ausganges eines der UmIauf-Umformer an eine zweite Wechselstromversorgung kann eine Kopplung dieser beiden Wechselstromversorgungen zur Leistungsübertragung zwischen ihnen, wie in der erwähnten Anmeldung von Pelly erreicht werden. Für diese Anwendung brauchen die Umformer naturgemäß keine Umlauf-Umformer zu sein, sondern können beliebig ausgebildet werden. Die Anordnung kann daher auch dazu verwendet werden, um eine Gleichstromversorgung mit einer anderen Gleichstromversorgung oder mit einer Wechselstromversorgung zu koppeln.

Bei der Anordnung nach der Erfindung ist die Verringerung der erforderlichen Nennleistung für die Blindleistungsquelle außerordentlich hoch. Da sich die Blindströme der beiden Umformer gegeneinander aufheben und da die Blindleistungsquelle keine Wirkleistung liefert, bei der der Strom in Phase mit der Spannung wäre, wird von der Blindleistungsquelle theoretisch kein Strom der Grundfrequenz verlangt, d.h. kein Strom, der die Koppelfrequenz oder die Frequenz der Blindleistungsquelle besitzt. Die Blindleistungsquelle muß daher lediglich die Harmonischen der von den Umformern benötigten Blindleistung, liefern. Die Bedeutung dieses Umstandes kann durch einen Vergleich der erforderlichen Nennblindleistungen der Anordnung nach der Erfindung und einer bekannten derartigen Einrichtung ermessen werden. Wie sich errechnen läßt, muß ein aktiver Hochfrequenz-Koppelgenerator, beispielsweise eine umlaufende Maschine fester Frequenz oder ein synchroner Phasenschieber, für eine Leistung ausgelegt sein, die 1,84 mal so groß ist wie die zwischen den beiden elektrischen Systemen zu überträgende Leistung. Wenn für den Hochfrequenz-Koppelgenerator eine passive Schaltung in Form eines abgestimmten LC-Schwingkreises verwendet wird, muß die Belastung des Koppelgenerators auf einen Wert erhöht werden, der ungefähr 3,4 mal so groß ist, wie die tatsächlich übertragene

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Leistung, um die Veränderungen der Koppelgeneratorfrequenz innerhalb praktisch brauchbarer Grenzen von ungefähr 1:1,5 zu halten.

Bei der Anordnung nach der Erfindung braucht der Koppelgenerator jedoch nur für eine Leistung ausgelegt zu werden, die ungefähr 10 bis 25% der tatsächlich von dem System geführten Leistung beträgt. Die tatsächlich erforderliche Auslegung hängt dabei etwas von der Koppelgeneratorfrequenz und der Impulsanzahl des Umformers ab. Die Anordnung nach der Erfindung kann daher mit einem passiven Hochfrequenz-Koppelgenerator arbeiten, der nur für ungefähr 3 bis 7,5% der Nennleistung des in der Anmeldung von Pelly beschriebenen Systemes ausgelegt ist.

Die vorliegende Anmeldung offenbart somit eine Anordnung, in welcher die Nennbelastung des Hochfrequenz-Koppelgenerators erheblich verringert werden kann und in welcher die Koppelgeneratorfrequenz dennoch konstant bleibt, auch wenn eine passive abgestimmte Schaltung verwendet wird. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispieles besteht darin, daß der passive abgestimmte LC-Schwingkreis anfänglich von dem fremdgeführten Umformer erregt werden kann, sojäaß das System vollständig selbstversorgend ist. Bei selbstgeführten Umformern, deren Kommutierung von der Eingangsspannung abhängt, erfolgt eine Kommutierung und beginnt der Betrieb erst, wenn von dem Hochfrequenz-Koppelgenerator eine Spannung erzeugt wird. Dies bedeutet, daß dem Hochfrequenz-Koppelgenerator anfänglich erst ein Leistungsimpuls zugeführt werden muß, wenn nur selbstgeführte Umformer verwendet werden. Wenn diese Ausführungsform nur dazu benutzt wird, Blindleistung zu liefern, braucht jeder der Umformer nur die Hälfte der Gesamtleistung zu erzeugen, sojdaß die Umformer nur für eine geringere Nennleistung ausgelegt werden müssen.

Die Anordnung nach der Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen. Die wichtigsten davon sind: (1) auch mit Umformern, die nur eine relativ geringe Anzahl von Impulsen verwenden, können Ströme mit

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sehr genauer Sinuswellenform erzeugt werden, (2) die Umformer sind vom Netz und seinen Störungen isoliert, sojdaß sie wesentlich günstiger ausgelegt werden können als die unmittelbar vom Netz arbeitenden statischen Systeme, (3) die Nennbelastung der Blindleistungsquelle ist nur ein kleiner Bruchteil der dem Netzteil zugeführten Blindleistung, (4) die Frequenz des Hochfrequenz-Koppelgenerators ist von Natur aus konstant, was sowohl gleichförmige Arbeitsbedingungen, zum Beispiel unveränderliche Oberwellen, unter allen Betriebs- und Belastungszuständen bewirkt, als auch eine einfache und zuverlässige Steuerung des Systemes, und (5) die Ausgangsspannung kann einfach dadurch gesteuert werden,, daß die Koppelgeneratorspannung verändert wird, was durch Zufuhr yon positiver oder negativer Wirkleistung von einer Stromversorgung zu dem abgestimmten LC-Schwingkreis erfolgt. Hierzu braucht lediglich eine geringfügige Phasenverschiebung zwischen der Ausgangsspannung der Umformer und der betreffenden Wechselspannung der Stromversorgung durchgeführt zu werden. Die verwendete Spannungssteuerung stellt weiterhin sicher, daß die Thyristoren im wesentlichen nach gleichen Zeitspannen zünden, wodurch in dem fremdgeführten Umformer eine relativ einfache Kommutierschaltung ermöglicht wird.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zur Lieferung von Blindleistung an ein Wechselstromsystem zwei selbstgeführte UmIauf-Umformer parallel geschaltet und zwischen der Blindleistungsquelle und dem Wechselstromsystem angeordnet. Während die Eingangsblindströme dieser Umformer naturgemäß beide nacheilend sind, können die Ausgangsblindströme je nach Bedarf entweder nacheilend oder voreilend sein. Mit Hilfe einer geeigneten Steuerung können die Ausgangsströme der Umformer addiert und subtrahiert werden, um den Blindstrom der Blindstromquelle im wesentlichen konstant zu halten, obwohl die Belastungen über einen beträchtlichen Bereich schwanken. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann eine Kopplung zweier Netze dadurch gebildet werden, daß ein weiteres Paar parallel geschalteter selbstgeführter Umformer zwischen der Blind-

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leistungsquelle und einem weiteren elektrischen System angeordnet wird. Dieses Vorgehen ist nicht auf die Kopplung zweier Wechselstromsysteme beschränkt, sondern kann auch auf die Kopplung eines Gleichstromsystemes mit einem weiteren Gleichstromsystem oder mit einem Wechselstromsystem angewendet werden.

Einer der Vorteile dieser Anordnung besteht darin, daß nur selbstgeführte Umformer verwendet werden, die weniger kostspielig sind und andere Vorteile im Betrieb aufweisen. Die Anordnung nach der Erfindung gestattet es, diese Vorteile auszunutzen und dennoch die Kosten des Hochfrequenz-Koppelgenerators niedrig zu halten.obwohl die Koppelgeneratorfrequenz ständig ihren Optimalwert besitzt. Diese Anordnung besitzt somit ein besseres Betriebsverhalten, indem sich die Frequenzen der Oberwellen am Ausgang nicht ändern, eine einfachere Steuerungsmöglichkeit und geringere Kosten. Weiterhin ist die Betriebszuverlässigkeit des Systemes infolge der durch die Anordnung vorgesehenen Redundanz beträchtlich verbessert. Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Anzahl der parallel geschalteten Umformer zu vergrößern, was eine weitere Verringerung der Veränderungen des Blindstromes der Blindstromquelle bewirkt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei sich weitere Merkmale, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung, welches Blindleistung an eine Wechselstromversorgung liefert,

Fig. 2 zwei schematische Vektor-Diagramme für Spannungen und

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Ströme in der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Anzahl von Kurvendarstellungen für Ströme und Spannungen in der Anordnung nach Fig. 1, wenn die Wechselstromversorgung eine voreilende Belastung darstellt,

Fig. 4 eine Reihe von Kurvendarstellungen ähnlich derjenigen nach Fig. 3, wenn die Wechselstromversorgung eine nacheilende Belastung liefert,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Umlauf-Umformers mit den Schaltelementen zur Realisierung von selbstgeführten und fremdgeführten Umformern,

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung zur Erzeugung von Zündimpulsen für die Umformer nach Fig. 1,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild der Sinuswellen-Kreuzungsschaltungen in der Anordnung nach Fig. 6,

Fig. 8 eine Reihe von Kurvendarstellungen, welche die Erzeugung von Zündimpulsen in der Schaltung nach Fig. 6 verdeutlichen,

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung zur Steuerung der von den Umformern nach Fig. 1 gelieferten Blindströme,

Fig. IO ein schematisches Schaltbild für eine Möglichkeit der Beeinflussung der Schaltung nach Fig. 9,

Fig. 11 eine Reihe von Kurvenformen, die beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 10 auftreten,

Fig. 12 ein schematisches Schaltbild einer Anordnung nach Fig. 1,

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die zum Kuppeln zweier Wechselstromnetze verwendet ist,

Fig. 13 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung zur Lieferung von Blindleistung an eine Wechselstromversorgung,

Fig. 14 zwei schematische Vektor-Diagramme für verschiedene Ausgangsströme der Anordnung nach Fig. 13 und entsprechende Ströme der Blindleistungsquelle,

Fig. 15 ein schematisches Schaltbild einer Modifizierung der Anordnung nach Fig. 13 zum Kuppeln zweier Wechselstromsysteme und

Fig. 16 zwei schematische Vektor-Diagramme für Ströme in der Anordnung nach Fig. 15 bei zwei verschiedenen Übertragungsleistungspegeln.

In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, die Blindleistung an eine Wechselstromversorgung liefert, die durch drei Leitungen mit den Spannungen Vg,, V₃₂ und V₅₃ als Dreiphasensystem dargestellt ist. Wie weiter unten ausgeführt, kann die Erfindung in gleicher Weise bei einem Einphasensystem verwendet werden.

Die Hauptbestandteile der Anordnung sind ein selbstgeführter UmIauf-Umformer (NCC) 11, ein fremdgeführter Umlauf-Umformer (FCC) 13 und eine Blindleistungsquelle 15. Die Umlauf-Umformer 11 und 13 sind übliche Frequenzumformer, wobei der Umformer 11 selbst- oder netzgeführt und der Umformer 13 unabhängig von der Netzspannung geführt ist. Beispiele von selbstgeführten Umlauf-Umformern sind in dem Buch von B.R. Pelly "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", herausgegeben von Wiley-Interscience division der John Wiley & Sons, Inc., 1971, zu finden. Ein fremdgeführter UmIauf-Umformer ist in der US-PS 3 707 665 beschrieben.

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Die Blindleistungsquelle 15 kann beliebig ausgeführt sein, beispielsweise als übererregte Synchronmaschine. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Blindleistungsquelle 15 jedoch ein passiver, abgestimmter LC-Schwingkreis. Jeder Phase der Wechselstromversorgung ist dabei ein Kondensator 17 und eine Spule 19 zugeordnet. Die Frequenz der Blindleistungsquelle 15 ist groß gegenüber der Frequenz an den Ausgängen der Umformer 11 und 13, um die Verzerrungen gering zu halten, die beim Aufbau der Ausgangsspannungen aus den Spannungen der Blindleistungsquelle auftreten. Die Bezeichnungen "Blindleistungsquelle" und "Hochfrequenz-Koppelgenerator" sind somit gleichwertig.

Der eigengeführte Umlauf-Umformer 11 besitzt von Natur aus einen nacheilenden Eingangsleistungsfaktor. Der fremdgeführte Umlauf-Umformer 13 ist so eingestellt, daß er einen Eingangsleistungsfaktor aufweist, der den gleichen Betrag besitzt wie derjenige des Umformers 11, aber voreilend ist. Wenn daher von den Umformern 11 und 13 gleiche Eingangsströme geführt werden, heben sich die Blindkomponenten bei der Grundfrequenz auf. Die geeignete Einstellung der Eingangsleistungsfaktoren wird durch passende Verknüpfung der Zündwinkel der aktiven Bauelemente, beispielsweise Thyristoren, der Umformer 11 und 13 bewirkt, wie es beispielsweise in der US-PS 3 707 665 beschrieben ist.

Die Ausgangsströme der Umformer 11 und 13 werden durch eine Steuervorrichtung 21 bestimmt. Damit die Eingangsblindströme der Umformer sich bei der Grundfrequenz gegenseitig aufheben, müssen diese Ströme entgegengesetzter Phase auch die gleiche Größe besitzen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Umformer 11 und 13 derart gesteuert werden, daß jeder die Hälfte des gesamten Ausgangsblindstromes zur Wechselstromversorgung liefert. Die Steuervorrichtung 21 gewährleistet dies dadurch, daß sie feststellt, wann von der Stromversorgung Blindleistung benötigt wird, und sodann die Umformer 11 und 13 veranlaßt, jeweils eine Hälfte des Stromes mit dem erforderlichen voreilenden oder nacheilenden Phasenwinkel zu erzeugen. Die Ausgangsströme der Umfor-

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mer 11 und 13 werden durch Spulen 23 kombiniert und an die Wechselstromversorgung weitergeleifeet. Dies erfolgt hier dadurch/daß die Ströme der Umformer 11 und 13 an jeweils ein Ende der Spule 23 angelegt werden und daß dann der Ausgangsstrom von einer Mittelanzapfung der Spule 23 abgenommen wird. Der Ausgangsstrom wird über eine Spule 25 an die Leitungen der Stromversorgung übertragen.

Durch Veränderung der Ausgangsspannungen der Umformer 11 und kann die erzeugte Blindleistung an den Bedarf angepaßt werden. Wenn die Ausgangsspannung V_Q einer Phase größer ist als die Netzspannung Vg, liefern die Umformer 11 und 13 Blindleistung für eine Last mit voreilendem Leistungsfaktor. Wenn andererseits V_Q kleiner ist als V liefern die Umformer Blindleistung für eine Last mit nacheilendem Leistungsfaktor. Eine solche Veränderung der Ausgangsspannungen der Umformer 11 und 13 kann in einfacher Weise durch Zu- oder Abführen von Wirkleistung an den abgestimmten Schwingkreisen der Blindleistungsquelle 15 erreicht werden, und zwar dadurch, daß die Phase der Ausgangsspannung der Umformer gegenüber der Netzspannung geringfügig verändert wird. Dies ist aus Fig. 2 zu ersehen.

Bei der Betrachtung der Vektor-Diagramme nach Fig. 2 sind bestimmte Verabredungen zu beachten. Wenn der Strom I_QS von der Anzapfung der Spule 23 mit der Spannung V_Q über die Spule 25 zu der Netzleitung mit der Spannung V„ fließt, ist die Spannung V₁ über der Spule von V_g nach V_Q gerichtet. Diese Stromrichtung beschreibt die Verhältnisse für die Umformer 11 und 13; vom Standpunkt der Stromversorgungsleitungen aus gesehen _f ist die übliche Stromrichtung jedoch umgekehrt, d.h. -Iqs* ^D*^es beruht darauf, daß die Blindleistungsquelle der Stromversorgung als Blindlast erscheint.

Während in Fig. 2 der Strom I_QS der Spannung Vg nacheilt, wird von den Umformern 11 und 13 vom Standpunkt der Stromversorgung aus gesehen ein voreilender Blindstrom geliefert. Die statische

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Leistungsumformungseinrichtung erscheint somit als kapazitive Last, die einen voreilenden Blindstrom aufnimmt, um den nacheilenden Blindstrom einer mit der Stromversorgung verbundenen induktiven Last zu kompensieren.

Wie aus dem Diagramm A der Fig. 2 zu ersehen, ist die Phase der Spannung V„ gegenüber der Netzspannung V_g geringfügig verschoben. Diese - übertrieben dargestellte - Phasenverschiebung wird durch die Steuervorrichtung 21 bewirkt. Da die Ausgangsspannung wegen der Verbindung mit den Leitungen der Stromversorgung gleich der Netzspannung V_g sein muß, muß der Spannungsabfall V₁ über der Spule 25 derart sein, daß er bei vektorieller Addition mit V_Q die Netzspannung V_g ergibt. Da der Strom in einer Spule der Spannung stets um 90° nacheilt, ist der Strom durch die Spule 25 der Strom I_QS in dem Diagramm A. Dieser Strom I₀₅ ist im wesentlichen in Phase mit der Netzspannung V_g, sofdaß an die passive Blindleistungs.quelle 15 über die Umformer Wirkleistung übertragen wird. Hierdurch wird die Spannung an dem Ausgang der Umformer erhöht, sofdaß sich die Verhältnisse nach dem Diagramm B der Fig. 2 ergeben.

Eine Erhöhung der Ausgangsspannung der Blindleistungsquelle 15 erhöht auch die Spannung V_Q am Ausgang der Umformer. Zu diesem Zeitpunkt ist, wie aus Diagramm B der Fig. 2 zu ersehen, V_Q größer als V_g. Daher muß der Spannungsabfall V₁ über der Spule 25 gegenüber V_Q die entgegengesetzte Phase aufweisen, um die an die Leitung angelegte Spannung auf den gewünschten Wert V_g zu bringen. Wiederum eilt der Strom durch die Spule 25,wie dargestellt, der Spannung V₁ um 90° nach. Während I_Qg den Spannungen V₁ und V_g nacheilt, eilt der Strom -I₀S ^^{er s}P^annun9 ^vs ^vor' ^w*^e durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Dies bedeutet, daß der statische Leistungsumformer vom Standpunkt der Stromversorgung aus gesehen, einen voreilenden Strom aufnimmt. Die Schaltung nach Fig. 1 kann unter den anhand Flg. 2 beschriebenen Umständen dazu benutzt werden, um die Blindleistung für eine Last mit nacheilendem Leistungsfaktor zu liefern. Durch Verschieben der Phase

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der Spannung V_Q in der entgegengesetzten Richtung kann von der Blindleistungsquelle 15 Wirkleistung abgezogen werden, sofdaß der statische Leistungsumformer dazu dienen kann, Blindleistung an eine Last mit voreilendem Leistungsfaktor zu liefern.

Die Kurvendarstellung der Fig. 3 illustriert die verschiedenen Spannungen und Ströme in der Schaltung nach Fig. 1 für die anhand Fig. 2 beschriebenen Betriebszustände. Wie aus der Kurvendarstellung D der Fig, 3 zu ersehen, ist die Spannung V₀, größer als die Netzspannung Vg^;daher muß der Strom Iq_Si der Spannung Vg, nacheilen, sofäaß der statische Leistungsumformer der Stromversorgung als kapazitive Last mit voreilendem Leistungsfaktor erscheint. Wie aus den Kurvenformen E, F und G zu ersehen, heben sich die Eingangsströme zu dem selbstgeführten Umformer 11 und dem fremdgeführten umformer 13 bei der Grundfrequenz gegenseitig auf, sojäaß die passive Blindleistungsquelle 15 nur bei den harmonischen Frequenzen der Oberwellen Blindleistung liefern muß. Dabei werden die geringen Leistungsverluste der Umformer 11 und 13 und der Blindleistungsquelle 15 durch die Wechselstromversorgung gedeckt.

Die Kurvenformen der Fig_f 4 stellen den umgekehrten Zustand dar, wenn der statische Leistungsumformer von der Stromversorgung nacheilenden Strom aufnimmt und ihr als induktive Last erscheint. Hier muß die Spannung V_Q1 kleiner sein als V_gl, was in der Kurvendarstellung D der Fig. 4 dargestellt ist, wo I₀Sl ^^er Spannung V_g, voreilt. Wie aus den Kurvendarstellungen E,F und G der Fig. 4 ersichtlich, heben sich wiederum die Eingangsströme der Umformer 11 und 13 bei der Grundfrequenz gegenseitig auf, sojdaß die Blindleistungsquelle 15 keine Blindleistung abzugeben braucht.

Die Steuerung der Umformer 11 und 13 ist in den Fig. 5 bis 11 dargestellt. Fig. 5A zeigt einen Umlauf-Umformer mit sechs Impulsen, der Schalter QQ1-QQ6 aufweist. Die Schalter QQ1-QQ6 werden durch eine Schaltersteuervorrichtung 101 betätigt, die

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in ά®Β Fig„ 6 und 7 im einzelnen dargestellt ist, um die Koppelgeneratorspannungen V_Ll? V_L2 und V_L3 an einen Transformator 103 weiter zuleiten, der eine einphasige Ausgangsspannüng Vq·^ liefert. Diese grundsätzliche Anordnung kann gemäß der US-PS 3 707 666 der gleichen Anmelderin auf ein dreiphasiges System erweitert werden. Beispiele für die Schalter QQ1-QQ6 sind in Fig. 5B für einen selbstgeführten UmIauf-Umformer und in Fig. 5C für einen fremdgeführten Umlauf-Umformer dargestellt.

Die Schaltersteuervorrichtung 101 gemäß den Fig. 6 und 7 ist grundsätzlich wie in der US-PS 3 707 666 aufgebaut. Sie ist hier für die Phase mit der Spannung Vg, nach Fig. 1 dargestellt.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, erzeugen zwei Dreifach-Sinuswellen-Kreuzungsschaltungen 105 und 107 Impulse S_p, und S_p~ abhängig von der Überschneidung einer Referenzspannung V^p mit den negativen Flanken der Koppelgeneratorspannungen V^j, ¥„-, und V-. _. Die Kreuzungsschaltung 105 verarbeitet die invertierten Koppelgeneratorspannungen, während die Kreuzungsschaltung 107 mit den normalen Koppelgeneratorspannungen beaufschlagt wird. In ähnlicher Weise erzeugen Kreuzungsschaltungen 109 und 111.Impulse S_n, und S_N2 abhängig von den Überschneidungen der Referenzspannung V^™ mit den positiven Flanken der Koppelgeneratorspannungen. Die Referenzspannung V.™, wird durch eine Einstellvorrichtung 113 aus der Netzspannung V_g, erzeugt. Die Einstellvorrichtung 113 kann ein steuerbarer Phasenschieber sein, der die notwendige Veränderung der Größe der Koppelgeneratorspannungen verursacht. Es können hierfür jedoch auch andere geeignete Anordnungen eingesetzt werden.

Die Impulse S_p,, S_p2, S„,, und S_n-, in Fig. 8 als Nadelimpulse dargestellt, werden an einen dreistufigen Ringzähler 115 weitergegeben, der die Impulse Pj-Pg und N,-N, der Fig. 8 erzeugt. Diese Impulse werden an eine Reihe von UND-Schaltungen 117 angelegt, die weiterhin ein Rechtecksignal X oder X führen. Die Signale X und X werden dadurch erzeugt, daß ein den Blindstrom I_0Si

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darstellendes Signal über einen Null-Detektor 119 und eine Flip-Flop-Schaltung 121 geleitet wird, scjdaß um 90 gegenüber der Referenzspannung V_n-,- verschobene Rechteck sign ale erzeugt

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werden. Die Ausgangssignale der UND-Schaltungen 117 werden dann an ODER-Schaltungen 123 weitergeleitet.

Die UND-Schaltungen 117 und ODER-Schaltungen 123 werden dazu verwendet, sicherzustellen, daß die Umformer 11 und 13 Eingangsblindströme entgegengesetzten Phasenwinkels führen. Da der . Umformer 11 stets einen nacheilenden Strom führt, müssen die an die Schalter QQ1-QQ6 weitergegebenen Impulse zu passenden Zeitpunkten auftreten und ein Kommutieren des Umformers 11 durch die Netzspannungen gestatten. Weiterhin muß der fremdgeführte Umformer 13 derart gezündet werden, daß er einen voreilenden Strom führt, der den nacheilenden Strom des selbstgeführten Umformers 11 kompensiert.

Die Ausgangssignale der ODER-Schaltungen 123 werden an Dreikanal-Verstärker 125 weitergeleitet, um Impulse D zu erzeugen. Die Indizes dieser Impulse D bezeichnen den Schalter in Fig. 5A, an welchen sie in dem selbstgeführten Umformer 11 oder dem fremdgeführten Umformer 13 weitergeleitet werden. Die entstehenden Ausgangsspannungen ^vni_NCC und ^V _O1FCC ^^{er üm}f^oririer sind in Fig. 8 für die Betriebsbedingungen der Fig. 4 dargestellt.

Fig. 7 zeigt die Dreifach-Sinuswellen-Kreuzungsschaltungen 105 und 109 im einzelnen. Die inversen Koppelgeneratorspannungen werden dabei durch Transformatoren 127 erhalten. Die negativen Koppelgeneratorspannungen werden jeweils an einen Vergleicher 129 sowohl in der Kreuzungsschaltung 105 als auch in der Kreuzungsschaltung 109 weitergeleitet. Die Ausgangssignale der drei Vergleicher 129 jeder Kreuzungsschaltung 105 oder 109 werden jeweils an einen Differenzier-Summierer 131 weitergeleitet, der die Signale S_p, bzw. S„, erzeugt. Die Vergleicher 129 haben einen zweiten Eingang, der mit der Referenzspannung V__F_ verbunden ist. Diese Referenzspannung kann dadurch erzeugt werden, daß

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die Netzspannung Vg^ über einen Transformator geleitet und in der Einstellvorrichtung 113 modifiziert wird. Sie kann dann an einem Drehwiderstand 135 am Ausgang der Einstellvorrichtung 113 abgenommen werden.

Die Einstellvorrichtung 113 kann weitgehend beliebig aufgebaut werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann die Steuerung der Blindleistung der Umformer jedoch dadurch beeinflußt werden, daß die Größe der Spannungen der Umformer verändert wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Phasenwinkel zwischen der Netzspannung und den Spannungen der Umformer verändert wird. In diesem Falle ist die Einstellvorrichtung 113 ein steuerbarer Phasenschieber, wie er etwa in Fig. 9 dargestellt ist.

Der Hochfrequenz-Koppelgenerator 15 liefert die Koppelgeneratorspannungen V-,., V_T _ und V_T - nach Fig<> l_e Dabei muß dafür gesorgt werden, daß der Koppelgenerator 15 anfänglich gesondert erregt wird. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht nach Fig. 9 darin, einen Synchrongenerator 137 zu verwenden, der an den Koppelgenerator 15 Energie liefert. Während des Aufladens der LC-Schwingkreise sind die Umformer außer Betrieb.

Eine andere Möglichkeit, den Koppelgenerator 15 anfänglich zu erregen, wird durch den fremdgeführten UmIauf-Umformer 13 gegeben. Beim Aufladen der Schwingkreise über den Umformer 13 ist dann der selbstgeführte Umformer 11 außer Betrieb. Der Umformer 13 wird dabei mit festen Leitfähigkeits-Intervallen betrieben, d.h. jedes Schalterpaar des Umformers 13 wird für eine feste Zeitspanne in seiner normalen Schalterfolge leitend gemacht,

wobei die Zeitspanne durch den Ausdruck T„ = ■ gegeben

6 (f_L+ f_s) '

ist. Dabei ist f_L die gewünschte Schwingkreisfrequenz und fg die Netzfrequenz (50 bzw. 60 Hz).

Die Koppelgeneratorspannungen der Blindleistungsquelle 15 werden

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2 ^ 3 4316

an einem Transformator 139 abgenommen und einem Gleichrichter zugeführt. Die Ausgangs-Gleichspannung des Gleichrichters 141 liegt an einem Kondensator 143 und zwei Serienwiderständen 145 und 147, die einen Spannungsteiler bilden. Von einem Drehwiderstand 149 wird eine Referenz-Gleichspannung abgenommen, welche der gewünschten Amplitude der Koppelgeneratorspannungen entspricht und in einem Fehlerverstärker 151 mit den gleichgerichteten tatsächlichen Koppelgeneratorspannungen verglichen wird. Das Ausgangsignal des Fehlerverstärkers 151 wird dann durch einen Leistungsverstärker 153 verstärkt und an eine RC-CR Brücke 155 weitergeleitet.

Ein zweites Eingangssignal für die Brücke 155 wird von einem Multiplizierer 157 geliefert, der ein Eingangssignal von dem Verbindungspunkt der Widerstände 145 und 147 bezieht. Das andere Eingangssignal erhält der Multiplizierer 157 über einen Transformator 159 unmittelbar von der Netzspannung Vg,. Der Multiplizierer 157 liefert eine Wechselspannung, die mit der Netzwechselspannung in Phase und deren Amplitude abhängig von der Koppelgeneratorspannung ist. Durch geeignete Wahl der Werte der Widerstände 145 und 147 ist die Amplitude des Wechselstromsignales am Ausgang des Multiplizierers 157 stets etwas kleiner als diejenige der Spannung, welche der Schwingkreisspannung entspricht. Auf diese Weise wird ein sicheres Arbeiten der Sinuswellen-Kreuzungsschaltungen 105, 107, 109 und 111 erreicht.

Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 153 dient dazu, zwei Leuchtdioden 161 zu betreiben, die jeweils in Reihe mit Widerständen 163 angeordnet sind. Das von den Leuchtdioden 161 ausgesandte Licht steuert den Widerstand von lichtempfindlichen Elementen, beispielsweise von Kadmiumsulfid-Photozellen 165. Die Photozellen 165 - liegen in Reihe mit Widerständen 167 und bilden zusammen mit Kondensatoren 169 eine Phasenschieberbrücke. Bei einer solchen RC-CR Brücke ändert sich die Phase der Eingangswechselspannung vom Multiplizierer 157, ohne daß die Amplitude dieses Signales beeinflußt wird. Dadurch wird die Wechsel-

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spannung am Ausgang des Multiplizierers 157 durch die Brücke lediglich in ihrer Phase verschoben und bildet die Referenzspannung Vp™, die dann an dem Abgriff des Drehwiderstandes 135 abgenommen werden kann. Die Referenzspannung Vj^p besitzt dann die erforderliche Amplitude und eine solche Phasenlage, daß sie die Amplitude der Koppelgeneratorspannungen entsprechend einstellt, um über die Umformer 11 und 13 die gewünschte Blindleistung an das Wechselstromnetz abzugeben.

Die Phasenverschiebung der Referenzspannung V^p wird durch die Einstellung des Drehwiderstandes 149 bestimmt. Dies kann manuell oder anderweitig geschehen, in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 soll diese Einstellung jedoch durch den Blindleistungsbedarf des Wechselstromnetzes bestimmt werden. Eine hierfür geeignete Möglichkeit ist in Fig. 10 dargestellt. Hier wird ein Transformator 171 verwendet, um die Netzspannung V_g, an einen Null-Detektor 173 anzulegen, dessen Ausgangssignal an einen monostabilen Multivibrator 175 weitergelegt wiic, dessen Ausgangssignal wiederum an einen Eingang einer UND-Schaltung 177 angelegt ist. Ein weiteres Eingangssignal für die UND-Schaltung 177 wird von einer Stromwandlerspule 179 geliefert, die ein Signal abgibt, das dem Strom in der Leitung mit der Spannung Vg, proportional ist. Ein Integrierer 181 empfängt das Ausgangssignal der UND-Schaltung 177 und liefert ein Signal, das geeicht und für die Einstellung des Drehwiderstandes 149 verwendet werden kann.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 10 wird durch die Kurvendarstellungen der Fig. 11 erläutert. In Fig. HA eilt beispielsweise der Netzstrom Ig, der Netzspannung Vg, nach. Bei jedem Nulldurchgang der Netzspannung erzeugt der Null-Detektor 173 einen Nadelimpuls ND, wie aus dem Diagramm HB zu ersehen ist. Die Nadelimpulse ND werden dann, wie aus dem Diagramm lic zu ersehen ist, durch den monostabilen Multivibrator 175 in Rechteckimpulse MS umgewandelt. Die Anlegung der Rechteckimpulse MS an die UND-Schaltung 177 läßt den Strom I_g,

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während dieser Zeitspanne durch die UND-Schaltung 177 hindurch treten, wie in dem Diagramm HD angedeutet. An den Nulldurchgängen ist die Wirkkomponente von Ig, gleich Null, sodaß der erhaltene Strom der Blindkomponente von Ig-, entspricht. Der Integrierer 181 integriert das Signal S am Ausgang der UND-Schaltung 177 und erzeugt ein Ausgangsignal RI, das in dem Diagramm HE dargestellt ist. Das Signal RI entspricht der benötigten Blindleistung und kann dazu verwendet werden, den Drehwiderstand 149 einzustellen, um die erforderliche Phasenverschiebung der Referenzspannung V«™ zu bewirken. Für den Fall, daß der Strom Ig, der Spannung Vg, voreilt, erscheint das positive Signal RI gemäß dem Diagramm HE in der vorhergehenden Zeitspanne, sofdaß von dem Signal RI sowohl die Größe als auch die Richtung der Einstellung des Drehwiderstandes 149 zu ersehen ist.

Eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, die dazu dient, nicht Blindleistung zu liefern, sondern zwei Wechselstromnetze miteinander zu koppeln ist in Fig. 12 dargestellt. In dieser Anordnung ist ein selbstgeführter Umlauf-Umformer (NCC) 11' über eine Spule 29 mit einem Anschluß 27 eines weiteren Wechselstromsystemes Nr. 2 verbunden. Ein fremdgeführter UmIauf-Umformer (FCC) 13' liegt über eine Spule 33 an, dem Anschluß 31 des ersten Wechselstromsystemes Nr. 1. Die anderen Anschlüsse der Umformer 11' und 13* sind miteinander und einem Hochfrequenz-Koppelgenerator als Blindleistungsquelle 15' verbunden, die aus einem Kondensator 17' und einer Spule 19' besteht.

Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ist der fremdgeführte Umformer 13' so eingestellt, daß er einen Eingangsphasenwinkel gleicher Größe aber entgegengesetzten Vorzeichens zu demjenigen des selbstgeführten Umlauf-Umformers 11' besitzt. Eine Steuervorrichtung 21' sorgt dafür, daß- die Amplituden der Ströme an den Ausgängen der Umformer identisch sind, so/daß sich die Blindströme zu den Eingängen der UmIauf-Umformer 11* und 13' gegenseitig aufheben. Hierdurch braucht die Blindleistungsquelle 15'

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weder Wirkleistung, noch Blindleistung bei der Grundfrequenz zu liefern, sondern lediglich Blindleistung bei den harmonischen Frequenzen der Oberwellen.

Es sei angenommen, daß der Anschluß 31 der Leistungseingang sei. Das Wechselstromsignal an diesem Anschluß hat die Frequenz f,, die gleich der Frequenz f~ an dem Ausgangsanschluß 27 sein kann oder verschieden von ihr. Im allgemeinen sind jedoch die Frequenzen f, und f₂ voneinander verschieden, wenn zwei Wechselstromnetze miteinander gekoppelt werden, da die statischen Leistungsumformer als Frequenzumformer wirken. Die Anordnung ist nicht auf die Kopplung zweier Wechselstromsysteme beschränkt, sondern kann genau so gut zur Kopplung eines Wechselstromsystemes mit einem Gleichstromsystem oder eines Gleichstromsystemes mit einem anderen Gleichstromsystem verwendet werden. In den beiden letzteren Fällen sind dann die Umformer II¹ und 13' nicht beide Umlauf-Umformer, sondern würden mindestens einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler oder Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler enthalten. Weiterhin brauchen bei der Kopplung zweier Wechselstromsysteme, wie sie in Fig. 12 dargestellt ist, die beiden Umformer II¹ und 13' nicht in der dargestellten Lage zu sein, sie können auch miteinander vertauscht werden.

Wenn der Anschluß 31 der Leistungseingang ist, stellt der Ausgang des fremdgeführten Umformers 13' tatsächlich den Eingang des Systemes dar. Der Ausgang des selbstgeführten Umformers 11* ist dann der Ausgang des Systemes, so/daß bei gleichem Leistungsvermögen der beiden Ausgänge ein Leistungsdurchsatz von dem Anschluß 31 zu dem Anschluß 27 stattfindet, wobei der Hochfreqüenz-Koppelgenerator 15' die Spannungssignale liefert, die zur Bildung der Ausgangssignale der Umformer II¹ und 13' verwendet werden. Der Hochfrequenz-Koppelgenerator 15' braucht jedoch keine Wirkleistung und keine Blindleistung bei der Grundfrequenz zu liefern.

In Fig. 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hier sind zwei selbstgeführte Umlauf-Umformer 35

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und 37 parallel geschaltet und zwischen einem Hochfrequenzkoppe !generator 39 als Blindleistungsquelle und einer Wechselstromquelle eingeschaltet, die als Leitung 41 dargestellt ist. Der Koppelgenerator 39 ist als passive Quelle mit einem Kondensator 43 und einer Spule 45 gezeigt, die in einem abgestimmten Schwingkreis angeordnet sind. Die Eingänge der Umformer 35 und 37 sind mit dem Koppelgenerator 39 verbunden und deren Ausgänge über zwei Spulen 47 und 49 mit der Leitung 41 der Wechselstromquelle.

Da selbstgeführte Umlauf-Umformer einen nacheilenden Leistungsfaktor aufweisen, ist auch der Blindstrom des Koppelgenerators nacheilend und aus den Eingangsströmen Ij, des Umformers 35 und dem Eingangsstrom I₁₂ des Umformers 37 zusammengesetzt. Der Strom zu der Leitung 41 von der statischen Leistungsumformungseinrichtung ist die Summe der Ausgangsströme I_Q, des Umformers 35 und I₀₂ des Umformers 37.

Zur Vermeidung der Schwierigkeiten, die durch Prequenzänderungen in dem Signal des Koppelgenerators 39 auftreten, ist es vorteilhaft, Veränderungen des von dem Koppelgenerator 39 gelieferten Stromes auf ein Minimum zu reduzieren» Da die Eingangsströme der Umformer 35 und 37 stets nacheilend sind, unabhängig davon, welchen Phasenwinkel die Ausgangsströme aufweisen, kann der Blindstrom des Koppelgenerators 39 dadurch relativ konstant gehalten werden, daß die Absolutwerte der Ausgangsströme soweit wie möglich konstant gehalten werden. Hierzu wird eine Steuervorrichtung 51 verwendet, die dafür sorgt, daß die Ausgangsströme der Umformer 35 und 37 in einer solchen Weise zueinander addiert oder voneinander subtrahiert werden, daß an die Leitung 41 die gewünschte Blindleistung abgegeben wird, während der Absolutwert der Ströme der Umformer soweit wie möglich konstant gehalten wird. Die schematischen Vektor-Diagramme der Fig. 14 stellen die Ausgangs- und Eingangszustände dar, die bei der Anwendung dieses Verfahrens erzielt werden.

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Wie aus dem Diagramm A der Fig. 14 zu ersehen, kann jeder Umformer -35 und 37 so eingestellt werden, daß er zwischen Null und einer halben Leistungseinheit (PU) des Netzstromes liefert. Durch Anwendung der verschiedenen in dem Diagramm A dargestellten Strom-Additionen und -Subtraktionen können die Eingangsstrom-Zustände des Diagrammes B in Fig. 14 realisiert werden. Es zeigt sich, daß die Veränderungen des von dem Koppelgenerator 39 zu liefernden Eingangsstromes auf Schwankungen zwischen einer Leistungseinheit und eineinhalb Leistungseinheiten beschränkt worden ist, während die Veränderungen zwischen einer Leistungseinheit und Null liegen würden, wenn ein einziger Umformer mit dem Koppelgenerator verwendet würde. Dies bedeutet, daß die Frequenzänderungen des Hochfrequenz-Koppelgenerators 39 auf ungefähr 25% beschränkt worden sind, was in der Praxis tragbar ist und keine übermäßige Erhöhung der Belastung des Koppelgenerators mitsich bringt.

Für den Aufbau der Steuervorrichtung 51 gibt es eine Reihe, dem Fachmann naheliegende Möglichkeiten, so(daß hier keine dieser Möglichkeiten näher beschrieben wird. Die Umformer 35 und 37 müssen dabei im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 1, wo für beide Umformer die gleiche Steuerung vorgesehen war, unabhängig voneinander gesteuert werden. Das grundlegende Steuerprinzip ist jedoch das gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 1, nämlich daß die Größe und Richtung der abgegebenen Blindleistung durch Veränderung der Größe der Ausgangsspannungen der Umformer in Bezug auf die Netzspannungen gesteuert werden kann. Solange die Kpppelgeneratorspannungen, die zum Aufbau der Ausgangsspannungen der Umformer verwendet werden, größer sind oder gleich der Referenzspannung Vp₁,-, kann die Amplitude dieser Referenzspannung verändert werden, um die gewünschte Steuerung der von den Umformern abgegebenen Blindleistung zu bewirken. Die Steuerung der Umformer 35 und 37 durch die Steuervorrichtung 51 kann somit im wesentlichen die gleiche sein,wie anhand von Fig. 6 beschrieben worden ist, wobei lediglich berücksichtigt werden muß, daß jede dieser Schaltungen nur einen einzigen Umformer steuert.

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Jede der erforderlichen Einstellvorrichtungen 113 würde dann als einfaches Amplitudenstellglied ausgebildet werden, das die Amplitude der Netzspannung V_g, so modifiziert, daß die gewünschte Referenzspannung V^p erhalten wird.

Zur Erzielung der gewünschten Steuerwirkung durch die Einstellvorrichtung 113 kann eine Schaltung nach Fig. 10 verwendet werden, welche angibt, wieviel Blindleistung von den Umformern 35 und 37 abgegeben werden muß. Der Einfachheit halber kann angenommen werden, daß einer der Umformer 35 oder 37 auf das Maximum eingestellt wird, d.h. auf eine halbe Leistungseinheit, und je nach Bedarf einen voreilenden oder nacheilenden Strom liefert. Dies kann mit einer Schaltung nach Fig. lO,wie aus den Kurvendarstellungen der Fig. 11 zu ersehen, leicht erreicht werden, und der selbstgeführte Umformer hätte dann V^p je nach dem notwendigen Phasenwinkel des Stromes entweder als Maximaloder als Minimal-Amplitude.

Wenn somit einer der Umformer 35 und 37 auf einen maximalen Strom mit dem erforderlichen Phasenwinkel eingestellt- ist, kann das Ausgangssignal RI des Integrierers 181 dazu verwendet werden, festzustellen, ob der andere Umformer einen Blindstrom zu liefern hat, der zu dem Maximalwert des ersten Umformers addiert oder von diesem abgezogen werden muß.

Hierfür kann ein einfacher Vergleicher dienen und die Referenzspannung Vpgp für den zweiten Umformer so eingestellt werden, daß dieser den notwendigen Blindstrom liefert.

Für den Aufbau der Steuervorrichtung 51 bestehen noch viele andere Möglichkeiten, zum Beispiel können die Blindströme der Umformer 35 und 37 soweit wie möglich gleich aufgeteilt werden. Gemäß der Erfindung muß lediglich dafür gesorgt werden, daß die beiden selbstgeführten Umformer parallel so gesteuert werden, daß der nacheilende Eingangsstrom der Umformer soweit wie möglich konstant bleibt.

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Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispieles kann noch dadurch weiter verbessert werden, daß die Anzahl der parallel geschalteten selbstgeführten Umformer, die zwischen dem Koppelgenerator 39 und der Leitung 41 eingeschaltet sind, erhöht wird. So können beispielsweise vier solche Umformer vorgesehen werden, von denen jeder eine Nennbelastung von einer viertel Leistungseinheit besitzen muß. Schon mit nur vier Umformern kann der Einfluß auf die Frequenz des Koppelgenerators 39 praktisch vollständig be-' seitigt werden. Die Verwendung von vier Umformern'stellt jedenfalls bei Stromversorgungseinrichtungen hoher Leistung keinen Nachteil dar, da ohnehin eine große Anzahl solcher Einrichtungen benötigt wird, um die erforderliche Blindleistung aufzubringen. Es kann vielmehr als ein Vorteil angesehen werden, eine Anzahl voneinander unabhängiger Umformer einzusetzen, da hier durch die Redundanz und damit die Betriebssicherheit des Systemes erhöht wird. Das System kann nämlich, wenn auch mit verringerter Leistung, weiterarbeiten, wenn einige der Umformer ganz ausfallen.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann dasjenige nach Fig. 13 so abgeändert werden, daß es zum Koppeln zweier Wechselstromsysteme "verwendet werden kann. (Oder zum Koppeln eines Gleichstromsystemes mit* einem Wechselstromsystem öder" mit einem

anderen Gleichstromsystem.) Hierzu wird gemäß Fig. 15 eine

Parallelschaltung von selbstgeführten Umformern gemäß Fig. 13 zwischen jedem der Wechselströmsysteme und einem Höchfrequenz-Koppelgenerator 39' angeordnet. Wie dargestellt, ist ein-erstes '[ Paar selbstgeführter Umformer 53Und 55 parallel zwischen dem Koppelgenerator 39* und einem Anschluß 57 eines ersten Wechselstromsystemes der Frequenz' f, und ein zweites Paar seibstgeführter Umformer 59und 61 parallel zwischen dem Koppelgenerator 39' und einem Anschluß 63 eines zweiten Wechselstromsystemes der Frequenz f₂ angeschlossen. Wie in dem Beispiel nach Fig. 13- ist eine Steuervorrichtung 65 vorgesehen, welche die Ausgangsströme der Umformer 53, 55, 59 und 61 so einstellt, daß der Blindstrom des Koppelgenerators 39' soweit wie möglich konstant gehalten wird.

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Wenn beispielsweise an dem Anschluß 57 Leistung eingegeben wird, werden die Umformer 53 und 55 so gesteuert, daß sie regenerativ arbeiten und Leistung zur Weitergabe an den Anschluß 63 an die . umformer 59 und 61. abgeben. Die Diagramme A und B der Fig. 16.. veranschaulichen die Arbeitsweise des Systems bei der übertragung, von Wirkleistung einer Leistungseinheit bzw. einer halben Leistungseinheit. .

Da ein eigengeführter-Umformer stets einen nacheilenden Eingangsleistungsfaktor aufweist, kann er nicht mit einem Eingangssignal des Leistungsfaktors 1 arbeiten. In dem Falle eines Ausgangsleistungsfaktors 1 beispielsweise kann der Eingangsleistungsfaktor nicht höher sein als 0,83 nacheilend. Für einen Leistungsdurchsatz von einer Leistungseinheit muß .der von dem.Koppelgenerator 39' gelieferte Blindstrom die Summe der vier nacheilenden Eingangeströme der.Umformer 53, 55,, ,59und= 61 sein^ Wie aus dem Diagramm A der Fig;. 16 ersichtlich,, summiert; sich dies zu 1,25 Leistungseinheiten, die von dem Kop.pelgenerator 39· ge-, ..... liefert werden müssen. _ , ... ·..·

Zur Darstellung der. Art ujid. Weise, in ..der. bei diesem Ausführungsbeispiel der Strom des Hochfrequenz-Koppelgenerators nahezu konstant gehalten wird, stellen die Kurvendarstellungen B der Fig. 16 den Fall dar, daß über die Anordnung Leistung einer halben Leistungseinheit beim Leistungsfaktor 1 übertragen werden soll. In diesem Falle würde ohne Anwendung der Erfindung der Blindstrom des Koppelgenerators ebenfalls auf die Hälfte reduziert werden, was eine entsprechende Erniedrigung der Frequenz des Koppelgenerators mitsich bringen würde, da der Eingangsleistungsfaktor der beiden Umformer sich nicht ändern, sondern bei 0,83 liegen würde. Um diese höchst unerwünschte änderung der Frequenz des Koppelgenerators zu vermeiden, bewirkt die Steuervorrichtung 65, daß ein Umformer in jedem Paar mit einem voreilenderi Leistungsfaktor arbeitet, während der andere Umformer des parallel geschalteten Paares einen nacheilenden Ausgangsleistungsfaktor aufweist. Der resultierende Ausgangsleistungs-

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faktor beträgt dann naturgemäß eins, weil die beiden voreilenden und nacheilenden Blindkomponenten der beiden Ausgangsströme sich gegenseitig aufheben. Die Blindkomponenten der Eingangsströme steigen jedoch infolge des niedrigeren Eingangsleistungsfaktors an. Da alle Eingangsströme der Umformer nacheilend sind, addieren sie sich zueinander und erhöhen so den Strom des Koppelgenerators. Es ist somit leicht ersichtlich, daß der Strom des Koppelgenerators dadurch auf seinen ursprünglichen Nennwert erhöht werden kann, daß die Ausgangsleistungsfaktoren der einzelnen Umformer entsprechend gesteuert werden.

Durch Anwendung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann an ein Wechselstromnetz Blindleistung geliefert werden, oder es kann Leistung von einem System zu einem anderen übertragen werden, indem die beiden Systeme über eine hier beschriebene statische Leistungsumformungseinrichtung miteinander gekoppelt werden. Hierbei werden Veränderungen des von dem als Blindleistungsquelle dienenden Hochfrequenz-Koppelgenerator gelieferten Stromes auf ein Minimum reduziert oder gar ganz beseitigt. Weiterhin braucht der Hochfrequenz-Koppelgenerator bei einigen Ausführungsbeispielen keinen Blindstrom bei der Grundfrequenz zu liefern.

Patentansprüche;

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Claims

atentansprüche :

1. Statische Leistungsumformungseinrichtung mit einer Blindleistungsquelle für Wechselströme, \

dadurch gekennzeichnet , daß sie zwei Umformer (11, 13) aufweist, deren Eingänge mit der Blindleistungsquelle (15) verbunden sind, daß die Eingangsblindströme der beiden Umformer (11, 13) untereinander einen entgegengesetzten Phasenwinkel aufweisen und daß eine Steuervorrichtung (21) vorgesehen ist, welche die Umformer (11, 13) zur Lieferung von Ausgangsströmen veranlaßt, die Veränderungen des gesamten Blindstromes der Blindleistungsquelle (15) auf ein Minimum reduzieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung (21) die Umformer (11, 13) zur Erzeugung von Ausgangsströmen veranlaßt, welche identischem Leistungsabgabevermögen entsprechen .

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Umformer ein selbstgeführter Umformer (11) mit nacheilendem Eingangsblindstrom und der zweite Umformer ein fremdgeführter Umformer (13) mit voreilendem Eingangsblindstrom ist und daß sich die Eingangsblindströme der beiden Umformer (11, 13) so weit gegenseitig aufheben, daß die Blindleietungsquelle (15) keine Blindleistung bei der Grundfrequenz zu liefern braucht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden Umformer (II¹, 13') mit zwei verschiedenen elektrischen Systemen (an 27, 31) verbunden sind und daß Leistung von einem elektrischen System zum anderen übertragbar ist, ohne daß die Blindleistungsquelle (15') Blindleistung bei der Grundfrequenz zu liefern hat.

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5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η - ,. zeichnet , daß die beiden Umformer (11, 13) Umlauf-Umformer sind und daß ihre Ausgänge mit einer Spule (23) verbunden sind, welche ihre Ausgangssignale überlagert und als Blindleistung an eine Wechselstrom-Leistungsquelle (bei Vg, bis VgO weitergibt, ohne daß die Blindleistungsquelle (15) Blindleistung bei der Grundfrequenz zu liefern hat. ■■ - ■ ■ ■

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die beiden Umformer (35, 37) mit ihren Ein- bzw. Ausgängen parallel geschaltet und zwischen der Blindleistungsquelle (39) und einer elektrischen Leistungsquelle (an 41) angeschlossen sind;

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

ζ ei c h η e t ,.daß die beiden Umformer selbstgeführte UmIauf-Umformer (35, 37) sind und die Leistungsquelle eine Wechselstrom-Leistungsquelle (an 41) ist, und daß die Steuervorrichtung (51) die Umformer (35, 37) zur Lieferung von Ausgangsströmen veranlaßt, welche, miteinander vereinigt, Veränderungen des Blindstromes der Blindleistungsquelle (39) auf ein Minimum reduzieren.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

ζ e i ch net ,daß zwei weitere Umformer (49, 61) mit ihren Ein- bzw. Ausgängen parallel geschaltet und zwischen -der Bliridleistungsquelle (39¹) und einer zweiten elektrischen Leistungsquelle (an 63) angeschaltet sind und daß die Steuervorrichtung (65) eine solche Einstellung der Aus-; gangsströme der Umformer (53, 55; 59, 61) bewirkt, daß diese den erforderlichen Strom der elektrischen Leistungsqüellen (an 57, 63) liefern und Veränderungen des Blindstromes der Blindleistungsquellö (39') auf ein Minimum reduzieren.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ,daß die Blindleistungsquelle (15, 39) eine abgestimmte Schaltung, vorzugsweise ein

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LC-Schwingkreis ist. .

ΙΟ. Einrichtung nach, einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn ζ eichn e t, daß an den Ausgang der Umformer (11, 13; 35, 37; 53, 55, 59, 61) jeweils eine Spule (23; 25; 29,.33; 47, 49) angeschlossen ist.

11. Verfahren zum Liefern von Blindleistung an ein Wechselstromsystem mit Hilfe,einer passiven Quelle, welche Eingangssignale an zwei parallel geschalteten und zwischen der passiven Quelle und dem Wechselstromsystem angeschlossene Umformer liefert, nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Umformer (11, 13) so eingestellt werden, daß ihre Ausgangsspannungen die für das Wechselstromsystem (an V_g, bis V₃₃) erforderlichen Frequenzr und Betragswerte aufweisen, und daß die den Umformern (11, 13) zugeführten Blindströme so ge-. steuert,.werden, daß Veränderungen des von den Umformern (11, 13) der passiven Quelle (15) entnommenen Blindstromes auf ein Minimum reduziert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeich net , daß die Umformer (11,-13). so eingestellt werden, daß sie Eingangsblindströme einander entgegengesetzten .Phasenwinkels führen, und daß die. Steuerung der Blindströme, (durch 21) darin besteht, daß die. Umformer (11,.13) so eingestellt werden, daß jeder die Hälfte der zugeführten Blindleistung aufnimmt, und damit auch beide Umformer (11, 13) gleichgroße Eingangsblindströme führen, und zwar derart, daß die Eingangsblindströme gleichen Betrages, aber entgegengesetzten Phasenwinkels sich soweit gegenseitig aufheben, daß die, passive Quelle (15) keine Blindleistung zu liefern braucht.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g.e k en η -

ζ eich η e t , daß die Umformer (35, 37) so eingestellt werden, daß sie Eingangsblindströme gleichen Phasenwinkels

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aufnehmen und daß die Steuerung der Blindströme (durch 51) darin besteht, daß die Umformer (35, 37) so eingestellt werden, daß ihre Ausgangsströme je nach Bedarf entweder voreilende oder nacheilende Phasenwinkel aufweisen, um derart miteinander kombiniert zu werden, daß Veränderungen der Eingangsblindströme und damit auch des Blindstromes der passiven Quelle (39) auf ein Minimum reduziert werden.

14. Verfahren zum übertragen elektrischer Leistung zwischen zwei elektrischen Systemen, bei welchem eine passive Quelle Eingangssignale an zwei in Serie zwischen die beiden elektrischen Systeme eingeschaltete Umformer liefert, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Umformer (11*, 13*) so eingestellt werden, daß jeder Ausgangssignale mit der Frequenz jeweils eines der beiden elektrischen Systeme (an 27, 31) liefert und die zwischen den beiden Systemen (zwischen 27 und 31) zu übertragende Leistung weiterleitet, und daß die an den Ausgängen der Umformer (H¹, 13') abgegebenen Blindströme derart gesteuert werden, daß Veränderungen der Blindströme der passiven Quelle (15') auf ein Minimum reduziert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η zeich η e t , daß die Umformer (H¹, 13') so eingestellt werden, daß sie Eingangsblindströme einander entgegengesetzten Phasenwinkels führen und daß die Steuerung der Blindströme (durch 21') darin besteht, daß die Umformer (H¹, 13') so eingestellt werden, daß sie Ausgangsblindströme gleichen Betrages erzeugen, um auch Eingangsströme gleichen Betrages aufzunehmen, die sich wegen der entgegengesetzten Phasenwinkel soweit gegeneinander aufheben, daß die passive Quelle (15*) keine Blindleistung zu liefern braucht.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Umformer aus einer ümformer-

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anordnung von jeweils zwei parallel geschalteten Einzelumformern (53, 55; 59, 61) besteht, daß alle Einzelumformer (53, 55, 59, 61) Eingangsblindströme gleichen Phasenwinkels aufnehmen und daß die Steuerung der Blindströme (durch 65) darin besteht, daß jeder Einzelumformer (53, 55; 59, 61) einer Umformeranordnung so eingestellt wird, daß seine Ausgangsblindströme derart miteinander kombiniert werden, daß Veränderungen der miteinander kombinierten Eingangsblindströme und damit auch des Blindstromes der passiven Quelle (39^r) auf ein Minimum reduziert werden.

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