DE2539991A1 - Wechselrichter-transformator - Google Patents

Description

• Wechselrichter-Transformator Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter-Transformator mit primärseitigem Anschluß an drei Teil-echselrichter, die drei um je 300 phasenversetzte betragsgleiche Ausgangsspannungen abgeben und sekundärseitigem Anschluß an ein Einphasen-Wechselstromnetz.
• Es ist vorgeschlagen worden, Einphasen-Netze, insbesondere Bahnnetze, mit Wirk- und Blindleistung über eine Umrichteranordnung mit ausgeprägtem Gleichstromzwischenkreis zu speisen, deren Wechsel-richterteil mit einer Zwangskommutierungseinrichtung versehen ist. Die an den gemeinsamen Gleichstromzwischenkreis angeschlossenen und mit einmaliger Zwangslöschung in jeder Netzperiode betriebenen Teil-Wechselrichter erzeugen phasenversetzte Blockspannungen, die über galvanisch und magnetisch getrennte Primärwicklungen eines Transformators in Reihe geschaltet werden und bei einem Phasenversatz der Teil-Wechselrichter von 300el eine höherpulsige Netzrückwirkung erzielen.
• Die Zusammenfassung der Teil-Wechseirichter kann in der Weise erfolgen, daß jedem der n Teil-Wechselrichter ein eigener Transformator zugeordnet wird und diese n Transformatoren ausgangsseitig in Serie geschaltet werden. Die resultierende Ausgangsspannung ist dann die Summe. der n Einzel spannungen, in der sich bestimmte Ordnungszahlen der Oberschwingungen der Teil-Wechselrichter gegenseitig aufheben.
• Aus der Drehstromtechnik ist bekannt, daß sich ein Drehstrom-Transformator billiger als drei Einphasen-Transformatoren gleicher Summenleistung bauen läßt. Diese Ersparnis ist darauf zurückzuführen, daß im Drehstrom-System die Summe der Kraftflüsse Null ist, so daß der magnetische Rückschluß entfallen oder zumindest beträchtlich einfacher ausgeführt werden kann.
• In einer rechteckförmigen Wechsel spannung von 18Ö0 Blockbreite treten bekanntlich alle ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz als Harmonische auf. Bei Verkürzung der Blockbreite von 180 auf 1200 mit je 600 Abstand fallen aus diesem Spektrum die durch drei teilbaren Vielfachen der Grundfrequenz aus.
• Dies ist somit ein bevorzugter Spannungs-Zeitverlauf für die Teil-Wechselrichter der vorgeschlagenen Anordnung. Die hierin verbleibenden Oberschwingungen haben die Ordnungszahlen 6 K + 1.
• Bei Kombination von drei Teil-Wechselrichtern, deren Spannungen sich wie 1 ; 7'3 : 1 verhalten und die untereinander um je 300 versetzt sind, fallen die Ordnungszahlen mit ungeradem K aus, so daß die Reihe 12 i + 1 verbleibt, wobei die Amplituden der einzelnen Frequenzen unabhängig vom Vorhandensein anderer Frequenzen umgekehrt proportional ihrer Ordnungszahl sind. Bei der vorgeschlagenen Anordnung bleibt einerseits der Aufwand für die Steuerung in erträglichen Grenzen, andererseits sind die niedrigsten verbleibenden Harmonischen bereits so klein, daß der für die Glättung erforderliche Aufwand geringfügig ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wechselrichter-Transformator anzugeben, der die verschiedenphasigen Teil-Wechselrichter rückschlußfrei zu einem Einphasen-Wechselstromsystem vereinigt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß drei bewickelte Schenkel, wobei der Querschnitt des Mittelschenkels dasPj-fache des Querschnitts der beiden anderen Schenkel und die Windungszahl der Primärwicklunq des Mittelschenkels das S -fache der Windungszahlen der Primärwicklungen der äußeren Schenkel beträgt und die drei Sekundärwicklungen gleicher Windungszahl in Reihe geschaltet sind.
• Mit der erfidnungsgemäßen Lösung wird eine rückschlußfreie Verbindung von drei phasenversetzten Ausgangsspannungen eines Wechselrichter-Systems zu einem Einphasen-System erreicht.
• Zur Vermeidung eines hohen Streuflusses und Magnetisierungsstromes erhält der Wechseirichter-Transformator zwei zusätzliche, unbewickelte Außenschenkel, deren Querschnitt nur ein Bruchteil des Querschnitts der bewickelten Schenkel beträgt.
• Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spieles soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
• Es zeigen Figur 1 Die Ausgangs spannungen der Teil-Wechselrichter auf der Sekundärseite des Transformators Figur 2 das Zeigerdiagramm der Grundschwingungen der Wechselrichter-Ausgangsspannungen und Figur 3 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen l^;echselrichter-Transformators.
• Die in Figur 1 dargestellten Ausgangsspannungen der Teil-Wechselrichter bestehen aus drei untereinander um je 300 versetzte 120 0-Rechteckkurven a, b und c, deren Amplituden sich wie 1 : 5 : : 1 verhalten. Kurve d stellt die summierte Ausgangsspannung dar, die nur noch Harmonische der Ordnungszahl 12 i + 1 enthält.
• In Figur 2 ist das Zeigerdiagramm der Grund schwingungen a1, b1 und c1 der Rechteckkurven a, b und c dargestellt. Man erkennt, daß die Summe der Zeiger a1 und c1 gleich dem Zeiger b1 ist.
• Das Zeigerbild der magnetischen Kraftflüsse im Transformator ist bis auf eine Drehung um 90° identisch.
• Das in Figur 3 dargestellte Schaltbild des erfindungsgeanen Wechselrichter-Transformators enthält drei primärseitige Wicklungen 11, 21, 31 mit den Wicklungsanfängen r, s, t und den Wicklungsenden x, y, z, die auf je einem Transformatorschenkel 1, 2 oder 3 angebracht sind. Die Primärwicklungen 11, 21, 31 werden von Teil-Wechselrichtern 4, 5 und 6 mit je 300 Phasenversatz bei gleichen Beträgen ihrer Spannung aus einer Gleichstromquelle PN gespeist. Die Primärwicklung des Mittelschenkels 2 mit den Anschlüssen s, y ist dabei gegenüberden äuBeren Wicklungen über Kreuz angeschlossen; ihre Windungszahl ist das 1 -fache derjenigen der äußeren Wicklungen, so daß im Mittel-#3 schenkel der #3-fache Fluß der Außenschenkel vorhanden ist.
• Die Sekundärwicklungen 12, 22, 32 gleicher Windungszahlen sind in Reihe geschaltet und mit einem Einphasennetz U, V verbunden.
• Die mittlere Wicklung 22 ist dabei ebenfalls gegenüber den äußeren Wicklungen umgepolt.
• Unter Berücksichtigung nur der Grundschwingung und der Oberschwingungen der Ordnungszahl 12 i + 1 könnte der Transformator als 3-Schenkel-Transformator aufgebaut werden. Dann könnten aber die in den Einzelspa:inungen enthaltenen Frequenzen der Ordnungszahlen 5, 7, 17, 19 usw., das sind diejenigen, die in der Summenspannung ausfallen, keinen Kraftfluß im Transformatorkern treiben, da für diese Frequenzen die Gleichung der Zeiger u2 + c2 = - b2 lautet; im Gegensatz zur Grundschwingung, für die a1 + b1 = + b1 gilt.
• Die Folge wäre ein Streufluß und ein hoher Magnetisierungsstrom mit diesen Frequenzen in den Teil-Wechselrichtern. Um dies zu vermeiden, muß der Transformator mit fünf Schenkeln ausgeführt werden. Die äußeren Schenkel 7, 8 müssen jedoch nur einen geringen Bruchteil des Querschnittes der inneren Schenkel aufweisen, da die Oberschwingungen des Flusses mit dem Quadrat der Ordnungszahl zurückgehen. Beispielsweise hat die 5. Harmonische im Fluß nur 4 % der Grund-Amplitude. Insgesamt ist noch immer eine beträchtliche Verbilligung gegenüber einer Ausführung mit drei Einzel-Transformatoren zu erwarten.

Claims (3)

Patentansprüche

1. Wechselrichter-Transformator mit primärseitigem Anschluß an drei Teil-Wechselrichter, die drei um je 300 phasenversetzte betragsgleiche Ausgangsspannungen abgeben und sekundärseitigem Anschluß an ein Einphasen-Wechselstromnetz, gekennzeichnet durch drei bewickelte Schenkel, wobei der Querschnitt des Mittel schenkels das 13:-fache des Querschnitts der beiden anderen Schenkel und die Windungszahl der Primärwicklung des Mittel-1 schenkels das #3-fache der Windungszahlen der Primärwicklungen der äußeren Schenkel beträgt und die drei Sekundärwicklungen gleicher Windungszahl in Reihe geschaltet sind.

2. Wechselrichter-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklung des Mittelschenkels gegenüber den Wicklungen der beiden anderen Schenkel mit umgekehrter Polarität angeschlossen sind.

3. Wechselrichter-Transformator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch zwei zusätzliche, unbewickelte Außenschenkel, deren Querschnitt nur ein Bruchteil des Querschnitts der bewickelten Schenkel beträgt.

L e e r s e i t e