DE2557395A1

DE2557395A1 - DEVICE FOR GENERATING AND REGULATING REACTIVE POWER FROM RECTIFIER-SUPPLIED DC CONSUMERS

Info

Publication number: DE2557395A1
Application number: DE19752557395
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Gleissner; Edmund Dipl Ing Heimes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1975-12-19
Publication date: 1977-06-30
Also published as: DE2557395B2; AT351642B; ATA853376A; CH613314A5; SE7613664L; JPS5278053A

Abstract

In installations having high-power DC loads which are supplied via converters, for example DC drives in rolling mills, high reactive powers occur which cause an additional stress on the supplying three-phase network. Until now, static reactive converters (B) have been used in conjunction with capacitors (K), for example, in order to compensate for the reactive power. On the basis of this, it is proposed to use the converters (A, B; E, F), which are used for DC loads (M) anyway, to improve the reactive power consumption from the network. For this purpose, the required value of the converter which is operating as a reactive power converter (B), or the circulating current in converter circuits (E, F) in which there is a circulating current is controlled in such a manner that the primary of the transformer (T1; T2) which supplies the converters (A, B; E, F) absorbs an essentially constant reactive power. <IMAGE>

Description

Einrichtung zur Erzeugung und Regelung der Blindleistung vonDevice for generating and regulating the reactive power of

stromrichtergespeisten Gleichstromverbrauchern Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit leistungselektronischen Komponenten zur Erzeugung und Regelung der Blindleistung eines oder mehrerer an ein Netz über Stromrichter angeschlossener Gleichstromverbraucher, insbesondere eines oder mehrerer über Thyristorschaltungen gespeister Antriebe.Converter-fed direct current consumers The invention relates to a device with power electronic components for generation and control the reactive power of one or more connected to a network via converters DC consumers, in particular one or more via thyristor circuits powered drives.

In der Antriebstechnik werden heute überwiegend thyristorgespeiste Gleichstromantriebe verwendet. Insbesondere bei großen Antrieben, wie z.B. für Walzwerke, sind hiermit hohe Blindlaststöße verbunden. Dies gilt vor allem bei niedrig ausgesteuerter Spannung des Stromrichters.In drive technology today, thyristors are predominantly fed DC drives used. Especially with large drives, e.g. for rolling mills, are associated with high reactive load surges. This is especially true for low level Converter voltage.

Hohe Blindlaststöße bedingen einerseits je nach Kurzschlußleistung des Speisenetzes Spannungsschwankungen, die für andere Verbraucher unter Umständen störend sind, außerdem bedeutet die Blindleistung eine zusätzliche Beanspruchung fur das Speisenetz und dessen Unterverteilungen.On the one hand, high reactive load surges cause depending on the short-circuit power of the supply network voltage fluctuations that may affect other consumers are bothersome, and the reactive power means additional stress for the supply network and its sub-distributions.

Zur Kompensation der auftretenden Blindlaststöße sind eine Reihe verschiedener Maßnahmen bekannt, wie z.B. die schnellerregte, geregelte Synchronmaschine oder auch statische Lösungen, wie z.B. eine geregelte Thyristoranlage in Verbindung mit Kondensatoren bzw. Siebkreisen.There are a number of different options to compensate for the reactive load surges that occur Measures known, such as the faster-excited, regulated synchronous machine or also static solutions, such as a regulated thyristor system in connection with Capacitors or filter circuits.

Während bei der Kompensation durch eine Blindleistungsmaschine die Blindlaststöße (induktiv) von der Maschine abgefangen werden, wird von einer geregelten Thyristoranlage zusätzliche Blindleistung verbraucht, so daß die Gesamtblindleistung konstant bleibt. Die konstante (induktive) Blindleistung wird dann mit den vorher erwähnten Filterkreisen soweit kompensiert, daß ein Leistungsfaktor von etwa 0,9 - 0,95 erreicht wird.While with the compensation by a reactive power machine the Reactive load surges (inductive) are absorbed by the machine, is controlled by a Thyristor system additional reactive power consumed so that the Total reactive power remains constant. The constant (inductive) reactive power becomes then compensated with the aforementioned filter circuits to the extent that a power factor of about 0.9-0.95 is achieved.

Die Investitionskosten für solche Komgensationseinrichtungen sind erheblich, ganz gleich, ob man sich für eine Kompensation mittels Synchronmaschine oder statischer Einrichtungen entscheidet.The investment costs for such Komgensationseinrichtungen are considerably, regardless of whether you opt for compensation using a synchronous machine or static facilities.

Gleichstromantriebe großer Leistung werden im allgemeinen in symmetrischer oder unsymmetrischer Kreuzschaltung ausgeführt.DC drives of high power are generally symmetrical or asymmetrical cross connection.

Aus dynamischen Gründen wird häufig ein sogenannter Kreisstrom vorgegeben, damit ein stetiger Übergang vom negativen zum positiven Strom und umgekehrt im Lastkreis erreicht werden kann.For dynamic reasons, a so-called circular current is often specified, thus a steady transition from negative to positive current and vice versa in the load circuit can be reached.

Dieser Kreisstrom bedeutet zusätzliche induktive Blindleistung.This circulating current means additional inductive reactive power.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Kompensation der Blindleistung zu verringern. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die die Antriebe speisenden Thyristorschaltungen derart steuerbar oder regelbar sind, daß die aus dem Netz bezogene Blindleistung konstant ist oder nach einer vorgegebenen, von der Belastung des oder der Verbraucher abhängigen Funktion verläuft. Vorteilhafterweise ist die Steuergröße aus dem im Netz auftretenden Blindstrom oder aus der Belastung und der Spannung am Antrieb abgeleitet. In Thyristorschaltungen mit Kreisstrom ist der Sollwert des Kreisstromes die Steuergröße.The invention is based on the problem of the cost of compensation to reduce the reactive power. According to the invention this object is achieved solved that the thyristor circuits feeding the drives so controllable or can be regulated so that the reactive power drawn from the network is constant or after a predetermined function that is dependent on the load on the consumer or consumers runs. The control variable is advantageously derived from the reactive current occurring in the network or derived from the load and the voltage on the drive. In thyristor circuits with circulating current, the nominal value of the circulating current is the control variable.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.

In den Fig. 1 und 2 speist jeweils der Stromrichter A den Motor M, während der Stromrichter B im Kurzschluß fährt und über seine Stromregelung R abhängig von der Blindstromaufnahme des Transformators T 1, gemessen auf der Primärseite, eine unterschiedliche Blindleistung erzeugt, so daß die Summe der Blindleistung der beiden Stromrichter konstant gehalten wird.In FIGS. 1 and 2, the converter A feeds the motor M, while the converter B is short-circuited and dependent on its current control R. from the reactive current consumption of the transformer T 1, measured on the primary side, one different reactive power generated so that the sum of the Reactive power of the two converters is kept constant.

Der Blindleistungsstromrichter B kann dabei auf beiden Brückenseiten mit Thyristoren oder auf einer Brückenseite mit Dioden als halbgesteuerte Brücke ausgeführt werden.Bei der Lösung nach Fig. 2 sind Drossel D 2 und Schnellschalter S2 des Hauptkreises zum gleichstromseitigen Schutz des Blindleistungsstromrichters mit verwendet. Mit dem Bezugszeichen K ist eine Anordnung zur Erzeugung einer konstanten kapazitiven Blindleistung angedeutet.The reactive power converter B can be on both sides of the bridge with thyristors or on one side of the bridge with diodes as a half-controlled bridge In the solution according to Fig. 2, throttle D 2 and quick switch S2 of the main circuit for protection of the reactive power converter on the DC side used with. With the reference symbol K is an arrangement for generating a constant capacitive reactive power indicated.

Diese Lösung ergibt Einsparungen auf der Gleichstromseite und insbesondere auf der Hochspannungsseite, da der Hochspannungsschalter S 1 sowohl den Antrieb als auch die Blindleistungskompensation schaltet.This solution results in savings on the DC side and in particular on the high-voltage side, since the high-voltage switch S 1 is both the drive as well as the reactive power compensation switches.

Die in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung betriebenen Stromrichter A und C (Fig. 3) dienen der Speisung des Antriebes M in beiden Stromrichtungen. Der Blindleistungsstromrichter B hält die primärseitige Blindleistung des Transformators T 1 konstant.The power converters operated in counter-parallel connection without circulating current A and C (Fig. 3) are used to feed the drive M in both directions of current. The reactive power converter B maintains the primary-side reactive power of the transformer T 1 constant.

Hier kann eine Kombination mit den Schutzgliedern nach Pig. 2 mit Rücksicht auf mögliche Kreisstromwege nicht ausgeführt werden.A combination with the protective members according to Pig. 2 with Consideration of possible circulating current paths are not carried out.

Im Stromkreis des Blindleistungsstromrichters B ist zusätzlich ein Schutzschalter S 7 angeordnet.In the circuit of the reactive power converter B there is also a Circuit breaker S 7 arranged.

Fig. 4 zeigt eine symmetrische oder unsymmetrische greuzschaltung.Fig. 4 shows a balanced or unbalanced gray circuit.

Die Ströme der Gruppen E und F dienen sowohl der Speisung des Antriebes M in beiden Stromrichtungen als auch der Blindleistungserzeugung. Die Erzeugung der Blindleistung geschieht hier durch den Kreisstrom, der abhängig von dem primärseitigen Blindstrom des Transformators T 2 so eingestellt und geregelt wird, daß das gewünschte Resultat erreicht wird. Die Blindleistung kann dabei auf dem Wege über einen höheren Gesamtstrom oder eine höhere Gesamtspannung erzeugt werden. Der Kreisstrom kann aber auch lediglich zur Kompensation der Blindleistung anderer Verbraucher bei Schwachlastbetrieb des Antriebs M herangezogen werden.The currents of groups E and F both serve to supply the drive M in both current directions as well as reactive power generation. The production the reactive power happens here through the circulating current, which depends on the primary side Reactive current of the transformer T 2 is set and regulated so that the desired Result is achieved. The reactive power can thereby on the way over a higher Total current or a higher total voltage can be generated. The circulating current can but also only to compensate for the reactive power of other consumers during low-load operation of the drive M can be used.

Auch bei einer symmetrischen oder unsymmetrischen Gegenparallelschaltung nach Fig. 5 ist wie bei der Kreuzschaltung nach Fig. 4 eine Regelung der Blindleistungsaufnahme des Transformators T1 über den Kreisstrom IK möglich. Die Kreisstromregelung bedingt jedoch höheren Aufwand,da der Kreisstrom auf drei verschiedenen Wegen fließen kann. Die generelle Arbeits- und Wirkungsweise ist wie zu Fig. 4 beschrieben.Even with a symmetrical or asymmetrical counter-parallel connection after As in the case of the cross connection according to FIG. 4, FIG. 5 is a control of the reactive power consumption of the transformer T1 via the circulating current IK. Circulating current regulation is conditional however, more effort, since the circulating current can flow in three different ways. The general mode of operation and operation is as described for FIG. 4.

Fig. 6 zeigt den typischen Verlauf der Blindleistung iB in Abhängigkeit von der Zeit t an einem Gerüst einer Kaltbandtandemstraße bei Betrieb bis etwa zur Grunddrehzahl. Bis zum Einfädeln des Bandes im Zeitpunkt t1 wird der Antrieb des Gerüstes im Leerlauf gefahren. Vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 wird der Antrieb beschleunigt und anschließend wird bis zum Zeitpunkt t4, in dem die Verzögerung beginnt, mit konstanter Geschwindigkeit gewalzt. Im Zeitpunkt t5 ist die Verzögerung beendet und im Zeitpunkt t6 wird das Band ausgefädelt.6 shows the typical profile of the reactive power iB as a function from time t on a stand of a cold strip tandem mill during operation to approximately Base speed. Until the tape is threaded in at time t1, the drive of the The scaffolding is idling. From time t2 to time t3, the drive is accelerated and then until time t4, in which the deceleration starts rolling at constant speed. The delay is at time t5 ended and at time t6 the tape is unthreaded.

Bei einer statischen Kompensationsanlage müssen die "Blindleistungstäler" (schraffiert) ausgefüllt werden. Ein erheblicher Anteil dieser Blindleistungstäler kann durch eine Blindstromregelung des Antriebes selbst über den Kreisstrom ausgefüllt werden (doppelt schraffiert). Dies gilt insbesondere bei Leerlauf des Antriebes, also in diesem Fall vor dem Einfädeln des Bandes mit sehr niedriger Drehzahl, beim Ausfädeln und gegebenenfalls auch bei Schwachlast. Jeder Antrieb wird nun für sich so geregelt, daß er in Abhängigkeit von seinem Laststrom und von der Aussteuerung der Stromrichter soviel Blindleistung erzeugt, daß die Blindlastschwankungen des Antriebes zu einem Minimum werden. Die rechnerische Betrachtung soll im nachfolgenden an Hand von Fig. 7 und der schematischen Darstellung in Fig. 8, die der Fig. 4 entspricht, erläutert werden.In the case of a static compensation system, the "reactive power valleys" (hatched) must be filled out. A significant proportion of these reactive power valleys can be filled by a reactive current control of the drive itself via the circulating current are (double hatched). This applies in particular when the drive is idling, So in this case before threading the tape at a very low speed when Unthread and, if necessary, also with low load. Each drive is now for itself regulated so that it depends on its load current and the modulation the converter generates so much reactive power that the reactive load fluctuations of the Drive to a minimum. The arithmetic consideration should be given in the following with reference to FIG. 7 and the schematic representation in FIG. 8, which corresponds to FIG. 4, explained.

Aus Fig, 7 folgt: ibo = iM sinC + 2ik ( sinOC (1) Es bedeutet: ibo = gesamter Blindstrom iM = Gleichstrom des Antriebes likil 1ik21 = ik = Kreisstrom Die ausgesteuerte Spannung des Stromrichters beträgt: U = Udi . cosα (2) darin ist U = ausgesteuerter Mittelwert der Gleichspannung Udi = ideelle Leerlaufgleichspannung Die Gleichungen (13 und (2) gelten für idealisierte Verhältnisse, d.h. ohne Berücksichtigung der Verluste bzw. Spannungsabfälle im Stromrichter und ohne Berücksichtigung der Überlappungswinkel bei der Kommutierung.From Fig. 7 it follows: ibo = iM sinC + 2ik (sinOC (1) It means: ibo = total reactive current iM = direct current of the drive likil 1ik21 = ik = circulating current The output voltage of the converter is: U = Udi. cosα (2) therein is U = controlled mean value of the direct voltage Udi = ideal no-load direct voltage The equations (13 and (2)) apply to idealized conditions, i.e. without taking them into account the losses or voltage drops in the converter and without taking into account the Overlap angle during commutation.

Aus Gleichung (1) gewinnt man durch Umformung ik = 0,5 ibo - 0,5 iM (ia) sinoC aus Gleichung (2) mit: cos2oC= 1 - sin2OC U² - U² . (1 - sin²α) (2a) di oder: Setzt man (2b) in (la) ein, so erhält man: Geht man davon aus, daß beispielsweise ibo der Betrag des zulässigen Stromes der Thyristoranlage ist, der Motorstrom iM = 0 und die ausgesteuerte Spannung u = 0, also Stillstand des Antriebes, so erhält man für den Kreisstrom ik: ik - 0,5 . i (3a) d.h. 50 % Kreisstrom Rechnet man mit leerlaufendem Antrieb und max. Ankerspannung u, so ist das Verhältnis U/Udi im allgemeinen wegen Regelreserve, Berücksichtigung der Spannungabfälle der Maschine sowie im Hinblick auf die Sicherheit gegen Wechselrichterkippen etwa 0,7.From equation (1) one obtains by transforming ik = 0.5 ibo - 0.5 iM (ia) sinoC from equation (2) with: cos2oC = 1 - sin2OC U² - U². (1 - sin²α) (2a) di or: Inserting (2b) into (la) one obtains: Assuming, for example, that ibo is the amount of the permissible current of the thyristor system, the motor current iM = 0 and the controlled voltage u = 0, i.e. standstill of the drive, then for the circulating current ik: ik - 0.5. i (3a) ie 50% circulating current If one calculates with an idling drive and max. armature voltage u, the ratio U / Udi is generally around 0.7 due to control reserve, consideration of the voltage drops of the machine and with regard to the security against inverter breakdown.

Damit ergibt sich für: und für den erforderlichen Kreis strom ik ¢= 0s72 * ibo (3b) d.h. rund 70 % Kreisstrom.This results in: and for the required circulating current ik ¢ = 0s72 * ibo (3b) ie around 70% circulating current.

In der Praxis würden solch große Kreis ströme eine Überdimensionierung der Thyristoranlage des Antriebes bedeuten, daher wird man sich damit begnügen, einen kleineren "Sollwert" für den Grundblindstrom ibo vorzugeben.In practice, such large circular currents would be oversized the thyristor system of the drive, so you will be satisfied with a smaller "setpoint" to be specified for the basic reactive current ibo.

Bei einem Wert von beispielsweise ibo = 0,5-fachem zulässigem Strom der Thyristoranlage wären die entsprechenden Kreisströme gemäß 3a), 3b) demnach 25 fo bzw. 35 fo Kreisstrom. Solche Werte sind durchaus realistisch, wenn man weiterhin davon ausgeht, daß beispielsweise bei einer Kaltbandtandemstraße niemals alle Antriebe gleichzeitig mit Vollast betrieben werden. Das bedeutet, um bei diesem Beispiel zu bleiben, daß bis zu einer Last von 65 % der installierten Thyristorspeiseleistung ein konstanter Blindstromanteil von rd. 50 % der installierten Thyristorleistung gefahren werden kann.At a value of, for example, ibo = 0.5 times the permissible current the thyristor system would be the corresponding circulating currents according to 3a), 3b) accordingly 25 fo or 35 fo circulating current. Such values are quite realistic if one continues assumes that, for example, never all drives in a cold strip tandem mill can be operated at full load at the same time. That means around in this example to stay that up to a load of 65% of the installed thyristor power supply a constant reactive current component of around 50% of the installed thyristor power can be driven.

Pig. 9 zeigt eine Rechenschaltung zur Auswertung der Gleichung (3).Pig. 9 shows a computing circuit for evaluating equation (3).

Das in einem Multiplizierer 10 gebildete Quadrat des Verhältnisses der ausgesteuerten Spannung U zu der ideellen Leerlaufspannung Udi der Thyristoranlage wird in einem Summierungspunkt 11 von dem Wert 1 abgezogen und das Ergebnis über einen Verstärker 12 einem Wurzelbildner 13 zugeführt. Der Ausgang des Wurzelbildners 17 ist mit einem weiteren Multiplizierer 14 verbunden, der im Rückführkanal eines Operationsverstärkers 15 liegt. Am Eingang des Verstärkers 15 steht ferner der Sollwert ibo für den Blindstrom an. Im Summierungspunkt 16 wird eine der Hälfte des Motorstromes entsprechende, an einem Potentiometer 17 abgegriffene Größe 0,5 iM vom Ausgangssignal des Verstärkers 15 abgezogen und das Ergebnis einem weiteren Operationsverstärker 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal der Kreisstromsollwert ist, der in Abhängigkeit vom Motorstrom und entsprechend den im Hinblick auf die Bemessung der Thyristoranlage zulässigen Strömen iO1 und i02 für die Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung begrenzt ist. Die Begrenzungseinrichtung umfaßt zwei Dioden 20 je Richtung und zusätzlich für die Vorwärtsrichtung einen Verstärker 19, dem als Eingangssignal die Differenz aus dem Motorstrom und der Begrenzungsgröße i01 zugeführt ist.The square of the ratio formed in a multiplier 10 the controlled voltage U to the ideal open circuit voltage Udi of the thyristor system is subtracted from the value 1 at a summation point 11 and the result is over an amplifier 12 is fed to a root generator 13. The exit of the root builder 17 is connected to a further multiplier 14, which is in the return channel of a Operational amplifier 15 is located. The setpoint is also at the input of the amplifier 15 ibo for the reactive current. At summing point 16, one of half of the motor current becomes corresponding, on a potentiometer 17 tapped size 0.5 iM of the output signal of the amplifier 15 is deducted and the result to another operational amplifier 18 supplied, the output signal of which is the circulating current setpoint, which is dependent on on the motor current and accordingly with regard to the dimensioning of the thyristor system permissible currents iO1 and i02 for the forward and reverse direction are limited is. The limiting device comprises two diodes 20 in each direction and in addition for the forward direction an amplifier 19, to which the difference as an input signal is supplied from the motor current and the limitation variable i01.

Die Thyristoranlage für den Antrieb wird also insoweit zum zusätzlichen Blindleistungsverbrauch herangezogen, wie es die Bemessung der Anlage zuläßt.The thyristor system for the drive thus becomes an additional one Reactive power consumption used, as allowed by the dimensioning of the system.

7 Patentansprüche 9 Figuren7 claims 9 figures

Claims

Claims l.) Device with power electronic components ~ to generate and control the reactive power of one or more to a network Converter connected direct current consumers, in particular one or more Drives fed via thyristor circuits, characterized in that the Drives feeding thyristor circuits can be controlled or regulated in such a way that the reactive power drawn from the grid is constant or according to a specified, The function depends on the load on the consumer or consumers.

2. Device according to claim 1, characterized in that the control variable from the reactive current occurring in the network or from the load and voltage is derived from the drive.

3. Device according to claim 1, characterized in that the control variable in thyristor circuits with circulating current is the nominal value of the circulating current.

4. Device according to claim 3, characterized in that a computing circuit is provided for determining the circulating current setpoint, which calculates the setpoint ik as a function of the dimensioning of the thyristor system and the motor current according to the formula where ibo is the total reactive current, U is the mean value of the direct voltage, Udi is the ideal running direct voltage and iX is the motor current.

5. Device according to claim 1, characterized in that in Thyristor circuits with only one current direction or in thyristor circuits with two current directions with or without circulating current an additional converter circuit is used, whose current setpoint is the control variable.

6. Device according to claim 5, characterized in that in thyristor circuits with a current direction throttle and overcurrent switch in one of the circuit of the Drive and the circuit of the additional converter circuit common Current path are arranged.

7. Device according to claim 5, characterized in that the converter circuit including the additional converter circuit on a common transformer are connected.