DE2708305B2

DE2708305B2 - Symmetrierungseinrichtung für ein von einem unsymmetrischen Verbraucher belastetes Drehspannungsnetz

Info

Publication number: DE2708305B2
Application number: DE2708305A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Schmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1980-02-14
Also published as: CH622388A5; SE7801469L; GB1576561A; DE2708305A1; JPS53106431A; US4177508A; DE2708305C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Symmetrierungseinrichtung für ein von einem unsymmetrischen Verbraucher belastetes Drehspannungsnetz mit in vertauschter Phasenfolge an das Drehspannungsnetz angeschlossenem selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet, zwangsweise löschbar und so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, die in ihrer Phasenlage zur Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage und deren Amplitude in Abhängigkeit von der Amplitude des zur Symmetrierung erforderlichen Strom-Gegensystems geführt ist, und mn einer den Stromrichter speisenden Gleichstromquelle. Eine solche Einrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 47 819 bekannt.

Um Rückwirkungen auf das Drehspannungsnetz durch einen unsymmetrischen Verbraucher, z. B. einen Lichtbogen-Schmelzofen, zu vermeiden oder gering zu halten, muß die Blindleistung des Verbrauchers

kompensiert und die unsymmetrische Verteilung der Wirklast auf die einzelnen Netzphasen Symmetrien werden. Da sieb Blindleistung und Unsymmetrie des Verbrauchers fast sprungartig ändern können, müssen zur Kompensation und zur Symmetrierung Einrichtiingen verwendet werden, die Stellzeiun im Bereich von Millisekunden besitzen, die also Blindleistungs- und Unsymmetrieänderungen sehr schnell ausregeln können.

Das von einem unsymmetrischen dreiphasigen Verbraucher in einem Drehspannungsnetz hervorgerufene Stromsystem läßt sich bekanntlich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Wird ein entsprechendes Strom-Mitsystem in das Drehspannungsnetz eingespeist, so läßt sich die durch den Verbraucher bedingte Blindleistung kompensieren; durch Einspeisung eines entsprechenden Strom-Gegensystems läßt sich dagegen die Unsymmetrieleistung kompensieren. Auf dieser Tatsache beruht die aus der DE-OS 22 47 819 bekannte Einrichtung zur Symmetrierung und Blindleistungskompensation eines Verbrauchers.

Bei der aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 47 819 bekannten Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers ist ein selbstgeführter Stromrichter über einen Transformator mit vertauschter Phasenfolge an ein Drehspann ingsnetz angeschlossen. Der Stromrichter wird über eine Glättungsdrossel von einem netzgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist. Netzgeführter und selbstgeführter Stromrichter werden mit Netzfrequenz getaktet. Daher kann für den netzgeführten und für den selbstgeführten Stromrichter eine gemeinsame Meßeinrichtung für das erforderliche Strom-Gegensystem vorgesehen sein. Mit dieser Meßeinrichtung läßt sich über die Steuerung des netzgeführten Stromrichters die Höhe (der Betrag) und über die Steuerung des selbstgeführten Stromrichters die Phasenfolge des symmetrierenden Strom-Gegensystems beeinflussen.

Soll bei dieser bekannten Einrichtung der Betrag des Strom-Gegensystems verändert werden, so muß über die Steuerimpulse des netzgeführten Stromrichters dessen Ausgangsstrom verändert werden. Die Glättungsdrossel im Zwischenkreis zwischen den beiden Stromrichtern setzt jedoch wegen ihrer beträchtlichen Induktivität einer schnellen Stromänderung einen ansehnlichen induktiven Widerstand entgegen, so daß eine Änderung des Ausgangsstroms bei vorgegebener Bauleistung des netzgeführten Stromrichters nur relativ langsam erzielt werden kann. Soll dagegen die bekannte Einrichtung auch für die Bewältigung schneller Änderungen der Unsymmetrieleistung geeignet sein, so muß der netzgeführte Stromrichter für große Spannungen und gleichzeitig auch für große Ströme bemessen sein, d. h. die hierfür aufgewendete Bauleistung ist sehr groß. Die vom netzgeführten Stromrichter aufgenommene Blindleistung ist in diesem Fall beträchtlich.

In der älteren deutschen Patentanmeldung DE-AS 26 43 048 ist eine Symmetrierungseinrichtung für ein von einem unsymmetrischen Verbraucher belastetes Drehstromnetz mit in vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossenem selbstgeführtem, aus einer Gleichstromquelle gespeisten Stromrichter, dessen Hauptventile in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet, zwangsweise löschbar und so gesteuert sind,

Haß £in ^MCCTancTcctrrirn rnit nfiyirf^nwt^ntt^r QrHnH-

schwingung erzeugt wird, die in ihrer Phasenlage zur Netzwechselspannung abhängig von der Phasenlage bzw. deren Amplitude abhängig von der Amplitude des zur Symmetrierung erforderlichen Strom-GegensysteLTis geführt ist, unter Schutz gestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der von der Gleichstromquelle eingespeiste Gleichstrom als konstanter Gleichstrom gehalten und nach der maxima! zu synimetrierenden Unsymmetrieleistung bemessen ist und daß die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters durch einen parallel zu dem Ventilen des selbstgeführten Stromrichters liegenden Gleichstromsteller miteinander verbunden sind, der mit einer Taktfrequenz gesteuert ist, die in ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz der Netzwechselspannung ist. Bei der dort vorgeschlagenen Symmetrierungseinrichtung wird also von der Einspeisung eines konstanten Gleichstroms in den selbstgeführten Stromrichter Gebrauch gemacht. Darüber hinaus ist dort ein Gleichstromsteller zwingend vorgeschrieben. Ein solcher Gleichstromsteller wird bei der vorliegenden Erfindung nicht verlangt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Symmetrierungseinrichtung so auszugestalten, daß ebenfalls große Stellgeschwindigkeiten beim Ausgleich von Unsymmetrieänderungen erzielt werden können, daß aber die in den selbstgeführten Stromrichter einspeisende Gleichstromquelle einen wesentlich geringeren Aufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der von der Gleichstromquelle eingespeiste Gleichstrom als konstanter Gleichstrom gehalten und nach der maximal zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung bemessen ist, und daß der selbstgeführte Stromrichter durch Zünden und Löschen seiner Ventile sowohl in Abhängigkeit von der Phasenlage als auch in Abhängigkeit von der Amplitude des erforderlichen Strom-Gegensystems gesteuert ist, wobei eine Änderung der Amplitude der Grundschwingung des Augangsstroms des selbstgeführten Stromrichters durch Pulsbreitensteuerung in einem dem Steuersatz dieses selbstgeführten Stromrichters vorgegebenen Pulsprogramm und eine Änderung der Phasenlage der Grundschwingung des Ausgangsstromes durch Verschieben des gesamten Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung durchgeführt wird.

Bei dieser Einrichtung bleibt bei der Steuerung der in den Gleichstromeingang des selbstgeführten Stromrichters eingespeiste Gleichstrom unverändert. Durch Veränderung der Einschaltdauer des selbstgeführten Stromrichters (verändertes »Pulsen« des Ausgangsstroms) wird die Amplitude der Grundschwingung des Ausgangsstroms des selbstgeführten Stromrichters und damit die in das Wechselspannungsnetz eingespeiste, zur Symmetrierung verwendete Unsymmetrieleistung beeinflußt. Außerdem wird durch Verschiebung der zeitlichen Lage des gesamten Pulsprogramms für das Zünden und Löschen der steuerbaren Ventile des selbstgeführten Stromrichters die Phasenlage des Ausgangsstroms hinsichtlich der Netzwechselspannung verändert. Die Phasenlage kann — sofern die Kommutierungsschaltung des selbstgeführten Stromrichters entsprechend ausgelegt ist — je nach Bedarf praktisch jeden beliebigen Winkel im Bereich von 0° bis 360° el annehmen. Die erreichte Verschiebung muß dabei identisch mit der gewünschten Phasenlage sein.

Es kann also "esa"·, werden, daß übiT Pulsbreiten-

steuerung in dem vorgegebenen Pulsprogramm des selbstgeführten Stromrichters die Amplitude und durch zeitliches Verschieben dieses Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung die Phasenlage des eingespeisten symmetrierenden Strom-Gegensystems eingestellt wird. Die gewünschte Phasenlage und Amplitude des eingespeisten Strom-Gegensystems werden hier somit durch die Steuerung ein und desselben Stromrichters erreicht. Dies resultiert in einer hohen Stellgeschwindigkeit.

Nach einer grundsätzlichen Ausführungsform kann das Pulsprogramm so beschaffen sein, daß der Ausgangsstrom pro Periode der Netzwechselspannung in symmetrischer Anordnung aus mindestens 2k= 2 nebeneinander liegenden positiven und mindestens 2k=2 nebeneinander liegenden negativen Teilstrombalken mit jeweils steuerbarer Gesamtbreite besteht. Bei großem Wert der Zahl k kann man die Anzahl der auftretenden Oberschwingungen gering halten. Bei einem sechspulsigen selbstgeführten Stromrichter kann dann so vorgegangen werden, daß bei Ar= 1 die positiven und die negativen Teilstrombalken jeweils symmetrisch in zwei im Abstand einer halben Periode liegenden Zeitpunkten gelegen sind, daß ihre Breite gleich bemessen ist, und daß jeweils ihre durch Addition gewonnene Gesamtbreite maximal bis zu einer Drittelperiode steuerbar ist. Die Steuerung kann hierbei so vorgenommen werden, daß beidseitig symmetrisch zu äquidistanten Zeitpunkten jeweils wenigstens ein Ventil des Stromrichters stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer der einzelnen Ventile des Stromrichters in Abhängigkeit von der Höhe der zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung geführt ist und wobei die äquidistanten Zeitpunkte bezüglich der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage des zur Symmetrierung benötigten Strom-Gegensystems einstellbar ist.

Bei dreiphasiger Ausbildung können hierbei pro Periode der Netzwechselspannung insgesamt zwei Ventil-Einschaltzeiten unterschiedlicher Dauer vorgesehen sein. Zur Reduktion von Oberschwingungen im Ausgangsstrom des selbstgeführten Stromrichters könnte die Anzahl der Einschaltzeiten prinzipiell auch ein Mehrfaches sein, doch steigen mit wachsender Anzahl die Schaltverluste des selbstgeführten Stromrichters.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen, der wechselspannungsseitig an das Drehspannungsnetz und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters angeschlossen und der auf konstantem Ausgangsstrom geregelt ist Der netzgeführte Stromrichter kann hierbei insbesondere steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung umfassen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die vorteilhafterweise mit einem besonders geringen Aufwand an Bauelementen auskommt und überhaupt keine Blindleistung aufnimmt, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle eine Drosselspule vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter aus dem Drehspannungsnetz gespeist ist, und daß die Phasenlage der Ausgangsströme des selbstgeführten Stromrichters bezüglich der Netzwechselspannung gering abweichend von dem Wert, der durch das zur Symmetrierung erforderliche Strorn-Gegensystem vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule der konstante Gleichstrom einstellt. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß es letztlich gleichgültig ist, auf welche Weise am Eingang des selbstgeführten Stromrichters der konstante Gleichstrom erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung wird also der selbstgeführte Stromrichter gleichfalls auch zur Erzeugung des Gleichstroms herangezogen. Hierbei ist allerdings ein geringer, dem ohmschen Widerstand der Drosselspule entsprechender Wirkleistungsverbrauch

ίο des selbstgeführten Stromrichters zu verzeichnen.

Zwischen dem selbstgeführten Stromrichter und dem Drehspannungsnetz kann zur Spannungsanpassung ein Transformator angeordnet sein. Zur Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen lassen sich dabei höherpulsige Transformator- und Stromricnterschaitungen verwenden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als selbstgeführter Stromrichter ein Stromrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, bei dem sämtliche Ventile steuerbar ausgeführt sind. Hierbei kommt man mit einem geringen Aufwand aus.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung muß — im Gegensatz zur Einrichtung nach der DE-OS 22 47 819 — nicht der eingeprägte Gleichstrom selbst in Abhängigkeit von der erforderlichen Unsymmetrieleistung gesteuert werden. Mit Hilfe des selbstgeführten Stromrichters wird vielmehr, angepaßt an den Bedarf, pro Periode der Netzwechselspannung jeweils nur ein mehr oder weniger großer Bruchteil des eingeprägten und also unverändert gelassenen Gleichstroms gleichsam »ausgeblendet« und für die Kompensation der vom Verbraucher erzeugten Unsymmetrieleistung herangezogen. Dabei muß der netzgeführte Stromrichter, der bei einer der genannten Ausbildungen vorhanden ist, lediglich zur Erzeugung des eingeprägten Gleichstroms, nicht jedoch für schnelle Änderungen bemessen sein. Außerdem muß dieser netzgeführte Stromrichter zwar für hohe Ströme, jedoch nur für kleine Spannungen ausgelegt sein. Bei der Verwendung einer Drosselspule, die bei einer weiteren der genannten Ausbildungen als Gleichstromquelle vorhanden ist, entfällt der gesamte Aufwand hinsichtlich des netzgeführten Stromrichters. Weiterhin ist gegenüber der bekannten Einrichtung der Blindleistungsbedarf wesentlich reduziert Bei Verwendung der genannten Drosselspule als Gleichstromquelle ist der Blindleistungsbedarf sogar Null. Dies wird als besonders vorteilhaft angesehen.

Zur Erzeugung des Pulsprogrammes kann auf bekannte und bewährte Pulsprogrammgeber zurückgegriffen werden, die bei Pulswechselrichtern eingesetzt werden.

Unter dem Begriff »Drehspannungsnetz« wir vorliegend allgemein ein n-phasiges Netz verstanden, wobei η =3,4,..., also eine ganze Zahl größer als 2 ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von 14 Figuren näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrau chers, bei der als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen ist,

Fig.2 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers, bei der als Gleichstromquelle eine Drosseies spule vorgesehen ist,

Fig.3 eine dritte Ausffihrungsform mit einem bevorzugten selbstgeführten Stromrichter, F i g. 4 den von der Gleichstromquelle abgegebenen

Gleichstrom in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig.5 bis 10 Zeitdiagramme, die die Zündverteilung und die Stromführungsdauer der einzelnen Ventile des selbstgeführten Stromrichters veranschaulichen,

F i g. 11 bis 13 den zugehörigen zeitlichen Verlauf der drei Ausgangsströme des selbstgeführten Stromrichters und

Fig. 14 die zugehörige Zeitachse mit äquidistanter Einteilung.

Nach Fig. 1 speist ein Drehstrom-Generator 2 über ι ο ein Drehspannungsnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen unsymmetrischen Verbraucher 4 mit einer Netzwechselspannung der Netzfrequenz /„ = 1 / 7%. Als Verbraucher 4 ist hier speziell eine induktive dreiphasige Lasi vorgesehen. Das kann aber auch beispielsweise ein Lichtbogen-Schmelzofen sein, der nur zwischen zwei der Phasenleiter R, S, Tangeschlossen ist.

Die vom Verbraucher 4 aufgenommene Unsymmetrieleistung wird durch eine Einrichtung zur Symmetrierung geliefert. Diese Einrichtung ist zwischen dem Drehstrom-Generator 2 und dem Verbraucher 4 angeordnet Sie ist so aufgebaut, daß sie die auftretende Unsymmetrieleistung im Drehspannungsnetz 3 möglichf t weitgehend kompensiert, bei Unsymmetrieänderungen sehr schnell anspricht und diese ausregelt. Sie speist dazu mittels ihrer Ausgangsströme /Ί, /i, h ein Strom-Gegensystem in das Drehspannungsnetz 3 ein.

Die Einrichtung zur Symmetrierung umfaßt einen selbstgeführten Stromrichter 5 mit p=6 steuerbaren Ventilen A bis F in Drehstrom-Brückenschaltung. Die Ventile A, B und C, D und E, F sind jeweils in gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet. Sämtliche Ventile A bis F sind jeweils einzeln einschaltbar und zwangsweise löschbar. Jedes dieser Ventile A bis F kann dabei aus einem Hauptthyristor bestehen, dem die Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors parallel geschaltet ist (vergleiche DE-OS 22 47 819, Fig.2). Auch andere Kommutierungsschaltungen sind einsetzbar; hierauf wird bei F i g. 3 noch eingegangen.

Die wechselstromseitigen Ausgangsklemmen u, v, w des Stromrichters 5 sind an die Anschlußklemmen r, s, t eines zur Spannungsanpassung vorgesehenen Transformators 6 in Stern-Stern-Schaltung angeschlossen. Der Anschluß ist so vorgenommen, daß die Phasenfolge vertauscht ist Dazu ist hier speziell die Ausgangsklemme a mit der Anschlußklemme sund die Ausgangskiemme ν mit der Anschlußklemme r verbunden. Weiterhin sind die beiden Klemmen w und f miteinander verbunden. Durch diese Vertauschung der Phasenfolge ist der Stromrichter 5 in der Lage, je nach Amplitude der netzfrequenten Grundschwingungen der Ausgangsströme λ, ti, h und der zeitlichen Lage seiner Steuerimpulse ein beliebig einstellbares symmetrisches Gegen-Stromsystem mit einem zur Phasenfolge des Drehspannungs- netzes 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein in der Phasenlage zwischen 0° und 360° el einstellbares Strom-Gegensystem abzugeben, wie es zur Symmetrierung des Verbrauchers 4 gefordert wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Vertauschung ^M der Phasenfolge auch elektrisch durch geänderte Zündfolge erreichen läßt Zur Unterdrückung von bestimmten Oberschwingungen kann der Transformator 6 abweichend von der Darstellung auch in mehrpulsiger Schaltung ausgeführt sein.

An die beiden gleichstromseitigen Anschlußklemmen 7 und 8 des selbstgeführten Stromrichters 5 ist eine Gleichstromquelle 10 angeschlossen. Diese liefert einen eingeprägten, der maximal zu kompensierenden Unsymmetrieleistung entsprechenden Gleichstrom Id, der in einem Stromregelkreis konstant gehalten wird. Als Gleichstromquelle 10 ist nach F i g. 1 ein netzgeführter Stromrichter 11 mit steuerbaren Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung vorgesehen, der wechselspannungsseitig über einen Eingangstransformator 12 in Stern-Stern-Schaltung an das Drehspannungsnetz 3 und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel 13 an die Anschlußklemmen 7, 8 angeschlossen ist. Die Zündimpulse für die steuerbaren Ventile des netzgeführten Stromrichters 11 werden von einem Steuergerät 15 geliefert, das aus dem Drehspannungsnetz 3 gespeist und mit diesem synchronisiert ist. Zur Messung des Gleichstroms /„■ ist ein Strommeßglied 14 vorgesehen, das Bestandteil des (nicht näher gezeigten) Stromregelkreises ist. Zur Lieferung des eingeprägten Gleichstroms Id muß der Stromrichter 11 zwar für den vollen Gleichstrom Id dimensioniert werden, braucht aber nur für eine kleine Leistung ausgelegt zu sein.

Der selbstgeführte Stromrichter 5 wird von einer Steuereinrichtung 20 gesteuert. Dieser Steuereinrichtung 20, die eine Meßeinrichtung für das erforderliche Strom-Gegensystem und einen Pulsprogrammgeber mit Steuersatz besitzt, sind als Meßgrößen die Netzwechselspannung und der Netzwechselstrom zugeführt. Aus beiden Meßgrößen ermittelt die Steuereinrichtung 20 die benötigte Amplitude und Phasenlage für das erforderliche Strom-Gegensystem und damit für die Grundschwingung der Ausgangsströme i_u i₂, k-

Über die Steuerung der Pulsbreiten im Pulsprogramm, das vom Pulsprogrammgeber dem Steuersatz des selbstgeführten Stromrichters 5 vorgegeben ist, läßt sich die Höhe und über die Verschiebung dieses Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung läßt sich die Phasenlage des in das Drehspannungsnetz 3 eingespeisten Strom-Gegensystems einstellen. Das wird später anhand der F i g. 4 bis 14 verdeutlicht.

Die Einrichtung zur Symmetrierung nach F i g. 2 zeigt weitgehend denselben Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Es ist jedoch eine andere Gleichstromquelle 10 vorgesehen, die wesentlich einfacher aufgebaut ist. Als Gleichstromquelle 10 wird hier — in Verbindung mit dem von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerten selbstgeführten Stromrichter 5 — eine Drosselspule 23 herangezogen. Diese Drosselspule 23 verbindet die beiden Anschlußklemmen 7,8 des Stromrichters 5. Die Steuereinrichtung 22 enthält ebenfalls eine Meßeinrichtung, einen Pulsprogrammgeber und einen Steuersatz; sie ist jedoch gegenüber der Steuereinrichtung 20 geringfügig verändert Damit sich in der Drosselspule 23 ein konstanter, eingeprägter Gleichstrom I_d einstellt, wird nämlich hier die Phasenlage des Pulsprogramms für den selbstgeführten Stromrichter 5 in der Steuereinrichtung 22 noch entsprechend beeinflußt Dabei wird die Phasenlage der Ausgangsströme /Ί, h, h des selbstgeführten Stromrichters 5 bezüglich der Netzwechselspannung gegenüber dem Wert, der zur genauen Symmetrierung eigentlich erforderlich wäre und von der Steuereinrichtung 20 (nach Fig. 1) auch genau gemessen und verarbeitet wird, verstellt Die Verstellung des eingespeisten Strom-Gegensystems ist nur geringfügig und beträgt nur wenige Grad elektrisch. Die Verstellung wird vorgenommen durch einen (nicht näher gezeigten) Stromregelkreis, bei dem der Istwert des Gleichstroms /,/durch das Strommeßglied 14 erfaßt wird.

Die Einrichtung zur Symmetrierung nach F i g. 3 zeigt weitgehend denselben Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Allerdings wird hier ein selbstgeführter Stromrichter 5 in besonders günstiger Schaltung verwendet. Es handelt sich um einen selbstgeführten netzgetakteten Stromrichter 5, der mit modifizierter Phasenfolgelöschung arbeitet. Im Stande der Technik sind bereits dreiphasige Stromrichter in Brückenschaltung bekannt, die auf dem Prinzip der Phasenfolgelöschung beruhen (ETZ-A, Band 96,1975, Heft 11, Seiten 520 bis 523; Proc. IEE, Band 120, 1973, Heft 9, Seiten 969 bis 976). Bei diesen Brückenschaltungen ist in jedem Ventilzweig ein steuerbares Hauptventil mit einer Diode in Reihe geschaltet. Abweichend davon sind vorliegend die üblichen Dioden durch steuerbare Ventile, insbesondere Thyristoren, ersetzt, so daß sämtliche Ventile A 1 bis Fl steuerbar sind. Vorliegend umfaßt die dreiphasige Brückenschaltung zwei Brückenhälften, von denen jede aus drei Ventilzweigen besteht. Jeder Ventilzweig besitzt die Reihenschaltung eines ersten steuerbaren Hauptventils Ai, BX, Ci, Di, Ei, Fi mit einem zweiten steuerbaren Hauptventil A 2, B 2, C 2, D 2, E 2, F2. Jede Brückenhälfte enthält weiter drei Kommutierungskondensatoren Kac, K-ce, Κέα bzw. Kbd, K_Df, Kfb, von denen jeder Kommutierungskondensator (z. B. Kac) zwischen dem Verbindungspunkt in der einen Reihenschaltung (z. B. Ai, A 2) und dem Verbindungspunkt in der anderen Reihenschaltung (z.B. Ci, C2) angeordnet ist. Die Funktion eines solchen Stromrichters mit Phasenfolgelöschung ist in einphasiger Ausführung bereits in der älteren Anmeldung P 27 02 078.6 — VPA 77 P 3004 BRD erläutert. Der Stromrichter 5 wird über eine Drosselspule 13 mit konstantem Gleichstrom Id aus einem kleinen netzgeführten Stromrichter 11 gespeist.

Im folgenden wird anhand der Fig.4 bis 14 das Verfahren für die Steuerung der Einrichtung zur Symmetrierung nach F i g. 1 oder 3 näher erläutert. Entsprechend kann auch — mit geringfügiger Verschiebung — bei der Einrichtung nach F i g. 2 vorgegangen werden.

Aus den Fig.4 und 14 ergibt sich ein Steuerbeispiel für die Steuerung des Betrags des einzuspeisenden Strom-Gegensystems. Die einzelnen Zeitabschnitte beziehen sich dabei auf die in Fig. 14 dargestellte Zeitachse t.

Nach Fig.4 besitzt der Gleichstrom Id, der gleich dem Ausgangsstrom der Stromquelle 10 ist einen völlig waagerechten Zeitverlauf. Die einzelnen zünd- und löschbaren Ventile A bis F werden nach einem bestimmten Pulsprogramm gesteuert. Dadurch wird der Gleichstrom Id zyklisch auf alle drei Phasenausgänge des selbstgeführten Stromrichters 5 verteilt.

Aus den Fig. 5 bis 10 ist zunächst die zeitliche Verteilung der stromleitenden Zustände und die Stromführungsdauer der einzelnen Ventile A bis F des selbstgeführten Stromrichters 5 ersichtlich. Eingetragen ist der zeitliche Verlauf der Ventilströme /λ bis ip Danach erhält jedes Ventil A bis F in jeder Periode T_n=Mf_n der Netzwechselspannung zwei Zündimpulse. Jedes Ventil A bis Fist also pro Periode T_n zweimal für einige Zeit eingeschaltet Die Steuerung ist nun so vorgenommen, daß sich abwechselnd eine kürzere und eine längere Einschaltdauer ergibt Nach Ablauf der durch den Pulsprogrammgeber vorgegebenen Einschaltdauer wird das betreffende Ventil A bis F zwangsgelöscht

Aus F i g. 5 geht hervor, daß die längere der beiden Einschaltdauern symmetrisch zu einem ersten Zeitpunkt /1 und die kürzere der beiden Einschaltdauern symmetrisch zu einem zweiten Zeitpunkt / 2 liegt. Nach Fig. 14 ist die Periodendauer T_n durch äquidistante Zeitpunkte f,=0, TJb, 2 T_nIb, 3 T_nIb..., T_n mit /=0,1,2, ... unterteilt; es gilt hierbei f,— f,-_i = TJ(pk)=\/(pf_nk), wobei ρ die Pulszahl des Stromrichters 5, f„ wieder die Netzfrequenz und k eine positive ganze Zahl bedeutet. Die Pulszahl ρ ist vorliegend gleich 6 und k ist gleich 1

ίο gewählt. Der erste Zeitpunkt /1 liegt genau zwischen T_nIb und 2 T_nIb. Der zweite Zeitpunkt ti liegt um T_nIl zeitlich später und somit genau zwischen 4 T_nIb und 5 T_nIb. Die Zahl 2k gibt jeweils die gewählte Anzahl der positiven und der negativen Teilstrombalken an. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte A'= 2, 3,... gewählt sein.

Die Stromführungsprogramme der Ventile benachbarter Brückenzweige sind um T_nIl gegeneinander verschoben. Aus einem Vergleich der Ventilströme Ία und /'s von F i g. 5 und 6 wird z. B. deutlich, daß das Steuerungsprogramm der beiden Ventile A und B identisch ist, aber um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben ist. Dabei sind während einer jeden Periode T_n für eine Zeitdauer, die der kürzeren der beiden Einschaltdauern entspricht beide Ventile A und B zweimal gleichzeitig stromführend. Das gilt auch für die beiden Ventilströme /bund /Oder beiden benachbarten Ventile C und D nach F i g. 7 und 8 sowie für die beiden Ventilströme <e und /> der beiden benachbarten Ventile Eund Fnach Fig.9 und 10. Die Steuerung des Ventilpaares C, D ist gegenüber dem Ventilpaar A, B um T_nIZ zeitlich nachverschoben, und die Steuerung des anderen Ventilpaares D, F ist gegenüber dem Ventilpaar A, B um T_nIZ zeitlich vorverschoben.

Die in den F i g. 5 bis 10 dargestellte Stromverteilung der Ventile A bis F hat zur Folge, daß sich drei gegeneinander um T_nIZ phasenverschobene Ausgangsströme /Ί, /2, /j einstellen. Ihr Zeitverlauf ist in den F i g. 11 bis 13 gezeigt Pro Periode ergeben sich danach jeweils zwei benachbarte positive und zwei benachbarte negative Teilstrombalken gleicher Breite 2z. Hier tragen also insgesamt vier Teilstrombalken pro Periode zur Grundschwingung bei. Die Gesamtbalkenlänge pro Halbperiode ist gleich 4a.

Zur Amplitudensteuerung ist folgendes zu sagen:
Aus Fig. 14 geht hervor, daß beidseitig symmetrisch zu den äquidistanten Zeitpunkten f,— 0, T_nIb, 2 T_nIb ... T_n mit /=0, 1, 2, ... eine Aussteuerung a erfolgt Eine

so bestimmte Aussteuerung a entspricht dabei einem bestimmten Betrag des einzuspeisenden Strom-Gegensystems. Wird ein größerer Betrag erforderlich, so wird von der Steuereinrichtung 20 eine größere Aussteuerung a vorgegeben. Die Zünd- und Löschzeitpunkte der einzelnen Ventile A bis F werden dann in Richtung der waagerechten Pfeile von F i g. 14 verschoben.

Die Verschiebungsrichtung für das Zünden und Löschen der Ventile A und B bei vergrößerter Aussteuerung a ist durch waagerechte Pfeile auch in Fig.5 bzw. 6 kenntlich gemacht Hieraus ergibt sich, daß die kürzere und die längere Einschaltdauer gegensinnig steuerbar sind. Aus F i g. 5 und 6 ist weiter ersichtlich, daß die längere Einschaltdauer die Länge (TJp)+ 2a und daß die kürzere Einschaltdauer die Länge (T_nIp)-2a besitzt wobei vorliegend p=6 gilt Während bei einer vergrößerten Aussteuerung a die längere Einschaltdauer größer wird, nimmt die kürzere hierbei ab. Bei einer maximalen Aussteuerung a= TJi2

ist die längere Einschaltdauer Γη/3 und die kürzere Einschaltdauer O geworden. Bei einer Aussteuerung a = 0 sind jedoch beide Einschaltdauern gleich groß; sie haben dann den Wert T_nIb angenommen. Entsprechendes gilt für die Einschaltdauern in den F i g. 7 bis 10.

Aus F i g. 11 ist ersichtlich, daß bei einer vergrößerten Aussteuerung a die Flanken der einzelnen Teilstrombalken in Richtung der Pfeile verschoben werden, daß also die Gesamtbreite 2a jedes Teilstrombalkens zunimmt. Ms Maximalwert für die Aussteuerung a gilt — wie bereits erwähnt — der Wert a =7712. Die beiden Teilstrombalken sind dann zu einem Strombalken der Breite TJi verschmolzen. Das ist in F i g. 11 durch die beiden gestrichelten größeren Strombalken angedeutet. Die minimale Aussteuerung a ist durch den Wert 3 = 0 vorgegeben.

Zur Veränderung der Phasenlage des eingespeisten Strom-Geger.systems werden sämtliche Teilstrombalken der F i g. 10 bis 12 gemeinsam im gleichen Sinne um denselben Betrag je nach Anforderung zeitlich vor- oder zurückverschoben.

Aus Fig. 11 wird folgendes deutlich: Die Einspeisung eines Strom-Gegensystems mit maximal möglichem Betrag kann mit einem Pulsprogramm durchgeführt werden, das so aufgebaut ist, daß im Auügangsstrom /ι pro Periode T_n ein positiver und ein negativer Strombalken entsteht, die eine maximale Breite von 7V3 und einen gegenseitigen Abstand von TJ6 besitzen. Eine Verringerung des maximalen Betrages erfordert eine Verringerung der Stromflußdauer in jeder Halbperiode. Das wird dadurch erreicht, daß der Strombalken in jeder Halbperiode in eine gewisse Zahl 2k von Teilstrombalken aufgeteilt wird (»Strompulsen«), wobei die Breite der Teilstrombalken verringert wird. Dabei kann k eine der Zahlen 1, 2, 3, ... annehmen. Beispielsweise kann eine Aufteilung in 2Ar= 2 gleich breite und symmetrisch gelegene Teiistrombaiken vorgenommen werden. Dies ergibt sich aus Fig. 11. Abweichend davon kann aber auch eine Aufteilung in 2k=4 oder mehr Teilstrombalken erfolgen, die jeweils gleiche Breite besitzen müssen. Allerdings ist zu beachten, daß mit steigender Anzahl 2Jt von Teilstrombalken die Schaltverluste steigen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Symmetrierungseinrichtung für ein von einem unsymmetrischen Verbraucher belastetes Drehspannungsnetz mit in vertauschter Phasenfolge an das Drehspannungsnetz angeschlossenem selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet, zwangsweise löschbar und so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, die in ihrer Phasenlage zur Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage und deren Amplitude in Abhängigkeit von der Amplitude des zur Symmetrierung erforderlichen Strom-Gegensystems geführt ist, und mit einer den Stromrichter speiserden Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gleichstromquelle (10) eingespeiste Gleichstrom als konstanter Gleichstrom (id) gehalten und nach der maximal zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung bemessen ist, und daß der selbstgeführte Stromrichter (5) durch Zünden und Löschen seiner Ventile (A bis F) sowohl in Abhängigkeit von der Phasenlage als auch in Abhängigkeit von der Amplitude des erforderlichen Strom-Gegensystems gesteuert ist, wobei eine Änderung der Amplitude der Grundschwingung des Ausgangsstroms (i\, /2, /3) des selbstgeführten Stromrichters (5) durch Pulsbreitensteuerung in einem dem Steuersatz dieses selbstgeführten Stromrichters (5) vorgegebenen Pulsprogramm und eine Änderung der Phasenlage der Grundschwingung des Ausgangsstroms (i\, /2, i₃) durch Verschieben des gesamten Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung durchgeführt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsprogramm so beschaffen ist, daß der Ausgangsstrom (i\, k, h) pro Periode (T_n) der Netzwechselspannung in symmetrischer Anordnung aus mindestens 2k—2 nebeneinander liegenden positiven und mindestens 2k=2 nebeneinander liegenden negaitven Teilstrombalken mit jeweils steuerbarer Gesamtbreite (2a) besteht, wobei die positiven und die negativen Teilstrombalken jeweils gleiche Breite (la) und einen gegenseitigen Abstand von (ti—V,-\)-Tn/(pk) besitzen, worin T_n die Periode der Netzwechselspannung, ρ die Pulszahl des selbstgeführten Stromrichters (5) und k eine positive ganze Zahl ist (F i g. 11 bis 13).

3. Einrichtung nach Anspruch 2 mit einem sechspulsigen selbstgeführten Stromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß bei k=1 die positiven und die negativen Teilstrombalken jeweils symmetrisch in zwei im Abstand einer halben Periode (T„/2) liegenden Zeitpunkten (ti, ti) gelegen sind, daß ihre Breite (2a) gleich bemessen ist und daß jeweils ihre durch Addition gewonnene Gesamtbreite (4a) maximal bis zu einer Drittelperiode (T„J3) steuerbar ist (F ig. 11 bis 13).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig symmetrisch zu äquidistanten Zeitpunkten jeweils wenigstens ein Ventil (A bis F) des Stromrichters (5) stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer der einzelnen Ventile (A bis F) des Stromrichters (5) in Abhängigkeit von der Höhe der zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung

(ti) bezüglich der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage des zur Symmetrierung benötigten Strom-Gegensystems einstellbar ist (F i g. 5 bis 10).

5. Einrichtung nach Anspruch 4 für ein dreiphasiges Drehspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß pro Periode (T„)der Netzwechselspannung zwei Ventil-Einschaltzeiten unterschiedlicher Dauer vorgesehen sind (z. B. F i g. 5).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen ist, der wechselspannungsseitig an das Drehspannungsnetz und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der netzgeführte Stromrichter (11) auf konstanten Ausgangsstrom (^geregelt ist (F i g. 1).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der netzgeführte Stromrichter (11) steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung umfaßt (F i g. 1).

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle (10) eine Drosselspule (23) vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter (3) aus dem Drehspannungsnetz (3) gespeist ist, und daß die Phasenlage der Ausgangsströme (i_u h, h) des selbstgeführten Stromrichters (5) bezüglich der Netzwechselspannung gering abweichend von dem Wert, der durch das zur Symmetrierung erforderliche Strom-Gegensystem vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule (23) der konstante Gleichstrom (/^einstellt (F i g. 2).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wechselspannungsseitigen Ausgang des selbstgeführten Stromrichters (5) und dem Drehspannungsnetz (3) ein Transformator (6) angeordnet ist (F i g. 1 bis 3).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als selbstgeführter Stromrichter (5) ein Stromrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, bei dem sämtliche Ventile (A 1 bis D 2) steuerbar ausgeführt sind (Fig. 3).