DE2713073C3

DE2713073C3 - Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz

Info

Publication number: DE2713073C3
Application number: DE2713073A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Prof. Dr.-Ing. 8520 Erlangen Moeltgen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1979-09-27
Also published as: SE7803176L; DE2713073B2; CH621440A5; DE2713073A1; JPS53118747A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit Einspeisung einer symmetrischen Stromkomponente in Form eines Gegensystems mittels eines selbstgeführten Stromrichters, der über einen Drehstrom-Transformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstroirnetz angeschlossen ist und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist.

Eine solche Symmetrierungseinrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 47 819 bekannt Diese Symmetrierungseinrichtung beruht auf folgender Überlegung: Das von einem unsymmetrischen Verbraucher im Drehstromnetz hervorgerufene Stromsystem läßt sich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Durch Einspeisung eines entsprechenden Gegenstromsystems in das Drehstromnetz läßt sich der Verbraucher symmetrieren, indem der als Unsymmetrieleistung bekannte Anteil der Scheinleistung, der keinen Wirkanteil hat aufgebracht wird.

Die bekannte Symmetrierungseinrichtung benutzt zur Lieferung des Gegenstromsystems einen selbstgeführten Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen in Drehstrombrückenschaltung, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist. Dieser Wechselrichter wiederum bezieht seinen Gleichstrom über eine Glättungsdrossel aus einem Gleichrichter, der ebenfalls steuerbare Ventile in Drehstrombrückenschaltung besitzt und über einen Netztransformator an das

Drehstromnetz angeschlossen ist

Es hat sich gezeigt, daß der Aufwand bei dieser bekannten Symmetrierungseinrichtung recht groß ist; denn die Netzwechselspannung des Drehstromnetzes wirkt auf die Gleichstromseite des Wechselrichters in der Weise zurück, daß dort — bei einer Obersetzung des Drehstromtransformators von 1:1— Spannungswerte vom Doppelten der Leiterspannung des Drehstromnetzes auftreten. Die Zwischenkreisspannung enthält einen

ίο hohen Wechselspannungsanteil von doppelter Netzfrequenz. Das hat eine hohe Beanspruchung der Ventile des Wechselrichters zur Folge und macht eine sehr große Induktivität der Glättungsdrossel erforderlich. Diese große Induktivität wiederum verlangt einen großen Steuerbereich des Gleichrichters wenn der eingeprägte Gleichstrom rasch geändert werden soIL

Aus der DE-AS 14 13 468 ist eine Einrichtung zur Symmetrierung eines Drehstromnetzes und gleichzeitig auch zur Kompensation der symmetrischen Blindleistung des Verbrauchers bekannt Diese Einrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Zerlegung in mit- und gegenläufige Stromkomponenten mit zwei mechanisch gekuppelten Drehstrommaschinen, von denen die erste als Phasenschieber für die symmetrische Blindleistung und als Antrieb für die zweite Maschine dient deren Ständerwicklung im gegenläufigen Sinne zum Netzdrehfeld in Serie mit der Ständerwicklung der antreibenden Phasenschiebermaschine verbunden ist und deren Polrad zwei elektrisch aufeinander senkrecht stehende Polsystettte aufweist Hierbei werden also Symmetrierung und Blindleistungskompensation mit ein und derselben Einrichtung durchgeführt während bei der vorliegenden Erfindung lediglich eine Symmetrierungseinrichtung vorliegt Weiterhin wird bei der bekannten Einrichtung zur Erzeugung des symmetrierenden Gegensystems eine rotierende Synchronmaschine verwendet während bei der vorliegenden Erfindung hierzu ein statischer Stromrichter eingesetzt wird. Die rotierende Maschine muß zwei getrennte, elektrisch aufeinander senkrecht stehende Erregerwicklungen und somit vier Schleifringe aufweisen; jede Erregerwicklung ist von einem eigenen netzgeführten Stromrichter gespeist Eine solche Maschine ist — im Vergleich zu einem rotierenden Drehfeldtransformator, der im Handel serienmäßig angeboten wird — verhältnismäßig teuer. Weiterhin ist die Stellgeschwindigkeit einer rotierenden Symmetrierungseinrichtung gegenüber einer Symmetrierunzseinrichtung mit Stromrichtern begrenzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Symmetrierungseinrichtung den Gesamtaufwand zu verringern. Insbesondere soll erreicht werden, daß eine Glättungsdrossel und ein Gleichrichter jeweils kleiner Auslegung zum Einstellen des eingeprägten Gleichstroms ausreichen, so daß die Verluste gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drehstrom-Transformator ein über einen Synchronmotor angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator ist, und daß die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter in den Läufer des Drehfeldtransformators eingespeisten Stromes des Gegensystems gleich dem Wert der doppelten Netzfrequenz ist.

Der rotierende Drehfeldtransformator kann insbesondere in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt und von einer an dasselbe Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmaschine angetrieben sein.

Die Eigenschaften des rotierenden Drehfeldtransformators sind beispielsweise in dem Buch »Elektrische Maschinen« von Th. Bödefeld und H. Sequenz, 1971, Springer-Verlag, Wien, New York, 8, Auflage, Seiten 202 bis 203, beschrieben.

Häufig ist bei einem Verbraucher neben der Symmetrierungseinrichtung gleichzeitig auch eine Einrichtung zur Blindleistungskompensation vorhanden, die einen rotierenden Phasenschieber umfaßt Dieser ohnehin vorhandene Phasenschieber kann nach einer Weiterbildung der Erfindung gleichzeitig auch zum Antrieb äes Drehfeldtransformators verwendet werden. Dadurch kann eine besondere Synchronmaschine eingespart werden.

Der rotierende Drehfeldtransformator aberträgt im vorliegenden Fall selbst keine Wirklast, läuft also praktisch leer und erfordert zum Antrieb nur ein Antriebsaggregat kleiner Leistung, also z. B. nur einen kleinen Synchronmotor. Ist nach Anschluß des Ständers des netzsynchron rotierenden Drehfeldtransformators an das Drehstromnetz das Ständerdrehfeld so gerichtet, daß die Läuferfrequenz Null ist, so ist der DrehfeÄJtransformator für das Drehstromnetz ohne Wirkung, d.h. an den Läuferklemmen entsteht durch die Netzspannung keine Spannung, die sich dem Wechselrichter mitteilen könnte. Wird bei dieser der Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl in den Läufer ein Strom mit der doppelten Netzfrequenz (z.B. mit 100Hz) bei vertauschter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Ständerseite als das gewünschte Gegenstromsystem mit einfacher Netzfrequenz (z. B. 50 Hz).

Da an den Klemmen des Läufers keine transformatorische Spannung auftritt, ist der Höchstwert der Spannung im Gleichstromkreis — im Gegensatz zum Gegenstand der DE-OS 22 47 819 — nicht durch die Höhe der Netzwechselspannung bestimmt Die Spannung im Gleichstromkreis ist nur bestimmt durch die Höhe des vom Gleichrichter zu liefernden Gleichstroms und die für das Stromgegensystem maßgeblichen Impedanzen. Sie enthält eine sechspulsige Wechselspannung mit doppelter Netzfrequenz. Daher reichen ein klein dimensionierter Gleichrichter und eine klein bemessene Glättungsdrossel zum Einstellen des Gleichstromes aus.

Die Läuferwicklung des Drehfeldtransformators muß für eine Spannung isoliert sein, die sich aus der für das Gegenstromsystem wirksamen Induktivität einschließlich derjenigen des Drehfeldtransformators und der maximalen Stromänderungsgeschwindigkeit des Wechselrichterstroms ergibt Diese Stromänderungsgeschwindigkeit kann gering gehalten werden durch verhältnismäßig große Löschkondensatoren im Wechselrichter. Eine große Kommutierungsdauer ist nicht nachteilig, weil keine Energieübertragung stattfindet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.

Nach der Figur speist ein Drehstromnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen unsymmetrischen Verbraucher 4 mit einer Wechselspannung der Netzfrequenz f. Der Verbraucher 4 ist hier eine einphasige Last, z, B. ein Lichtbogen-Schmelzofen. Weiterhin ist an das Drehstromnetz 3 eine ruhende Symmetrierungseinrichtung 10 angeschlossen. Diese Symmetrierungseinrichtung 10 sorgt für die Zufuhr der benötigten Unsymmetrieleistung auf elektronischem Wege.

Die Symmetrierungseinrichtung 10 umfaßt einen selbstgeführten Stromrichter 11, der über eine Glättungsdrossel 12 mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist wird. Der selbstgeföhrte Stromrichter 11 ist mit doppelter Netzfrequenz 2/ getaktet und arbeitet sU Wechselrichter, Die «wchselspannungsseitigen Anschlußklemmen sind mit u, v, w bezeichnet Er ist mit zwei vertauschten Phasenleitungen über einen mit netzsynchroner Drehzahl rotierenden Drehfeldtransformator 50 an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Dadurch ist er in der Lage, je nach der Höhe des eingeprägten Gleichstroms und der zeitlichen Lage

seiner Steuerimpulse ζ 11 ein beliebig einstellbares symmetrisches Stromsystem mit einem zur Phasenfolge des Drehstromnetzes 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein Gegenstromsystem abzugeben, wie es zur Symmetrierung des einphasigen Verbrauchers 4

is benötigt wird. Der Drehfeld transformator 50 ist in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt

Im einzelnen ist aus der Figur ersichtlich, daß der Ständer 51 des Drehfeldtransformators 50 direkt an das Drehstromnetz 3 angeschlossen ist Der Läufer 52 ist ebenfalls direkt mit den wechselrt^innungsseitigen Klemmen u, v, w des Stromrichters Ii. verbunden; allerdings sind hier die Anschlüsse für die Klemmen ν und w vertauscht Der Läufer 52 wird mit netzsynchroner Drehzahl gedreht Zum Antrieb ist eine besondere Synchronmaschine 53 vorgesehen, die aus dem Drehstromnetz 3 gespeist wird. Da der Drehfeldtransformator 50 keine Wirklast überträgt, also praktisch leerläuft, erfordert er zum Antrieb eine nur klein bemessene Synchronmaschine 53. Abweichend hiervon kann, falls am Drehstromnetz 3 gleichzeitig ein (nicht gezeigter) rotierender Phasenschieber arbeitet, dessen Synchronmaschine zum Antrieb des Drehfeldtransformators 50 vorgesehen sein.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 enthält gesteuerte

Hauptventile 21 bis 26 in Drehstrom-Brückenschaltung. Insbesondere können Thyristoren vorgesehen sein. Für die Hauptventile 21 bis 26 wird eine an sich bekannte Kommutierungseinrichtung für Phasenfolgelöschung verwendet Diese enthält für jede Brückenhälfte einen Kommutierungskondensator 27a, 28a, 29a bzw. 276,TAb, 29b sowie in Reihe mit jeweils einem der gesteuerten Hauptventile 21 bis 26 je ein ungesteuertes Kommutierungsventil 31 bis 36. Die Kommutierungskondensatoren 28a bis 296 sind jeweils zwischen Hauptventil und zugehörigem Kommutierungsventil angeschlossen. — Der selbstgeführte Stromrichter 11 wird sechspulsig betrieben (Pulszahl ρ = 6).

Die Glättungsdrossel 12 am Eingang des selbstgeführten Stromrichters 11 sorgt dafür, daß der speisende

so Gleichstrom eingeprägt ist.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 bezieht den eingeprägten Gleichstrom aus einem üblichen netzgeführten Stromrichter 13 in grundsätzlich beliebiger Schaltung. Der Stromrichter 13 ist über einen Netztransformator J 7 ebenfalls an das Dreh&tromnetz 3 angeschlossen. Als netzgeführter Stromrichter 13 wird hier ein solcher mit gesteuerten Hauptventilen 41 bis 46 in Drehstrom-Brückenschaltung verwendet Der Stromrichter 13 wird mit Hilfe von Steuerimpulsen ζ 13

bo sechspulsig betrieben (Pulszahl ρ = 6).

Zum Betrieb der Symmetrierungseinrichtung 10 ist folgendes zu sagen: Zunächst wird der vom Drehstromnetz 3 abgeschaltete Drehfeldtransformator 51 durch die Synchronmaschine 53 auf netzsynchrone Drehzahl

6j hochgefahren. Danach wird der Ständer 51 an das Drehstromnetz 3 angeschaltet. Ist nach diesem Anschluß des Ständers 51 an das Drehstromnetz 3 das Ständerdrehfeld des Drehfeldtransformators 50 ent-

sprechend gerichtet, so ist die Läuferfrequenz Null. In diesem Fall ist der Drehfeldtransformator 50 für das Drehstromnet2 3 ohne Wirkung, d. h. an den Klemmen des Läufers 52 entsteht durch die Netzwechselspannung keine transformatorische Spannung, die an den selbstgeführten Stromrichter 11 weitergeleitet werden könnte. Wird nun bei der netzsynchronen Drehzahl vom eingeschalteten Stromrichter 11 in den Laufet 52 Strom mit der doppelten Netzfrequenz If bei verkehrter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Seite des Ständers 51 als das gewünschte Gegensystem mit der einfachen Netzfrequenz f.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit Einspeisung einer symmetrischen Stromkomponente in Form eines Gegensystems mittels eines selbstgeführten Stromrichters, der Ober einen Drehstrom-Transformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrom-Transformator ein über einen Synchronmotor (53) angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator (50) ist und daß die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter (11) in den Läufer (52) des Drehfeldtransformators (50) eingespeisten Stromes des Gegensystems gleich dem Wert der doppelten Netzfrequenz {2f) ist

2. Symmetrierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehfeldtransformator (50) die Bauweise einer Schleifringläufermaschine besitzt

3. SymmetrierungseinrichtuRg nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zum netzsynchronen Antrieb des Drehfeldtransformators (50) vorgesehene Synchronmotor (53) ein rotierender Phasenschieber ist