DE2746588A1 - Vollstatischer netzkupplungsumformer - Google Patents

Description

• Vollstatischer Netzkupplungsumformer
• Die Erfindung betrifft einen vollstatischen Netzkupplungsumformer 50/16 2/3 Hz für den Betrieb über den vollen Leistungsbereich von 0 bis 100% mit Vermeidung von Wirkleistungspulsationen auf der 50 Hz-Seite, wobei der Netzkupplungsumformer aus zwei Direktumrichtern besteht, die drehstromseitig parallelgeschaltet sind, und ihre 16 /3 Hz-Ausgänge über eine Induktivität bzw. fieber eine Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator zugeführt werden, der in das Betriebsnetz einspeist.
• Die Schaltung eines solchen Netzkupplungsumformers, der bereits früher vorgeschlagen wurde, ist in der einzigen Figur gezeigt. Die zwei Teil-Direktumrichter DUR 1 und DUR 2 sind drehstromseitig parallelgeschaltet (wobei selbstverständlich darauf geachtet werden muss, dass sich ihre Kommutierungsvor- gänge nicht gegenseitig beeinflüssen). Ihre 16²/3 Hz-Ausgänge werden einerseits über eine Induktivität XL und andererseits über eine Reihenschaltung XLC einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator T zumefilhrt; dieser speist in das Betriebsnetz ein, das z.B.
• ein Bahnnetz sein kann.
• Zufriedenstellend - d.h. mit völliger Vermeidung von Wirkleistungspulsationen - funktioniert diese Schaltung jedoch nur bei voller Leistung (100 %) und ist daher ohne Zusatzmassnahmen nicht allgemeinen brauchbar.
• Im 'olcenden sollen zunächst die Gleichunzen für den zeitlichen Verlauf der Wirkleistung und der 50 Hz-seitigen BlindleiEtunr in einer solchen Schaltung betrachtet werden.
• Die 16 /3 Hz-seitigen Ströme il ; i2 und Spannungen ul; u2 der Direktumrichter DUR 1 und 2 seien rein sinusförmig und mögen folgenden zeitlichen Verlauf haben: Die Wirkleistung pl und p2 Unter der Annahme, dass die Direktumrichter - verlustfrei arbeiten - und keine Speicher beinhalten, ist der ein- und ausgangsseitige zeitliche Verlauf der Wirkleistung identisch. Sie berechnet sich nach den folgenden Gleichungen: Die Wirkleistung besteht also aus einem konstanten Anteil pl,2 = =.und einem pulsierenden Anteil pl , 2rg.
• Als Summenleistung p erhält man: Bei symmetrischen Drehstromsystemen ergibt sich bekanntlich ein kontinuierlicher Leistungsfluss. Bei einphasigen Wechselstromsystemen hingegen ist die Wirkleistung prinzipiell pulsierend.
• Bei Direktumrichtern, die ein Drehstromsystem mit einem einphasigen Wechselstromsystem verbinden, kann man daher die Uebertragung der pulsierenden Wirkleistung auf die Drehstromseite nur dann verhindern, wenn die Netzkupplung noch zusätzliche, in geeigneter Weise angeordnete Speicher enthält.
• Zu diesem Zweck werden die Ausgangsspannungen der bereits erwähnten 2 Direktumrichter (DUR 1 und DUR 2 in der Figur) über eine Induktivität (XL) bzw. über eine Kapazität und Induktivität (XLc) einem gemeinsamen, das Bahnnetz speisenden Transformator T zugeführt. Diese Induktivitäten und Kapazitäten übernehmen die Funktion des Speicherns.
• Die Induktivitäten und Kapazitäten sind so bemessen, dass man zunächst einmal bei 100 %-Leistung die Umrichterausgangs- spannungen ul und u2 in ihrer Amplitude gleich und in ihrer Phasenlage um 90° gegeneinander versetzt steuern kann. Dabei sind die Umrichterausgangströme i1 und i2 jeweils in Phase mit ihren zugehörigen Spannungen ul und u2 und ebenfalls in ihren Amplituden lich.
• Auf diese Weise entsteht 16 2 Hz-seitig ein Drehfeld mit kontinuierlichem Wirkleistungsfluss.
• Die oben schon bemerkt, funktioniert dieses Prinzip zunächst nur ei cller Leistung (100%) und ist daher nicht ohne weiterse allgemein verwertbar.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgrund dieses allgemeinen Prinzips aufgebaute Schaltung so auszubilden und zu dimensionieren, dass eine Wirkleistungspulsation über den vollen Leistungsbereich 0 - 100% vermieden wird. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die beiden Impedanzen der Netzkupplung dem Betrag nach gleich gross gewählt werden: XL = XLC = X, dass die Amplituden der beiden UmrichterausmangssDannungen gleich und ihre Phasenlagen gegenüber dem Betriebsnetzspannungszeiger negativ gleich gewählt werden: U1 = U2 = U womit auch die entsprechenden Ströme einander gleich werden: I1 = I2 = I und deren Phasenlagen in der Beziehung zueinander stehen, dass die einander gleichen Impedanzen so dimensioniert sind, dass ihr Spannungsabfall dem Betrag nach gleich der Umrichterausgangsspannung ist: U und dass die Phasenwinkel der Ströme und Spannungen so dimensioniert sind, dass die Beziehungen erfüllt sind.
• Wie sich leicht zeigen lässt, entfSllt unter diesen Bedingungen der pulsationsabhängige Anteil der Wirkleistunz; setzt man noch und substituiert die obigen Ausdrücke in der Gleichung (5) für die Wirkleistung, so erhält man: Der in der eckigen Klammer stehende erste Term verschwindet offenbar, so dass sich ergibt: d.h. die Pulsationsabhängigkeit ist beseitigt.
• Man kann es auch so ausdrücken, dass mit abnehmender Leistung - wobei wegen des geringen Spannungsabfalls an XL und X LC die beiden Umrichter-Ausgangsspannungsanzeiger U1 und U zunehmend in der Phasenlage aufeinander zudrücken --2 eine Steuerung möglich ist, bei der die Umrichterausgangsstromzeiger I1 und 12 in dem Masse in ihrer Phasenlage auseinanderrücken, wie die Ssannungszeiger zusammenrücken, und dass dabei der Wirkleistungsfluss kontinuierlich bleibt.
• Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet der Frfindung sind die Bahnantriebe (vollstatische Bahnnetzkupplunsumformer).
• a kann ohne weitere Massnahmen nicht vermeiden, dass die 50 Hz-seitige Blindleistung zunächst einmal pulsierend ist.
• In dieser Beziehung ist ein Betrieb des Netzkupplungsumformers als Trapezumrichter günstig. Hierbei ergibt sich eine starke Reduktion der Blindleistung und Blindleistunspulsation (max. von 100% auf 20% im oberen Leistungsbereich).
• Ferner ist dadurch auch eine bessere Ausnützung der installierten Stromrichterleistung (um bis max. 20%) möglich. Als Nachteil tritt in Erscheinung, dass die Wirkleistungspulsationen nicht mehr voll unterdrückt werden können. Ueberdies ergeben sich auf der 162/3 Hz-Seite mehr Stromoberschwingungen.
• Um im ganzen Leistungsbereich im Trapezbetrieb fahren zu können, muss entweder ein Stufentransformator (auf der 50 Hz- oder 16 /3 Hz-Seite) vorgesehen werden, der entsprechend der verlangten Umrichterausgangsspannung zwischen 0,5 p.u. und 0.7 p.u. verstellt werden kann (hinzu käme noch ein Verstellbereich, um die Spannungsänderungen des 50 Hz- und 16 2/3 Hz-Netzes kompensieren zu können), - oder man lässt die Umrichterausganzsspannungsamplitude unabhängig von der Leistung konstant (während die Phase geschwenkt wird).
• Statt der Speicher-Serienschaltung XLC wäre theoretisch nur eine Kapazität notwendig. Sie hätte allerdings zur Folge, dass der Oberschiwingungsstrom des betreffenden Direkt-Umrichters auf der 16 2/3 Hz-Seite stark ansteigen würde.
• Deswegen ist es aus praktischen Gründen zweckmässig Kapazität noch eine Induktivität in Reihe zu schalten. Dabei muss die Kapazität allerdings entsprechend vergrössert werden.
• Schliesslich sei noch bemerkt, dass die gleiche Methode, wie sie hier für die Unterdrückung der Wirkleistungspulsation für den vollstatischen Netzkupplungsumformer beschrieben wurde, auch für die Beseitigung der Zwischenkreis-Leistungspulsationen bei Lokomotiven mit netzseitigem zwangskommutiertem Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis angewendet werden kann. Für diesen Fall ist die bisher übliche Lösung ein Filter im Gleichspannungsz>ischen kreis.

Claims (5)

1. P a t e n t a n s p r ii c h e Vollstatischer Netzkupplungsumformer 50/16 2/3 Hz für den Betrieb über den vollen Leistungsbereich von 0 bis 100% mit Vermeidung von Wirkleistungspulsationen auf der 50 Hz-Seite, wobei der Netzkupplungsumformer aus zwei Direktumrichtern besteht, die drehstromseitig parallelgeschaltet sind, und ihre 16 2/3 Hz-Ausgänge über eine Induktivität bzw. über eine Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator zugeführt werden, der in das Betriebsnetz einspeist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Impedanzen (XL,XLc) der Netzkupplung dem Betrag nach gleich gross gewählt werden: XL = XLC = X, dass die Amplituden (U1, U2) der beiden Umrichtungsausgangsspannungen gleich und ihre Phasenlagen gegenüber dem Betriebsnetzspannungszeiger negativ gleich gewählt werden: U1 = U2 = U womit auch die entsprechenden Ströme (I1,I2) einander gleich werden: 11 :12 = I und deren Phasenlagen in der Beziehung zueinander stehen, dass die einander gleichen Impedanzen (XL = XLC X) so ( gewählt sind, dass ihr Spannungsabfall (IX) dem Betrag nach gleich der Umrichterausgangsspannung (U) ist: I*X : und dass die Phasenwinkel der Ströme und Spannungen so gewählt sind, dass die Beziehungen erfüllt sind.
2. 2. Vollstatischer Netzkupplungsumformer 50/16²/3 Hz für den Betrieb über den vollen Leistungsbereich von 0 bis 100 % mit Vermeidung von Wirkleistungspulsationen auf der 50 Hz-Seite, wobei der Netzkupplungsumformer aus zwei Direktumrichtern besteht, die drehstromseitig parallelgeschaltet sind, und ihre 16 2/3 Hz-Ausgänge über eine Induktivität bzw. über eine Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator zugeführt werden, der in das Betriebsnetz einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Impedanzen (XL, XSC) der Netzkupplung dem Betrag nach gleich gross gewählt werden: XL LC = dass die Amplituden (U1, U2) der beiden Umrichterausgangsspannungen gleich und ihre Phasenlagen gegenüber dem Betriebsnetzspanungszeiger negativ gleich gewählt werden: U1 = U2 = U womit auch die entsprechenden Ströme (11, I2) einander gleich werden I1 = I2 = I und deren Phasenlagen in der Beziehung zueinander stehen, dass die einander gleichen Impedanzen (XL = XLC = X) so gewählt sind, dass die Amplitude der Umrichterausgangsspannung unabhängig von der Leistung konstant gehalten wird, während ihre Phase geschwenkt wird.
3. 3. Netzkupplungsumformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Betrieb des Umformers als Trapezumrichter
4. 4. Netzkupplungsumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der 50 Hz- bzw. 16 2/3 Hz-Seite ein Stufentransformator vorgesehen ist.
5. 5. Netzkupplungsumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anwendung als vollstatischer Bahnnetzkupplungsumformer.