DE2950247A1

DE2950247A1 - Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE2950247A1
Application number: DE19792950247
Authority: DE
Inventors: Akira Mase
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-12-13
Filing date: 1979-12-13
Publication date: 1980-06-19
Also published as: US4308575A; DE2950247C2; SE7910250L; JPS5579676A; SE445600B

Description

Stromversorgungssystem Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem mit einem steuerbaren Gleichrichter, der über eine Wechselstromsammeischiene mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und mit einem Filterkreis, der wenigstens einen Kondensator und wenigstens eine Spule aufweist, die in Reihe zwischen die Wechselstromsammelschiene und Bezugspotential geschaltet sind.

Es ist bekannt, daß in einer Wechselstromsammelschiene, tnit der ein Direktumrichter,ein anderer Stromrichter oder ein ähnliches Gerät verbunden ist, Oberschwingungsströme entstehen. Diese Oberschwingungsströme wirken sich nachteilig auf andere Verbraucher aus. Z. B. kann ein Verbraucher durch Oberschwingungsströme oder Spannungsverzerrungen überlastet oder überhitzt werden, die durch eine harmonische Teilschwingung erzeugt werden.

Es ist üblich, solche Oberschwingungsströme durch einen Filterkreis zu dämpfen oder zu unterdrücken, der mit der Wechselstromsammelschiene verbunden ist. Der Filterkreis besteht üblicherweise aus einer Kombination von vier abge-

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stimmten Filtern, zur Dämpfung jeweils der fünften, siebenten, elften und dreizehnten Oberschwingung und einem Hochpaßfilter zur Dämpfung von Oberschwingungen höherer Ordnung. Ein solcher Filterkreis ist nicht nur sehr groß, sondern benötigt außerdem eine gesonderte Kühlung für seine Drosseln und Widerstände. Wird beispielsweise ein solcher Filterkreis in einer HGU -(Hochspannungs-Gleichstromübertragungs-)anlage eingesetzt, so beträgt der benötigte Raum mehr als 50 % des gesamten Stromrichters.

Als dämpfender Filterkreis wurde auch ein Hochpaßfilter benutzt, dessen Eigen- bzw. Grenzfrequenz im allgemeinen bei einer Oberschwingung hoher Ordnung liegt. Verkleinert man diese Frequenz, so wächst der Filterverlust bei der Grundschwingung an, der für ein Hochpaßfilter mit folgender Beziehung gegeben ist:

- ^(Q _SC ^/Nr^3)Q

Mit Q_sc: Blindleistungsbemessung bzw. Filterkapazität Q : Gütefaktor
N : Ordnung der Oberschwingung

Mit N = 4 und Q= 1,0 beträgt demnach beispielsweise der Filterverlust ungefähr 1,6 % der Filter - bzw. Siebkapazität. Das bedeutet, daß ein Filter mit Q_D„ = 50 M„_a_ (MW) einen

SC VaJT

Filterverlust von 800 KW besitzt. Eine solche Verlustleistung _1/2 030025/0828

ist sowohl im Hinblick auf Energiesparmaßnahmen als auch wegen des erforderlichen großen Aufwands für die Kühlung in technisch nutzbaren Anlagen nicht zu verantworten.

Es besteht die Aufgabe in einem Stromversorgungssystem der eingangs genannten Art einen Filterkreis vorzusehen, der ohne Bevorzugung bestimmter Ordnungen alle Oberschwingungsfrequenzen abdeckt und bei dem die Filterverlustleistung verkleinert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Beim erfindungsgemäßen Stromversorgungssystem werden die Grund- und Oberschwingungsströme des Filterkreises ausgekoppelt und mit einer Rückspeisestufe gleichgerichtet und dem Strom des steuerbaren Gleichrichters additiv zugefügt. Die Verlustleistung des Filterkreises wird damit praktisch vermieden, da die Rückgewinnungsstufe an die Stelle des üblichen Widerstandes in einem Hochpaßfilter eingesetzt ist.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Stromversorgungssystem beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugs-

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zeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 in einem schematischen Schaltbild ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems anhand einer HGÜ-Anlage;

Fig. 2A das Ersatzschaltbild des Filterkreises des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

Fig. 2B das Ersatzschaltbild während der Kommutierung des mit Dioden bestückten Gleichrichters für die Energierückgewinnung bzw. Energierückspeisung nach Fig. 1;

Fig. 3 Schaltbilder anderer Ausführungsbeispiele und 4

des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems;

Fig. 5 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungs- und 6

gemäßen Stromversorgungssystems anhand eines

6-pUlsigen und eines 12-pulsigen Direktumrichters.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer HGÜ-Anlage bzw. Leitung. Mit 11 und 12 sind dreiphasige Wechselstromnetze bezeichnet. Mit diesen Wechselstromnetzen und 12 sind die Primärwicklungen von Haupttransformatoren 15a, 15b und 16a und 16b über jeweils dreiphasige Wechselstromschienen 13 und 14 verbunden. Die Sekundärwicklungen

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der Haupttransformatoren 15a und 15b sind jeweils mit steuerbaren Gleichrichtern 17a und 17b, 12-pulsig verbunden. Die steuerbaren Gleichrichter 17a und 17b sind auf der Gleichsstromseite in Serie geschaltet und der Gleichrichter 17a ist mit der Wechselrichterseite der Anlage über eine Gleichstromdrossel 19 und eine Gleichstromschiene 18 verbunden. Die beschriebene Schaltung ist analog bezüglich der Haupttransformatoren 16a und 16b aufgebaut, mit der Ausnahme der steuerbaren Wechselrichter 20a und 20b. Die Haupttransformatoren 15a und 15b besitzen jeweils Tertiärwicklungen, die gemeinsam an eine externe Stromschiene E₃ geführt sind, mit der der Filterkreis 25 verbunden ist.

Zur detaillierten Beschreibung des Filterkreises 25 ist dieser dreiphasig gezeigt. Kondensatoren C , C₃, C₃ und Spulen bzw. Drosseln L₁, L₂, L₁ bilden eine dreiphasige Schaltung des Filterkreises 25. über die Verbindungspunkte zwischen den Kondensatoren C und den Spulen L wird die Rückgewinnungsstufe 21 über einen Hilfstransformator 24 gespeist. Ein mit Dioden bestückter, ungesteuerter Gleichrichter 22 ist in Reihe mit den Gleichstromausgängen des Gleichrichters 17b geschaltet. Die Rückspeisestufe 21 enthält außerdem noch ein Gleichstromfilter 23, das aus einem Kondensator 23C, einer Spule 23L und einem Widerstand 2 3R besteht, die in Serie geschaltet sind. Dieses Gleichstrom- bzw. Glättungsfilter 23 wird zur Glättung der Welligkeit benötigt, die die Ausgangsspannung des Gleichrichters 22 aufweist.

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Ein weiterer Filterkreis 26 ist in herkömmlicher Art ausgeführt. Die bisherige Beschreibung geht davon aus, daß der Leistungsfluß von den Gleichrichtern 17a und 17b zu den Wechselrichtern 20a und 20b erfolgt. Es ist zu betonen, daß der Leistungsfluß in beiden Richtungen möglich ist.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben. Sind die Gleichrichter 17a und 17b und die Wechselrichter 20a und 20b nicht ausgesteuert, so werden von ihnen keine Oberschwingungen erzeugt.

Sind die Gleichrichter 17a und 17b ausgesteuert, so fließen Oberschwingungsströme in die Sammelschiene 13. Diese Oberschwingungsströme werden über die Tertiärwicklungen der Haupttransformatoren 15a und 15b dem Filterkreis 25 zugeführt. An den einzelnen Spulen L₁, L„ und L₃ des Filterkreises 25 fallen Oberschwingungsspannungen ab, die über den Hilfstransformator 24 der Rüokspeisestufe 21 und in den Gleichrichter 22 eingespeist und von diesem gleichgerichtet werden. Hieraus resultiert ein welliger Gleichstrom, der über die Gleichstromausgänge des Gleichrichters 22 fließt. Dieser Gleichstrom wird dem Strom überlagert, der in der Gleichstromschiene 18 fließt. Das bedeutet, daß die Oberschwingungsströme im Filterkreis 25 von der Rückspeisestufe 21 aufgenommen und in Gleichstromleistung für die Gleichstromschiene 18 umgewandelt und zurückgeführt wurden.

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Der Gleichstrom, der mit der pulsierenden Spannung am Ausgang des Gleichrichters 22 ansteht, nimmt mit der Größe des Ausgangsstroms der Gleichrichter 17a und 17b zu. Obwohl die Ausgangsspannung E,_f des Gleichrichters 22 auch dann Ε,,-^Χ) ist, wenn der Ausgangsstrom I, der Gleichrichter 17a und 17b ausreichend klein ist, tritt daher mit dem ansteigenden Ausgangsstrom I_n-, eine Zeitspanne mit E,_ = O ein, wie später beschrieben wird. Steigt der Ausgangsstrom I _ über einen bestimmten Wert an, so erhält man während der Kommutierung einen Uberlappungswinkel, der größer als 60° ist. Dies bedeutet, daß in Brückenzweigen mit gemeinsamem Hauptanschluß des mit Dioden in Brückenschaltung ausgeführten Gleichrichters 22, beispielsweise in den Dioden d.. und d. gleichzeitig Strom fließt. Damit ist der Ausgang des Gleichrichters 22 überbrückt und man erhält in dieser Zeitspanne E,_f = 0. In diesem Zustand wird die Oberschwingungsenergie nicht mehr zurückgespeist, da der Gleichrichter 22 für Gleichstrom überbrückt ist. Diese überbrückung tritt jedoch nur ein, wenn der Uberlappungswinkel deutlich größer als 60° ist. Im großen und ganzen läßt sich daher feststellen, daß die Funktion des Filterkreises und der Energierückgewinnung bzw. -rückspeisung ausreichend erfüllt ist.

Um die Gleichstromüberbrückung des Gleichrichters 22 nicht eintreten zu lassen, muß für die Ausgangsspannung E,_f immer die Bedingung E,,7 0 erfüllt sein. Dies kann man erreichen, wenn man den maximalen Uberlappungswinkel für die Kommutierung

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auf 60° einstellt, während man den Grenzstrom l,_ _m^_v der Kommutierung des Gleichrichters 22 im wesentlichen gleich dem maximalen Arbeitsstrom ¹J_0-J_113x ^der Gleichrichter 17a und 17b wählt, was man mit einer geeigneten Bemessung der Kondensatoren des Filterkreises 25 erreicht.

df-max dc-max (1)

Da es schwierig ist, den Grenzstrom I,- _mem, der Kommutierung

QI "IUcIX

zu berechnen, weil Oberschwingungen der Grundschwingung überlagert sind, können die Filter-bzw. Siebkapazität Q und die benötigte Leistung P,_f des Gleichrichters 22 aus der Beziehung (1) auf folgende Weise erhalten werden, wenn man nur die Grundschwingung betrachtet.

Der mit den Tertiärwicklungen der mit drei Wicklungen versehenen Transformatoren 15a und 15b verbundene Filterkreis 25, der in Fig. 1 gezeigt ist, kann mit einem Ersatzschaltbild beschrieben werden, wie es dieFig. 2A darstellt. Hier

3 die Sairanelschienenspannung der Tertiärwicklungen der Transformatoren 15a und 15b bezeichnet. X_ ist der gesamte Blindwiderstand des Wechselstromnetzes vom zuletzt erwähnten Verbindungspunkt aus betrachtet. C und L sind die Kapazitätswerte der Kondensatoren C₁, C_? und C₃ bzw. die Induktivitätswerte der Spulen L₁, L_ und L₃. -JXp und -jX_L sind die Blindwiderstände des Kondensators C und der Spule L. E- ist die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Kon-

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densator C und der Induktivität L. Ist der Diodengleichrichter 22 nicht belastet, so ist seine Eingangsspannung E_3L gegeben mit

^E ²

3L
^3L

worin N gegeben ist mit

^{r r}1

N repräsentiert die Ordnung der Eigenfrequenz des Filterkreises 25 in Bezug auf die Grundfrequenz f.. .

Ein Ersatzschaltbild für den Gleichrichter 22 im Zustand der Kommutierung ist in Fig. 2b aus der Sicht des Thevenin¹sehen Theorems gezeigt. Dabei wurde der Hilfstransformator 24 weggelassen. Nimmt man an, daß die Kommutierungsspannung nur
allein aus der Spannung der Grundschwingung besteht, so kann der Kommutierungsblindwiderstand praktisch nur als X, betrach tet werden, da j X -X„»X_T ist. Der über den Gleichrichter 22 fließende Strom I,- ist daher gegeben mit

I_df »^ {coscc - cos(ft+U)} (3)

Da der Gleichrichter 22 nur Dioden enthält, ist der Steuer-7/8

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winkel cc in Gleichung (3) gleich O und der Uberlappungswinkel U an der Kommutierungsgrenze ist 60°. Berücksichtigt man daher für die Blindleistungskapazität Q des Filter-

SO

kreises 25 die Beziehung E_,_T/X_T = Q „/E.,, so erhält man mit

jL· Jj SC j

der Gleichung (3) den Kommutierungsgrenzstrom I,- des

Qx —max

Gleichrichters 22 mit

-^- <¹ - cos60°) = J₁^r- (4) 3 3

Falls beispielsweise Q =90 Mvar und E, = 22 KV ist, so

SO -3

ist nach (4) I,.. gleich 1,44 KA. Indem man daher den cix —max

maximalen Betriebsstrom in den Gleichrichtern 17a und 17b kleiner als I_df_ einstellt, beispielsweise mit I, =1,2 KA, kann man die Gleichstromüberbrückung des Gleichrichters 22 verhindern.

Im folgenden wird die in den Gleichstromkreis 18 zurückgespeiste Leistung bzw. Energie betrachtet. Die Ausgangsspannung E,_f des Gleichrichters 22 ist gegeben mit

E = 1 .35E- .cos*- (i)X_T.I._f (5) αχ ' JL L at

Da der Blindwiderstand X_T klein ist, ist der zweite Teil der rechten Seite der Gleichung (5) klein gegenüber dem ersten Teil und kann vernachlässigt werden. Wegen der Dioden ist auch der Steuerwinkel (X gleich 0. Aus den Gleichungen (4) und (5) kann daher die Ausgangsleistung P,_f des Gleichrichters

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22 näherungsweise mit

^Pdf "^f¹Uf ^{= (1}>^35E3L>

angegeben werden. Nach Gleichung (2) und (6) ist das Verhältnis der Ausgangsleistung P des Gleichrichters 22 zu

df

der Blindleistungskapazität (Q ) des Filterkreises 25 gegeben mit

^Pdf _ 1,35

^gsc 2V2

Für beispielsweise N = 4 erhält man auf der rechten Seite der Gleichung (7) etwa 1/30. Falls die Filterkapazität Q

SC

= 90 M ist, so beträgt nach Gleichung (7) Ρ,_ etwa 3 MW, was auch die zurückgespeiste Leistung ist. Bei Gleichrichtern 17a und 17b, die für 300 MW bemessen sind, beträgt die zurückgewonnene bzw. zurückgespeiste Leistung demnach etwa 1 %.

Im folgenden wird die Filterwirkung des Filterkreises 25 in Verbindung mit der Rückspeisestufe 21 diskutiert. Hierfür wird angenommen, daß I,, = I_df_ ist. Damit ist der Scheinwiderstand R_J£=E,_/I,-. des Gleichrichters 22 von dessen Eingangsdr df df

seite her gesehen (entsprechend dem Widerstand eines herkömmlichen Hochpaßfilters) überschlagsgemäßig gegeben mit

^Rdf

se

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- 19 -

Die Schärfe bzw. Güte Q des Hochpaßfilters ist gegeben mit

^Nr'^XL

Q - -V* ⁽⁹⁾

worin X₁ = W₁L = 2Tf L und f- die Grundfrequenz ist. Setzt man R,_f für R in die Gleichung (9) ein, so erhält man für die Güte Q des Gleichrichters 22

N .X <^N _r-^XL^)Qsc ^N _r

^Kdf 2,7|2E₃.E_3L 2,7V2

Mit N_r = 4 erhält man Q=1 aus Gleichung (10). Beispielsweise mit den Werten: Q =90 Mvar, Q=1.0 und N. = 4 erhält

SC *

man auf der Grundlage von 90 MVA:

X_T * -^₁ = ijrSL (11)

L _N2 16

Aus den Gleichungen (10) und (11) folgt für die Impedanz R₀P = 0,25 Λ (PU). Dieser Wert deckt sich mit der Filterimpedanz Z_f eines herkömmlichen Hochpaßfilters mit der Güte Q - 1,0, die mit folgender Beziehung gegeben ist:

X X ^Zf ^{= R = N}r-^XL " ^Nr'72 ⁼ ΪΓ

Da X„ = 1,0 Λ auf der Basis der Filterkapazität Q ist,

C SC

so ist R = 0,2511 bei einem N von 4.

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Nimmt man an, daß der Blindwiderstand X. der Primärseite der Transformatoren 15a und 15b gleich 0,3 -Tz./180 MVA ist, so ist das Verteilungsverhältnis der Oberschwingungsströme zwischen dem Wechselstromnetz 11 und dem Filterkreis 25 gegeben mit ^Ro_t/X_t ^un^ je kleiner dieses Verhältnis ist, umso besser ist die Filterwirkung. Die Impedanzen für die fünfte und elfte Oberschwingung sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. In Tabelle 1 ist der Effektivwert X' gleich X./2, da die Primärseiten der Transformatoren 15a und 15b von der Tertiärseite her gesehen parallel geschaltet sind. Weiterhin ist die Filterkapazität Q_gc auf der 90 MVA Basis angegeben.

Tabelle 1

Oberschwingung	^Rdf<-^	X_t/2 = X'_t	Bemerkungen
5.	0,25	0,15x5/2=0,375	Transformatoren 15a und 15b
11.	0,25	0,15x11/2=0,825	0,3 -Π /180 MVA pro Transformator 1

Mit einem Q von 90 Mvar kann das Verhältnis X' /R,, nicht

SC t ClC

genüg end groß gemacht werden. Verdoppelt man Q ,so kann

SC

die Filterimpedanz R,_f in Tabelle 1 auf die Hälfte reduziert werden.

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In diesem Fall ist die zurückgespeiste Leistung P,_f ebenfalls verdoppelt auf 2 χ 3 MW und beträgt 2 % der gesamten Gleichrichterleistung von 300 MW. Sowohl im Fall von Q =

SC

90 Mvar als auch von Q = 2 χ 90 Mvar ist der Grenzstrom

SC

I., der Kommutierung im Gleichrichter 22 so eingestellt, ux""inax

daß er dem maximalen Betriebsstrom (I, = 100 %) der Gleich-

dc

richter 17a und 17b entspricht. Mit einer Teillast von I, <100 % wird somit die Filterwirkung herabgesetzt. Beispielsweise wird bei I, = 50 % die Filterimpedanz R,_f verdoppelt, wobei die Spannung E,_f unverändert bleibt und I._ auf 50 % reduziert wird. Zur Lösung dieses Problems kann das Wicklungsverhältnis des Hilfstransformators 24 mit 2:1 gewählt werden, so daß man ein I,- von 100 % mit einem I, von 50 % erhält. Geht man so vor, so kann der Wert von R,_f bei I. = 100 % sogar bei I, = 50 % beibehalten werden. Es ist jedoch anzumerken, daß die vollständige Filterkapazität Q immer zur Verfügung stehen muß.

In der Praxis ist eine Filterkapazität von 2 χ 90 Mvar verhältnismäßig hoch, im Vergleich zu einer Leistungsbemessung von 300 MW für die Gleichrichter 17a und 17b. Vom praktischen Standpunkt aus kann es daher wünschenswert sein, den Filterkreis 25 in vier Zweige aufzuspalten, von denen jeder eine Filterkapazität von 45 Mvar besitzt, was insgesamt 180 Mvar ergibt. Dies erlaubt, die Anzahl der arbeitenden Filterzweige in dem Fall zu verkleinern, in dem der Betriebsstrom in den Gleichrichtern 17a und 17b klein ist. Dies ist außerdem für die

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Beeinflussung der Blindleistung nützlich. Die benutzten Filterzweige sind Dämpfungsfilter zur Dämpfung von Oberschwingungen höherer Ordnung. Das Zuschalten zusätzlicher Zweige bewirkt daher keine besondere Störung der Wechselspannung, wenn einige Filterzweige bereits in Betrieb sind.

Die bisherige Beschreibung zeigt, daß herkömmliche Hochpaßfilter den Nachteil besitzen, daß die Widerstandsverluste für die Grundfrequenz bei einer einsetzbaren Lösung zu groß sind, wenn man eine Oberschwingung niedriger Ordnung als Eigen- bzw. Grenzfrequenz wählt. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht demgegenüber die Filterverlustleistung zurückzugewinnen und erzielt außerdem eine ähnliche Filterwirkung, wie die bekannter Hochpaßfilter. Zusammenfassend ist daher festzustellen, daß der Filterkreis, der in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eingesetzt wird, eine ausreichende Filterwirkung besitzt und außerdem ein Dämpfungsfilter mit geringer Verlustleistung auch für eine niedrige Oberschwingungsfrequenz ist.

Die Erfindung erfordert für den Filterkreis 25 zwangsläufig eine große Blindleistung, um seine Filterwirkung sicherzustellen. Dieses Problem läßt sich wie folgt lösen, übliche Netze besitzen eine Anzahl von Kondensatorbatterien zur Blindleistungskompensation. Diese Kondensatoren können auch zum Aufbau des Filterkreises verwendet werden. Die üblichen Kondensatorbatterien besitzen eine 6 %-ige Seriendrossel, was

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eine Resonanzfrequenz in der Nähe der vierten Oberschwingung bedeutet. Demzufolge kann der Zweck der Erfindung bei geringen Kosten dadurch erreicht werden, daß diese Kondensatorbatterien mit der Rückspeisungsstufe verknüpft werden.

Derzeit arbeiten HGÜ-Anlagen normalerweise im 12-Pulsverfahren. Es besteht daher die Tendenz, wowohl den Filterkreis für die fünfte, als auch den für die siebente Oberschwingung wegzulassen. Sowohl die Erregung des Transformators, als auch das Zuschalten von Kondensatorbatterien kann jedoch eine bedenkliche Spannungsverzerrung auf der Wechselstromsammelschiene bewirken, die ihrerseits Überspannungen im Wechselstromnetz oder Kommutierungsfehler im Wechselrichterbetrieb auslöst. Dies wird im wesentlichen durch Parallelresonanz mit niedriger Oberschwingungsfrequenz zwischen einem hohen Kapazitätswert der Filterzweige und dem Viechseistromnetz hervorgerufen. Der erfindungsgemäße Filterkreis kann wegen der ihm innewohnenden Dämpfungswirkung bei einerniedrigen Eigenfrequenz aktiv sowohl im oben genannten Übergangszustand als auch im stationären Zustand betrieben werden.

Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems beschrieben. Dabei sind gleiche Bauteile mit den Bezugszeichen der Fig. 1 versehen.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Filterkreis 25 ist direkt mit der Wechselstromsammelschiene

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verbunden. Ein Transformator 32 mit zwei Wicklungen ist zwischen die Wechselstromsammelschiene 13 und den steuerbaren Gleichrichter 17 geschaltet. Eine Wechselstromdrossel 31, mit der die Oberschwingungsströme für das Wechselstromnetz 11 begrenzt werden, ist zwischen die Wechselstromsammelßchiene 13 und das Wechselstromnetz 11 geschaltet. Mit dem Hilfstransformator 24 wird sowohl die Wechselstromseite von der Gleichstromseite des Gleichrichters 17 elektrisch isoliert, als auch der Grenzstrom der Kommutierung angehoben, indem man die Transformatorübersetzung ändert, falls der Betriebsstrom im Gleichrichter 17 hoch ist.

Bei dem Filterkreis 25, der mit der Primärseite des Transformators 32 in der oben beschriebenen Weise verbunden ist, ist die Filterimpedanz R,_f im wesentlichen gleich 1/N -O_ auf der Q -Basis. Nimmt man an, daß die Filterimpedanz R,,

SC CLX

das zweifache der Leistungsbemessung P, des Gleichrichters 17 beträgt und daß der Blindwiderstand der Wechselstromdrossel 31 gleich 0,2 Il auf der Q -Basis ist, so führt die Kurz-Schlußleistung S_K der Wechselstromschiene 13 zu S_K/P,=10. Die Impedanzen des Filterkreises und des Wechselstromnetzes sind in Tabelle 2 auf der Q -Basis aufgeführt.

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Tabelle 2

Oberschwingungen	^Rdf ^(Λ)	X (ΓΙ) Bemerkungen	0,2x11=2,2 ;
5.	0,25 j 0,2x5=1,0 ι
11.	0,25

Der Tabelle 2 ist zu entnehmen, daß der Filterkreis des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 auch eine ausreichende Filterwirkung bei Oberschwingungen höherer Ordnung besitzt. Dies ist günstig z. B. für Industriegleichrichter, die eine geringe Gleichrichterleistung besitzen.

Für das folgende wird angenommen, daß der Gleichrichter für geringe Spannung und hohen Strom ausgelegt ist. Will man unter dieser Voraussetzung den gesamten Strom auf der Gleichrichterseite kommutieren, so benötigt man eine sehr hohe Blindleistung Q des Filterkreises, um die Bedingung

so

E.,7 0 zu erfüllen, wobei E,_ die Ausgangsspannung des Gleichrichters 22 im Rückspeisekreis ist. Eine Maßnahme, um dies zu umgehen, ist in Fig. 4 gezeigt. Hier ist ein gesonderter Gleichrichter 22b parallel zum Gleichrichter 22a geschaltet, um den Ausgangsstrom I, des Gleichrichters 17 aufzuteilen. Eine gesonderte Wechselstromquelle 34 speist über einen Transformator 35 den Gleichrichter 22b, dessen Ausgangsspannung im wesentlichen gleich der Ausgangsspannung E,_ des

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Gleichrichters 22a für die Energierückspeisung gewählt ist. Auf diese Weise kann der Gleichrichter 22a immer innerhalb des Grenzstroms der Kommutierung betrieben werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromversorgungssystems anhand eines 6-phasig geschalteten Direktumrichters. In Fig. 5 ist ein Transformator U15 mit drei Wicklungen dargestellt. Die Primärwicklung des Transformators U15 ist mit der Wechselstromsammelschiene 13 verbunden. Seine erste Sekundärwicklung ist mit einem steuerbaren Gleichrichter 51 und seine zweite Sekundärwicklung ist mit einem steuerbaren Gleichrichter 52 verbunden, dessen Durchlaßrichtung entgegengesetzt zu der des steuerbaren Gleichrichters 51 ist. Ungesteuerte Gleichrichter U22-1a und U22-1b und ungesteuerte Gleichrichter U22-2a und U22-2b sind jeweils einander parallel geschaltet. Jede dieser Parallelschaltungen besitzt die gleiche Durchlaßrichtung wie einer der steuerbaren Gleichrichter 51 und 52 und sind mit einem Ausgangsanschluß des zugehörigen steuerbaren Gleichrichters 51 und 52 in Reihe geschaltet. Die anderen Gleichstromausgänge der steuerbaren Gleichrichter 51 und 52 sind gemeinsam mit der Phase U eines Drehstromnetzes verbunden. Die Wechselstromeingänge der Gleichrichter U22-1a und U22-2a sind gemeinsam über einen Schalter U 53-1 mit der Sekundärwicklung eines Hilfstransformators U 24-1 verbunden. Die Primärseite des Hilfstransformators U24-1 ist mit dem Verbindungspunkt

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zwischen einem Kondensator C-1 und einer Spule L-1 eines Filterkreises U25-1 verbunden. Der Kondensator C-1 ist über einen Unterbrecher B-1 mit der Wechselstromsammelschiene 13 verbunden. In gleicher Weise sind die Wechselstromeingänge der beiden anderen Gleichrichter U22-1b und U22-2b gemeinsam über einen Schalter U53-2 und einen Hilfstransformator U24-2 mit dem Verbindungspunkt zwischen einem Kondensator C-2 und einer Spule L-2 eines weiteren Filterkreises U25-2 verbunden. Der Kondensator C-2 ist ebenfalls über einen Unterbrecher B-2 mit der Wechselstromsammelschiene 13 verbunden. Die freien Ausgangsanschlüsse der Gleichrichter U22-1a, U22-1b, U22-2a und U22-2b sind gemeinsam mit den entsprechenden Ausgangsanschlüssen von Stromrichterstufen V-B und W-B der Phasen V und W verbunden, die den gleichen Schaltungsaufbau wie die beschriebene Stromrichterstufe U-B der Phase U besitzen. Die Filterkreise U25-1, U25-2, V25-1, V25-2, W25-1 und W25-2 für die Phasen U, V und W absorbieren die Oberschwingungsströme, die von dem Direktumrichter erzeugt werden. Oberschwingungsspannungen, die beispielsweise an den Spulen L-1 und L-2 der Filterkreise der Phase U anstehen, werden über die Hilfstransformatoren U24-1 und U24-2,den Gleichrichtern U22-1a, U22-1b, U22-2a und U22-2b zur Energierückspeisung zugeführt. Auf diese Weise wird eine Energierückspeisung für die Phase U erhalten. Sind die Ausgangsströme des Direktumrichters groß, so werden die Schalter U53-1, U53-2, V53-1, V53-2, W53-1 und W53-2 geschlossen, um beide unge- «teuerte Gleichrichter in den jeweiligen Stromrichterschalt-

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kreisen U-B, V-B und W-B einzusetzen. Bei geringeren Betriebsströmen reicht es aus, nur jeweils einen dieser Schalter in jeder Stromrichterstufe U-B, V-B und W-B zu schließen, um den Strom zu kommutieren.

Da der Ausgangsstrom des Direktumrichters ein Drehstrom ist, existieren pro Periode zwei Zeitspannen mit Strömen gleich null für jede Phase U, V und W. In jeder dieser Zeitspannen ist keine Filterwirkung vorhanden, da in diesen Zeitspannen die Filterimpedanz R,_ unendlich werden kann. Die Phasen U, V und W sind jedoch um 120° gegeneinander verschoben und die gleiche Beziehung gilt für die Zeitspannen mit Strömen gleich null jeder einzelnen Phase. Es ist deshalb möglich, die Verringerung der Filterwirkung während der Zeitspannen ohne Strom dadurch zu vermeiden, daß man Filterkreise für wenigstens zwei der Phasen U, V und W gleichzeitig benutzt.

Zieht man in Betracht, daß die Ordnung der Oberschwingungen, die von einem Direktumrichter erzeugt werden, mit seiner Ausgangsfrequenz variiert, so hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung Vorteile gegenüber einem herkömmlich abgestimmten Filter, da die Filterwirkung gegenüber allen Oberschwingungen existiert, deren Ordnung größer als die Eigenfrequenz des Filters ist.

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Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines 12-pUlsigen Direktumrichters. Diese Ausführungsform ist als 12-pulsige Η-Schaltung bekannt. Gesteuerte Gleichrichter 51-1 und 52-2 besitzen gleiche Durchlaßrichtung, während die gesteuerten Gleichrichter 51-2 und 52-1 entgegengesetzte Durchlaßrichtung aufweisen, über die ungesteuerten Gleichrichter 22a und 22b fließt daher immer Strom der gleichen Richtung. Die Gleichrichter 22a und 22b müssen daher nicht getrennt für unterschiedliche Stromrichtungen vorgesehen sein, wie es im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 der Fall war.

Anzufügen ist noch, daß die Erfindung als Filterkreis für einen Blindleistungskompensator benutzt werden kann, der Thyristorschalter aufweist, weswegen die Erzeugung ungerader Oberschwingungen zu erwarten ist. Bekannte Kompensatoren großer Abmessung benötigen viele Filterzweige, falls man herkömmliche Filter einsetzt.

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Claims

BLUMBACH · VVEGER · FERGET! - KRAMER ZWIRNER - EREhIV: PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 295Q247 Patentconsult RadeckestraSe 43 8000 München 60 Telefon (C89) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsutt Patenlconsull Sonnenbergor Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha 79/8777 Horikawa-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Japan Patentansprüche x—^

1.1 Stromversorgungssystem mit wenigstens einem steuerbaren Gleichrichter, der über eine Wechselstromsammeischiene mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und mit einem Filterkreis, der wenigstens einen Kondensator und eine Spule aufweist, die in Reihe zwischen die Wechselstromsammelschiene und Bezugspotential geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskopplungsstufe (24, U24-1, U24-2) zur Auskopplung von Grundschwingungs- und Oberschwingungsströmen aus dem Filterkreis (25, U24-1, U25-2) vorgesehen ist und daß eine Rückspeisestufe (21) der Auskopplungsstufe nachgeschaltet ist, die wenigstens einen

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Oipl.-Phys. Dr rer. nat. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blurobach Dipl.-Ing. . P. Bergen Dipl.-Ing Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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ungesteuerten Gleichrichter (22, 22a, 22b, U22-1a, U22-1b, U22-2a und U22-2b) enthält, dessen Gleichstromausgänge zu den Gleichstromausgängen des gesteuerten Gleichrichters (17, 17b, 51, 52, 51-1, 51-2, 52-1, 52-2) in Reihe geschaltet sind.

2. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Gleichrichter aus zwei in Reihe geschalteten,steuerbaren Gleichrichtern (17a, 17b) besteht, daß der Wechselstromeingang des ersten steuerbaren Gleichrichters (17a) mit einer Sekundärwicklung eines ersten Haupttransformators (25a) verbunden ist, dessen Primärwicklung mit der Wechselstromsammelschiene (13) verbunden ist, daß der Wechselstromeingang des zweiten steuerbaren Gleichrichters (17b) mit der Sekundärwicklung eines zweiten Haupttransformators (15b) verbunden ist, dessen Primärwicklung mit der Wechselstromschiene (13) verbunden ist und daß der erste und der zweite Haupttransformator (15a, 15b) jeweils eine Tertiärwicklung besitzen, die gemeinsam mit dem Eingang des Filterkreises (25) verbunden sind (Fig. 1).

3. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Gleichstromausgängen des ungesteuerten Gleichrichters (25) ein Glättungsfilter (23)

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parallel geschaltet ist (Fig. 1).

4. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche
1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplungsstufe zum Auskoppeln der Grundschwingungs- und Oberschwingungsströme aus dem Filterkreis (U25-1, U25-2) wenigstens
einen Hilfstransformator (24, U24-1, U24-2) aufweist, dessen Primärwicklung mit wenigstens einem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C) und der Spule (L)
des Filterkreises verbunden ist und dessen Sekundärwicklung mit dem Wechselstrome ing*ang des ungesteuerten Gleichrichters (22) der Rückspeisestufe (21) verbunden ist.

5. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (31) zwischen die Wechselstromquelle (11) und die WechseIstromsammeischiene (13) geschaltet ist und daß ein Eingangsanschluß des Filterkreises (25, U25-1, U25-2) direkt mit der
Wechselstromsammelschiene (13) verbunden ist (Fig. 3 bis 6).

6. Stromversorgungssystem nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspeisestufe einen ersten und einen zweiten parallel geschalteten ungesteuer-

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ten Gleichrichter (22a, 22b) besitzt, wobei die Ausgänge jedes ungesteuerten Gleichrichters zu den Ausgängen des steuerbaren Gleichrichters (17) in Reihe geschaltet sind und daß der Eingang des ersten ungesteuerten Gleichrichters (22a) über den ersten Hilfstransformator (24) mit dem Verbindungspunkt zwischen Kondensator (C) und Spule (L) des Filterkreises (25) verbunden sind und daß der Eingang des zweiten ungesteuerten Gleichrichters (22b) über einen zweiten Hilfstransformator (35) mit einer weiteren Wechselstromquelle (34) verbunden ist, wobei die Ausgangsspannung des zweiten Hilfstransformators (35) im wesentlichen gleich der Ausgangsspannung des ersten ungesteuerten Gleichrichters (22a) im Zeitpunkt des Grenzstromes der Kommutierung gewählt ist (Fig. 4).

7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Gleichrichter Teil eines aus drei Stromrichterstufen (U-B, V-B, W-B) aufgebauten, 6-pulsigen Direktumrichters ist, daß jeder dieser Stromrichterstufen ein Transformator (UI5, V15_r W15) mit drei Wicklungen zugeordnet ist, daß die Primärwicklung jedes Transformators mit der Wechselstromsammeischiene (13) verbunden ist, daß jede Stromrichterstufe einen ersten und einen zweiten steuerbaren Stromrichter (51, 52) besitzt, wobei der Wechselstromanschluß jedes Stromrichters mit

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einer der Sekundärwicklungen des zugehörigen Transformators verbunden ist, daß für jeden steuerbaren Stromrichter (51, 52) zwei ungesteuerte Gleichrichter (U22-1a, U22-1b bzw. U22-2a, U22-2b) vorgesehen sind, wobei die gleichen Gleichstromausgänge zusammengehöriger, ungesteuerter
Gleichrichter jeweils gemeinsam mit einem der Ausgangsanschlüsse des zugehörigen Stromrichters verbunden sind, daß der Filterkreis zwei parallel geschaltete Filterzweige (U25-1, U25-2) aufweist, wobei jeder Filterzweig mit
einem Anschluß an der Wechselstromsammelschiene (13) liegt und der andere Anschluß mit Bezugspotential verbunden ist und wobei jeder Filterzweig einen Kondensator (C-1, C-2) und eine Spule (L-1, L-2) aufweist, die in Reihe geschaltet sind und daß in jeder Auskopplungsstufe zwei Hilfstransformatoren (U24-1, U24-2) vorgesehen sind, daß die
Primärwicklung jedes Hilfstransformators mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und der Spule eines
Filterzweiges verbunden ist und daß die Sekundärwicklung jedes Hilfstransformators über jeweils einen Schalter
(U53-1, U53-2) mit den Eingängen von jeweils zwei der ungesteuerten Gleichrichter verbunden ist, wobei einer der ungesteuerten Gleichrichter dem einen Stromrichter und
der andere ungesteuerte Gleichrichter dem anderen Stromrichter zugeordnet ist (Fig. 5).

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8. Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Gleichrichter Teil eines von drei Stromrichterstufen (U-B, V-B, W-B) aufgebauten 12-pulsigen Direktumrichters ist, daß jeder dieser Stromrichterstufen ein Transformator (U15, V15, W15) mit drei Wicklungen zugeordnet ist, daß jede Stromrichterstufe vier steuerbare Stromrichter (51-1, 51-2, 52-1, 52-2) aufweist, von denen jeweils der erste und zweite bzw. der dritte und vierte Stromrichter entgegengesetzte Durchlaßrichtung besitzen und wobei die Wechselstromeingänge des ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Stromrichters jeweils gemeinsam mit einer der Sekundärwicklungen des zugehörigen Transformators verbunden sind, daß für jede Stromrichterstufe zwei ungesteuerte Gleichrichter (22a, 22b) vorgesehen sind, wobei der eine Gleichstromausgangsanschluß beider ungesteuerter Gleichrichter mit einem der Ausgangsanschlüsse des ersten und dritten Stromrichters und der andere Gleichstromausgangsanschluß beider ungesteuerter Gleichrichter mit einem der Ausgangsanschlüsse des zweiten und vierten Stromrichters verbunden ist, daß der Filterkreis zwei parallel geschaltete Filterzweige (U25-1, U25-2) aufweist, wobei jeder Filterzweig mit einem Anschluß mit der Wechselstromsammelschiene (13) und mit dem anderen Anschluß mit Bezugspotential verbunden ist und jeder Filterzweig einen Kondensator und eine Spule besitzt, daß jede Auskopplungsstufe zwei Hilfstransformatoren (U24-1, U24-2)

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aufweist, wobei die Primärwicklung jedes Hilfstransformators mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und der Spule eines der Filterzweige und die Sekundärwicklung jedes Hilfstransformators über einen Schalter (U53-1, U53-2) mit den Wechselstromeingängen jeweils eines der ungesteuerten Gleichrichter verbunden ist.

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