DE29701914U1 - Circuit arrangement for direct conversion of electrical energy - Google Patents
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Description
Schaltungsanordnung zum direkten Umrichten elektrischer Energie
5Circuit arrangement for the direct conversion of electrical energy
5
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum direkten Umrichten elektrischer Energie, die im wesentlichen aus einem zwei Unterspannungswicklungen aufweisenden Stromrichter-Transformator, einem Direktumrichter und Kompensationsfilterkreisen besteht.The invention relates to a circuit arrangement for the direct conversion of electrical energy, which essentially consists of a converter transformer having two low-voltage windings, a direct converter and compensation filter circuits.
Umrichter haben die Aufgabe, elektrische Energie eines Wechselstromsystems mit einer bestimmten Frequenz und Phasenzahl in einen Wechselstrom gleicher oder anderer Phasenzahl umzuformen. Das Umrichten wurde früher mit Maschinenumformern vorgenommen. In der heutigen Leistungselektronik sind Umrichter statische Einrichtungen, bei denen Halbleiterbauelemente als Stromrichterventile eingesetzt sind. Zu diesen zählen u.a. Direktumrichter ("Elektronik-Lexikon" Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1974, S. 564/565). Direktumrichter arbeiten ohne Gleichstromzwischenkreise. Die Frequenzumwandlung erfolgt durch die Zündfolge der Stromrichterventile.The task of converters is to convert electrical energy from an alternating current system with a certain frequency and number of phases into an alternating current with the same or a different number of phases. Conversion used to be carried out using machine converters. In today's power electronics, converters are static devices in which semiconductor components are used as converter valves. These include direct converters ("Electronics Dictionary" Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1974, p. 564/565). Direct converters work without DC intermediate circuits. The frequency conversion is carried out by the firing sequence of the converter valves.
Direktumrichter, die mit einfachen Thyristor-Stromrichtern ausgeführt sind, erzeugen schaltungsbedingt Blindleistung.Direct converters, which are designed with simple thyristor converters, generate reactive power due to their circuitry.
Diese Blindleistung führt zu einer Verschlechterung des Netz-Kosinus der Phasenverschiebung. Sie gilt es zu kompensieren.This reactive power leads to a deterioration of the network cosine of the phase shift. This must be compensated.
Es ist bekannt, zur Kompensation der Blindleistung an einer 0 gemeinsamen Hochspannungsanlage Filterkreise anzuschließen,It is known to connect filter circuits to compensate for reactive power in a common high-voltage system,
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die einerseits die Aufgabe haben, die am Netz vorhandene induktive Blindleistung durch eine gleichgroße kapazitive Blindleistung zu kompensieren und andererseits vorhandene Netzoberschwingungen herauszufiltern. Bei schwachen Netzen kann es daher erforderlich sein, mit Hilfe eines Streutransformators und eines nachgeschalteten Stellers die am Netz vorhandene induktive Blindleistung konstant zu halten. Dies weist den Nachteil auf, daß zusätzliche Blindleistung erzeugt wird.which, on the one hand, have the task of compensating for the inductive reactive power present in the network with an equally large capacitive reactive power and, on the other hand, of filtering out existing network harmonics. In weak networks, it may therefore be necessary to keep the inductive reactive power present in the network constant with the help of a leakage transformer and a downstream controller. This has the disadvantage that additional reactive power is generated.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum direkten Umrichten elektrischer Energie zu schaffen, bei der die erzeugte Blindleistung gering ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an den Unterspannungswicklungen jeweils ein in Form eines Dreiecks geschalteter Kompensationsfilterkreis angeschlossen ist, bei denen in Reihe mit jeder Phase ein Thyristorelement in Gegenparallelschaltung vorgesehen ist.The invention aims to remedy this. The invention is based on the object of creating a circuit arrangement for the direct conversion of electrical energy in which the reactive power generated is low. According to the invention, this object is achieved in that a compensation filter circuit connected in the form of a triangle is connected to each of the low-voltage windings, in which a thyristor element is provided in series with each phase in a counter-parallel connection.
Mit der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zum direkten Umrichten elektrischer Energie geschaffen, die selbst nur wenig Blindleistung erzeugt.The invention creates a circuit arrangement for the direct conversion of electrical energy, which itself generates only a small amount of reactive power.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Direktumrichter in Doppel-Sternschaltung ausgeführt. Durch diese Maßnahme ist die vom Stromrichter erzeugte Blindleistung minimiert. Darüber hinaus weist diese Ausführung keine Oberschwingungsströme im Ausgangsstrom mit dreifacher Ausgangsfrequenz auf. Wei-In a further development of the invention, the direct converter is designed in a double star connection. This measure minimizes the reactive power generated by the converter. In addition, this design does not have any harmonic currents in the output current with three times the output frequency.
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terhin besteht keine Einschränkung der verwendeten Läuferbauweise bei einer angeschlossenen synchronen Maschine.Furthermore, there are no restrictions on the rotor design used when a synchronous machine is connected.
In Ausgestaltung der Erfindung sind die Unterspannungswicklungen des Stromrichter-Transformators verschachtelt gewik-• kelt. Durch eine solche Wicklung ist eine enge Vekopplung zwischen den beiden Unterspannungssystemen hervorgerufen.In an embodiment of the invention, the low-voltage windings of the converter transformer are interleaved. Such a winding creates a close coupling between the two low-voltage systems.
Vorteilhaft ist ein Erregerumrichter mit einem Erregertransformator an eine der Unterspannungswicklungen angeschlossen. Durch diese Anordnung unterliegt der Stromrichtertransformator nur einer geringen Mehrbelastung von etwa 1 bis 2 %. Ein eigener Hochspannungsabzweig für den Erregertransformator kann damit entfallen. Der Erregertransformator kann in vielen Fällen auch als Spartransformator ausgeführt werden.It is advantageous to have an excitation converter with an excitation transformer connected to one of the low-voltage windings. This arrangement means that the converter transformer is only subject to a small additional load of around 1 to 2%. A separate high-voltage branch for the excitation transformer can therefore be omitted. In many cases, the excitation transformer can also be designed as an autotransformer.
Bevorzugt ist der Erregertransformator mit einer Dreieckswicklung auszuführen. Durch diese Schaltung ist zusammen mit dem Anschluß des Erregerstromrichters an eine Unterspannungswicklung des Stromrichter-Transformators auch die Kompensation der vom Erregerstromrichter erzeugten Blindleistung gewährleistet, ohne daß der Stromrichtertransformator wesentlich größer auszulegen ist.The excitation transformer is preferably designed with a delta winding. This circuit, together with the connection of the excitation converter to a low-voltage winding of the converter transformer, also ensures compensation for the reactive power generated by the excitation converter, without the converter transformer having to be designed significantly larger.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung.Embodiments and developments of the invention are described in the remaining subclaims. An embodiment is shown in the drawing and is described in detail below. The single figure shows a schematic of a circuit arrangement according to the present invention.
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Die Schaltungsanordnung zum direkten Umrichten elektrischer Energie weist einen Stromrichter-Transformator 1 mit zwei Unterspannungswicklungen 11,12 auf. An den Unterspannungswicklungen 11,12 ist ein Direktumrichter 3 angeschlossen. Der Direktumrichter 3 ist in Doppel-Sternschaltung ausgeführt und aus Thyristorelementen 15 aufgebaut. Zwischen dem Direktumrichter 3 und dem Stromrichter-Transformator 1 sind Kommutierungsdrosseln 2 vorgesehen. Der Direktumrichter 3 ist andererseits mit einem Synchron-Motor 4 verbunden. Zwischen Direktumrichter 3 und Synchron-Motor 4 sind Stromist-Wertgeber 10 angeordnet.The circuit arrangement for directly converting electrical energy has a converter transformer 1 with two low-voltage windings 11, 12. A direct converter 3 is connected to the low-voltage windings 11, 12. The direct converter 3 is designed in a double star connection and is made up of thyristor elements 15. Commutation chokes 2 are provided between the direct converter 3 and the converter transformer 1. The direct converter 3 is also connected to a synchronous motor 4. Actual current value sensors 10 are arranged between the direct converter 3 and the synchronous motor 4.
An die verschachtelt gewickelten Unterspannungswicklungen 11,12 des Stromrichter-Transformators 1 sind jeweils Korapensationsfilterkreise 7,8 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel ist an die Unterspannungswicklung 11 der Kompensationsfilterkreis 7, an die Unterspannungswicklung 12 der Kompensationsfilterkreise 8 angeschlossen. Die Kompensationsfilterkreise 7,8 sind jeweils in "Dreieckschaltung" geschaltet. Sie bestehen aus Spulen 13 und Kondensatoren 14. Jede Phase der Kompensationsfilterkreise 7,8 weist jeweils eine Spule 13 und einen Kondensator 14 auf. Die Kapazität der Filterkreiskondensatoren 14 ist so groß gewählt, daß mindestens 90 % der induktiven Blindleistung, die vom Direktumrichter 3 erzeugt wird, kompensiert werden kann.Compensation filter circuits 7, 8 are connected to the interleaved low-voltage windings 11, 12 of the converter transformer 1. In the example, the compensation filter circuit 7 is connected to the low-voltage winding 11, and the compensation filter circuit 8 is connected to the low-voltage winding 12. The compensation filter circuits 7, 8 are each connected in a "delta connection". They consist of coils 13 and capacitors 14. Each phase of the compensation filter circuits 7, 8 has a coil 13 and a capacitor 14. The capacitance of the filter circuit capacitors 14 is chosen to be large enough that at least 90% of the inductive reactive power generated by the direct converter 3 can be compensated.
In Reihe mit jeder Phase der Filterkreise 7,8 ist ein Thyristorelement 9 in Gegenparallelschaltung geschaltet. Die Thyristorelemente 9 können auch als Blindleistungs-Kompensa-0 tionsschalter bezeichnet werden. Die Betätigung der Elemen-A thyristor element 9 is connected in series with each phase of the filter circuits 7,8 in a reverse parallel connection. The thyristor elements 9 can also be referred to as reactive power compensation switches. The operation of the elements
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te/Schalter 9 erfolgt erst, wenn der Direktumrichter 3 belastet wird; die Abschaltung erfolgt, wenn der Direktumrichter 3 entlastet wird. Die Verwendung der gleichen Thyristorelemente sowohl in den Filterkreisen 7,8 als auch in dem Direktumrichter 3 ist möglich. Aufgrund der Thyristorelemente 9 und der daraus resultierenden schaltbaren Blindleistungskompensation fließt über die Filterkreise 7,8 nur kapazitiver Strom, wenn Blindleistung durch die Stromrichter 3 erzeugt wird. Damit ist der Gesamtwirkungsgrad einer mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung versehenen Anlage erheblich günstiger im Vergleich zu Anlagen, bei denen der kapazitive Blindstrom dauernd eingeschaltet ist.te/switch 9 only occurs when the direct converter 3 is loaded; the switch-off occurs when the direct converter 3 is unloaded. The use of the same thyristor elements in both the filter circuits 7,8 and the direct converter 3 is possible. Due to the thyristor elements 9 and the resulting switchable reactive power compensation, only capacitive current flows through the filter circuits 7,8 when reactive power is generated by the power converters 3. The overall efficiency of a system equipped with the circuit arrangement according to the invention is therefore considerably better compared to systems in which the capacitive reactive current is permanently switched on.
Die Ausbildung der Blindleistungskompensationsanlage als FiI-terkreise ermöglicht darüber hinaus die Begrenzung des Verhältnisses (di/dt) für die Thyristor-Schalter auf zulässige Werte. Im Ausführungsbeispiel ist der Kompensationsfilterkreis 7 auf die fünfte und der Kompensationsfilterkreis 8 und die siebte Harmonische abgestimmt.The design of the reactive power compensation system as filter circuits also enables the ratio (di/dt) for the thyristor switches to be limited to permissible values. In the example, the compensation filter circuit 7 is tuned to the fifth harmonic and the compensation filter circuit 8 and the seventh harmonic.
An die Unterspannungswicklung 12 ist weiterhin ein Erregerstromrichter 6 mit einem Erregertransformator 5 angeschlossen. Der Erregertransformator 5 hat eine Sekundärwicklung in Dreieckschaltung und ist selber auf der der Unterspannungswicklung 12 des Stromrichter-Transformators 1 angeschlossen. Zwischen Erregerstromrichter 6 und Synchron-Motor 4 ist ein Strom-Ist-Wertgeber 10 vorgesehen. Der vom Direktumrichter 3 und Erregerstromrichter 6 erzeugte induktive Blindstrom auf der Transformator-Sekundärseite ist mit Hilfe eines Regelkreises auf einem konstanten Wert &khgr; gehalten, als StellgrößeAn excitation converter 6 with an excitation transformer 5 is also connected to the low-voltage winding 12. The excitation transformer 5 has a secondary winding in a delta connection and is itself connected to the low-voltage winding 12 of the converter transformer 1. An actual current value sensor 10 is provided between the excitation converter 6 and the synchronous motor 4. The inductive reactive current generated by the direct converter 3 and the excitation converter 6 on the transformer secondary side is kept at a constant value &khgr; with the help of a control loop, as a control variable
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für den Regelkreis dient der schaltungsinterne Kosinus der Phasenverschiebung (cos &phgr;) der Maschine. Der Wert &khgr; sollte nicht unter etwa 90 % der installierten kapazitiven Blindleistung der Filterkreise 7,8 liegen. Dadurch übernimmt der Synchron-Motor 4 mit dem Direktumrichter 3 gleichzeitig die Funktion eines geregelten Blindleistungssteller (TCR). Damit ist sichergestellt, daß ein optimaler Leistungsfaktor schon auf der Unterspannungsseite des Stromrichter-Transformators erzielt ist.The internal cosine of the phase shift (cos φ) of the machine is used for the control loop. The value φ should not be less than about 90% of the installed capacitive reactive power of the filter circuits 7,8. As a result, the synchronous motor 4 with the direct converter 3 simultaneously takes on the function of a regulated reactive power controller (TCR). This ensures that an optimal power factor is already achieved on the low-voltage side of the converter transformer.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Motorspannung im Verhältnis zur Transformator-Sekundärspannung wesentlich höher gewählt werden, da die induktiven Spannungsabfälle des Stromrichtertransformators 1 und des Netzes wegen der geregelten Kompensation unberücksichtigt bleiben dürfen. Die Wirkströme des Motors 4 werden kleiner und es können infolgedessen preiswertere Stromrichter Anwendung finden.With the help of the circuit arrangement according to the invention, the motor voltage can be chosen to be significantly higher in relation to the transformer secondary voltage, since the inductive voltage drops of the converter transformer 1 and the network can be disregarded due to the regulated compensation. The active currents of the motor 4 become smaller and, as a result, cheaper converters can be used.
Der Spannungsgewinn beträgt gegenüber herkömmlichen Schaltungsanordnungen je nach Anwendungsfall bis zu ungefähr 20 %. Darüber hinaus ist die Auslegung des Stromrichter-Transformators 1 allein auf die Wirkleistung möglich, was zu einer bis zu ca. 20 % kleineren Auslegung der Transformator-Größe führt. Darüber hinaus erweist sich der virtuelle Mehraufwand durch die höhere Thyristoranzahl der Filterkreise für den Einzelantrieb aufgrund des wesentlich höheren Gesamtwirkungsgrades sowie die Einsparung von Hochspannungsabzweigen für Erregertransformator und Filterkreise als wesentlich preiswerter im Hinblick auf die bekannten Lösungen.The voltage gain compared to conventional circuit arrangements is up to approximately 20%, depending on the application. In addition, the converter transformer 1 can be designed based on the active power alone, which leads to a transformer size that is up to approximately 20% smaller. In addition, the virtual additional effort due to the higher number of thyristors in the filter circuits for the individual drive proves to be significantly less expensive compared to the known solutions due to the significantly higher overall efficiency and the saving of high-voltage branches for the excitation transformer and filter circuits.
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Eine Variante der Erfindung könnte so aussehen, daß der induktive Blindstrom auf der Sekundärseite des Transformators mit Hilfe von Drosseln und nachgeschalteten Stellern TCR konstant auf den Wert &khgr; gehalten wird, wobei die Drosseln und Steller an die Sekundärseite des Transformators 1 angeschlossen sind.A variant of the invention could be that the inductive reactive current on the secondary side of the transformer is kept constant at the value &khgr; with the help of chokes and downstream controllers TCR, whereby the chokes and controllers are connected to the secondary side of the transformer 1.
Claims (11)
511. Circuit arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the value &khgr; is approximately equal to the installed capacitive reactive power of the filter circuits (7,8).
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