DE3002945A1 - TRANSFORMER SYSTEM - Google Patents
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UmformersystemConverter system
Die Erfindung bezieht sich auf ein Umfarmersystem mit einem Drehstrommotor, der mit einem Synchrongenerator gekuppelt ist.The invention relates to a hugger system with a Three-phase motor coupled with a synchronous generator.
Umformersysteme der genannten Art werden als Netzstabilisatoren, Frequenzumformer oder in Notstromanlagen betrieben.Converter systems of the type mentioned are operated as network stabilizers, frequency converters or in emergency power systems.
Netzstabilisatoren sind Motorgeneratoren, die generatorseitig ein Sekundärnetz speisen, an das hochwertige und empfindliche Verbraucher angeschlossen sind. Durch den Hotorgenerator wird eine vollständige Trennung des Sekundärnetzes vom Primärnetz erreicht und alle im Primärnetz auftretenden Störungen, wie Spannungsspitzen, Überspannungen, Spannungseinbrüche ferngehalten. Aufgrund der in den rotierenden Massen gespeicherten Energie •wird auch die Einwirkung kurzzeitiger Netzunterbrechungen imNetwork stabilizers are motor generators that feed a secondary network on the generator side to the high-quality and sensitive Consumers are connected. The Hotorgenerator completely separates the secondary network from the primary network and all disturbances occurring in the primary network, such as voltage peaks, overvoltages, voltage dips, are kept away. Due to the energy stored in the rotating masses • the effect of short-term network interruptions in the
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Primärnetz vom Sekundärnetz ferngehalten. Als Antriebsmotoren bei Netzstabilisatoren sind Synchron- oder Asynchronmotoren verwendbar. Die Generatoren sind vorzugsweise bürstenlos erregte Synchrongeneratoren.Primary network kept away from the secondary network. Synchronous or asynchronous motors are used as drive motors for mains stabilizers usable. The generators are preferably brushlessly excited synchronous generators.
Sind Primär- und Sekundärfrequenz nicht gleich, arbeitet der Motorgenerator als Frequenzumformer, wobei die unterschiedlichen Frequenzen entweder bei gleicher Drehzahl von Motor und Generator durch unterschiedliche Polzahlen erreicht werden. Es ist auch bekannt, die Drehzahldifferenz Über Getriebe herbeizuführen, oder auch durch Mischsysteme, bei denen die Frequenzdifferenz einmal durch unterschiedliche Polzahl und zum andern über ein Zwischengetriebe erzielt wird. Liegt die Sekundärfrequenz dicht bei der Primärfrequenz, wie z.B. beim übergang von 50 auf 60 Hz, ergeben sich bei der bevorzugten getriebelosen Ausführung große Polzahlen, die sich ebenso wie Getriebe ungünstig auf Baugröße, Gewicht und Preis auswirken. Auch bei Frequenzumformern kommen als Antriebsmotoren bevorzugt Synchron- oder Asynchronmotoren in Frage. Frequenzumformer weisen im übrigen auch Netzstabilisatoreigenschaften auf.If the primary and secondary frequency are not the same, the works Motor generator as a frequency converter, with the different frequencies either at the same engine speed and generator can be achieved by different numbers of poles. It is also known to bring about the speed difference via gear, or also through mixed systems in which the frequency difference is due to a different number of poles and to the other is achieved via an intermediate gear. If the secondary frequency is close to the primary frequency, e.g. at the transition from 50 to 60 Hz, result in the preferred gearless Execution of large numbers of poles, which, like gearboxes, have an unfavorable effect on size, weight and price. Even In the case of frequency converters, the preferred drive motors are synchronous or asynchronous motors. Frequency converter also have network stabilizer properties.
Problematisch ist bei den bekannten Umformersystemen, daß bei Netzausfall die als Antriebsmotoren verwendeten Synchron- und auch Asynchronmotoren generatorisch weiterarbeiten und erhebliche Leistungen in das Primärnetz zurückspeisen können. Diese Rückleistung muß neben der vom Generator abzugebenden Leistung der in den rotierenden Massen gespeicherten Energie entnommen werden. Dadurch verkürzen sich bei Netzausfall die zur Verfügung stehenden Überbrückungszeiten erheblich.The problem with the known converter systems is that at Power failure, the synchronous and asynchronous motors used as drive motors continue to work as a generator and considerable Can feed power back into the primary network. This reverse power must be delivered in addition to the generator Power can be taken from the energy stored in the rotating masses. This shortens in the event of a power failure the available bridging times considerably.
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Bei Netzwiederkehr treten andererseits besonders bei Asynchronmotoren starke Strometöße im Primärnetz auf, welche vorgeschaltete Leistungsschalter auslösen können. Zusätzlich sind vor allem bei Synchronmotoren Synchronisiereinrichtungen erforderlich, die eine Rückschaltung nur bei Phasengleichheit zulassen.On the other hand, when the mains is restored, this occurs especially with asynchronous motors strong current surges in the primary network, which upstream Circuit breaker can trip. Synchronizing devices are also required, especially with synchronous motors, which only allow a downshift in the event of phase equality.
Bei Motorgeneratoren, die eine unterbrechungslose Stromversorgung sicherstellen sollen, muß der Antriebsmotor bei Netzausfall von einer Batterie gespeist werden. Für solche Systeme werden daher vorzugsweise Gleichstrommotoren verwendet, bei denen die Frequenz des Sekundärnetzes durch Beeinflussung der Erregung unabhängig von Speisespannung und Frequenz konstant gehalten wird. Wegen der großen Erregerzeitkonstanten sind zur Erzielung einer guten Regeldynamik bei Störgrößeneinwirkung im allgemeinen zusätzliche Schwungmassen erforderlich, die besonders bei hohen Leistungen große Massen beinhalten können und für die besondere Lagerungen vorgesehen werden müssen.For motor-generators that have an uninterruptible power supply to ensure, the drive motor must be powered by a battery in the event of a power failure. For such systems DC motors are therefore preferably used in which the frequency of the secondary network is influenced by the Excitation constant regardless of supply voltage and frequency is held. Because of the large excitation time constants, good control dynamics are required in the event of disturbance variables In general, additional centrifugal masses are required, which can contain large masses, especially at high powers and for which special storage must be provided.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Umformersystem zu schaffen, welches sowohl als Netzstabilisator, Frequenzumformer oder auch für die unterbrechungslose Stromversorgung betrieben werden kann, in bürstenloser Eingehäusebauart realisierbar und auch ohne zusätzliche Schwungmassen eine gute Regeldynamik aufweisen soll.The object of the invention is to create a converter system, which can be operated as a network stabilizer, frequency converter or for the uninterruptible power supply, feasible in a brushless single-housing design and should also have good control dynamics without additional centrifugal masses.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der als Synchronmotor ausgebildete Drehstrommotor drehstromseitig an einen von einer Gleichstromquelle gespeisten Stromrichter angeschlossen ist, daß der Stromrichter netzgeführt ist und seine Zündimpulse an der Phasenlage der Spannung des Synchronmotors orientiert sind.This object is achieved according to the invention in that the Three-phase motor designed as a synchronous motor on the three-phase side to a converter fed by a direct current source is connected that the converter is mains-fed and its ignition pulses on the phase position of the voltage of the synchronous motor are oriented.
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Weiter zweckmäßige Ausgestaltungen des Umformersystems sind in den Unteransprüchen herausgestellt.Further expedient refinements of the converter system are set out in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Umformersystem hat den Vorteil, daß bei Netzausfall eine Lexstungsrückspeisung unmöglich ist und bei Netzwiederkehr keine unkontrollierten Stromstöße auftreten. Das Umformersystem kann aus Batterien gespeist werden, wie es bei Anlagen zur unterbrechungslosen Stromversorgung erforderlich ist. Es ist aber auch eine Speisung aus einem Wechselstromnetz über einen Gleichstromzwischenkreis möglich, wobei dieser Gleichstromzwischenkreis über ungesteuerte Gleichrichter gespeist werden kann.The converter system according to the invention has the advantage that in the event of a power failure a power recovery is impossible and no uncontrolled power surges occur when the power returns. The converter system can be fed from batteries, as is the case with systems for uninterruptible power supply is required. However, it is also possible to supply it from an alternating current network via a direct current intermediate circuit, this DC link can be fed via uncontrolled rectifiers.
Die Erfindung ist in der Zeichnung mit einer Schaltung veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated in the drawing with a circuit and described in detail below with reference to the drawing.
Auf einer gemeinsamen Welle 2 sind die Läufer eines Synchronmotors 4 und eines Synchrongenerators 6 angebracht, die beide bürstenlos erregt werden, wobei für den Synchronmotor 4 eine Erregermaschine 8 und für den Synchrongenerator 6 eine Erregermaschine 10 mit ihren Läufern auf der gemeinsamen Welle 2 angeordnet sind. Mit der Welle gekuppelt oder auch auf der gemeinsamen Welle angeordnet ist der Läufer eines AnwurfmotorsThe rotors of a synchronous motor are on a common shaft 2 4 and a synchronous generator 6 attached, both of which are energized brushless, for the synchronous motor 4 a Excitation machine 8 and, for the synchronous generator 6, an excitation machine 10 with its rotors arranged on the common shaft 2 are. The rotor of a starter motor is coupled to the shaft or also arranged on the common shaft
Der Synchronmotor 4 ist an einen Stromrichter 14 angeschlossen. Der Stromrichter speist den Synchronmotor über gesteuerte Stromrichterventile l6. Gleichstromseitig wird der Stromrichter aus einem Wechselstromnetz 18 über ungesteuerte Gleichrichter 20 gespeist. Soweit erforderlich, beispielsweise bei Systemen für die unterbrechungslose Stromversorgung ist zusätzlich eine Batterie 22 vorgesehen. Im Gleichstromkreis ist eine Glättungsdros3el 24 vorgesehen. Der Gleichstromkreis kann auch ein Gleichstromnetz sein. Der Gleichrichter kann sechspulsig ausgebildet sein. Es ist aber auch ein zwölfpulsiger Betrieb möglich, bei-The synchronous motor 4 is connected to a converter 14. The converter feeds the synchronous motor via controlled Converter valves l6. The converter is on the DC side fed from an alternating current network 18 via uncontrolled rectifiers 20. As far as necessary, for example with systems A battery 22 is also provided for the uninterruptible power supply. There is a smoothing choke in the direct current circuit 24 provided. The direct current circuit can also be a direct current network. The rectifier can have six pulses be. However, twelve-pulse operation is also possible, both
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spielaweise durch Vorschaltung eines Drehstrom-Trenntransformators mit zwei voneinander isolierten Sekundärsystemen, die gegeneinander um 30 elektrische Grad verschoben sind. In diesem Fall wird jedes System mit einem Gleichrichter in Drehstrombrückenschaltung belastet. Durch eine zwölfpulsige Gleichrichterschaltung wird das Primärnetz weitestgehend von dem durch die Gleichrichter erzwungenen Stromoberwellen freigehalten. Es bleiben ungedämpft lediglich die Oberwellen der elften und dreizehnten Ordnung mit 9 % bzw. 7,5 % des Grundwellenanteils.For example, by connecting a three-phase isolating transformer with two isolated secondary systems, which are mutually shifted by 30 electrical degrees. In this case, each system is loaded with a rectifier in a three-phase bridge circuit. By means of a twelve-pulse rectifier circuit, the primary network is largely kept free from the current harmonics forced by the rectifier. Only the harmonics of the eleventh and thirteenth order with 9 % and 7.5 % of the fundamental wave component remain undamped.
Da die Gleichrichter ungesteuert sind, ist die Spannung des Gleichstromzwischenkreises direkt proportional der Spannung des speisenden Netzes.Since the rectifiers are uncontrolled, the voltage of the DC link is directly proportional to the voltage of the feeding network.
Die Gleichspannung des Gleichstromzwischenkreises wird durch einen Thyristor-Stromrichter in Drehstrombrückenschaltung, der drehstromseitig mit dem Synchronmotor verbunden ist, in eine dreiphasige Wechselspannung zurückverwandelt.The DC voltage of the DC link is generated by a thyristor converter in a three-phase bridge circuit, which is connected to the synchronous motor on the three-phase side, is converted back into a three-phase alternating voltage.
Der Stromrichter arbeitet als netzgeführter Wechselrichter, über den die zum Betrieb des Synchronmotors benötigte Wirkleistung dem Gleichstromkreis entnommen wird.The converter works as a line-commutated inverter, via which the real power required to operate the synchronous motor is taken from the DC circuit.
Die vom Stromrichter benötigte Steuer- und Kommutierungsblindleistung wird vom Synchronmotor aufgebracht. Da der Synchronmotor mit konstanter Drehzahl und konstanter Spannung betrieben wird, kann die Triggerung des Stromrichters direkt von der Klemmenspannung des Synchronmotors abgeleitet werden. Durch Steuerung des Zündeinsatzes der Thyristoren bezogen auf Klemmenspannung des Synchronmotors läßt sich die Wirkstromaufnähme des Synchronmotors und somit dessen Drehmoment steuern. Das Drehmoment ist bei konstanter Motorspannung und konstanter Drehzahl praktisch proportional dem im Gleichstromzwischenkreis fließenden Strom.The control and commutation reactive power required by the converter is applied by the synchronous motor. Because the synchronous motor with constant speed and constant voltage is operated, the triggering of the converter can be derived directly from the terminal voltage of the synchronous motor. The active current consumption can be controlled by controlling the ignition insert of the thyristors in relation to the terminal voltage of the synchronous motor of the synchronous motor and thus its torque. The torque is at constant motor voltage and more constant Speed practically proportional to the current flowing in the DC link.
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Die Drehzahlregelung des Motors läßt sich damit in bekannter Weise wie bei thyristorgespeisten Gleichstromantrieben durch einen Drehzahlregelkreis mit unterlagertem Stromregelkreis ausführen. Der Stromregelkreis bietet eine dynamisch schnell wirkende Strombegrenzung zum Schutz der gesamten Anlage sowie die Möglichkeit einer Störgrößenaufschaltung durch den Laststrom des Generators. Zur Regelung der Motorspannung über das Feld 9 der Erregermaschine 8 dient ein Transistor-Spannungsregler 26, der seine Betriebsspannung teils aus der Klemmenspannung des Synchronmotors, teils aus der Spannung des Netzes erhält. Hierdurch ist eine sichere Erregung des Synchronmotors unter allen Umständen sichergestellt.The speed control of the motor can thus be carried out in a known manner as with thyristor-fed direct current drives execute a speed control loop with a subordinate current control loop. The current control loop provides a dynamic fast Effective current limitation to protect the entire system as well as the possibility of interference variable feed-in through the load current of the generator. A transistor voltage regulator is used to regulate the motor voltage via the field 9 of the exciter 8 26, which derives its operating voltage partly from the terminal voltage of the synchronous motor and partly from the voltage of the mains receives. This ensures reliable excitation of the synchronous motor under all circumstances.
Bei der Auslegung der Ständerwicklung des Synchronmotors ist die zusätzliche Belastung durch die Blindleistung des Stromrichters sowie durch Stromoberwellen zu berücksichtigen.When designing the stator winding of the synchronous motor, the additional load is due to the reactive power of the converter as well as due to current harmonics.
Der Synchrongenerator 6 kann ebenso wie die Synchronmaschine als bürstenlos erregte Schenkelpolmaschine ausgeführt sein. Sein Transistor-Spannungsregler 28, der das Feld 11 der Erregermaschine 10 regelt, wird von der Klemmenspannung des Generators und vom Netz beaufschlagt.The synchronous generator 6, like the synchronous machine, can be designed as a brushless salient pole machine. being Transistor voltage regulator 28, which regulates the field 11 of the exciter 10, is from the terminal voltage of the generator and from Network applied.
Der Anwurfmotor 12 kann ein Asynchronmotor sein. Sofern nur Gleichstrom zur Verfügung steht, kann der Anwurfmotor auch als Gleichstrommotor ausgebildet sein. Auch Hydraulik- oder Pneumatikmotoren können als Anwurfmotor Verwendung finden, wenn entsprechende Antriebsmedien zur Verfügung stehen.The starting motor 12 can be an asynchronous motor. Unless only If direct current is available, the starting motor can also be designed as a direct current motor. Also hydraulic or pneumatic motors can be used as a starter motor if the appropriate drive media are available.
Der Synchronmotor kann auch in bekannter Weise asynchron angefahren werden.The synchronous motor can also be started asynchronously in a known manner will.
Die vom Stromrichter erzwungenen Stromoberwellen können durch Einschaltung von Filterkreisen 30 unterdrückt werden, die vorzugsweise als verstimmte Reihenresonanzkreise ausgeführt werden, deren Resonanzfrequenz zwischen der fünften und siebten Ober-The current harmonics forced by the converter can be suppressed by switching on filter circuits 30, which are preferably are designed as detuned series resonance circuits, the resonance frequency of which is between the fifth and seventh upper
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Wellenfrequenz liegt. Die Filter wirken unterhalb der Resonanzfrequenz und besonders für die Grundfrequenz wie ein Kondensator. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn der Filterkondensator 31 so bemessen wird, daß er die Stromrichterblindleistung deckt. Bei einer solchen Auslegung wird die Motorwicklung des Umformers sowohl von den Stromoberwellen als auch weitgehend vom Blindstrom entlastet und damit der Wirkungsgrad des Systems günstig beeinflußt.. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist darüber hinaus auch dadurch erreichbar, daß der Filterkondensator 31 einen Teil der Leerlauferregung deckt, so daß mit einer geringeren Erregerleistung gearbeitet werden kann.Wave frequency lies. The filters work below the resonance frequency and especially for the fundamental frequency like a capacitor. Particularly favorable conditions arise if the filter capacitor 31 is dimensioned so that it covers the converter reactive power. With such an interpretation the motor winding of the converter is affected by both the current harmonics as well as largely relieved of reactive current and thus has a favorable effect on the efficiency of the system Improvement of the efficiency can also be achieved in that the filter capacitor 31 is a part the idle excitation covers, so that with a lower Excitation power can be worked.
Im Betrieb wird nach Hochlauf des Systems auf annähernd Nenndrehzahl und Erregung des Synchronmotors auf Nennspannung die Zündung der Thyristoren des Stromrichters freigegeben. Bei konstantem Fluß im Synchronmotor entspricht der Strom im Gleichstromzwischenkreis dem Drehmoment des Motors. Der Stromrichter liefert somit das zur Aufrechterhaltung der Drehzahl notwendige Drehmoment, und zwar auch bei schwankendem Lastmoment durch Steuerung des Wirkstromes im Motor. Die für den Betrieb des Stromrichters erforderliche Steuer- und Kominutierungsblindleistung wird hingegen vom Synchronmotor aufgebracht. Der Vorteil dieser Stromrichter-Synchronmotorkombination gegenüber bekannten Ausführungen liegt darin, daß für den Anlauf des Systems keine besonderen Mittel für die Kommutierung des Stromreglers in Stillstandsnähe vorzusehen sind und daß Maßnahmen zur Zündung der Stromrichterventile in Abhängigkeit von der Polradstellung entfallen. Die Zündung der Ventile kann in einfachster Weise in Abhängigkeit von der Betriebswechselspannung durchgeführt werden, d.h. in Abhängigkeit von der Motorspannung.In operation, after the system has started up, the speed is almost up to the nominal speed and the synchronous motor is excited to the nominal voltage the ignition of the thyristors of the converter is enabled. With a constant flux in the synchronous motor, the current corresponds the torque of the motor in the DC link. The converter thus provides that to maintain the Speed required torque, even with fluctuating load torque by controlling the active current in the motor. The for On the other hand, the control and communication reactive power required for the operation of the converter is provided by the synchronous motor upset. The advantage of this converter-synchronous motor combination over known designs is that For the start-up of the system, no special means are to be provided for commutating the current controller in the vicinity of standstill are and that measures to ignite the converter valves depending on the pole wheel position are omitted. The ignition of the valves can be implemented in the simplest manner as a function of the operating AC voltage, i.e. as a function of from the motor voltage.
Das beschriebene Umformersystem ist mit seiner Sekundärfrequenz von allen Schwankungen auf der Eingangsseite unabhängig, da es frequenzelastisch an das Primärnetz angekoppelt ist.With its secondary frequency, the converter system described is independent of all fluctuations on the input side, because it is frequency-elastically coupled to the primary network.
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Bei Netzunterbrechungen oder Absenkung der Netzspannung unter zulässige Werte, wird der Stromrichter zunächst an die Wechselrichtertrittgrenze gesteuert. Hierdurch wird eine problemlose automatische Lastübernahme nach Netzwiederkehr möglich, wenn die Drehzahl noch nicht zu stark abgesunken ist.In the event of a mains interruption or if the mains voltage drops below permissible values, the converter will initially switch on the inverter step limit controlled. This enables problem-free automatic load transfer after the power supply returns possible if the speed has not yet dropped too much.
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