DE3410878C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anfahren eines Bahnumformers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bahnumformer sind Anlagen zur 16 ²/₃-Hz-Einphasen-Bahnstromversor­ gung aus dem 50-Hz-Landesnetz (Drehstromnetz). Da zwischen den beiden Netzen kein starres Frequenzverhältnis besteht, ist eine frequenzelastische Netzkupplung erforderlich. Dieses technische Problem wurde in der Vergangenheit mit Hilfe von fünf starr gekuppelten elektrischen Ma­ schinen gelöst, die mit Drehstromkommutatoren und Schleifringen aus­ gerüstet waren.

Mit dem Aufkommen der Thyristortechnik wurden schon Mitte der sechziger Jahre Überlegungen angestellt, den aufwendigen Maschinen­ umformersatz mit Hilfe leistungselektronischer Komponenten zu ver­ einfachen. Es gelang im Bahnunterwerk "Neu-Ulm", die aufwndige Hintermaschine und den Maschinen-Frequenzwandler durch einen Direkt­ umrichter zu ersetzen ("Asynchroner Netzkupplungsumformer von AEG- TELEFUNKEN für die Bahnstromversorgung"; Sonderheft, Techn. Mitt. AEG-TFK 63 (1973) Heft 7). Von diesem Stand der Technik wird gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen.

Der vereinfachte Maschinensatz besteht nunmehr aus drei Einzelma­ schinen, die in der Fig. 1 dargestellt sind. Zum Bahnumformer ge­ hören danach die doppelgespeiste Asynchronmaschine (ASM) 1, die Einphasen-Synchronmaschine (SYM) 6, der Dreiphasen-Wellengenera­ tor 8, der Direktumrichter 4, der Erregerstromrichter 5 sowie ein Anlaßtransformator 2, ein Anlaßwiderstand 3, ein Bremsgleichrich­ ter 7 und eine Reihe von Schaltgeräten und Transformatoren 9, 10. Der Direktumrichter 4 hat dieselbe Aufgabe wie die Hintermaschine und der Maschinen-Frequenzwandler bei der früheren Ausführungs­ form des Bahnumformers. Er soll die Schlupfwirk- und -blindleistung erzeugen und läuferseitig mit der entsprechenden Schlupffrequenz in die doppeltgespeiste ASM 1 einspeisen (Schalter S 21, S 22, S 4, S 12, S 2, S 61, S 62, S 3 geschlossen, S 63 offen). Auf diese Weise kann der Wirkleistungsfluß zwischen den beiden Netzen und die Blindleistung im 50-Hz-Landesnetz gesteuert werden. Die Blindleistung im Bahnnetz wird von der SYM 6 geliefert. Beide Blindleistungen können unabhän­ gig voneinander gestellt werden. Bei Ausfall des Wellengenerators 8 kann der Erregerstromrichter 5 der SYM 6 auch direkt aus dem 50-Hz- Landesnetz versorgt werden.

Zum Anlaufen des Maschinensatzes (1, 6, 8) werden die in Fig. 1 dargestellten Schalter S 1, S 12, S 20 geschlossen. Die Teilspannung des Anlaßtransformators 2 wird dabei so gewählt, daß die läufersei­ tig auftretende Spannung die zulässige Schleifringisolationsspan­ nung nicht überschreitet. Mit dem Anlaßwiderstand 3 wird etwa Nenn­ strom eingestellt, und die Maschinenwelle wird beschleunigt. Kurz vor Erreichen der Nenndrehzahl wird der Anlaßwiderstand 3 im Schnell­ gang wieder in Maximumstellung gefahren; die Drehzahl fällt dabei nur geringfügig ab. Dann wird zunächst mit dem Schalter S 1 der Sternpunkt des Anlaßtransformators 2 geöffnet; nun ist der größere Teil seiner Wicklung als Drosselspule wirksam. Nach etwa 0,5 s wird die Teilwicklung mit dem Schalter S 2 kurzgeschlossen und damit die Ständerwicklung der Maschine (ASM) 1 direkt ans Netz gelegt. Mit dieser "Dreischaltermethode" sollen durch zweistufige Umschaltung der Teilspannungen die Schaltstöße beim Einschalten der ASM 1 möglichst gering gehalten werden.

Wenn die ASM 1 ans Netz geschaltet ist, wird der Anlaßwiderstand 3 in seine Minimalstellung gebracht. Danach wird durch Betätigen der Schalter S 20, S 4, S 21 und S 22 der Direktumrichter 4 ein- und der Anlaßwiderstand 3 abgeschaltet. Nach der Erregung der SYM 6 (Schal­ ter S 62, S 63 geschlossen) wird die ASM 1 über den Direktumrichter 4 zur Synchronisation der SYM 6 drehzahlgeregelt betrieben. Zum Syn­ chronisieren wird der Schalter S 3 bei einer Spannung am Schalter gleich Null geschlossen.

Zum beschleunigten Stillsetzen des Maschinensatzes (1, 6, 8) ist eine Ein­ richtung zum elektrischen Bremsen vorgesehen (Gleichstrombremsung). Dabei wird bei eingeschaltetem Anlaßwiderstand 3 die Ständerwick­ lung der ASM 1 bis zum Stillstand mit Gleichstrom aus dem Brems­ gleichrichter 7 gespeist (Schalter S 20, S 23, S 63, S 67 geschlossen, Schalter S 1, S 2, S 3, S 12, S 21, S 22, S 4, S 61, S 62 geöffnet) und der Läuferstrom mit dem Anlaßwiderstand 3 eingestellt. Durch die Gleich­ stromerregung wird bei sich drehendem Läufer in der Läuferwicklung der ASM 1 eine Spannung induziert, die einen Strom durch den Anlaß­ widerstand 3 treibt. Dieser Strom erzeugt ein Bremsmoment. Dadurch wird die Maschinenwelle bis zum Stillstand abgebremst.

Das Anlassen und Abbremsen der Hauptmaschinen (ASM 1, SYM 6) über Anlaßtransformator 2, Anlaßwiderstand 3 und Bremsgleichrichter 7 erfordert einen zusätzlichen Geräteaufwand und führt wegen der Schalthandlungen zu Strom- und Spannungsstößen in der Maschine (ASM 1), die besonders bei solchen mit großen Leistungen (z. B. 80 MVA) die Wick­ lungs- und Schleifringisolation gefährden könnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem der Bahnumformer ausgleichs­ schwingungsfrei mit den beiden Netzen synchronisiert werden kann und der Geräteaufwand verringert ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des vorliegenden Patentanspruchs 1 aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist im abhängigen An­ spruch gekennzeichnet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in den nachstehend beschrie­ benen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen die

Fig. 2, 4 und 5 je ein Ausführungsbeispiel, die

Fig. 3 dient zur Erläuterung der "Rücksynchronisation", d. h. zur ausgleichsschwingungsfreien Ankopplung der ASM 1 an das Drehstromnetz.

Zum Anfahren und Bremsen der Hauptmaschinen 1, 6 über Umrichter wer­ den, wie Fig. 2 zeigt, anstele von Anlaßtransformator, Anlaßwi­ derstand und Bremsgleichrichter zusätzliche anschließend näher aufge­ führte Schaltgeräte eingesetzt.

Beim Anfahren des Maschinensatzes (1, 6, 8) gibt es grundsätzlich zwei Möglich­ keiten. Die ASM 1 kann entweder als Kurzschlußläufer-ASM (Fig. 2) oder als ständerseitig erregte Synchronmaschine (Fig. 4) betrie­ ben werden. Im ersten Fall wird die ASM 1 vor dem Anfahren mit dem Schalter S 6 kurzgeschlossen. Der Direktumrichter 4 speist nach Schlie­ ßen der Schalter S 4, S 21 und S 22 die ASM 1 läuferseitig. Die Maschi­ nenwelle wird annähernd mit Nennmoment beschleunigt.

Bei z. B. 10% der Nenndrehzahl (genaue Werte können nur bei bekann­ ten Maschinen- und Umrichterdaten angegeben werden) beginnt der Feldschwächbereich, weil die Ausgangs-Nennspannung des Direktum­ richters 4 erreicht ist. Das Beschleunigungsmoment nimmt wegen der Feldschwächung mit zunehmender Drehzahl hyperbolisch ab.

Frühestens bei einer Drehzahl, bei der das von der SYM 6 abgebbare Beschleunigungsmoment größer ist als das der ASM 1, wird der Direkt­ umrichter 4 von der ASM 1 auf die SYM 6 durch Öffnen der Schalter S 21, S 22 und Schließen der Schalter S 71 und S 72 umgeschaltet. Der Aufbau der Sammelschiene S 5 wird anschließend mit Hilfe der Fig. 3 näher erläutert. Durch Parallelbetrieb der drei Teilumrichter (41, 42, 43) des Direktumrichters 4 kann die SYM 6 etwa mit Nennstrom betrieben werden. Bei eingeschalteter Erre­ gung (Schalter S 62, S 63 geschlossen) wird nun das Beschleunigungs­ moment von der SYM 6 aufgebracht. Die Umschaltung des Direktumrich­ ter-Ausganges von der ASM 1 auf die SYM 6 ist erforderlich, weil die heute verfügbaren Direktumrichter nur eine maximale Ausgangs­ frequenz von 20 Hz abgeben können. Nach der Umschaltung an die Ständerwicklung der SYM 6 ist die Ausgangsfrequenz des Direktum­ richters 4 ausreichend, die Maschinen (ASM 1, SYM 6, Wellengenerator 8) bis auf Nenndrehzahl zu beschleunigen, weil die Nennfrequenz der SYM 6 nur ¹/₃ der Nennfrequenz der ASM 1 beträgt (gilt z. B. bei 50 Hz Netzfrequenz und 16 ²/₃ Hz Bahnfrequenz). Ein frequenzgesteuerter Anlauf ohne Umschaltung nur mit Hilfe der SYM 6 ist nicht möglich, da die SYM 6 im Stillstand kein Drehmoment aufbringen kann.

Hat die Maschinenwelle die Nenndrehzahl erreicht, werden zwei Teilumrichter des Direktumrichters 4 zur Erregung der ASM 1 abgekuppelt: in der Fig. 3 sind zur Erläuterung dieses Vorganges zwei Drehstrom-Läuferwick­ lungssystme I, II der ASM 1 und eine Einphasen-Ständerwicklung 61 der SYM 6 dargestellt. Die letztere wird bei geschlossenen Schal­ tern S 71, S 711, S 72, S 721, S 4 vor dem Abkuppeln von den drei paral­ lelgeschalteten Teilumrichtern 41, 42, 43 gespeist. Zum Abkuppeln der zwei Teilumrichter 42, 43 werden die Schalter S 71, S 72 geöffnet und S 21, S 22, S 73 geschlossen. Die zwei Teilumrichter 42, 43 spei­ sen bei offenem Schalter S 6 (Fig. 2) die Drehstrom-Läuferwicklungssysteme I, II in "V-Schaltung". Der dritte Teilumrichter 41 hält den leerlaufen­ den Maschinensatz auf Nenndrehzahl (Schalter S 711, S 721 bleiben ge­ schlossen, Schalter S 221, S 211 sind geöffnet).

Ist die ASM 1 erregt, erfolgt die auch betriebsmäßig vorgesehene ausgleichsschwingungsfreie "Rücksynchronisierung" mit dem Dreh­ stromnetz (Schließen des Schalters S 12 bei Schalterspannung gleich Null). Ist die Rücksynchronisierung erfolgt, kann die ASM 1 die Drehzahlregelung übernehmen. Der dritte Teilumrichter 41 wird von den Ständerklemmen der SYM 6 getrennt und steht für seine normale Aufgabe zur Verfügung. Er wird also wieder zur Speisung der ASM- Läuferwicklungen verwendet und an die Klemmen der dritten Wicklun­ gen (w ₁, w ₂) angekuppelt. Dazu werden die Schalter S 221, S 211 ge­ schlossen und Schalter S 73 geöffnet.

Nach Erregung der SYM 6 (S 62, S 63 geschlossen) kann diese mit dem Bahnnetz synchronisiert werden. Damit ist der Hochlaufvorgang been­ det. Eine Erregung der Synchronmaschine 6 über einen Erregergene­ rator ist dann angebracht, wenn der Dreiphasen-Wellengenerator 8, wie häufig noch bei älteren Anlagen, vorhanden ist. In diesem Fall wird der Schalter S 61 geschlossen und die Schalter S 62 und S 63 werden geöffnet.

Beim Bremsvorgang werden alle Betriebszustände in umgekehrter Reihen­ folge durchlaufen, wobei die Aufteilung der drei Teilumrichter in zwei Teilumrichter 42, 43 für die ASM 1 in "V-Schaltung" und einen Teilumrichter 41 für die SYM 6 entfallen kann. Dabei wird die anfal­ lende Bremsenergie ins Netz zurückgespeist.

Da die ASM 1 bei der Schaltung nach Fig. 2 nicht mit dem Leistungs­ faktor cosϕ = 1 betrieben werden kann (die Magnetisierungsleistung muß vom Direktumrichter 4 aufgebracht werden), hat das Anlaufdreh­ moment nicht seinen maximal möglichen Wert (cosϕ < 1). Durch Um­ schalten des Erregerstromrichters 5 an die Ständerklemmen der ASM 1 kann diese schon im Stillstand ständerseitig erregt werden und als SYM mit gesteigertem Moment anlaufen.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie mit Hilfe der zusätzlichen Schalter S 82, S 81 der Erregerstromrichter 5 zur ständerseitigen Erregung der ASM 1 umgeschaltet wird. Zur Erregung wird Schalter S 82 geöffnet und Schalter S 81 geschlossen (die sonstigen Bezugszeichen in der Fig. 4 entsprechen denen in der Fig. 2). Dadurch kann die Anlaufzeit ver­ kürzt werden. Beim Umschalten des Direktumrichters 4 an die Stän­ derklemmen der SYM 6 muß dann auch der Erregerstromrichter 5 mit umgeschaltet werden (Schalter S 81 geöffnet, Schalter S 82 ge­ schlossen).

Bei den heute üblichen Direktumrichterschaltungen in ⁶/₁₂-Puls-Aus­ führung beträgt die maximale Ausgangsfrequenz ¹/₃ der Netzfrequenz. Der Anwendungsbereich dieses einfachen Umrichters kann wesentlich erweitert werden, wenn höhere Ausgangsfrequenzen erreichbar sind. Dazu muß die Schaltung des Direktumrichters modifiziert und der Steueralgorithmus geändert werden.

Um Direktumrichter mit erweitertem Frequenzbereich auch beim Bahn­ umformer anwenden zu können, wird, wie in Fig. 5 (auch hier sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet) dargestellt, die ASM 1 ständerseitig mit dem Erregerstromrichter 5 erregt, damit die ASM 1 im höheren Frequenzbereich die Umrichterführung über­ nehmen kann. Für den Umrichter 4 wird dann ein Steuergerät 41 mit geändertem Steueralgorithmus eingesetzt.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Umschaltung der Ausgangsklemmen des Direktumrichters 4 an die Ständerwicklung der SYM 6 mit den Schaltern S 71, S 72 nach Fig. 2 entfallen kann. Weiterhin werden dadurch auch die Leistungspulsationen vermieden, die im Anlaufbereich für kurze Zeit bei der Speisung der Einpha­ sen-SYM über den Direktumrichter 4 im Drehstromnetz auftreten.

Wenn der Erregerstromrichter 5 nicht umgeschaltet werden soll, kann die ASM 1 mit verringertem Drehmoment auch asynchron über einen Direktumrichter mit erweitertem Frequenzbereich beschleunigt werden. In diesem Fall ist - vgl. Fig. 2 - ein Kurzschließer 6 für die Stän­ derwicklungen der ASM 1 erforderlich.

Claims (2)

1. Verfahren zum Anfahren eines Bahnumformers, der zum Energieaus­ tausch zwischen einem Drehstromnetz und einem Einphasen-Bahnnetz dient und aus einer Einphasen-Synchronmaschine, einem Dreiphasen- Wellengenerator, einem Erregerstromrichter und einer doppeltge­ speisten Asynchronmaschine besteht, wobei die Asynchronmaschine zwei aus drei Läuferwicklungen bestehende Wicklungssysteme und einen läuferseitig zuschaltbaren Direkt­ umrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Asynchronmaschine (1) ständerseitig kurzgeschlossen wird,
daß die Einphasen-Synchronmaschine (6) im unteren Drehzahlbereich mit der vom Direktumrichter (4) gespeisten Asynchronmaschine (1) bis zu einer Drehzahl beschleunigt wird, bei der das von der Einphasen-Synchronmaschine (6) abgebbare Drehmoment größer ist als das der Asynchronmaschine (1),
daß dann der Direktumrichter (4) von den Läuferwicklungen (I, II, u ₁ . . . w ₂) der Asynchronmaschine (1) mit Schaltern (S 21, S 11, S 22, S 221) abgetrennt wird und mit weiteren Schaltern (S 71, S 711, S 72, S 721) an die Ständerwicklung (61) der Einphasen-Synchronmaschi­ ne (6) angekuppelt wird,
daß die Asynchronmaschine (1) mit der über den Direktumrichter (4) gespeisten Einphasen-Synchronmaschine (6) bis zur Nenndrehzahl beschleunigt wird,
daß dann zur ausgleichsschwingungsfreien Ankupplung der Asynchronma­ schine (1) an das Drehstromnetz zwei Teilstromrichter (42, 43) des Direktumrichters (4) mit einem ersten und zweiten Schal­ ter (S 21, S 22) an jeweils zwei Läuferwicklungen der zwei Wicklungssy­ steme (I, II) der Asynchronmaschine (1) geschaltet und die An­ schlüsse (w ₁, w ₂) der dritten Läuferwicklungen mit einem dritten Schal­ ter (S 73) verbunden werden, und
daß der dritte Teilstromrichter (41) die Einphasen-Synchronma­ schine (6) weiterspeist bis die Asynchronmaschine (1) über die zwei anderen Teilstromrichter (42, 43) aufmagnetisiert ist und die Ständerwicklung, an der jetzt Spannung liegt, bei vor­ liegender Spannung null an einem vierten Schalter (S 12) mit dem Drehstromnetz verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Beschleunigungsmoments die Asynchronma­ schine (1) im Motorbetrieb als Synchronmaschine anläuft, wobei die Erregereinrichtung (5) der Einphasen-Synchronmaschine (6) im unteren Drehzahlbereich zur Erregung der Asynchronmaschine (1) eingesetzt wird und dafür ein fünfter Schalter (S 81) geschlossen und ein sechster Schalter (S 82) geöffnet wird und wobei die Er­ regereinrichtung (5) der Einphasen-Synchronmaschine (6) im oberen Drehzahlbereich zur Erregung der Synchronmaschine (6) eingesetzt wird und dafür dann der sechste Schalter (S 82) geschlossen und der fünfte Schalter (S 82) geöffnet wird.