DE3416130C2

DE3416130C2 -

Info

Publication number: DE3416130C2
Application number: DE19843416130
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Junge
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-04-28
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1988-07-28
Also published as: DE3416130A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1.

Eine derartige Netzeinspeiseeinrichtung sei im Prinzip an Hand der Fig. 1 dargestellt:

Mit 1 ist eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle bezeichnet. Diese ist über einen Gleichstrom-Längsschalter 11 und eine Glättungsdrossel 12 mit einem Wechselrichter 2 verbunden, dessen Ausgang über einen in seinen Wicklungen umschaltbaren Transformator 3 auf ein Drehstromnetz 4, in das eingespeist werden soll, führt. Der Wechselrichter 2 ist netzgeführt bzw. fremdgeführt. Mit 33 ist ein Drehstrom-(Netz-)Schalter bezeichnet. Die Umschaltung der Transformatorwicklungen wird mit einem Stufenschalter 22 vorgenommen. Durch die Umschaltung der Transformatorwicklungen kann das wirksame Übersetzungsverhältnis verändert werden. Dies ermöglicht eine stufenweise Anpassung der Spannungsebenen des Netzes und der Speisequelle 1 (Stromquelle) auch bei Schwankungen der Spannungen des Netzes und der Speisequelle. Über die Aussteuerung des Wechselrichters (Wechselrichtersteuerwinkelvorgabe) kann eine genaue Spannungsanpassung gemäß der gewünschten Speiseleistung vorgenommen werden. Dies ermöglicht einen günstigen Wechselrichterbetrieb im Bereich der Vollaussteuerung, so daß die Netzbelastung mit Steuerblindleistung des Wechselrichters klein gehalten werden kann. Die Schalter 11 und 33 können prinzipiell auch entfallen. Die Schaltungselemente 12 und 14 können prinzipiell entfallen, wenn die Speisequelle 1 Stromquellencharakter aufweist.

Aus den JP-Abstracts E 238, 13. 4. 1984, Vol. 8 Nr. 81 (59-2577), vgl. insbesondere die Figur sowie den Abschnitt "Aufbau", läßt sich ein Verfahren zum Umschalten eines Stufen-Wechselspannungsschalters bei einem gegebenenfalls auch netzgeführten Drehstromwechselrichter 3 wie beim Oberbegriff des Anspruchs 1 entnehmen.

Es ist bekannt (vgl. das Buch von R. Küchler "Die Transformatoren", Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1956), den Stufenschalter unter Last umzuschalten. Nachteilig dabei ist jedoch, daß der Kontaktverschleiß zu höheren Wartungskosten führt und die Betriebszuverlässigkeit des Speisesystems verringert wird. Der Stufenschalter muß dabei als Leistungsschalter ausgelegt sein; das bedeutet erhöhte Kosten für Wartung und Schalter, größeres Bauvolumen und Gewicht des Schalters gegenüber einer leistungslos umschaltenden Einheit.

Aus dieser Literaturstelle, vgl. Seite 193, letzter Absatz bis Seite 194, 3. Zeile, läßt sich entnehmen, daß zur Strombegrenzung bei den unter Last unterbrechungslos schaltenden Lastumschaltern die zu wechselnden Wicklungsanschlüsse durch Widerstände oder Drosselspulen überbrückt werden.

Es sei zum Stand der Technik noch auf die FR-PS 13 09 670 hingewiesen, insbesondere auf die Fig. 1 und 2 und den zugehörigen Text. Dort geht hervor, daß die Umschaltung der Transformator- Anzapfungen durch Thyristoren im Nulldurchgang des Laststromes erfolgt.

Die Fig. 2 zeigt eine Netzspeiseeinrichtung entsprechend der in Fig. 1 dargestellten, wobei jedoch mehr Einzelheiten aufgezeigt sind. Es sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet; in der Speisequelle 1 ist die Spannungsquelle (Spannung U _o ) mit E, der Innenwiderstand mit R _i bezeichnet. Mit 14 ist eine Freilaufdiode bezeichnet.

Der Stromfluß über den Wechselrichter kann entweder von dem in der Zuleitung von der Speisequelle 1 zum Wechselrichter 2 befindlichen Schalter (Längsschalter) 11 oder von einem zwischen den Eingangsleitungen des Wechselrichters befindlichen Schalters (Querschalter) 13 unterbrochen werden.

Diese Schalter müssen ebenfalls als Leistungsschalter ausgeführt werden, wobei die oben für Wechselstrom-Leistungsschalter genannten Nachteile verstärkt gelten, da das Schalten von Gleichstrom besonders kontaktbelastend wirkt.

Auch wenn der Längsschalter 11 ohnehin als Trennstelle zwischen Speisequelle und Wechselrichter vorgesehen ist, so bleibt als Nachteil seine wesentlich größere Schalthäufigkeit und der somit erhöhte Verschleiß aufgrund seiner Hilfsschalterfunktion für den Stufenschalter bestehen.

Der Querschalter 13 stellt in jedem Fall einen zusätzlichen Schaltungsaufwand dar. Bei der Ausführung als Halbleiterschalter entfällt lediglich das Verschleißproblem des Schalters. Der Eliminierung der Kontaktverschleißprobleme des Längsschalters 11 durch den Einsatz von Leistungshalbleitern stehen die Nachteile der Verlustleistungserzeugung im Durchlaßbereich (zusätzliche Kühlung) und der erhöhten Kosten entgegen. Zur Potentialtrennung der Speisequelle vom Wechselrichter bedarf es darüber hinaus eines zusätzlichen Trennschalters.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem ein stromloses Umschalten des Stufenschalters ohne einen zusätzlichen Aufwand an Leistungsbauelementen und ohne zusätzliche Belastung von vorhandenen Schaltern erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnung im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 3a bis 3d eine Netzspeiseeinrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen mit Stromverläufen entsprechend den Schaltzuständen; es zeigt die Fig. 4 Spannungs-, Zündimpuls- und Stromverläufe in dieser Einrichtung, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung auftreten.

Es sei zunächst zur Erläuterung der Stromverläufe gemäß den Fig. 3a bis 3d auf die Fig. 4 hingewiesen:

In der obersten Funktionsdarstellung ist der zeitliche Spannungsverlauf der Netzphasen-Spannungen u _R , u _S , u _T eines symmetrischen Drehspannungssystems dargestellt. Bei jedem Nulldurchgang dieser Spannungen wird ein Signal für einen Zündimpuls Z _i ; i = 1, 2 . . . 6 für die sechs Thyristoren T 1, T 2, . . . T 6 des Wechselrichters 2 in den Fig. 3a, . . . 3d hergeleitet. Diese Signale (Netzsynchrone Steuerspannung Sp) für die Zündimpulse werden einer eine Steuerwinkelvorgabe S α besitzende Steuerung S in den Fig. 3a, . . . 3d zugeführt. Im normalen Wechselrichterbetrieb werden im stationären Fall die Zündimpulse Z dem Wechselrichter 2, wie allgemein bekannt, im zeitlichen Abstand von 60° el zugeführt. Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung werden zur Einleitung einer Umschaltung des Stufenschalters die hergeleiteten Signale für die Zündimpulse durch die Steuerung S nicht in üblicher Weise in Zündimpulse umgesetzt.

Liegt nämlich eine Anforderung für die Umschaltung des Stufenschalters 22 vor, so wird z. B. mit Beginn des Zeitpunktes t₁ - in den Fig. 3a und 2 zur Heraushebung mit

bezeichnet - die Ausgabe des folgenden Zündimpulses Z, hier für den Thyristor T 1, unterdrückt. Es erfolgt daher keine Kommutierung des Thyristors T 5 zum Thyristor T 1. Der sich dadurch ergebende Stromfluß ist in der Fig. 3a durch starke Auszeichnung des Stromflusses dargestellt.

Die Zündung des dann folgenden Thyristors T 2 zu seinem "normalen" Zeitpunkt

führt dann zu einem Kurzschluß über die Thyristoren T 2 und T 5, die ein Wechselrichterzweigpaar bilden (Fig. 3b; stark ausgezogene Leitung: Stromfluß zu diesem Zeitpunkt).

Die Zündung von T 2 führt also zur Wechselrichter-Kippung. Der Stufenschalter geht in stromlosen Zustand über.

Die nachfolgenden Zündimpulse ab

werden unterdrückt, so daß der Brückenzweigkurzschluß bestehen bleibt. Der Stufenschalter befindet sich im stromlosen Zustand und wird durch ein Signal U, ausgegeben von der Steuerung S, leistungslos umgeschaltet (Fig. 3c).

Die Umschaltung sei im Zeitpunkt t₅ beendet. Nach erfolgter Umschaltung wird der nächstfolgende Zündimpuls zum Zeitpunkt t₆ von der Steuerung S wieder freigegeben und dem zugehörigen Thyristor T 6 zugeführt. Da sich noch eine negative Anoden-Kathoden-Spannung an diesem Thyristor befindet, ist er nicht zündfähig.

Erst der nächste Zündimpuls zum Zeitpunkt

für den Thyristor T 1 führt zu dessen Zündung und beendet die Kurzschlußphase des Wechselrichters mit der Kommutierung des Stromes vom Thyristor 5 auf den Thyristor 1 (vgl. Fig. 3d, stark ausgezogene Leitung: Stromfluß zu diesem Zeitpunkt). Der Wechselrichter arbeitet danach im Normalbetrieb wie vor der Umschaltung weiter.

In der Fig. 4 sind noch schematisch die Ströme i _R , i _S , i _T in den Zweigen des Drehstromsystems zu den verschiedenen Zeiten vor, während und nach der Umschaltung angegeben.

Ferner zeigen die stark ausgezogenen Kurvenlinien in der Spannungsverlaufsdarstellung in der Fig. 4 oben den Spannungsverlauf auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters, wie er durch Schalten der Thyristoren entsteht. Der stationäre Zustand wurde für einen Steuerwinkel von α = 150° angenommen.

Die wirksame Gleichspannung u _d als Summe zweier geschaltener Phasenspannungen ist in der Fig. 4 ebenfalls dargestellt.

Mit der Glättungsdrossel 12 wird ein zu starkes Ansteigen des Kurzschlußstromes vermieden, sofern nicht schon der gegebenenfalls stromabhängige Innenwiderstand der Speisequelle dies vermeidet.

Bei zu großem Kurzschlußstrom würde der Kurzschluß im Wechselrichter auch nach der Wiederfreigabe der Zündimpulse bestehen bleiben. Der Schalter 33 dient nicht zur Umschaltung des Stufenschalters, sondern lediglich zur Potentialtrennung vom Netz.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch so ausgeführt werden, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter-Zweigpaarkurzschlusses dasjenige Ventil gezündet wird, welches sich in demselben Zweig wie das zuletzt gezündete befindet, und danach bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweigpaar-Kurzschlusses führen könnten.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgeführt werden, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter- Zweigpaarkurzschlusses dasjenige Ventil gezündet wird, das sich in dem Wechselrichter-Zweig befindet, dessen Ventil vor dem zuletzt gezündeten Ventil gezündet wurde und mit dem zuletzt gezündeten Ventil gemeinsam den Wechselrichterstrom führt, und danach bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweigpaar-Kurzschlusses führen könnten.

Schließlich kann das Verfahren gemäß der Erfindung derart ausgeführt werden, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter- Zweigpaar-Kurzschlusses entweder sämtliche Ventile der einen Gleichspannungspolarität oder der anderen Gleichspannungspolarität des Wechselrichters (also anoden- oder kathodenseitig verbundene Ventile) gezündet werden bzw. Zündimpulse bekommen, wobei dies entweder gleichzeitig oder zeitlich etwas versetzt erfolgt, und danach bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweigpaar-Kurzschlusses führen könnten.

Claims

1. Verfahren zum Umschalten eines Stufen-Wechselspannungsschalters für einen umschaltbaren Transformator, bei dem eine Gleichspannung (resp. Gleichstrom) einem netzgeführten Drehstromwechselrichter zugeführt wird, die Ausgangsspannungen des Wechselrichters dem Stufenschalter zugeführt werden, und der ausgangsseitige Drehstrom des Transformators in ein Drehstromnetz eingespeist wird, oder die Ausgangsspannung des Wechselrichters dem umschaltbaren Transformator zugeführt wird und der Stufenschalter zwischen Transformator und Drehstromnetz geschaltet ist, durch ein von der Steuerung des Wechselrichters ausgegebenes Signal dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorgabe bzw. Fortlassen von Zündimpulsen für die Wechselrichter-Ventile ein Kurzschluß über die Ventile eines Wechselrichter- Zweigpaares für die Dauer der Umschaltung herbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zündimpuls der vom Netz hergeleiteten Zündimpulsfolge unterdrückt, der darauffolgende Zündimpuls nicht unterdrückt wird, und alle auf den letztgenannten Zündimpuls folgenden Zündimpulse bis zum Ende der Umschaltung unterdrückt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter-Zweigpaar-Kurzschlusses dasjenige Ventil gezündet wird, welches sich in demselben Zweigpaar wie das zuletzt gezündete befindet, und nach Eintritt des Kurzschlusses bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweig-Kurzschlusses führen könnten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter- Zweigpaar-Kurzschlusses dasjenige Ventil gezündet wird, das sich in dem Wechselrichter-Zweigpaar befindet, dessen Ventil vor dem zuletzt gezündeten Ventil gezündet wurde und mit dem zuletzt gezündeten Ventil gemeinsam den Wechselrichterstrom führt, und nach Eintritt des Kurzschlusses bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweigpaar- Kurzschlusses führen könnten.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung des Wechselrichter- Zweigpaar-Kurzschlusses entweder sämtliche Ventile der einen Gleichspannungspolarität oder der anderen Gleichspannungspolarität des Wechselrichters (also anoden- oder kathodenseitig verbundene Ventile) gezündet werden bzw. Zündimpulse bekommen, wobei dies entweder gleichzeitig oder zeitlich etwas versetzt erfolgt, und nach Eintritt des Kurzschlusses bis zur Beendigung der Umschaltung weitere Zündimpulse für die bis dahin nicht gezündeten Wechselrichter-Ventile soweit unterdrückt werden, wie sie zur Aufhebung des Zweigpaar-Kurzschlusses führen könnten.