DE4443747C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden zweier elektrischer Netze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines er­ sten elektrischen Netzes mit einem einphasigen, zweiten elek­ trischen Netz mit zumindest anderer Frequenz, wobei aus der Spannung des ersten Netzes ein Gleichsignal erzeugt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens (DE-Z.: Steinbach, D.: "Die Brücke zwischen den Systemen" in eb-Elektrische Bahnen 89, 1991, H. 11, S. 503 u. 504).

Elektrische Energieversorgungsnetze weisen oftmals unter­ schiedliche Frequenzen auf. Um diese Netze miteinander zu verbinden, ist es notwendig, sogenannte Frequenzumrichter einzusetzen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Ver­ sorgung von 16 2/3-Hz-Bahnnetzen auf, die aus einem 50-Hz- Netz versorgt werden sollen.

In der Vergangenheit wurden zur Frequenzumrichtung rotierende Maschinen eingesetzt. In jüngerer Zeit wurden auch bereits Lösungen mit Stromrichtern diskutiert und versuchsweise ein­ gesetzt.

Aus o. g. eb-Elektrische Bahnen 89 (1991), 11, Seiten 503 und 504, ist beispielsweise ein statischer Umrichter für die Bahnstromver­ sorgung beschrieben, bei dem zunächst aus den 50 Hz über ei­ nen Umkehrstromrichter eine Gleichspannung erzeugt wird. Aus der Gleichspannung wird dann wiederum mittels einer Vielzahl von GTO-Wechselrichtern eine vorgegebene Anzahl von Teilspan­ nungen erzeugt, die mittels eines speziellen Transformators zu der gewünschten Spannung mit 16 2/3 Hz aufaddiert werden. Eine derartige Anordnung ist seitens der Wechselrichter und des zugehörigen Transformators sehr aufwendig und kostspie­ lig, wobei für die Ausgangsspannung zusätzliche Filter zur Unterdrückung der Oberschwingungen nötig sind. Ebenso wurden bereits Symmetrieschaltungen (z. B. Steinmetzschaltung) ein­ gesetzt. Wegen der dynamischen Belastung des Bahnbetriebs lassen sich jedoch hiermit keine wirtschaftlichen Lösungen erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines ersten elektrischen Netzes mit einem einphasi­ gen, zweiten elektrischen Netz mit zumindest anderer Frequenz anzugeben, wodurch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besonders einfach ausgebildet ist und möglichst von vorhandenen Standardbauteilen aus der Energiestromrich­ tertechnik Gebrauch macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Energiefluß in Richtung zweites Netz aus dem Gleichsignal, welches aus der Spannung des ersten Netzes erzeugt wird, ein der Frequenz des zweiten Netzes entspre­ chendes, mehrphasiges Wechselsignal und aus dem Wechselsignal ein Mit- und Gegensystem erzeugt werden, deren Ausgangssigna­ le zu einem der Wechselspannung des zweiten Netzes entspre­ chenden, einphasigen Wechselsignal, vorzugsweise mit erhöhter Amplitude, verknüpft werden.

Durch die Verknüpfung des Mit- und Gegensystems erfolgt auf einfache Weise die Umwandlung von einem Mehrphasensystem auf ein einphasiges System, wobei gleichzeitig noch eine Span­ nungserhöhung erzielt werden kann. Das Verfahren eignet sich vorteilhaft zur Verwendung bei Bahnstromnetzen, wobei ein be­ sonders einfacher Aufbau der benötigten Stromrichter gegeben ist.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem ersten Stromrichter, der wechselspannungsseitig an das erste Netz angeschlossen ist und eine mehrphasige Wechsel­ richteranordnung mit einem Gleichsignal versorgt, umfaßt die mehrphasige Wechselrichteranordnung Mittel zum Erzeugen eines Mit- und Gegensystems und dient ein Verknüpfungsglied, dessen Ausgang mit dem zweiten elektrischen Netz verbunden ist, zur Summation des Mit- und Gegensystems.

Auf diese Weise ist eine einfache Anordnung zum Verbinden der beiden elektrischen Netze gegeben, bei der auch eine Umkehr der Energierichtung möglich ist. Für die zur Anwendungen kom­ menden Stromrichter der Anordnung können bewährte Komponenten aus der HGÜ-Technik verwendet werden, wodurch ein Verein­ fachungs- und Spareffekt gegeben ist. Diese Komponenten sind bereits vielfach erprobt und weisen ein zuverlässiges Be­ triebsverhalten auf. Durch die Verknüpfung des Mit- und Ge­ gensystems erfolgt auf einfache Weise die Umwandlung von einem Mehrphasensystem auf ein einphasiges System, wobei gleichzeitig noch eine Spannungserhöhung erzielt werden kann. Die Stromrichter können daher für eine relativ niedrige Span­ nung ausgelegt werden. Gegebenenfalls können die Mittel zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems und das Verknüpfungsglied als eine Baueinheit ausgebildet sein.

Bei einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt die mehrphasige Wechselrichteranordnung zwei mehrphasige Wechsel­ richter, die zur Erzeugung des Mit- und Gegensystems aus dem Gleichsignal dienen. Somit ist jedem Drehsystem ein Strom­ richter zugeordnet, wodurch ein günstiges Betriebsverhalten gegeben ist. Die Stromrichter sind dabei einzeln ansteuer- und einstellbar, wodurch das Netzverhalten der gesamten An­ ordnung besonders gut angepaßt werden kann.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt die mehrphasige Wechselrichteranordnung zumindest einen Wechsel­ richter zum Erzeugen einer mehrpulsigen Wechselspannung aus dem Gleichsignal, der an die Mittel zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung können der erste Stromrichter und der Wechselrichter gleich aufge­ baut sein, was wiederum der Verwendung von Standardbausteinen entgegenkommt.

Die Mittel zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems können bei dieser zweiten Ausführungsform der Vorrichtung als aktive Schaltungsanordnungen mit steuerbaren Halbleiterelementen ausgebildet sein. Hier ist beispielsweise auch die Verwendung von Stromrichtern denkbar. Eine derartige Anordnung weist eine sehr gute Steuerbarkeit im Betriebsverhalten auf.

Mit Vorteil weisen die Mittel zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems zumindest ein induktives Bauteil, insbesondere einen Transformator oder eine Drosselanordnung, auf. Auf die­ se Weise sind die beiden Systeme voneinander entkoppelt, was einer besseren Regelbarkeit entgegenkommt. Derartige Bauteile sind auch sehr zuverlässig im Betrieb und einfach im Aufbau.

Mit Vorteil kann das Gleichsignal im Zwischenkreis als Gleichspannung oder als Gleichstrom ausgebildet sein. Dadurch können je nach Anwendungsfall geeignete Stromrichter ausge­ wählt und verwendet werden. Der Gleichstromzwischenkreis kann mit Vorteil auch ein Speicherelement umfassen. Auf diese Wei­ se können Energiedifferenzen zwischen den beiden Netzen aus­ geglichen werden. Zur Anwendung kommen dabei beispielsweise kapazitive oder induktive Speicher, Filteranordnungen oder auch mechanische Speicher, insbesondere ein Schwungrad.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist bei der Versor­ gung von Bahnstromnetzen gegeben. Dabei ist das zweite Netz als Bahnstromnetz ausgebildet und weist eine Spannung von etwa 5 bis 30 kV, insbesondere 15 bis 16,5 kV auf. Die Netz­ frequenzen der beiden Netze betragen bevorzugt 50 bzw. 16 2/3 Hz.

Die Erfindung, weitere Details und Vorteile werden nachfol­ gend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Anordnung zur Frequenzumrichtung,

Fig. 2 eine zweite Anordnung zur Frequenzumrichtung,

Fig. 3 ein Spannungsmitsystem,

Fig. 4 ein Spannungsgegensystem und

Fig. 5 die Verknüpfung des Mit- und Gegensystems.

Fig. 1 zeigt zwei elektrische Netze 1a, 1b, die unterschied­ liche Frequenzen aufweisen und gegebenenfalls auch in ihrer Phasenanzahl unterschiedlich sein können. Die jeweiligen Phasenanzahlen können beliebig vorgegeben sein. Ziel ist es, die Netze 1a, 1b möglichst rückwirkungsfrei miteinander zu koppeln. Eine Anwendung hierzu ist beispielsweise die An­ kopplung eines Bahnnetzes (Netz 1b) an ein elektrisches Versorgungs- oder Verteilungsnetz (Netz 1a). Das elektrische Versorgungsnetz 1a ist vorliegend als dreiphasiges Drehspan­ nungsnetz mit beispielsweise 50 oder 60 Hz ausgebildet. Bahnnetze haben z. B. in Deutschland in der Regel 16 2/3 Hz und sind als einphasige Netze ausgebildet. Im Ausland sind auch andere Frequenzen üblich, wobei gegebenenfalls auch mehrphasige Netze zur Anwendung kommen.

Vorliegend ist eine Anordnung 2a mit einem ersten Stromrich­ ter 3 vorgesehen, der zunächst aus der Spannung des ersten Netzes 1a eine Gleichspannung erzeugt. An seinem Gleichspan­ nungszwischenkreis 5 ist eine Stromrichteranordnung 6 mit zwei weiteren Stromrichtern 7a, 7b angeschlossen, die ihrer­ seits Spannungen mit der Frequenz des zweiten Netzes 1b erzeugen. Zur Entkopplung des Stromrichters 3 und der weite­ ren Stromrichter 7a, 7b kann optional ein nicht näher ge­ zeigter Energiespeicher im Gleichspannungszwischenkreis 5 vorgesehen sein, der eine eventuelle Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Energie speichern oder abgeben kann. Es können hierzu nach dem Stand der Technik bekannte und geeignete Systeme, z. B. rotierende magnetische oder mechanische Speicher oder kapazitive elektrische Speicher, eingesetzt werden.

Die Drehfelder der von den weiteren Stromrichtern 7a, 7b er­ zeugten Spannungen sind derart gerichtet, daß ein Mit- und ein Gegensystem gebildet sind. Die Spannungen werden dann miteinander verknüpft und dem zweiten Netz 1b zugeführt. Hierzu wird ein Verknüpfungsglied 9 verwendet. Das Verknüp­ fungsglied 9 kann beispielsweise ein induktives Element, ins­ besondere eine Drosselanordnung, eine Saugdrossel oder einen Transformator, umfassen, wodurch auch Rückwirkungen zwischen den weiteren Stromrichtern 7a, 7b verhindert oder abge­ schwächt sind. Durch die Verknüpfung wird im vorliegenden Beispiel ein einphasiges Wechselsignal - entsprechend der Spannung des zweiten Netzes 1b - gebildet. Selbstverständlich kann durch eine geeignete Verknüpfung auch ein mehrphasiges Wechselsignal vorgegebener Phasenzahl erzeugt werden.

Die weiteren Stromrichter 7a, 7b können gegebenenfalls bei dieser Ausführung für eine geringe Spannung bemessen sein, da durch die Verknüpfung eine Spannungserhöhung stattfindet. Im vorliegenden Fall ist die einphasige Spannung des zweiten Netzes 1b ca. 4mal höher als die jeweiligen Phasenspannungen der weiteren Stromrichter 7a, 7b (siehe hierzu auch Fig. 5). Das Verknüpfungsglied 9 ist intern derart ausgestaltet, daß auch eine Optimierung von Spannung und Strom im Hinblick auf eine günstige Auslegung der weiteren Stromrichter 7a, 7b stattfindet. Dazu ist es günstig, wenn das Verknüpfungsglied 9 beispielsweise als Anpassungstransformator ausgestaltet ist.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Anordnung 2b mit einer Stromrichteranordnung 6a, bei der nur ein weiterer Stromrichter 7 benötigt wird. Sein Ausgangsdrehspannungs­ signal wird dabei Mitteln 12a, 12b zugeführt. Diese dienen zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems und sind mit ihren Ausgängen mit dem Verknüpfungsglied 9a verbunden. Die Mittel 12a, 12b, können beispielsweise als aktive Schaltungsanord­ nungen mit steuerbaren Halbleitern oder auch als passive Bauteile, z. B. als induktive Elemente, ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, daß die Mittel 12a, 12b und das Verknüp­ fungsglied 9 von einer Baueinheit gebildet sind. Die Mittel 12a, 12b können beispielsweise auch Stromrichter zur Erzeu­ gung des Mit- und Gegensystems umfassen. Die Anordnung gemäß Fig. 2 arbeitet äquivalent zu der nach Fig. 1.

Die weiteren Fig. 3 bis 5 zeigen die elektrische Arbeitsweise der neuen Anordnungen 2a, 2b. Fig. 3 zeigt zunächst die Pha­ senspannungen R1, S1 und T1 des Mitsystems. Fig. 4 zeigt die Spannungen R2, S2, T2 des Gegensystems. Es ist zu erkennen, daß Mit- und Gegensystem gegenläufige Drehrichtungen auf­ weisen. Fig. 5 zeigt die resultierende Spannung UR, die sich aus der Verknüpfung der Spannungen des Mit- und Gegensystems ergibt. Es ist dabei zu erkennen, daß UR ca. 4 mal so hoch ist wie die jeweiligen Phasenspannungen der einzelnen Systeme. Durch die Verknüpfung erfolgt eine Spannungserhöhung und die Umformung vom dreiphasigen zum einphasigen System. Dadurch brauchen die Bauelemente der weiteren Stromrichter 7, 7a, 7b nur für die geringe Phasenspannung ausgelegt werden, wodurch auch der Isolationsaufwand niedrig ist. Auf diese Weise können die Stromrichter auch besonders preiswert her­ gestellt werden.

Eine weitere Optimierung kann - wie bereits oben erwähnt - mit Hilfe des Verknüpfungsgliedes 9, 9a erfolgen. Für die Anordnungen 2a, 2b, insbesondere deren Stromrichter, kann im Prinzip eine Technik verwendet werden, wie sie aus der HGÜ- Technik bekannt ist. Es können also erprobte Standard­ komponenten zur Anwendung kommen, die ein zuverlässiges Be­ triebsverhalten aufweisen. Die Anordnungen 2a, 2b sind in ihrem Betriebsverhalten rückwirkungsarm, wobei ein Energie­ fluß in beiden Richtungen möglich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbinden eines ersten elektrischen Netzes (1a) mit einem einphasigen, zweiten elektrischen Netz (1b) mit zumindest anderer Frequenz, wobei aus der Spannung des ersten Netzes (1a) ein Gleichsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Energiefluß in Richtung zweites Netz (1b) aus dem Gleichsignal ein der Fre­ quenz des zweiten Netzes (1b) entsprechendes, mehrphasiges Wechselsignal und aus dem Wechselsignal ein Mit- und ein Gegensystem erzeugt werden, deren Ausgangssignale zu einem der Wechselspannung des zweiten Netzes (1b) entsprechenden, einphasigen Wechselsignal, vorzugsweise mit erhöhter Amplitu­ de, verknüpft werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einem ersten Stromrichter (3), der wechselspan­ nungsseitig an das erste Netz (1a) angeschlossen ist und eine mehrphasige Wechselrichteranordnung (6, 6a) mit einem Gleich­ signal versorgt, dadurch gekennzeich­ net, daß die mehrphasige Wechselrichteranordnung (6, 6a) Mittel (12a, 12b) zum Erzeugen eines Mit- und Gegensystems um­ faßt und ein Verknüpfungsglied (9, 9a), dessen Ausgang mit dem zweiten elektrischen Netz (1b) verbunden ist, zur Summation des Mit- und Gegensystems dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mehrphasige Wechselrich­ teranordnung (6) zumindest zwei mehrphasige Wechselrichter (7a, 7b) umfaßt, die zur Erzeugung des Mit- und Gegensystems aus dem Gleichsignal dienen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mehrphasige Wechselrich­ teranordnung (6a) zumindest einen Wechselrichter (7) zum Er­ zeugen einer mehrphasigen Wechselspannung aus dem Gleichsignal umfaßt, der an die Mittel (12a, 12b) zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel (12a, 12b) zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems als aktive Schaltungsan­ ordnung mit steuerbaren Halbleiterbauelementen ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittel (12a, 12b) zum Erzeugen des Mit- und Gegensystems zumindest ein induktives Bauteil umfassen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ver­ knüpfungsglied (9, 9a) einen Transformator zur Spannungsanpas­ sung umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gleich­ signal eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Netz (1b) ein Bahnstromversorgungsnetz ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Netz (1b) eine Spannung zwischen 5 und 30 kV, insbesondere 15 kV, aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste elektrische Netz (1a) eine Frequenz von 50 Hz und das zweite elektrische Netz (1b) eine Frequenz von 16 2/3 Hz aufweisen.