DE642387C - Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei mehrphasigen Umformungseinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken, und dient zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei derartigen mehrphasigen Anlagen. Bekanntlich kann man mittels gesteuerter Entladungsstrecken Wechselstrom in Gleichstrom umformen (Gleichrichter), Gleichstrom in Wechselstrom umformen (Wechselrichter) und Wechselstrom in· Wechselstrom umformen (Umrichter). Bisher ist es üblich gewesen, die Kommutierung, mittels einer Spannung zu bewirken, die gleiche Frequenz hat wie die Frequenz des Wechselstromnetzes (beim Gleichrichter und Wechselrichter) bzw. des höherfrequenten Netzes (beim Umrichter). Die Durchführung des Kommutierungsvorganges mit einer solchen Spannung erfordert einen beträchtlichen Aufwand, der auch dann, wenn man eine nicht sinusförmige Spannung zugrunde legt, nicht wesentlich verringert werden kann. Trifft man keine zusätzlichen Kommutierungsmaßnahmen, so ergeben sich darüber hinaus Schwierigkeiten hinsichtlich der Steuerung des Leistungsfaktors.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun, eine Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine in ihrer Phasenlage regelbare Wechselspannung von höherer harmonischer Frequenz, bezogen auf die Spannung des an die Umformungseinrichtung angeschlossenen Mehrphasennetzes, zwischen den hauptstromseitig in mindestens zwei Gruppen unterteilten Eiitladungsstrecken wirksam ist. Gemäß der Erfindung kann mittels einer derartigen zusätzlichen Kommutierungsspannung der natürliche Kommutierungszeitpunkt verlegt und damit der Leistungsfaktor unabhängig von anderen Betriebsbedingungen beeinflußt, d.h. gegenüber einer Einrichtung mit ausschließlich natürlicher Kommutierung verbessert werden. Der Erfindungsgedanke kann sowohl ■ bei Gleichrichtern und Umrichtern als auch bei Wechselrichtern angewendet werden. Die. Durchführung des Erfindungsgedankens erlaubt vor allem beispielsweise beim Arbeiten eines Wechselrichters auf einen induktiven Verbraucher, auch einie Kommutierung ohne besondere Kommutierungsschaltmittel zu bewirken.

Die Verwendung höherfrequenter Kommutierungsspannungen ist an sich früher schon vorgeschlagen worden, jedoch nur im Zusammenhang mit sogenannten ventilgesteuerten Motoren, bei denen eine derartige Spannung vor allem mit Rücksicht auf den Anlaßvorgang und die beim Anlaufen veränder-

liehe Eigenfrequenz des Motors überhaupt die Kommutierung schlechtweg erst ermöglichen sollte. Die vorliegende Erfindung dagegen geht von Einrichtungen aus, bei denen die Kommutierung an sich auch ohne , diese höherfrequente Spannung schon sichergestellt ist. Vielmehr dient die Einfügung der höherfrequenten Kommutierungsspannung im Zusammenhang mit der Möglichkeit, to diese Zusatzspannung in 'ihrer Phasenlage zu regeln, dazu, den Leistungsfaktor unabhängig von den sonstigen Betriebsbedingungen zu beeinflussen.

In Abb. ι der Zeichnung ist eine Umformungseinrichtung dargestellt, die sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter arbeiten kann und mit dem Gleichstromnetz 10 und dem dreiphasigen Wechselstromnetz 11 verbunden ist. Die Umformungseinrichtung enthält einen Haupttransformator, dessen eine Wicklung 13 an das Wechselstromnetz 11 und dessen mit den gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken 20 bis 31 verbundene Wicklungsteile 15 bis 17 über eine Gleichstromdrossel 14 an das Gleichstromnetz 10 angeschlossen sind. Diese Wicklungsteile sind miteinander in folgender Weise verbunden: Die Wicklungsteile 16 und 17 sind dreiphasige Stern wicklungen, zwisehen deren Sternpunkte, wie weiter unten erläutert ist, die höherfrequente Spannung geschaltet ist. Die Enden der beiden dreiphasigen Sternwicklungen sind an die Vieleckwicklung 15 angeschlossen. Die Gitterkreise werden mit einer Spannung gespeist, die über passende Phaseneinstellvorrichtungen dem Wechselstromnetz 11 entnommen ist. Im vorliegenden Falle ist ein Gittertransformator vorgesehen, dessen Primärwicklung 18 über einen Drehtransformator 18a an das Wechselstromnetz 11 angeschlossen ist, und dessen Sekundärwicklung 19 die einzelnen Gitterkreise speist. Es wird hierbei bemerkt, daß es zweckmäßig ist, Strombegrenzungswiderstände 32 in den Gitterkreisen vorzusehen, der Steuerspannung eine spitze Wellenform zu geben und gegebenenfalls zu diesem Zweck den Gittertransformator zu sättigen. Die für die Kommutierung im Sinne vorliegender Erfindung erforderliche Wechselspannung kann man sich z. B. mittels eines Synchronumformers, enthaltend einen Synchronmotor 33 und einen Synchrongenerator34, erzeugen. Diese höhferfrequente Wechselspannung wird zwischen die beiden Sternpunkte der Wicklungen 16 und 17 geschaltet.

Läßt man zunächst die besondere Ausbildung des Kommutierungsvorganges außer Betracht, so wird die als Wechselrichter arbeitende Anordnung in an sich bekannter Weise arbeiten, indem jede der einzelnen Entladungsstrecken während 6o° leitend ist. Ähnliche Arbeitsverhältnisse liegen auch vor, wenn die Umformungseinrichtung als Gleichrichter arbeitet. Die sich bei normalem Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb ergebenden Verhältnisse sind in Abb. 5 der Zeichnung erläutert. In Abb. 5 a sind einige mit den Entladungsstrecken verbundene Phasenspannungen aufgetragen, z. B. die auf die Entladungsstrecken 25, 27 und 29 einwirkenden Spannungen e_e, e_± und e₂. Setzt man voraus, daß der Spannungsabfall in den Entladungsstrecken vernachl^ssigbar klein ist, und die Kommutierungsdauer unendlich kurz ist, so wird der Stromübergang von der Entladungsstrecke 25 auf die Entladungsstrecke 27 im Zeitpunkt α und derjenige von der Entladungsstrecke 27 auf die Entladungsstrecke 29 im Zeitpunkt b stattfinden. Der schraffiert dargestellten Fläche entspricht die Stromführung der Entladungsstrecke 27. Daraus folgt, daß der Strom mit der Spannung e_i im wesentlichen in Phase ist und die Umformung bei einem Leistungsfaktor gleich ι vor sich geht. Eine solche Umformung ist praktisch bei jedem ungesteuerten Gleichrichter erfüllt. Verwendet man einen Gleichrichter mit Gittersteuerung und regelt man die erzeugte Gleichspannung in bekannter Weise durch zeitliches Verzögern des Einsatzes der einzelnen Entladungsstrecken, so ergeben sich die in Abb. 5 b dargestellten Verhältnisse, d. h. die Entladungsstrecke 27 führt im Zeitabschnitt a! ... V Strom, und das Wechselstromnetz ist mit einem nacheilenden Leistungsfaktor belastet, wofür der Winkel c ein Maß bildet. Wie wohl nicht näher erläutert zu werden braucht, verschlechtert sich der Leistungsfaktor um so mehr, je später die einzelnen Entladungen einsetzen. Andererseits war es bisher nicht möglich, ohne zusätzliche Kommutierungsschaltmittel ein Einsetzen der Entladung vor dem Zeitpunkt α der Abb. 5 a zu erreichen, da die Anode der Entladungsstrecke 27 noch ein niedrigeres Potential aufweist als die Anode der Entladungsstrecke 25.

Arbeitet die Umformungseinrichtung als no Wechselrichter, so ergibt sich ebenfalls die Darstellung in Abb. 5 a als Grenzfall, wenn man den Spannungsabfall in den Entladungsstrecken als vernachlässigbar klein ansieht und die Kommutierungsdauer unendlich kurz ist. Im Gegensatz zum Gleichrichterbetrieb ist jedoch der Zeitpunkt α der späteste Zeitpunkt, in dem noch eine Kommutierung zwischen den Entladungsstrecken 25 und 27 stattfinden kann. Normalerweise muß die Kornmutierung vor diesem Zeitpunkt stattfinden, und es ergeben sich dabei beispielsweise die

in Abb. S c dargestellten Verhältnisse. Die Kommutierung zwischen den Entladungsstrecken 25 und 27 findet im Zeitpunkt a" statt. Die Entladungsstrecke 27 wird dementsprechend im Zeitabschnitt af'.... b" Strom führen. Bei Wechselrichterbetrieb ergibt sich also ein voreilender Leistungsfaktor, und der Winkel C' ist 'ein Maß für den Leistungsfaktor. In Abb. 6 a der Zeichnung sind Kurven- zügee'_e, e\ und e'<, dargestellt, die sich ergeben, wenn man eine Spannung dreifacher Frequenz zu jeder Phasenspannung hinzufügt. Bei Gleichrichterbetrieb ergibt sich unter Zugrundelegung dieser Kurven die Möglichkeit, die Kommutierung zwischen den Entladungsstrecken 25 und 27 bereits im Zeitpunkt d und zwischen den Entladungsstrecken 27 und 29 im Zeitpunkt e stattfinden zu lassen. D^er Stromdauer entspricht wie früher die schraffierte Fläche, worauf man unter Bezugnahme auf die Spannung e\ den Winkel / bestimmen kann, der ein Maß für den voreilenden Leistungsfaktor ist.

Ähnliche Spannungsverhältnisse ergeben sich bei Wechselrichterbetrieb. Diese sind in Abb. 6 b dargestellt. Die Kommutierung zwischen den Entladungsstrecken 25 und 27 kann z. B. im Punkt d' stattfinden, d. h. es ist nunmehr möglich, auch dann zu kommutieren, wenn die Gegenspannung der folgenden Phasenwicklung größer ist als die Gegenspannung der noch Strom führenden Phase. Die Entladungsstrecke 27 führt bis zum Zeitpunkt e' Strom. Als Maß für den nacheilenden Leistungsfaktor ergibt sich im vorliegenden Falle der Winkel f.

Aus den bisherigen Betrachtungen ergibt sich also, daß die Phase des Wechselstromes in beiden Richtungen verschoben werden kann, und zwar bis 90 ° Vor- oder Nacheilung. Zur Erzielung des günstigsten Betriebsfalles ist es nun noch notwendig, die Phase der Wechselspannung höherer Frequenz entsprechend den Phasenverhältnissen des Verbraucherkreises einzustellen, was besonders für Wechselrichter und Umrichter gilt. Dies wird bei der Ausführungsform in Abb. ι dadurch erreicht, daß gleichzeitig mit der Phasendrehung der Gitterspannungen auch die Phase der den" Synchronmotor 33 speisenden Spannungen gedreht wird. Hierdurch wird selbsttätig die Spannung dreifacher Frequenz um den richtigen Betrag verschoben in bezug auf die Phasenlage der Wechselspannung 11. Schaltet man die Transformatorwicklung 13 in Stern, so wird die Spannung des Wechselstromkreises 11 die höherfrequente Kommutierungsspannung nicht aufweisen. Schaltet man die Transformatorwicklung 13 in Dreieck, so kann ein besonderer Generator 34 entbehrt werden.

In Abb. 2 ist eine, gegenüber Abb. ι abweichende Schaltung für den Haupttransformator 12, 13 dargestellt, und zwar enthält der Haupttransformator eine offene Dreieckwicklung 35, der die dritte Harmonische über die Leitungen 36 zugeführt wird. In Abb. 3 ist für den Haupttransformator 12, 13 an Stelle einer Dreieckwicklung 35 nach Abb. 2 eine Wicklungsanordnung 37 gewählt, die sich aus zwei in Stern geschalteten Wicklungen zusammensetzt, wobei die Wicklungsenden gleicher Phasen miteinander verbunden sind und zwischen die beiden Sternpunkte die höherfrequente Wechselspannung über die Leitungen 36 geschaltet ist. Für die Erzeugung der höherfrequenten Spannung ist es nicht erforderlich,.einen besonderen Wechselstromgenerator vorzusehen, vielmehr kann man, wie es in Abb. 4 veranschaulicht ist, welche eine weitere Schaltung für den Haupttransformator 12, 13 wiedergibt, die Spannung höherer Frequenz auch mittels eines Kondensators 38 erzeugen, der zwischen die beiden Sternpunkte der Wicklung 12 geschaltet ist. Wie beim vorliegenden Beispiel, so ist es auch bei den anderen Ausführungsformen stets so, daß die höherfrequente Spannung in Reihe mit jedem Teilentladungsstromkreis liegt. Zum Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 4 wird noch bemerkt, daß die Ladung im Kondensator 38 nach jeder Kommutierung ihr Vorzeichen wechselt. Bei der sechsphasigen Anordnung wechselt also die Spannung am Kondensator 38 während einer 95 ■ Periode des Wechselstromnetzes 11 sechsmal das Vorzeichen.

Wenn auch der Erfindungsgedanke an einer mehrphasigen Graetzschaltung erläutert ist, so hat er dennoch Bedeutung für alle anderen Schaltungsanordnungen, einschließlich der einphasigen. Im Falle des Einphasenwechselrichters z. B. tritt an die Stelle der normalerweise bei Dreiphasenbetrieb in Frage kommenden dritten Harmonischen die zweite Harmonische. Verwendet man an Stelle der Graetzschaltung die normalen Gleichrichterund Wechselrichterschaltungen, bei denen jede Phasenwicklung nur einmal innerhalb jeder Periode Strom führt, so schaltet man n₀ zweckmäßigerweise die höherfrequente Spannung zwischen den Sternpunkt der gefäßseitigen Haupttransformatorwicklung und den zugehörigen Gleichstromleiter.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei mehrphasigen Umformungseinrichtungen mit gesteuerten Entladungsstrecken, vorzugsweise gitter- _> gesteuerten Dampf- oder Gasentladungs-

   strecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Phasenlage regelbare Wechselspannung von höherer harmonischer Frequenz in bezug auf die Spannung des an die Umformungseinrichtung angeschlossenen Mehrphasennetzes zwischen den hauptstromseitig in mindestens zwei Gruppen unterteilten Entladungsstrecken wirksam ist, mittels welcher der natürliche Kommutierungszeitpunkt verlegt werden kann.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die höherfrequente Spannung mittels eines besonderen Generators (34) erzeugt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die höherfrequente Spannung durch einen Kondensator (38), der durch die Teilentladungsströme abwechselnd positiv und negativ geladen wird, geliefert wird.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Gitterspannung der die Umformung bewirkenden Entladungsstrecken und die Phase der höherfrequenten Spannung in Abhängigkeit von den Phasenverhältnissen des Wechselstromnetzes eingestellt werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Gitterspannung und diejenige der höherfrequenten Kommutierungsspannung starr miteinander gekoppelt sind (Abb. 1).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen