DE648108C

DE648108C - Device for the mutual exchange of power between an independent alternating current network and a direct current network

Info

Publication number: DE648108C
Application number: DES112273D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Paul Deutschmann
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1933-12-24
Filing date: 1933-12-24
Publication date: 1937-07-22

Description

Einrichtung zum wechselseitigen zwischen einem selbständigen Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz Es ist bekannt, daß zwischen einem Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz Energie in beiden Richtungen ausgetauscht werden kann, wenn die beiden Netze über mindestens zwei gittergesteuerte Entladungsgefäße miteinander verbunden 'sind, die sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter steuerbar sind. Die beiden Entladungsgefäße liegen, je über einen Transformator an dem Wechselstromnetz, und es ist jeweils die Kathode des einen Entladungsgefäßes mit dem Ttansformatörnullpunkt des anderen Gefäßes leitend verbunden. Das Gleichstromnetz ist an die Verbindungsleitungen zwischen den beiden Entladungsgefäßen. angeschlossen. Die Schaltung wird vielfach als Kreuzschaltung bezeichnet.Device for reciprocal between an independent alternating current network and a direct current network It is known that between an alternating current network and a direct current network energy can be exchanged in both directions, if the two networks with one another via at least two grid-controlled discharge vessels connected 'are controllable both as a rectifier and as an inverter are. The two discharge vessels are each connected to the alternating current network via a transformer, and it is in each case the cathode of the one discharge vessel with the transformer zero point of the other vessel conductively connected. The direct current network is connected to the connecting lines between the two discharge vessels. connected. The circuit becomes multiple referred to as cross connection.

Die Schaltung ist besonders wichtig zur Speisung von Gleichstrommaschinen, die sowohl generatorisch als auch motorisch arbeiten sollen, also beispielsweise Fördermotoren oder Bahnmotoren, die bei der Bergfahrt als Motor und bei der Talfahrt als Generator arbeiten und Energie in das Wechselstromnetz zurückliefern sollen. .The circuit is particularly important for supplying DC machines, which should work both as a generator and as a motor, for example Conveyor motors or rail motors that are used as motors for uphill travel and for downhill travel work as a generator and should deliver energy back to the AC grid. .

Die Schaltung kann aber auch für Energieübertragungsleitungen zwischen zwei Wechselstromnetzen verwendewerden, bei denen eine Gleichstromfernleitung-zu beiden Seiten je über zwei der oben beschriebenen Entladungsgefäße an diebeiden Wechselstromnetze angeschlossen ist. Der Energieaustausch zwischen den beiden Wechselstromnetzen kann dabei in beliebiger Richtung stattfinden.The circuit can also be used for power transmission lines between two AC networks are used, in which a DC trunk line-to both sides via two of the discharge vessels described above to the two AC mains is connected. The exchange of energy between the two alternating current networks can take place in any direction.

Gemäß der Erfindung sind an die Wechselstromseite der Entladungsgefäße Energiespeicher angeschlossen, deren Leistung derart .bemessen ist, daß sie zumindest kurzzeitig an Stelle der das Wechselstromnetz speisenden Generatoren bei Unterbrechung der Energiezufuhr zwischen diesen Generatoren und den Transformatoren der Entladungsgefäße eine Wechselspannung gewisser Größe und einer taktgebenden Frequenz für die Stromrichter aufrechterhalten können.According to the invention, the discharge vessels are on the alternating current side Energy storage connected, the performance of which is .bemess such that they at least briefly in place of the generators feeding the AC network in the event of an interruption the energy supply between these generators and the transformers of the discharge vessels an alternating voltage of a certain size and a clock frequency for the converters can maintain.

Durch die Erfindung wird die Umformeranlage gegenBetriebsstörungen geschützt, welche sich ergeben, wenn aus irgendwelchen Gründen die Wechselspannung und damit auch die taktgebende Frequenz für die Gittersteuerung und für den Anodenwechsel der Entladungsgefäße ausbleibt. In diesem Falle verschwindet für die gerade als Wechselrichter arbeitenden Entladungsgefäße die Wechselstromgegenspannung, so daß das Gleichstromnetz über die Entladungsstrecken des Wechselrichters kurzgeschlossen ist, da der einmal brennende Lichtbogen einer Anode des Wechselrichters infolge des Fortfalles der anwachsenden Gegenspannung nicht mehr zum Erlöschen kommt, sondern im Gegenteil auf den Kurzschlußstrom des Gleichstromnetzes anwächst. Selbst wenn der Wechselrichter im Augenblick der Störung keinen Strom führt, werden die Anoden, und zwar infolge des Wegbleibens der Gitterspannungen sämtliche Anoden zugleich, zünden und das Gleichstrqmnetz kurzschließen.The converter system is protected against operational disruptions by the invention protected, which arise if for any reason the AC voltage and thus also the clock frequency for the grid control and for the anode change the discharge vessels are absent. In this case disappears for the straight as Inverter working discharge vessels the alternating current counter voltage, so that the direct current network short-circuited via the discharge paths of the inverter is because the once burning arc is a result of an anode of the inverter the cessation of the increasing counter-tension no longer comes to extinction, but on the contrary to the short-circuit current of the direct current network increases. Even if the inverter is not carrying any power at the moment of the fault, the anodes, as a result of the absence of the grid voltages, all anodes at the same time, ignite and short-circuit the DC network.

Sowohl bei stromführendem als auch bei stromlosem Wechselrichter wird -nun das Auftreten eines Kurzschlußstromes dadurch verhindert, daß der Energiespeicher nach der Erfindung gleichzeitig die Wechselstromgegenspannung aufrechterhält und die Sperrspannungen der Gitter liefert. Zweckmäßig werden beim Unterbrechen der Verbindung mit dem Wechselstromnetz alle Gitter des Wechselrichters an Sperrspannungen gelegt, gleichgültig, ob schon Anoden des Wechselrichters Strom führten oder ob der Wechselrichter stromlos war.Both when the inverter is live and when the inverter is dead Now the occurrence of a short-circuit current is prevented by the fact that the energy store according to the invention at the same time maintains the alternating current counter voltage and provides the blocking voltages of the grid. Be useful when interrupting the Connection to the AC grid all grids of the inverter at reverse voltages regardless of whether the anodes of the inverter were already carrying current or whether the inverter was de-energized.

Beim Ausbleiben der Wechselspannung wächst der Kurzschlußstrom im allgemeinen so schnell an, daß die im Gleichstrom- und Wechselstromkreis liegenden Schalter nicht in der Lage sind, den Kurzschlußstromkreis zu unterbrechen, bevor der Überstrom eine bedenkliche Höhe erreicht hat. Die Überstromerscheinungen gefährden sowohl wegen ihrer Höhe die Entladungsgefäße als auch wegen ihres plötzlichen Einsetzens etwa angeschlossene Gleichstromverbraucher (.Motoren) elektrisch und mechanisch und durch den heftigen Bremsstoß auch die von ihnen angetriebenen Maschinen. Das ist beconders wichtig bei Förderanlagen, wo durch den plötzlichen Stoß ein Rutschen oder gar Reißendes Förderseils eintreten kann.If there is no alternating voltage, the short-circuit current increases in the generally so fast that those lying in the direct current and alternating current circuit Switches are unable to interrupt the short circuit before the overcurrent has reached a critical level. Endanger the overcurrent phenomena both because of their height the discharge vessels and because of their sudden onset for example connected direct current consumers (.motors) electrically and mechanically and because of the heavy braking impact, the machines they drive too. That is especially important in conveyor systems, where the sudden impact causes slipping or even a tearing hoist rope can occur.

Es ist auch bereits bekanntgeworden, zur Beseitigung der vorstehend geschilderten Kurzschlußgefahr die Schalter auf der Wechselstromseite mit den Schaltern auf der Gleichstromseite derart zu verriegeln, daß die Unterbrechung der Verbindung zwischen den Entladungsgefäßen und dem Wechselstromnetz bei eingeschaltetem Gleichstromschalter verhindert wird; es sind auch besondere Anordnungen für derartige Verriegelungseinrichtungen bekannt. Diese Schutzmittel müssen jedoch versagen, wenn die Spannung auf der Wechselstromseite der Entladungsgefäße nicht durch die Wechselstromschalter in der Nähe der Entladungsgefäße abgeschaltet wird, sondern vielmehr dadurch, daß an entfernter Stelle Störungen in der Energiezufuhr oder Energieabnahme auftreten, die einen größeren Netzabschnitt abschalten und dadurch auch den Entladungsgefäßen die Wechselspannung nehmen.It has also become known to eliminate the foregoing described risk of short-circuit the switches on the AC side with the switches on the direct current side to be locked in such a way that the connection is interrupted between the discharge vessels and the alternating current network when the direct current switch is switched on is prevented; there are also special arrangements for such locking devices known. However, these protective devices must fail if the voltage is on the AC side of the discharge vessels through the alternating current switch in the vicinity of the discharge vessels is switched off, but rather by the fact that disturbances at a distant point occur in the energy supply or energy consumption that cover a larger network section switch off and thereby also remove the alternating voltage from the discharge vessels.

Es würde zu außerordentlich kostspieligen Verriegelungen und Schutzschaltungen führen, wenn man sämtliche Schalter auf der Wechselstromseite, auch die entfernten, beispielsweise in einer Zentrale liegenden Schalter, mit den Gleichstromschaltern in Verriegelungsabhängigkeit bringen wollte. Verwendet man dagegen die Anordnung nach der Erfindung, so wird in jedem Falle verhindert, daß bei Störungen auf der Wechselstromseite die Spannung der Entladungsgefäße plötzlich ganz verschwindet. Der auf der Wechselstromseite angeordnete Energiespeicher muß nur so bemessen sein, daß er die Frequenz und die Spannung auf der Wechselstromseite bis zu einem gewissen Grade wenigstens so lange aufrechterhalten kann, bis die Gleichstromschalter den Gleichstromkreis der Entladungsgefäße unterbrochen, deren Gitter gesperrt und Abstellvorgänge bei den mechanischen Energiequellen eingeleitet haben, z. B. Schnellschlußventile bei Dampfturbinen ausgelöst oder bei Förderanlagen die Bremsen zum Einfallen gebracht haben.It would result in extremely expensive interlocks and protection circuits lead, if all switches on the AC side, including the remote ones, are For example, switches located in a control center with the DC switches wanted to bring into locking dependency. If, on the other hand, the arrangement is used according to the invention, it is prevented in any case that in the event of disturbances on the AC side the voltage of the discharge vessels suddenly disappears completely. The energy storage device arranged on the alternating current side only has to be dimensioned in such a way that that he has the frequency and the voltage on the AC side to a certain extent Grade can maintain at least until the DC switch DC circuit of the discharge vessels interrupted, their grid locked and shutdown processes have initiated the mechanical energy sources, e.g. B. Quick-closing valves triggered in steam turbines or applied the brakes in conveyor systems to have.

Als Energiespeicher. werden- zweckmäßig synchrone oder asynchrone Wechselstrommaschinen mit zusätzlichen Schwungmassen verwendet, die von sich aus Spannung und Frequenz erzeugen bzw. aufrechterhalten können. Von diesen Maschinen muß die von der Gleichstromseite her in das Wechselstromnetz übertragene Energie kurzzeitig aufgenommen werden können. Der Vorgang wird sich dabei etwa wie folgt abspielen Nimmt man z. B. an, daß eine an die Entladungsgefäße angeschlossene elektrische Gleichstrommaschine motorisch arbeitet, so liefert beim Ausbleiben der Wechselspannung zunächst die als Energiespeicher"dienende Synchronmaschine die für den Betrieb des Gleichstrommotors notwendige Wechselstromgegenspannung und damit auch die Magnetisierung der Stromrichtertransformatoren. Diese Spannung nimmt jedoch wegen der mit der Energie= rücklieferung einsetzenden Belastung und' der damit verknüpften Geschwindigkeitsabnahme ab und sinkt schnell unter den der Gegenspannung des Gleichstromnetzes entsprechenden i Wert, so daß von diesem Augenblick an die Gleichstrommaschine als Generator arbeitet und Energie über das zweite als Wechselrichter arbeitende Gefäß an das Wechselstromnetz zurückliefert. Mit dieser Energie wird der Synchronmotor auf der Wechselstromseite motorisch angetrieben, wobei seine Massen beschleunigt werden. Die Synchronmaschine verschiebt somit die von der Gleichstromseite her über den Wechselrichter zugeführte Energie. Die Spannung auf der Wechselstromseite, die an den Klemmen des Synchronmotors auftritt, verschwindet nicht plötzlich, sondern sinkt mehr oder weniger schnell ab. Diese Spannungsabnahme kann ausgenutzt werden, um die ordnungsgemäße Abschaltung der ganzen Anlage einzuleiten, ohne das Auftreten von Überströmen befürchten zu müssen.As energy storage. - appropriately synchronous or asynchronous AC machines with additional flywheels used by themselves Generate or maintain voltage and frequency. From these machines must be the energy transferred from the direct current side into the alternating current network can be recorded for a short time. The process will be something like this play if you take z. B. suppose that an electrical connected to the discharge vessels DC machine works as a motor, so delivers when there is no AC voltage first of all, the synchronous machine serving as an energy storage device for the operation of the DC motor necessary AC counter voltage and thus also the magnetization the converter transformers. However, this tension increases because of the energy = the load and the associated decrease in speed and quickly drops below that of the counter voltage of the direct current network i value, so that from this moment on the DC machine works as a generator and energy via the second vessel, which works as an inverter, to the alternating current network returns. With this energy, the synchronous motor is on the AC side motor-driven, whereby its masses are accelerated. The synchronous machine thus shifts the one supplied from the direct current side via the inverter Energy. The voltage on the AC side that is applied to the terminals of the synchronous motor occurs, does not disappear suddenly, but decreases more or less quickly away. This decrease in voltage can be used to ensure proper shutdown the entire system without fear of the occurrence of overcurrents have to.

Die zur Energiespeicherung verwendete Synchronmaschine wird erfindungsgemäß so ausgelegt, daß sie imstande ist, auch die für die Aufrechterhaltung der Wechselspannung notwendige Blindleistung abzugeben. Die Maschine wird also mit einer möglichst kräftigen Erregung zu versehen sein, oder es werden, falls dies noch nichtausreichend ist, die bekannten ' Mittel zur kurzzeitigen Schnellerregung, bei-, spielsweise Kurzschließen von Erregerwiderständen, angewendet.The synchronous machine used for energy storage is according to the invention designed in such a way that it is also capable of maintaining the alternating voltage necessary To deliver reactive power. So the machine will be with to be provided with as strong an excitement as possible, or if so is not yet sufficient, the known 'means for short-term rapid excitation, for example, short-circuiting exciter resistors.

Zur Sicherstellung der Gitterspannungslieferung ist es zweckmäßig, eine als Antriebsmotor für Gittersteuerungseinrichtungen dienende elektrische Maschine als Energiespeicher auszubilden oder einen besonderen Energiespeicher (Batterie oder Gleichstromgenerator, der gegebenenfalls mit dem Hauptenergiespeicher gekuppelt werden kann) zur Erzeugung der Gitterspannung vorzusehen.To ensure that the grid voltage is supplied, it is advisable to an electrical machine serving as a drive motor for grid control devices to be designed as an energy storage device or a special energy storage device (battery or DC generator, which may be coupled to the main energy store can be provided) for generating the grid voltage.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung nur auf solche Stromrichteranlagen bezieht, bei denen ein Gleichstromnetz bzw. Gleichstromverbraucher aus einem Wechselstromnetz mit < Energie versorgt wird, welches dauernd von einem oder mehreren Wechselstromgeneratoren gespeist wird. Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht somit darin, die Wechselstromgeneratoren, welche normalerweise die Stromrichter und damit die an diese angeschlossenen Gleichstromverbraucher mit Energie versorgen, kurzzeitig durch einen Energiespeicher zu ersetzen, wenn einmal die Energiezufuhr zwischen # dem Wechselstromnetz und dem Stromrichter vollständig unterbrochen ist. Die Erfindung unterscheidet sich dadurch wesentlich von bekannten Anordnungen, bei denen das Wechselstromnetz lediglich über einen Wechselrichter aus einem Gleichstromnetz gespeistwird und beidenenWechselstromm,aschinen vorgesehen sind, um den Takt für den Wechselrichter zu halten, wobei diese Maschinen so ausgebildet sind, daß sie bei kurzzeitiger Trennung der Verbindung zwischen Gleichstromnetz und Wechselrichter in Betrieb bleiben, um nach Wiederherstellung dieser Verbindung den Wechselrichter sofort wieder einschalten zu können. Bei diesen bekannten ,Anordnungen wird bei Störungen, beispielsweise bei Überlastungen des Wechselrichters, auf der Gleichstromseite der Umformeranlage ein Schalter ausgeschaltet. Nachdem dies geschehen ist, wird durch takthaltende Maschinen dafür gesorgt, daß der Wechselrichter nach Beseitigung der Störung nicht erst wieder umständlich auf seine Betriebsspannung und Betriebsfrequenz gebracht zu werden braucht. Ganz anders liegen die Verhältnisse bei der Anlage, auf die sich die Erfindung bezieht; denn bei Anlagen, bei denen das Wechselstromnetz durch selbständige Generatoren gespeist wird, während der Wechselrichter im wesentlichen nur dazu dient, um Bremsenergie von Gleichstrommotoren aufzunehmen, ist es notwendig, bei Störungen die Spannung auf der Wechselstromseite des Umformers aufrechtzuerhalten, damit kein Kurzschluß entstehen kann. Diese Forderung ist wesentlich wichtiger und vordringlicher als die Abschaltung auf der Gleichstromseite; denn wenn die Spannung auf der Wechselstromseite der die Entladungsgefäße speisenden Transformatoren nicht vorhanden ist, entsteht in den Entladungsgefäßen ein gefährlicher Kurzschlußstrom, bevor es durch die Gleichstromschalter möglich ist, die Entladungsgefäße von den an das Gleichstromnetz angeschlossenen Stromverbrauchern zu trennen.It should be noted that the invention relates only to such Power converter systems, in which a direct current network or direct current consumer is supplied with <energy from an alternating current network, which is continuously supplied by a or several alternators. The basis of the invention The underlying idea is thus the alternators, which normally the converters and thus the DC consumers connected to them Supplying energy, replacing it briefly with an energy store, if once the energy supply between the AC grid and the converter is complete is interrupted. The invention thereby differs significantly from known ones Arrangements in which the alternating current network only has an inverter is fed from a direct current network and both alternating current machines are provided are to keep the clock for the inverter, these machines are so designed are that they are with short-term separation of the connection between the direct current network and inverters remain in operation after this connection is restored to be able to switch the inverter on again immediately. In these known arrangements in the event of malfunctions, for example if the inverter is overloaded, on the On the DC side of the converter system, a switch is switched off. After this is done is, clock-keeping machines ensure that the inverter after Eliminating the malfunction does not have to laboriously again on its operating voltage and operating frequency needs to be brought. The situation is quite different in the system to which the invention relates; because in systems where the AC grid is fed by independent generators, while the inverter essentially only serves to absorb braking energy from DC motors, it is necessary to adjust the voltage on the AC side of the converter in the event of a fault to be maintained so that no short circuit can occur. This requirement is essential more important and urgent than the shutdown on the direct current side; because when the voltage on the alternating current side of the supplying the discharge vessels Transformers are not available, a dangerous one occurs in the discharge vessels Short-circuit current before it is possible through the DC switch, the discharge vessels from the power consumers connected to the direct current network.

Claims

PATENT CLAIMS: r. Facility for mutual exchange of services between an independent alternating current network and a direct current network of at least two controllable as a rectifier and as an inverter, in particular Gas- or vapor-filled discharge vessels, characterized in that on the alternating current side the discharge vessels energy storage, for example equipped with flywheels AC machines are connected, the power of which is such that at least for a short time instead of the generators feeding the alternating current network when the energy supply between these generators and the transformers is interrupted the discharge vessels an alternating voltage of a certain size and a clock Maintain frequency for the converters. a. Device according to claim r, characterized in that when the alternating voltage drops, the excitation of as Synchronous machines serving energy storage for a short time extremely greatly enlarged will. 3. Device according to claim =, characterized in that one is used as a drive motor for grid control devices serving electrical machine as energy storage is trained. q .. device according to claim =, characterized in that a special energy storage is provided for generating the grid voltages.