DE654985C - Anordnung zur Beeinflussung der Kommutierung von Gleich- oder Wechselrichtern - Google Patents

Description

Für die Energieübertragung mit hochgespanntem Gleichstrom hat man bereits Gleichrichter und Wechselrichter vorgeschlagen, die mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken und Synchrontrennern arbeiten. Diese Synchrontrenner sind synchron betätigte Trennstrecken in den Entladungsstrecken und dienen zur Unterteilung der Spannung während der Sperrzeit, d. h. sie

ίο haben die Aufgabe, den größten Teil der Sperrspannung aufzunehmen. Der Synchrontrenner soll dabei möglichst unmittelbar nach Beendigung der Kommutierung die Entladungsstrecke von der Spannung entlasten.

Die Entladungsstrecke wird also nur in der Zeit vom Endpunkt der Kommutierung bis zum Schalten der Trennkontakte, also nur eine kurze Zeit in bezug auf die Periode des Wechselstromnetzes, auf Sperrspannung, die nachfolgend mit Sprungspannung bezeichnet wird, beansprucht. Die Sprungspannung selbst ist bestimmt durch die Kommutierungsdauer, deren Länge durch die Größe des zu kommutierenden Stromes und durch die Streuung des Transformators vorgeschrieben ist. Nehmen wir als Beispiel eine Kommutierungsdauer von rund 12⁰ an, so wird in der Sechsphasensternschaltung der Spannungsvervielfachungsfaktor / = 10. Mit diesem Vervielfachungsfaktor / soll im folgenden das Verhältnis der größten, bei Betrieb ohne Synchrontrenner an einer Entladungsstrecke auftretenden Sperrspannung zu der Spannungsbeanspruchung der Entladungsstrecke bei Betrieb mit Synchrontrennern bezeichnet werden. Die Streureaktanz des Transformators darf hierbei nur 3 °/o betragen, für einen 100 kV Transformator ein nur durch erhebliche Übermessung zu erreichender Wert.

Eine wirkliche Ausnutzung des Synchrontrenners wird erreicht durch Verkleinerung der Sprungspannung. Zu diesem Zweck wird zur Beeinflussung der Kommutierung von Gleich- oder Wechselrichtern die Anodenspannung zwecks Abflachung ihres Scheitelwertes von einer höher frequenten, insbesondere sinusförmigen zweiten Wechselspannung dreifacher Frequenz taktmäßig überlagert. Im Sinne vorliegender Erfindung wird bei Gefäßen mit Synchrontrennern die Spannungskurve der ablösenden Anode nach ihrem Schnittpunkt mit der Spannungskurve der bisher stromführenden Anode über ein längeres Intervall sich nur wenig von der Spannungskurve der abgelösten Anode unterscheiden, so daß der Spannungssprung zwischen abgelöster Anode nach erfolgter Kommutierung verhältnismäßig lange klein bleibt

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Claus Fröhmer in Berlin-Siemensstadt.

gegenüber einem Betrieb mit sinusförmigen Anodenspannungen.

In Abb. ι der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Die sechsphasige, von den Entladungsströmfd der Entladungsstrecken E durchflossen Wic% lung des Haupttransformators T einer Gleich-' richteranlage ist in zwei phasenverschobene, dreiphasige Sternwicklungen S₁ und S₂ unterteilt. Zwischen die Sternpunkte wird im Sinne vorliegender Erfindung eine von einem Hilf sgenerator H erzeugte und dem Zwischenphasentransformators Z zugeführte Wechselspannung dreifacher Frequenz geschaltet. Die Entladungsstrecken E arbeiten in bekannter Weise während je 6o°. Bei andersphasigen Schaltungen gelten naturgemäß andere Verhältnisse. So kommt für Zwölfphasenschaltungen die sechste Harmonische in Frage. Ein Beispiel für die Einfügung einer Spannung dreifacher Frequenz in die Hauptstromkreise der Entladungsstrecken, deren Scheitelwert 20 % von dem der Phasenspannung beträgt, ist in Abb. 2 erläutert, welche die Phasen- und Zusatzspannungen e in Abhängigkeit von der Zeit t wiedergibt. Die Oberwelle e₃ eilt der Grundwelle e_g' bzw. e_s" um den Winkel/?, der hier 5⁰ beträgt, nach. Die schraffierte Fläche steht für die Kommutierung zur Verfügung. Die rechte Grenze ist durch die zulässige Sprungspannung gegeben, die beim normalen Betrieb nach einer Kommutierungsdauer von 12° erreicht wird (in Abb. 2 ist die bei normalem Betrieb auftretende Kommutierungfläche stark umrahmt). Durch Einfügen der dritten Harmonischen bei β = 5° wird bei gleicher Sprungspannung die Kommutierungsfläche gegenüber dem normalen Betrieb um das Vierfache vergrößert. Diese Vergrößerungszahl soll mit η bezeichnet werden. Abb. 3 zeigt den zeitlichen Spännungsverlauf e_sp an einer Entladungsstrecke mit und ohne dritte Harmonische, also e_spm iind e_spo, für eine bestimmte Belastung. Der Teilverkauf e_sp„' zeigt den Verlauf der Sprungspannung auch für Belastungen herunter bis Null. Man erkennt, daß vor dem Beginn des Entladungseinsatzes die Spannung an der Entladungsstrecke in einem Gebiet von etwa 10 elektrischen Grad nicht stärker ansteigt. -Einschaltschwierigkeiten können somit nicht entstehen. Hinsichtlich der Kommutierung ist eine Dauer von 35 ° angenommen. Bei Beendigung der Kommutierung ergibt sich dann eine Sprungspannung U_Sm gleich U_So. Während der folgenden 23 elektrischen Grad bleibt die Entladungsstrecke mit einer Spannung beansprucht, die in keinem Fall größer als U_So ist. Das Auftrennen durch den Synchrontrenner kann dann während dieser Zeit erfolgen.

Eine exakte Auftrennung, wie sie bei Betrieb ohne Zusatzspannung gewährleistet sein muß, erübrigt sich somit.
jiBi der Anwendung des Erfindungsgedan-

ergeben sich nun noch verschiedene Ge- ^punkte, auf die nachstehend kurz einge-•i gärigen werden soll.

Zunächst kann man eine Vergrößerung der für die Kommutierung zur Verfügung stehenden Fläche erreichen, wenn man die Größe oder Phase der Zusatzspannung regelt. Aus Abb. 4, die im übrigen mit Abb. 2 übereinstimmt, ist beispielsweise die Arbeitsweise zu ersehen, wenn man eine Phasenverschiebung ß=io° zugrunde legt. Man erreicht dann eine o.,4fache Vergrößerung der Fläche gegenüber dem Betrieb ohne Zusatzspannung, wobei auch in diesem Falle für Betrieb ohne Zusatzspannung eine Kommutierungsdauer von 12° und eine Sprungspannung von der Größe von U_So (Abb. 3) zugrunde gelegt ist. Behält man das Amplitudenverhältnis von Harmonischerer Grundwelle 1 : 5 bei, so ist bei β — io° die Grenze erreicht, bei der samtliehe Werte von e_spm bzw. e_spm' innerhalb des in Frage kommenden Kommutierungsbereiches nie größer als U_So sind (vgl. ABb. S). Der Flächenvergrößerungsfaktor η ist für das Verhältnis 1 : 5 der Scheitelwerte der Zusatzspannung und der Phasenspannung in Abhängigkeit von β in Abb. 6 der Zeichnung angegeben.

Ferner läßt sich durch Berechnungen und Versuche zeigen, daß gleichzeitig selbsttätig eine stromabhängige Regelung der Größe der Sprungspannung eintritt; mit steigender Belastung sinkt, nämlich e_spm, und daher wird erst in einer späteren Phasenlage der noch zulässige Wert U_So der Sprungspannung erreicht. Da mit wachsender Last auch das Kommutierungszeitintervall wächst, bleibt die Sprungspannung daher angenähert konstant. Im Gegensatz zum Betrieb ohne Zusatzspannung, wo mit steigender Belastung und damit verlängerter Kommutierungszeit auch die Sprungspannung und damit auch die Rückzündungsgefahr steigt, ergibt sich also bei Betrieb mit Zusatzspannung bei steigender Belastung keine Erhöhung der Sprungspannung und der Rückzündungsgefahr.

Naturgemäß ist der Erfindungsgedanke auch bei Wechselrichtern anwendbar, nur muß dann die Phasenverschiebung β voreilend gewählt werden. In Abb. 7, die im übrigen mit Abb. 2 übereinstimmt, sind die einzelnen Spannungsverläufe für Grundwelle und Harmonische bei Wechselrichterbetrieb dargestellt, in Abb. 8 der Verlauf der sich hierbei ergebenden Sprungspannungen bei Betrieb mit und ohne Zusatzspannung. Wie beim Gleichrichterbetrieb, so braucht man auch

beim Wechselrichterbetrieb keine hohen Anforderungen an die Schaltgenauigkeit der Trennkontakte (im Gegensatz zum Betrieb ohne Zusatzspannung) zu stellen.
Wie bereits eingangs angedeutet wurde,, ist man hinsichtlich der Zusatzspannung nicht auf eine sinusförmige Wechselspannung angewiesen. Vorteilhaft kann man auch eine dreieckförmige Wechselspannung verwenden.

ίο Die Erzeugung einer solchen Kurvenform mittels besonderer Generatoren ist nicht zweckmäßig. Besser ist es, parallel zu den Klemmen des Zwischenphasentransformators Z (Abb. i) Kondensatoren zu schalten. Kann man im Betrieb mit ziemlich konstanten Belastungsverhältnissen rechnen, so wird man den Kondensator derart bemessen, daß die Kommutierung 30⁰ vor dem Schnittpunkt der beiden Phasenspannungen beginnt. Das ist der günstigste Betrieb. Man kann auch, beispielsweise bei kleinen Lastschwankungen + io°, von dieser Lage abweichen. Größere Abweichungen sind unerwünscht, und es empfiehlt sich daher, insbesondere bei Betrieb mit stark schwankender Belastung, die Größe des Kondensators lastabhängig einzustellen.

Das Drehstromnetz wird bei Einfügung

von Zusatzspannungen im Sinne vorliegender Erfindung im Gleichrichterbetrieb schwach kapazitiv oder mit einem Leistungsfaktor gleich ι belastet. Bei Wechselrichterbetrieb kann auch in einem gewissen Umfang induktive Blindlast geliefert werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung zur Beeinflussung der Kommutierung von Gleich- oder Wechselrichtern, deren Anodenspannung zwecks Abflachung ihres Scheitel wertes von einer höher frequenten, insbesondere sinusförmigen zweiten Wechselspannung dreifacher Frequenz taktmäßig überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gefäßen mit Synchrontrennern die Spannungskurve der ablösenden Anode nach ihrem Schnittpunkt mit der Spannungskurve der bisher stromführenden Anode sich über ein längeres Intervall nur wenig von der Spannungskurve der abgelösten Anode unterscheidet, so daß der Spannungssprung zwischen ablösender und abgelöster Anode nach erfolgter Kommutierung verhältnismäßig lange klein bleibt gegenüber einem Betrieb mit sinusförmigen Anodenspannungen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1 für Gleichrichterbetrieb und sinusförmige Zusatzspannung mit einer Frequenz gleich einem ganzen Vielfachen der Frequenz des Wechselstromnetzes, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Nulldurchgänge der Zusatzspannung von negativen zu positiven Werten um ein vorbestimmtes Zeitintervall etwa 1 bis io° elektrisch, bezogen auf die Grundwelle, gegenüber dem Nulldurchgang der zugeordneten Phasenspannung von negativen zu positiven Werten im nacheilenden Sinn verschoben ist (Abb. 2 und 4).
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 für Wechselrichterbetrieb und sinusförmige Zusatzspannung mit einer Frequenz gleich einem ganzen Vielfachen der Frequenz des Wechselstromnetzes, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Nulldurchgänge der Zusatzspannung von negativen zu positiven Werten um ein vorbestimmtes Zeitintervall, etwa 1 bis io° elektrisch, bezogen auf die Grundwelle, gegenüber dem Nulldurchgang der zugeordneten Phasenspannung von negativen zu positiven Werten im voreilenden Sinn verschoben ist (Abb. 7).
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Zusatzspannung im wesentlichen Dreieckform besitzt.
5. 5. Anordnung zur Erzeugung einer zusätzlichen Wechselspannung höherer harmonischer Frequenz von dreieckförmigem zeitlichem Verlauf nach Anspruch 4 bei mehrphasigen Stromrichtern gerader Phasenzahl mit Zwischenphasentransformator," dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Zwischenphasentransformator Kondensatoren geschaltet sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung (vorzugsweise in Abhängigkeit von der Belastung) regelbar ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen