DE661150C - Anordnung fuer Umrichter, die mit weiteren Umformern parallel arbeiten - Google Patents

Description

Bei einem Parallelbetrieb von mehreren Umformern sowohl in demselben Umformerwerk als auch in mehreren Umformerwerken eines Speisenetzes müssen Größe und Phasenlage der Spannung jedes Umformersatzes unabhängig von anderen Umformersätzen frei einstellbar und auch stetig regelbar sein, damit die Anforderungen des Betriebes erfüllt werden können. Während bei Umformern mit umlaufenden Maschinen diese Anforderungen ohne weiteres erfüllt werden können, ist. dies bei Umrichtern nur bedingt möglich, denn ihre beiden Spannungen stehen in einem starren Zusammenhang; außerdem sind Kurvenform und Phasenlage der Spannung nicht beliebig einstellbar.

Es ist zwar möglich, Kurvenform und Phasenlage mittels der Gittersteuerung zu ändern. Diese Änderungen verlaufen indessen sprunghaft. Man hat deshalb bei einer bekannten Anordnung für mit weiteren Umrichtern oder umlaufenden Maschinen parallel arbeitende Umrichter in die primären oder sekundären Phasenleitungen eine phasendrehende Vorrichtung eingeschaltet. Für die vollständige Beherrschung sämtlicher Leistungs- und Spannungsverhältnisse wäre es aber erforderlich, die phasendrehende Vorrichtung für einen großen Regelbereich auszulegen. Die Erfindung gestattet nun die Verwendung eines wesentlich kleineren Drehreglers und geht davon aus, daß zur Regelung der Größe und Phasenlage der erzeugten Spannung sowohl die Gittersteuerung als auch zwei weitere Drehregler bzw. ein Doppeldreh'-regler verwendet werden. Erfindungsgemäß werden zur stetig regelbaren Überbrückung der durch die Grobregelung mittels der Gittersteuerung hervorgerufenen Phasensprünge der Spannungskurve zwei Drehregler oder ein Doppeldrehregler vorgesehen. Bei diesen beiden Drehreglern bzw. dem Doppeldrehregler sind die Phasenwieklungen so angeordnet, daß jeweils zwei um 90⁰ elektrisch gegeneinander versetzte Phasenwicklungen zusammenarbeiten. Diese Phasenwicklungen sind durch einen Umschalter so mit dem zu regelnden Netz verbunden, daß durch das Umlegen des Umschalters die Drehregler bzw. der Doppeldrehregler von der höchsten Zusatzspannung unmittelbar auf die Zusatzspannung Null oder umgekehrt zurückgeschaltet werden.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Zunächst soll in Verbindung mit Abb. 1 das Prinzip der Spannungsregelung erklärt werden. Der Vektor Uo bedeute die Ausgangsspannung, welche durch den Regelvorgang in die Lage und Größe Ub der neu einzustellenden Belastungsspannung gebracht werden soll. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß zuerst Uq um die Längszusatzspannung Ui vergrößert wird und dann die

*) Von dem P at ent sucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Karl Schmer in Berlin-Mariendorf.

Spannung Uo -γ- Ul durch die senkrecht auf Uo -f- Ul stehende Querspannung Uq in die resultierende Spannungslage Ub gebracht ¹WiTd. Ähnlich wie die Winkelabweichung zwischen Statordrehfeld und Polrad bei Synchrojl· maschinen bedeutet dann der Winkel β zwi sehen Uo und Ub ein Maß für den Wirktestanteil des Umrichters und die Größe Ul ein Maß für den Blindlastanteil. Ul und Uq ίο setzen sich zu der resultierenden Zusatzspannung Ud zusammen. Es ist bis zu einem gewissen Grade möglich, mit einem einzigen Drehregler die Spannung Uo zur Spannung Ub zu ergänzen. Aber bei Verwendung nur eines einzigen Drehreglers- ist die Zusatzlängsspannung Ul nicht unabhängig von der Zusatzquerspannung Uq, sondern beide stehen in dem festen, bei Drehreglern bekannten Verhältnis zueinander. Um nun die nötige Regelfreiheit zu erhalten, sind mindestens zwei Drehregler vorgesehen.

In Abb. 2 ist die einfachste Ümriehteranordnung mit zwei Drehreglern auf der höherfrequenten Seite, z. B. Drehstromseite, zur Darstellung gebracht. D_r bedeutet das primäre Drehstromnetz, Ru die Umrichteranordnung, Ei das niederfrequente Netz, z. B. ein Einphasennetz. Die beiden Drehregler sind mit Td\ und TO₂, die zugehörigen Regeleinrichtungen mit R₁ und R₂ bezeichnet. Die Wirkungsweise der beiden Drehregler geht aus dem Vektordiagramm (Abb. 3) hervor. Uo bedeutet wieder die Ausgangsspannung, Ub die gewünschte Betriebsspannung, L^d₁ ist die Zusatzspannung vom Drehregler Td₁, Udz die von Td₂' Ud ist die aus Ud₁ und Ud% resultierende Gesamtzusatzspannung. Man erkennt nun, daß man mit dieser zweifachen Drehregleranordnung in der Wahl der Längs- und Querzusatzspannung im Rahmen der gesamten Drehreglerzusatzspannung vollkommen frei ist. Selbstverständlich können an Stelle der zwei Drehregler nach Anordnung (Abb. 2), welche nicht ganz einfach zu regeln sind, zwei 4-5. Doppeldrehregler verwendet werden, von denen der eine zur -Regelung der LängszusatzspannungC//: dient und der andere zur Regelung der Querzusatzspannung Uq. Auch können beide Drehregler statt auf der höherfrequenten auf der niederfrequenten Umrichterseite angeordnet sein. Auch ist denkbar, daß eine Drehreglergruppe, z. B. der Doppeldrehregler für die Querzusatzspannung Uq, auf der höherfrequenten Netzseite und der Doppeldrehregler für die Längsspannung Ul auf der niederfrequenten Seite angeordnet ist. Dabei sei darauf hingewiesen, daß es vorteilhaft ist, gleichzeitig mit der Verstellung der Drehregler die Einrichtungen für die Gittersteuerung so mitzusteuern, z. B. durch einen kleinen Drehregler, welcher entgegengesetzt wie der Hauptdrehregler wirkt, daß unabhängig von der Stellung der Hauptdrehregler • die Steuerspannung für die Gittersteuerung der Größe nach konstant bleibt.

' Abb. 4 zeigt eine Anordnung, bei welcher z/B. bei einem Drehstrom-Einphasenstrom-Um-'richter der Doppeldrehregler Tdd für die Regelung der Phasenlage der Spannung auf der Drehstromseite sitzt und zur Spannungsregelung der Größe nach ein unter Last umschaltbarer Stufenschalter Lei bekannter Bauart in der Ausgangswicklung des Einphasentransformators TEi eingebaut ist. In der Schaltskizze bedeuten weiter D_r das Drehstromnetz, TDr den Umrichtertransformator, S^₁, Sr₂ zwei Entladungsgefäße, Ei das Einphasennetz, und Rd mit den beiden Zahnradübertragungen Z₁ und Z₂ die Regeleinrichtung für den Doppeldrehregler Tdd sowie Rl die Regeleinrichtung für den Stufenschalter Lei-

Während die Verstellanordnung Rl vornehmlich abhängig von der Spannung eingeregelt wird, entweder von Hand oder selbsttätig, müssen auf. die Verstellvorrichtung Rd des Doppeldrehreglers Größen einwirken, welche hauptsächlich auf die gegenseitige Lage der Spannungsvektoren von Drehstromnetz und Einphasennetz Bezug haben. In Abb. 5 ist eine der möglichen Anordnungen angegeben, welche eine Regelgröße liefert, die proportional der Phasenverschiebung zwischen den Spannungsvektoren der beiden Netze ist. Das Beispiel gilt wieder für einen Drehstrom-Emphasenstrom-Umrichter. As ist ein doppelt gespeister Asynchronmotor bekannter Bauart mit dem Ständer S, der unmittelbar vom Drehstromnetz D_r aus gespeist wird, und einem Läufer/., welcher einen Zeiger trägt, dessen Spitzen mittels Schleifkontakten über einen Regelwiderstand Wr gleitet und einen Strom bzw. eine Spannung einstellt, * welcher dem Zeigerausschlag proportional ist. Der Läufer L wird ebenfalls mit Drehstrom gespeist, der über den Synchron-Synchronumformer jW_1; M₂ geliefert wird und in seiner Frequenz und Phasenlage dem Einphasenstrom des Einphasennetzes Ei proportional ist. Da der Zeiger mit L starr gekuppelt ist, ist sein Ausschlag unmittelbar proportional no der Phasenabweichung .zwischen beiden gekuppelten Netzen. St bedeutet den Anschlußpunkt der Steuereinrichtungen für die Gittersteuerung und Drehregleranordnungen. An die Stelle des elektrischen Differentials As kann auch ein "5 mechanisches Differential treten, welches über Synchronmaschinen sowohl vom Drehstromnetz als auch vom Einphasennetz aus unter Berücksichtigung der Frequenzübersetzung zwischen beiden Netzen angetrieben wird.

Wie eingangs schon erwähnt, wird erfindungsgemäß die aus zwei Drehreglern bzw.

einem Doppeldrehregler bestehende Drehregleranordnung lediglich zur stetig regelbaren Überbrückung der durch die Grobregelung mittels der Gittersteuerung hervorgerufenen Phasensprünge vorgesehen. Das Beispiel einer , grundsätzlichen Schaltanordnung dieser Art geht aus Abb. 6 hervor, wobei als Beispiel wieder an die Umformung von Drehstrom in Einphasenstrom gedacht ist, obwohl die Ausführungen ganz allgemein für die Kupplung zweier verschieden frequenter, verschiedenphasiger Netze mittels Umrichtern gelten. In Abb. 6 bedeutet D_r das Drehstromnetz, TDr den Umrichtertransformator, S_n und S_r2 zwei Entladungsgefäße, GSt bedeutet die Einrichtung für die Gittersteuerung, TEi den Einphasentransformator mit eingebautem Stufenschalter Lei- T'dd ist der Doppeldrehregler, in dem gezeichneten Beispiel auf der Seite des Einphasennetzes, wobei durch Zusatzwicklungen mit Drosseln und Kondensatoren dafür gesorgt ist," daß in diesem Drehregler ein Drehfeld entsteht, und Ej das Einphasennetz. Der Doppel drehregler erhält nun, um seine Aufgabe erfüllen zu können, erfindungsgemäß in jedem Teil zwei aufeinander senkrecht oder nahezu senkrecht stehende Wicklungen a-a' bzw. b-b', wobei a! senkrecht auf α und b' senkrecht auf b steht. Die beiden Wicklungen der einen Drehreglerseite a-a! können nun über einen Umschalter SeA₁, die Wicklungen der anderen Seite b-b' über den Umschalter Sch« abwechselnd an das Einphasennetz angeschlossen werden. Rd stellt die Verstellvorrichtung für die Drehregler mit den beiden zugehörigen Zahnradantrieben Z₁ und Z₂ dar, Rs ist die Antriebsvorrichtung für die beiden Umschalter ScA₁ und ScA₂) Hr bedeutet die Hauptregeleinrichtung, die von Hand oder selbsttätig in dem gewünschten Sinn so beeinflußt wird, daß die notwendige Spannungsregelung für den Parallelbetrieb zustande kommt. Hr wirkt gleichzeitig über die Steuerkabel Kd auf Rd, Ks auf Rs und K_ei auf GSt derartig ein, daß die drei Regelorgane Rd, Rs und GSt im richtigen Sinne zusammenwirken. Für die Übertragungs- und Beeinflussungsglieder können Apparate und Relais bekannter Bauart Anwendung finden. Der Einfachheit halber ist von einer Mitregelung des Lastreglers Lei Abstand genommen worden, obwohl dies ohne Schwierigkeiten ebenfalls möglich wäre. Die gedachte Wirkungsweise des Doppeldrehreglers T'dd mit den Umschaltern ScIi₁ und Sch₂ in Verbindung mit der Gittersteuerung GSt geht aus Abb. 7a und 7b hervor.

Der Erfindungsgedanke ist nicht auf bestimmte Umrichter beschränkt. Vorteilhaft ist es, ihn in Verbindung mit anderen Arbeitsverfahren anzuwenden, beispielsweise mit dem Verschieben des Schwerpunktes der erzeugten Wechselspannung unter zeitweiligem Verzicht auf dia Oberwellenbeseitigung. Mittels der Gittersteuerung und entsprechender Auswahl der Wicklungsanschlüsse am Drehstromtransformator erreicht man, daß die Spannung von der Phasenlage U₁ ruckweise in die Lagen U₂, U₃, C₄ usw. gebracht wird, wie Abb. 7a zeigt. Dabei ist angenommen, daß die einzelnen Phasensprünge gleich groß sind, z. B.. io° betragen, wobei die Gleichheit dieser Winkelabweichungen nicht unbedingt genau eingehalten zu werden braucht. Abb. 7b zeigt, wie diese Phasensprünge an einer der möglichen Umrichteranordnuingen mit dem Verfahren der Schwerpunkts Verlagerung erreicht werden können. Die Spannungslage U₁ nach Abb. 7a entspricht der Phasenfolge 1 des Umrichters mit der Schwerpunktslage o° nach Abb. 7b, ebenso U₂ der Phasenfolge 2 mit io° usw. Auf die in den verschiedenen Schwerpunktslagen auftretenden ungleichen absoluten Spannungshöhen bei der als Beispiel herangezogenen Umrichteranordnung soll nicht weiter eingegangen werden, da diese Ungleichheiten erstens nicht sehr groß sind, zweitens durch den Spannungsregler oder die Gittersteuerung selbst ausgeglichen werden können. Auch kann durch die Drehregleranordnung selbst ein entsprechender Ausgleich geschaffen werden.

Der Doppeldrehregler hat nun die Aufgabe, die Spannungssprünge 2 Ud₁ zwischen U₁ und U₂ bzw. 2 Ud2 zwischen U₂ und U₃ usw. stetig zu überbrücken. Diese stetige Überbrückung, d.h. die stetige Verdrehung des Spannungsvektors, ist notwendig, um einen einwandfreien Parallelbetrieb zu gewährleisten, denn nur durch eine stetige Regelung lassen sich unerwünschte und unzulässige Lastpendelungen in parallel betriebenen Speisenetzen vermeiden und die notwendige Netzstabüität aufrechterhalten. Wollte man allein mit Hilfe der Gittersteuerung genügend kleine Spannungssprünge erreichen, Spannungssprünge, die kleiner sind als 1 bis 2°, elektrisch bezogen auf die niederfrequente Seite, so ist hierzu ein unwirtschaftlich großer Aufwand an Transformatorwicklungen nebst Anzapfungen und an Entladungsstrecken sowie eine no recht umfangreiche und verwickelte Steuerung notwendig, wobei zwar keine Phasensprünge, aber noch keine Stetigkeit in der Regelung erreicht werden.

Wird nun die Drehregleranordnung, z. B. der Doppeldrehregler nach Abb. 6 so eingesetzt, daß er zur Lieferung der geometrischen Differenzspannung 2 Ud₁ bzw. 2 Ud₂ usw. nach Abb. 7a ausreicht, so ist eine stetige Regelung der Phasenlage der Spannung möglieh. Der Regelvorgang verläuft dabei folgendermaßen : Geht man nach Abb. 7a von der

Phasenlage CZ₁ aus und will stetig in der Lage z.B. nach t/₄ übergehen, so stellt man den DoppeldrehreglerTjdd nach Abb. 6 so ein, daß seine Widdungsphasen α und b elektrisch um i8o° zueinander verdreht sind, mit U₁ parallel bzw. angenähert parallel verlaufen und keine resultierende Zusatzspannung zu U₁ liefern. Dabei sind die Schalter SCh₁ und ScA₂ so gelegt, daß die Wicklungsphasen« und b ίο mit dem Einphasennetz verbunden sind. Der Doppeldrehregler wird nun so verdreht, daß seine Phasen einen Kreisbogen beschreiben, wie in Abb. 7a angedeutet ist, so daß nach 90⁰ Phasenverdrehung α und b elektrisch parts allel'zueinander liegen und mit der Richtung der Differenzspannung 2 Ud₁ zwischen U₁ und U₂ zusammenfallen. 2 Ud₁ ist dann die doppelte Drehreglerphasenspannung. Hat der Drehregler nun diese Lage erreicht, so wird die Gittersteuerung auf die nächste Spannungsphasenlage U₂ übergesteuert und gleichzeitig die Drehreglerwicklungen α und b vom Einphasennetz durch die Umschalter ScIi₁ und ScA₂ abgetrennt und die auf α und b senkrecht stehenden oder nahezu senkrecht stehenden Phasenwicklungen a' und b' an das Einphasennetz umgeschaltet. Die Wicklungen«' und b' stehen in diesem Zeitmoment in Phasenopposition zueinander und liefern daher keine resultierende Zusatzspannung. Sie werden nun genau so wie vorher die Phasenwick lungenα und b aufeinander zugedreht, so daß sie in ihrer Endstellung elektrisch parallel liegen und sich mit der Differenzspannung 2 Ud₂ decken. In diesem Augenblick erfolgt ähnlich wie in der Phasenlage U₂ der Umrichterspannung ein Weiterschalten der Umrichtersteuerung auf die Phasenlage U_s, wobei gleichzeitig a' und b' vom Einphasennetz getrennt und dafür α und b wieder an dasselbe angeschlossen werden. Es wiederholt sich nun das gleiche Spiel wie am Ausgangspunkt des geschilderten Regelvorgangs, bis die gewünschte Lage CZ₄ erreicht worden ist. Selbstverständlich kann der Umrichter betriebsmäßig auf jeder Zwischenlage zwischen den durch die Gittersteuereinrichtungen bedingten Phasenlagen CZ₁, U₂ usw. erforderlichenfalls dauernd stehenbleiben. Die Umschalter 5CA₁ und Sch₂ können durch gesteuerte Entladungsstrecken ersetzt werden.

Bei dem eben geschilderten Regelvorgang ist die Regelung der Spannungsphase nach Abb. 7a im rechtsdrehenden Sinne vorgenommen worden, wobei der Doppeldrehregler in jeder durch die Gittersteuerung bedingten Spannungslage immer von seiner höchsten zu liefernden Zusatzspannung auf die Zusatzspannung Null umgeschaltet werden mußte. Je nach den Betriebsverhältnissen kann der Regel Vorgang auch ohne weiteres in umgekehrter Richtung verlaufen. Die entsprechende Umschaltung des Drehreglers erfolgt dabei dann so, daß von der Zusatzspannung Null auf die höchste Zusatzspannung umgeschaltet wird.

Wenn auch normalerweise die Regelung stetig vorgenommen wird und werden muß, so kann es doch gelegentlich erwünscht sein, daß bei plötzlicher Netzbelastung oder Netzentlastung ein plötzlicher größerer Spannungssprung vorgenommen werden muß. In diesem Fall kann durch eine Relaisanordmmg bekannter Bauart, z.B. Leistungsmesser nach dem Ferrarisprinzip mit entsprechender Steuerrollenanordnung, dafür gesorgt werden, daß die Gittersteuerung um ein, zwei Schaltsprünge vor- oder nachspringen kann, ohne daß der Drehregler in der Zwischenstellung durchgedreht zu werden braucht.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Anordnung für Umrichter, die mit weiteren Umformern parallel arbeiten und bei denen die Regelung von Größe und Phasenlage der erzeugten Spannung mit Hilfe der Gittersteuerung und zweier Drehregler bzw. eines Doppeldrehreglers erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur stetig regelbaren Überbrückung der durch die Grobregelung mittels der Gittersteuerung hervorgerufenen Phasensprünge zwei Drehregler oder ein Doppeldrehregler vorgesehen sind, deren jeder Phasenwicklung eine weitere um 90⁰ oder annähernd 90⁰ elektrisch gegen diese versetzte Phasenwicklung zugeordnet ist, und daß die beiden Phasenwicklungen durch einen Umschalter so mit dem zu regelnden Netz verbunden sind, daß durch das Umlegen des Umschalters die Drehregler bzw. der Doppeldrehregler von der höchsten Zusatzspannung unmittelbar auf die Zusatzspannung Null oder umgekehrt zurückgeschaltet werden.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die gleichzeitig mit der Regelung der Phasenlage der Spannung durch einen Doppeldrehregler deren Große durch no einen unter Last umschalt baren Stufenschalter üblicher Bauart am Eingangs- oder Ausgangstransformator des Umrichters regeln.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Steuerdrehregler, der bei gleichzeitiger Regelung von Größe und Phase der Spannung mittels der Drehregler mitgesteuert wird und die Gitterspannung im wesentlichen konstant hält.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder ff.,

   dadurch, gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung der Drehregler derart mit der Gittersteuerung des Umrichters gekuppelt ist, daß eine Neueinstellung der Phasenlage der Spannung mit Hilfe der Gittersteuerung erst dann erfolgen kann, wenn die Drehregler ihre Endlage für die höchste Zusatzspannung oder für die Nullspannung erreicht haben.
5. 5. Anordnung nach Anspruch ι oder ff., gekennzeichnet durch Relaisanordnungen, welche die Gittersteuerung bei plötzlichen Lastschwankungen im Netz derart beeinflussen, daß sie ein oder mehrere aufeinanderfolgende Einstellungen der Spannungsphase vornimmt, ohne daß zwischen den einzelnen Spannungseinstellungen die Drehregler durchgedreht werden.
6. 6. Anordnung nach Anspruch ι oder ff., dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße für die Einstellung der Drehregler ein Spannungs-, Strom- oder Leistungswert dient, der der Phasenabweichung der beiden Netzspannungen des Umrichters proportional ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein mechanisches oder elektrisches Differential, das die Vergleichsgröße für die Phasenabweichung beider Umrichternetze bildet, wobei erforderlichenfalls die von der niederfrequenten Netzseite aus dem Differential zugeführte Steuergröße über einen Synchron-Synchronumformer in der der höherfrequenten Netzseite entsprechenden Stromart phasengleich abgebildet wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen