DE686650C

DE686650C - Arrangement for the mutual exchange of energy between an alternating current network and a direct current network

Info

Publication number: DE686650C
Application number: DE1934S0115334
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Wilhelm Leukert
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1934-09-11
Filing date: 1934-09-11
Publication date: 1940-01-13

Description

Anordnung zum wechselseitigen Energieaustausch zwischen einem.Wechselstromnetz und einem Gleichstromnetz Die Erfindung bezieht sich auf Stromrichteranordnungen, welche einen Stromverbraucher, beispielsweise einen Gleichstromverbraucher, speisen und derart ausgebildet sein müssen, daß der Stromverbraucher zeitweise Energie an das speisende Netz zurückliefern kann. Das wichtigste Beispiel für derartige Anlagen sind Gleichstrombahnnetze, hei denen Bremsstrom, der von den Bahnmotoren erzeugt wird, über die Stromrichter an das speisende Wechselstromnetz zurückgeliefert werden soll. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Bahnnetze beschränkt, sondern kann überall dort angewendet werden, wo zwei elektrische Leitungsnetze über Umformer, die mit Stromrichtern arbeiten, miteinander gekuppelt sind und die Bedingung gestellt ist, daß wechselseitiger Energietransport möglich ist. Als weiteres Beispiel sei noch auf den Antrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Walzenstraßen, verwiesen, bei denen der Motor in der Drehrichtung umschaltbar sein und mit elektrischer Bremsung durch Rückstrom betrieben werden soll. Es ist bekannt, daß für die vorstehenden Stromversorgungsanlagengittergesteuertegas-oder dampfgefüllte Entladungsgefäße 'verwendet werden können, denn dieseEntladungsgefäße sind befähigt, Energie von einem Wechselstromnetz in ein Gleichstromnetz und .umgekehrt zu liefern. Bei den bisher bekanntgewordenen Anlagen dieser Art sind meist zwei Schaltungen angewendet worden. Die erste Schaltung, welche vielfach auch als Kreuzschaltung oder Universalschaltung bezeichnet wird, arbeitet mit zwei steuerbaren Entladungsgefäßen, die dauernd an das Wechselstromnetz und das Gleichstromnetz angeschlossen sind, und zwar derart, @daß jeweils das eine der beiden Entladungsgefäße als Gleichrichter, das andere dagegen als Wechselrichter arbeitet. Die zweite Schaltung verwendet nur einen Stromrichter, der jedoch über eine Umschaltvorrichtung an das Gleichstromnetz angeschlossen ist, so .daß der Stromrichter gleichstromseitig umgepolt -werden kann. Je nachdem Energie aus dem Wechselstromnetz in das Gleichstromnetz .oder in entgegengesetzter Richtung geliefert werden muß, wird das Entladungsgefäß mit der einen oder anderen Polarität an das Gleichstromnetz angeschlossen. Die letztgenannte Anord-^, nun g hat den Vorteil, daß nur ein Entladungsgefäß notwendig ist; sie hat aber dafür den Nachteil, daß :die Umschalteinrichtung im Gleichstromkreis unter Umständen sehr stark beansprucht wird, wenn :es sich um Anlagen handelt, bei denen die Energierichtung häufig wechselt. Dies gilt insbesondere für Gleichstrombahnanlagen mit Nutzbremsung. Man ist daher, auch mit Rücksicht auf die für die Steuerung der Umschaltung notwendigen Zusatzrelaiseinrichtungen,vielfach dazu übergegangen, die Kreuzschaltung anzuwenden, bei der unabhängig von der Häufigkeit des Energierichtungswechsels stets eines der beiden Entladungsgefäße für den Energietransport in der einen oder in der anderen Richtung sofort zur Verfügung steht. Besondere Relaiseinrichtungen fallen dann vollständig weg. Die Schaltung hat aber den Nachteil, daß die Anlage wesentlich teurer ist, weil zwei Entladungsgefäße notwendig sind.Arrangement for the mutual exchange of energy between an alternating current network and a direct current network. The most important example of such systems are direct current rail networks, which means that braking current that is generated by the rail motors is to be returned to the supplying alternating current network via the converters. However, the invention is not limited to rail networks, but can be used wherever two electrical line networks are coupled to one another via converters that work with converters and the condition is that reciprocal energy transport is possible. As a further example, reference is made to the drive of work machines, for example roller lines, in which the motor can be switched in the direction of rotation and is to be operated with electrical braking by reverse current. It is known that grid-controlled gas or vapor-filled discharge vessels can be used for the above power supply system, because these discharge vessels are capable of supplying energy from an alternating current network to a direct current network and vice versa. In the systems of this type that have become known so far, mostly two circuits have been used. The first circuit, which is often referred to as a cross connection or universal circuit, works with two controllable discharge vessels that are permanently connected to the alternating current network and the direct current network in such a way that one of the two discharge vessels acts as a rectifier and the other as a Inverter works. The second circuit uses only one converter, which, however, is connected to the direct current network via a switching device, so that the polarity of the converter can be reversed on the direct current side. Depending on whether the energy from the alternating current network has to be supplied to the direct current network or in the opposite direction, the discharge vessel is connected to the direct current network with one or the other polarity. The last-mentioned arrangement has the advantage that only one discharge vessel is necessary; However, it has the disadvantage that: the switching device in the direct current circuit is under certain circumstances very heavily stressed when: it is a matter of systems in which the direction of energy changes frequently. This applies in particular to DC railway systems with regenerative braking. Therefore, also with regard to the additional relay devices necessary to control the switchover, one has often switched to using the cross-connection, in which, regardless of the frequency of the change in energy direction, one of the two discharge vessels for the energy transport in one or the other direction is always immediately is available. Special relay devices are then completely eliminated. However, the circuit has the disadvantage that the system is much more expensive because two discharge vessels are necessary.

Man hat aus diesem Grunde schon versucht, die mit einem umschaltbaren Entladungsgefäß arbeitende Stromrichterschaltumg so weit zu verbessern, daß beim Übergang von der einen auf die andere Energierichtung keine Unterbrechung mehr entsteht und auch keine Belastungsstöße beim Umschalten des Entladungsgefäßes auftreten. Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen worden, neben dem umschaltbaren Entladungsgefäß ein zweites für eine wesentlich kleinere Leistung bemessenes, nicht umschaltbares Entladungsgefäß vorzusehen, welches während des Umschaltvorganges des größeren Entladungsgefäßes die Energieführung übernimmt und somit eine Unterbrechung der Energieübertragung verhindert. Allerdings ist das kleine Gefäß nur dann in der angegebenen Weise wirksam, wenn die Energierichtung nach dem Wechsel mit der Durchlaßrichtung dieses Gefäßes übereinstimmt.For this reason one has already tried the one with a switchable To improve discharge vessel working converter switching so far that when Transition from one energy direction to the other no longer creates an interruption and no load surges occur when switching over the discharge vessel. For this purpose, it has been proposed, in addition to the switchable discharge vessel a second, not switchable, rated for a significantly lower output Provide discharge vessel, which during the switching process of the larger discharge vessel takes over the energy supply and thus an interruption of the energy transmission prevented. However, the small vessel is only effective in the manner indicated, if the direction of energy changes with the direction of flow of this vessel matches.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Verbesserung der Strbmrichterschaltung mit einem umschaltbaren Entladungsgefäß, wobei auch ein zweites Entladungsgefäß benutzt wird, das für wesentlich geringere Leistung bemessen ist und dessen Durchiaßrichtung der Hauptübertragungsrichtung entgegengesetzt ist. Gemäß der Erfindung wird die Umschalteinrichtung des umschaltbaren Hauptentladungsgefäßes derart gesteuert"daß die nicht umschaltbare Gruppe von Entladungsstrecken beimAuftreten einesEnergieflusses in der ihr zugeordneten Richtung unterhalb einer bestimmten Leistungsgrenze die Gesamtleistung allein überträgt. ' Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man bei Bahnnetzen und ähnlichen Energieversorgungsnetzen bezüglich der Rückstromzeitabschnitte zwischen zwei verschiedenen Arten unterscheiden muß. Im allgemeinen bleibt die Größe des Rückstromes unterhalb einer bestimmten Grenze, die wesentlich niedriger ist als die Höchstleistung, für ,die .das Hauptentladungsgefäß bestimmt ist, mithin niedriger als die Höchstleistung bei Energieentnahme aus dem Wechselstromnetz. Diese Rücksträmzeitabschnitte treten dafür aber verhältnismäßig häufig und in kurzen Zeitabständen auf. Wesentlich seltener sind dagegen Zeitabschnitte, in denen der Rückstrom über die vorstehend genannte Grenze anwächst.The invention also relates to an improvement in the converter circuit with a switchable discharge vessel, with also a second discharge vessel is used, which is dimensioned for much lower performance and its Durchiaßrichtung is opposite to the main direction of transmission. According to the invention, the Switching device of the switchable main discharge vessel controlled in such a way "that the non-switchable group of discharge paths when an energy flow occurs in the direction assigned to it below a certain performance limit Total power alone transfers. 'The invention is based on the knowledge that one in railway networks and similar energy supply networks with regard to the reverse current time segments must distinguish between two different types. In general, the size remains of the return flow below a certain limit, which is much lower than the maximum output for which the main discharge vessel is intended, therefore lower than the maximum power when drawing energy from the AC network. These However, backflow periods occur relatively frequently and at short time intervals on. In contrast, periods of time in which the reverse current overflows are much rarer the above limit increases.

Gemäß der Erfindung wird diesen Verhältnissen @dad-urch Rechnung getragen, daß für die häufig und in kurzen Zeitabständen auftretenden Rückstromzeitabschnitte dauernd ein Wechselrichtergefäß verhältnismäßig kleiner Leistung zur Verfügung gehalten wird, bei dem keine Umschaltung von Gleichrichterbetrieb auf Wechselrichterbetrieb erforderlich ist. Das Hauptentladungsgefäß bleibt dabei unverändert in Gleichrichterschaltung an das Gleichstromnetzangeschlossen. FürdenRegelfall steht somit gemäß der Erfindung eine Stromrichteranordnung zur Verfügung, bei der Nutzbremsung ohneUmschaltung möglich ist, so daß die Häufigkeit des Energierichtungswechsels gleichgültig ist. Steigt der Rückstrom über die Leistungsgrenze des Wechselrichtergefäßes an, so wird der Hauptgleichrichter auf Wechselrichterbetrieb umgeschaltet. Diese Umschalteinrichtung kann dabei wesentlich schwächer 'bemessen werden als bei den bekannten Anordnungen mit nur einem umschaltbaren Entladungsgefäß, weil in wesentlich größeren Zeitabständen umgeschaltet wird. Die Erfindung vereinigt somit die Vorteile der beiden bisher üblichen Schaltanordnungen miteinander, vermeidet jedoch die Nachteile, weil sie, und das ist das wichtigste, mit einem Zusatzgefäß von verhältnismäßig geringer Leistung und einem Umschalter geringer Schalthäufigkeit arbeiten kann.According to the invention, these relationships @ dad-urch are taken into account, that for the reverse current periods that occur frequently and at short intervals constantly kept an inverter vessel of relatively low power available with which no switchover from rectifier operation to inverter operation is required. The main discharge vessel remains unchanged in the rectifier circuit connected to the direct current network. As a rule, therefore, according to the invention A converter arrangement is available, with regenerative braking possible without switching so that the frequency of the change in energy direction is indifferent. Increases If the return current exceeds the power limit of the inverter vessel, the Main rectifier switched to inverter operation. This switching device can be dimensioned much weaker than in the known arrangements with only one switchable discharge vessel, because at significantly longer time intervals is switched. The invention thus combines the advantages of the two so far common switching arrangements with each other, but avoids the disadvantages because they and that is the most important, with an auxiliary vessel of relatively low power and a changeover switch with low switching frequency can work.

Für die Steuerung der Umschaltung -des Hauptentladungsgefäßes von Gleichrichterauf Wechselrichterbetrieb können die bei anderen Schaltanordnungen bekannten Relaiseinrichtungen angewendet werden. Zweckmäßig wird man den Umschalter in Abhängigkeit von dem Strom, und zwar in Abhängigkeit von dem Strom (des Hilfsentladungsgefäßes steuern, weil der Zeitpunkt für die Umschaltung gleichbedeutend ist mit der für das Hilfsentladungsgefäß zulässigen Höchstbelastung. Selbstverständlich kann man für diesen Umschaltvorgang aber auch Relaiseinrichtungen verwenden, welche von anderen Bestimmungsgrößen der Anlage, beispielsweise von Strom oder Spannung des Hauptgleichrichters oder von anderenBestimmungsgrößen der beiden Netze abhängig sind.For controlling the switchover of the main discharge vessel from Rectifier operation can be used with other switching arrangements known relay devices are used. Appropriately one becomes the switch as a function of the current, specifically as a function of the current (of the auxiliary discharge vessel because the time for the switchover is synonymous with that for the maximum permissible load on the auxiliary discharge vessel. Of course you can for but also use relay devices for this switching process, which of other determinants of the system, for example current or voltage of the main rectifier or on other determinants of the two networks are.

Die Anlage wird noch dadurch verbessert, daß die Rückschaltung .des Hauptentladungsgefäßes von Wechselrichter- auf Gleichrichterbetrieb nicht bei derselben Stromstärke, sondern bei einer kleineren Stromstärke vorgenommen wird, so- daß zwischen den beiden Umschaltstromstärken ein Spielraum liegt: dadurch wird mit Sicherheit der Erscheinung des Pumpens der Umschalteinrichtung vermieden. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, die Umschaltung in der einen Richtung in Abhängigkeit von einer Bestimmungsgröße, vorzugsweise vom Strom des umschaltgaren Entladungsgefäßes, die Umschaltung in der anderen Richtung jedoch in Abhängigkeit von einer anderen Bestimmungsgröße, vorzugsweise vom Strom des nicht umschaltbaren Entladungsgefäßes, erfolgen zu lassen. Wesentlich ist, daß der Umschalter des Hauptentladungsgefäßes jeweils betätigt wird, wenn dieses Gefäß nicht belastet ist, denn er wird immer nur dann geschaltet, wenn die Energie von dem Zusatzentladungsgefäß noch übernommen werden kann.The system is further improved in that the downshift .des Main discharge vessel from inverter to rectifier operation not with the same Amperage, but is made at a smaller amperage, so that between there is scope for the two switching currents: this will with certainty the phenomenon of switching device pumping avoided. In some cases it is useful to switch in one direction depending on one Determining variable, preferably from the current of the reversible discharge vessel, the Switchover in the other direction, however, depending on another determinant, preferably from the current of the non-switchable discharge vessel. It is essential that the changeover switch of the main discharge vessel is actuated in each case if this vessel is not loaded, because it is only switched when the energy can still be taken over by the additional discharge vessel.

In Fig. i der Zeichnung ist das Schaltungsschema für die Umformeranordnung nach der Erfindung dargestellt. Ein gittergesteuertes Quecksilberdampfentladungsgefäß i ist über einen Transformator 2 an ein Wechselstromnetz 3 angeschlossen. Zwischen dem Entladungsgefäß i und dem Gleichstromnetz a. liegt ein Umschalter 5, der durch eine Steuereinrichtung 6 betätigt wird. An das Gleichstromnetz d. ist außer dem Entladungsgefäß i noch ein Hilfsentladungsgefäß 8 angeschlossen, welches primärseitig mit dem Transforinator 2, d. h. mit dem gleichen Transforinator wie das Entladungsgefäß i, verbunden sein kann. Das Entladungsgefäß 8 ist dauernd als Wechselrichter geschaltet, Die beiden Entladungsgefäße i und 8- sind an .eine Gittersteuereinrichtung 9 angeschlossen. Der Umschalter 5 auf der Gleichstromseite des Entladungsgefäßes i wird durch ein Relais 7 selbsttätig in Abhängigkeit von dem Strom des Hilfsentladungsgefäßes 8 gesteuert.In Fig. I of the drawing is the circuit diagram for the converter arrangement shown according to the invention. A grid-controlled mercury vapor discharge vessel i is connected to an alternating current network 3 via a transformer 2. Between the discharge vessel i and the direct current network a. is a switch 5, which by a control device 6 is actuated. To the direct current network d. is besides that Discharge vessel i is also connected to an auxiliary discharge vessel 8, which is on the primary side with the transformer 2, d. H. with the same transformer as the discharge vessel i, can be connected. The discharge vessel 8 is permanently connected as an inverter, The two discharge vessels i and 8- are connected to a grid control device 9. The changeover switch 5 on the direct current side of the discharge vessel i is activated by a Relay 7 automatically depending on the current of the auxiliary discharge vessel 8 controlled.

Die Bemessung der Leistung der beiden Entladungsgefäße i und 8 ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 2. Fig. 2 zeigt das Belastungsdiagramm der Anlage, d. h. die Belastungsströme in Abhängigkeit von der Zeit. Für die Erfindung ist es wesentlich"daß während des größten Teiles der Zeitaibschnitte, während derer Rückstrom aus dem Gleichstromnetz 4 in das Wechselstromnetz 3 zurückgeliefert werden muß, die Belastung unterhalb der Grenze von 2ooAmp. liegt. Für diese Leistung wird das Hilfsentladungsgefäß 8 bemessen, So daß der Rückstrom im allgemeinen, d. h. beispielsweise während der Zeitabschnitte a in Fig. 2, von dein Hilfsentladungsgefäß 8 geliefert wird. Steigt der Rückstrom über die 2oo-A-mpere-Grenze an, so tritt der Umschalter 5 in Tätigkeit, und das Hauptentladungsgefäß i nimmt an der Lieferung des Rückstromes während der Zeitabschnitte b in Fig. z teil. Die Steuereinrichtung 6 ist so bemessen, daß das Entladungsgefäß i etwa bei Zoo Amp. Rückstrom auf Wechsel richterbetricb umgeschaltet wird, w ährend es bei einem kleineren Strom, beispielsweise bei i5o Amp. Rückstrom, auf Gleichrichterbetr.ieb zurückgeschaltet wird.The rating of the output of the two discharge vessels i and 8 results can be seen from the diagram of Fig. 2. Fig. 2 shows the load diagram of the system, d. H. the load currents as a function of time. For the invention it is essentially "that during most of the periods of time during which the backflow must be returned from the direct current network 4 to the alternating current network 3, the load below the limit of 2ooAmp. lies. For this performance it will be Auxiliary discharge vessel 8 sized so that the return flow in general, i. H. for example during the time segments a in FIG. 2, supplied by the auxiliary discharge vessel 8 will. If the return current rises above the 2oo A mpere limit, the switch occurs 5 in action, and the main discharge vessel i takes on the delivery of the return current during the time segments b in FIG. The control device 6 is dimensioned so that the discharge vessel i about zoo amp. reverse current on inverter richterbetricb is switched, while it is with a smaller current, for example with i5o Amp. Reverse current, is switched back to rectifier operation.

Das Hilfsentladungsgefäß wird derart ausgebildet, daß es beim Parallelbetrieb mit dein Hauptentladungsgefäß im Wechselrichter'bereich nicht überlastet werden kann. Seine Charakteristik wird also so bemessen, daß die Spannung oberhalb der aoo-Ampere-Grenze derart abfällt, daß das Hauptgefäß i allein dieLeistungslieferungü'bernimmt, Dasgleiche Ziel läßt sich bei dein Hilfsentladungsgefäß auch durch besondere Einstellung der Gittersteuerung erreichen.The auxiliary discharge vessel is designed in such a way that it is operated in parallel are not overloaded with your main discharge vessel in the inverter area can. Its characteristic is so dimensioned that the voltage is above the the aoo ampere limit drops in such a way that the main vessel i alone takes over the power supply, The same goal can also be achieved with your auxiliary discharge vessel through a special setting the grid control.

Die Erfindung kann auch für Netze angewendet werden, bei denen vorzugsweise mit Wechselrichterbetrieb gearbeitet wird. Das Hilfsentladungsgefäß ist dann als Gleichrichter geschaltet.The invention can also be used for networks in which preferably inverter operation is used. The auxiliary discharge vessel is then as Rectifier switched.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for the mutual exchange of energy between an alternating current network and a direct current network, in particular for supply of direct current rail networks with useful energy, with the help of two groups of controllable Discharge paths, one of which for both energy directions (rectifier and inverter operation) can be switched, while the other, for lower power dimensioned group only in the direction opposite to the main transmission direction Can transmit energy, characterized in that the switching device of the switchable group of discharge paths is controlled so that the not switchable group when an energy flow occurs in the group assigned to it Direction below a certain performance limit the entire performance alone transmits.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that the switchable input Cargo vessel depending on the operating parameters, in particular the current of the non-switchable Discharge vessel, is switchable.

3. Arrangement according to claim a, characterized in that that the switchable discharge vessel at two different power or current limits - it is switched over, depending on the switching from rectifier to inverter operation or vice versa. d .. arrangement according to claim 3, characterized in that the switch in one direction depending on a determinant, preferably from the current of the switchable discharge vessel; switching in the in another direction, however, depending on another determination variable, preferably from the current of the non-switchable discharge vessel; takes place: 5. according to Claim 3: characterized in that the switching is preferably carried out by a relay a current relay, with which the response values for the rise and fall the determinants are different. 6. Arrangement according to claim i or one the following,. characterized in that the characteristics of the two discharge vessels are designed such that the non-switchable discharge vessel during parallel operation with the switchable discharge vessel only up to a certain limit power is resilient. 7. Arrangement according to claim 6, characterized in that -that not switchable discharge vessel has a sharply falling characteristic, so that if the voltage is increased, a further increase in the current intensity is avoided. 8th; Arrangement according to Claim 6, characterized in that the non-switchable discharge vessel is equipped with a grid control device that automatically controls the rise the load over a certain limit prevented.