DE694108C - Wechselrichter - Google Patents

Wechselrichter

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DE694108C
DE694108C DE1938S0132473 DES0132473D DE694108C DE 694108 C DE694108 C DE 694108C DE 1938S0132473 DE1938S0132473 DE 1938S0132473 DE S0132473 D DES0132473 D DE S0132473D DE 694108 C DE694108 C DE 694108C
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DE
Germany
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voltage
inverter
grid
frequency
inverter according
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Application number
DE1938S0132473
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Inventor
Dr-Ing Erich Friedlaender
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
Original Assignee
Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Application granted granted Critical
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/51Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using discharge tubes only

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

  • Wechselrichter Es hat sich gezeigt, daß Wechselrichter insbesondere in Leerlaufnähe dazu neigen, selbsterregte Schwingungen auszuführen, besonders dann, wenn frequenzgebundene Energiespeicherung im System vorliegt, d. h. besonders beim Betrieb von Synchronmaschinen. Als Beispiel sei die Ursache von Stabilitätsstörungen, die ihre Herkunft in der frequenzgebundenen Energiespeicherung haben, an Hand des Vektordiagramms eines Wechselrichters (Fig. r und z) erläutert. Die Diagramme gehen von der Voraussetzung aus, daß der Phasenwinkel, unter dem die Stromkommutierung gegenüber der erzeugten Wechselspannung vor sich geht, von der Phasenlage einer Steuerspannung unabhängig vom Strom bestimmt wird. Der Einfluß der Kommutierungszeit z. B. wird vernachlässigt. Andererseits ist angenommen, daß der Wechselstromkreis auf den Wechselrichter selbst bezüglich der von diesem zu liefernden Blindleigt@ing eine Rückwirkung derart ausübt, daß mit steigender Spannung die kapazitive Blindleistung, die der Wechselstromkreis aufnimmt, sich vermindert.. Fig. 3 erläutert hierzu den Zusammenhang von Blindstromaufnähme und Spannung, wie man ihn bei einer Anordnung findet, bei der auf der Wechselstromseite des Wechselrichters die Parallelschaltung einer hochgesättigten Eisenkerndrosselspule und eines Kondensators angeordnet ist, deren resultierende Blindstromspannungskennlinie einen mit wachsender Spannung abnehmenden voreilenden Blindstrom abgibt. In der Fig. 3 ist die Kennlinie des Netzes im Arbeitsbereich des Wechselrichters zwischen den Punkten A und B liegend zu denken, und es ist für das Verständnis der Arbeitsdiagramme gleich-, gültig, ob man sich unter dem Ausschnitt AB der Blindstromlennlinie die Kennlinie eines eisengesättigten Parallelresonanzlcreises oder diejenige eines Synchronphasenschiebers vorstellt. Die Lage dieser Kennlinie wird durch zwei charakteristische Kennziffern definiert, von denen die eine den Ordinatenschnittpunkt der Kennlinie selbst beim Leerlaufwert Ui darstellt, während die andere Jk denjenigen Abszissenwert angibt, bei dem die Tangente an der Betriebskurve die Abszisse schneidet. Nimmt man ferner die speisende Gleichspannung Ug konstant an und versteht unter U", diejenige Gleichspannung, die sich aus der Wechselspanung des Wechselrichters bei der gegebenen Phasenzahl bei voller Aussteuerung durch Gleichrichtung ergeben würde, so gilt nach dem Grundsatz der Stromrichteraussteuerung Ug. = U", cos 8; (i) _aus der Blindleistungskennlinie des Netzes nach Fig. 3 folgt ferner U, - U" = xs # J # sin d, (2) -wobei unter x, das Verhältnis verstanden wird und J # sin d den zwischen Wechselrichter und Blindstromgenerator fließenden Blindstrom bedeutet. Ist R der Belastungswiderstand, der von dem Wechselrichter zu speisen ist, so gilt U,=J#cosd#R=JR#R, (3) wenn JR den abgegebenen Wirkstrom bezeichnet, und damit Fig. i gilt für denjenigen Fall, in dem das Gitter des Wechselrichters fremdgesteuert ist, so daß die Frequenz vorgeschrieben wird (c) = konst.). In diesem Fall ist der Wert U; eine Konstante, und wenn man von gleichbleibender Gleichspannung ausgeht, so ist auch das Verhältnis unveränderlich. Betrachtet -man zunächst den Leerlauffall (IR = o), so muß nach (q.) U" = Ui sein, und dementsprechend stellt sich der Leerlacufwinkel-d" nach Gleichung (i) ein entsprechend cos In Fig. i stellt demnach das Dreieck Po O 0 die Zusammenhänge zwischen Wechselspannung,Gleichspannung undPhasenwinkel zwischen Gitter- und Anodenspannung im Leerlauf dar.
  • Bei belastetem Wechselrichter kann sich wegen Gleichung (i) bei gleichbleibendem Ug die Spitze des Vektors OP, nur in Richtuni auf O bewegen. Die Lage des Vektors in Fig. i entspricht einem Belastungszustand, in dem sich ein Aussteuerwinkel ÖL zwischen Gitter- und Anodenspannung eingestellt hat. Aus der Geometrie der Fig. i folgt zusammen mit Gleichung (q.), daß die Tangente S T an den Einheitskreis in Fig. i das Verhältnis 3R abbildet, da Strecke SW = l - ist JK und der Winkel STW = ÖL sein muß. Man sieht dära.us, daß bei der Drehung des Vektors der dargestellte Tangentenabschnitt ein Maß für die Leistungsabgabe des Wechselrichters ist und die Änderung der Vektorlänge gleichzeitig die Abnahme der Spannung mit wachsender Belastung beschreibt.
  • Von diesem Diagramm ausgehend, findet man auch das Verhalten des Wechselrichters mit Eigenerregung des Gitters von der eigenen Wechselspannung, das in Fig.2 dargestellt ist. Bei gleichbleibendem Winkel ö zwischen Gitter- und Anodenspannung (d = konst.) muß das Dreieck OPoQ auch unter Last unverändert bleiben, da die Gleichspannung und der Phasenwinkel sich nicht ändern können. Infolgedessen kann der die Leistungsabgabe kennzeichnende Tangentenabschnitt ST nur dadurch entstehen, daß sich die Frequenz des Wechselrichters unter Last erhöht, entsprechend einer Erhöhung der inneren EM K des Wechselstromnetzes von Ui" auf Uz. In dieser Erhöhung der Frequenz mit steigender Belastung liegt ein wesentlicher Herd von möglichen Stabilitätsstörungen, da der Wechselrichter danach etwa das Verhalten eines überkompoundierten Gleichstromnebenschlußrnotors annehmen muß. Man macht sich die Möglichkeit von Stabilitätsstörungen auch leicht dadurch klar; daß man annimmt, die in der Fig. 2 eingetragene Frequenzsteigerung mit zugehörigerLeistungsabgabe des Wechselrichters sei durch irgendeinen äußeren Anstoß zufällig vorgekommen, jedoch nicht durch eine Änderung des Belastungswiderstandes R bedingt. Dann bedeutet die Tatsache eines Leistungsüberschusses an der Stelle des betrachteten Betriebspunktes, daß die frei werdende Leistung nur zur Steigerung des Energieinhaltes des Systems verbraucht werden kann. Das bedeutet wiederum, daß wegen der frequenzgebundenen Energiespeicherung bei einer an den Wechselrichter angeschlossenen Maschine, deren Drehzahl mit der Frequenz ganz oder nahezu gegeben wird, die Drehzahl dieser Maschine erhöht werden muß. Hierdurch wächst aber der Leistungsüberschuß (die Länge der Tangente ST) weiter, und nian sieht, daß, falls nicht eine Änderung der Gleichspannung oder eine Änderung des Steuerwinkels oder der Belastung eingreift, die Anordnung zu einer kurzschlußähnlichen Stromsteigerung getrieben wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Einfluß vorzubeugen. Erfindungsgemäß wird mit steigender Frequenz bzw. steigender innerer EMK des Netzes der Winkel d so weit vergrößert, daß z. B. bei einer kleinen Drehzahländerung um einen Betrag, der die Leistungsabgabe der Tangente ST hervorrufen würde, der Winkel gerade wieder so weit vergrößert wird, daß in der Lage d' die schädliche Beschleunigungsleistung gerade wieder zum Verschwinden gebracht wird. Man braucht die Abhängigkeit des Winkels von der Frequenz nicht gerade auf denjenigen Betrag genau -zu bemessen, der die Stabilitätsstörung eben auslöscht, sondern kann auch z. B. mittels Verstärker eine sehr steile Änderung des Winkels ö mit der Frequenz einführen, um die Frequenzänderung klein zu halten und damit den selbstgesteuerten Wechselrichter in seinem Verhalten mehr dem fremdgesteuerten Wechselrichter anzunähern. Dadurch ist es möglich, die eben geschilderte Ursache von Stabilitätsstörungen durch entsprechende Stabilisierungsschaltungen des Gitterkreises zu kompensieren.
  • Die technischen Mittel, mit denen man eine solcheGittersteuerung durchführen kann, sind im wesentlichen aus bekannten Elementen mit frequenzabhängigenWiderständen zusammenzustellen. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer solchen Frequenzsteuerung ergibt sich, wenn man einen gesättigten Gittertransformator verwendet und diesen, wie es Fig. 4 zeigt, über Widerstände an die Spannung des Wechselrichters anschließt. Mit steigender Frequenz ergibt sich bei Wechselrichtern, welche Kondensatoren und gesättigte Drosselspulen für die Blindstromlieferung enthalten, eine Vergrößerung des Verhältnisses , so daß "sich auch der Gittertransformator stärker sättigt und dadurch unter dem Einfluß der vorgeschalteten Widerstandes seine Phasenlage vorschiebt. Bei anderem Netzverhalten, z. B. wenn das Verhältnis f mitsteigender Frequenz unveränderlich ist, kann man die Phasenvoreilung z. B. durch Anordnung von Parallelkondensatoren zum Transfonnatorvorwiderstand erzwingen.
  • Die Änderung des Phasenwinkels in Abhängigkeit von der Frequenz bedeutet, daß sich dieWechselgpannung bei gleichbleibender Gleichspannung auch ändert. Diese Wirkung kann unter Umständen unerwünscht sein. Man wird in diesem Fall, ohne die Stabilitätsbedingungen zu stören, den eingestellten Winkel zwischen Gitter- und Anodenspannung wieder langsam zurückstellen dürfen; sofern die Winkelcharakteristik in Abhängigkeit der Frequenz gegenüber schnellen Anderungen erhalten bleibt. Ein solches Verhalten läßt sich auch selbsttätig dadurch in eine Anordnung nach Fig. q. einführen, daß man, wie Fig. 5 zeigt, den- Widerstand mit einem Gebilde überbrückt, das im Beharrungszustand einen Kurzschluß der Widerstände darstellt, im Ausgleichsvorgang dagegen den Widerstand zur Wirkung kommen läßt. Hierzu dient eine Gleichrichteranordnung, die wechselstrornseitig an die zu überbrückenden Widerstände angeschlossen, wird und auf der Gleichstromseite mit einer Drosselspule genügend hoher Zeitkonstante (Rückführzeitkonstante des Reglers) überbrückt ist. Eine solche Anordnung wirkt stabilisierend, ohne daß sich der Beharrungswert des eingestellten Gitterwinkels zu ändern braucht.
  • Analog den Stabilitätsstörungen des selbsterregten Wechselrichters kommen auch ähnliche Stabilitätsstörungen insbesondere im Leerlauf bei fremderregten Wechselrichtern vor. Auch bei diesen. Anordnungen läßt sich ein stabilisierender Einfluß vom Gitter her ausüben, der darauf beruht, daß trotz der notwendigen Frequenzübereinstimmung zwischen Anodenfrequenz und Gitterfrequenz des Wechselrichters vorübergehend Frequenzabweichungen auf Grund einer Änderung des Aussteuerwinkels möglich sind. Man kann den Aussteuerwinkel, der, wie es die Erläuterung der Fig. r gezeigt hat, an -sich nicht frei, sondern für den Beharrungszustand den Belastungsbedingungen des Wechselrichters unterworfen ist, vorübergehend durch Eihführen von Zusatzspannungen zwischen die Fremdspannungsquelle und den Gittertransformator verändern. Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer- solchen Anordnung, in der eine Fremdspannungsquelle F einen Gittertransformator G über einen Zwischentransformator Z speist. Dieser Zwischentransformator wird von der Ausgangsspannung des Wechselrichters in solcher Phasenlage erregt, daß eine kleine Änderung der Spannung des Wechselrichters eine entsprechende Drehung der Gitterspannung gegenüber der Fremdspannung hervorruft. Da die Spannung des Wechselrichters der veränderten Phasenlage der Gitterspannung nicht momentan folgen kann, so stellt sich eine vorübergehend veränderte Aussteuerung ein, deren Vorzeichen stabilisierend gewählt werden kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf gittergesteuerte Stromrichter beschränkt ist, sondern daß sie bei allen Arten von Wechselrichtern, auch Umrichtern, Verwendung finden kann, bei denen die erzeugte Wechselspannung durch eine Zwangskommutierung von irgendeinem Stromschalteger ät aus einer Spannung anderer Frequenz gebildet wird. Insbesondere kann man auch eine derartige Stabilisierung mit sinngemäß umgekehrtem Richtungssinn bei solchen Wechselstromsystemen einführen, die mit steigender Spannung zunehmend induktive Blindleistung aufnehmen, wie es z. B. durch Einführung künstlicher Kommutierspannungsspitzen, gesteuerter Nullpunktsanoden usw. bei Gasentladungsgefäßen ermöglicht wird.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCIIE: i. Wechselrichter, bei dem die Wechselspannung mit dem zwischen Wechselrichter und Wechselstromnetz fließenden Blindstrom derart veränderlich ist, daß die kapazitive Blindstromaufnahrne des Wechselstromkreises mit steigender Wechsetspannung fällt, wobei auf der Wechselstromseite frequenzgebundene Energiespeicher, vorzugsweise umlaufende Maschinen, vorhanden. sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gitterkreis eine solche Frequenzkennlinie des Gitterspannungsphasenwinkels eingeführt wird, daß dieser mit steigender Frequenz eine zunehmende Phasenvoreilung ergibt. z. Wechselrichter nach Anspruch i, bei dem die Wechselspannung mit der Frequenz veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvoreilung mit steigender Spannung erhöht wird. 3. Wechselrichter nach Anspruch i, bei dem das Verhältnis von Spannung (U) zu Frequenz (f) mit steigender Frequenz zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvoreilung mit steigendem Faktor vergrößert wird. q.. Wechselrichter nach Anspruch i bis 3, bei dem die Gittererregung von der erzeugten Wechselspannung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Phasenverstellung auf den Winkel zwischen Anoden- und Gitterspannung des Wechselrichters bezieht. 5. Wechselrichter nach Anspruch i bis 3, dessen Gitterspannung einer Fremdspannungsquelle entnommen wird, gekennzeichnet durch die Einführung der Winkeländgrung zwischen dem Gitter des Wechselrichters und der Frerndspannungsquelle. 6. Wechselrichter nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterspannung von einem gesättigten Transformator geliefert wird, der über einen Widerstand an das Netz angeschlossen ist. Wechselrichter nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeldrehung zeitlich auf Schwankungen einer der Einflußgrößen beschränkt und im Beharrungszustand langsam rückgängig gemacht wird. B. Wechselrichter nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gittertransformator vorgeschaltete Widerstand durch einen Gleichrichter überbrückt ist, welcher über eine Induktivität kurzgeschlossen ist. g. Wechselrichter nach Anspruch und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gittertransformator und Fremdspannungsquelle eine Zusatzspannung eingeführt wird, die dem Wechselrichter in geeigneten Phasenlagen vorübergehend entnommen wird und die mit der Wechselrichterspannung, der Frequenz oder beiden veränderlich ist. io. Wechselrichter nach Anspruch i bis g,. gekennzeichnet durch die Zwischenschaltung von Verstärkergliedern, die bei kleinen Änderungen der Spannung, Frequenz usw. steile Winkeldrehungen bewirken.
DE1938S0132473 1938-06-04 1938-06-05 Wechselrichter Expired DE694108C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE742515C (de) * 1941-06-24 1943-12-04 Adolf Leonhard Dr Ing Frequenzregelung in einem durch einen selbstgesteuerten Wechselrichter gespeisten Drehstromnetz

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE742515C (de) * 1941-06-24 1943-12-04 Adolf Leonhard Dr Ing Frequenzregelung in einem durch einen selbstgesteuerten Wechselrichter gespeisten Drehstromnetz

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