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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.