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Anordnung zur Verbesserung der Stabilität von Gleichstromkraftübertragungsanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf Kraftübertragungsanlagen, in denen der über eine
Fernleitung fließende Gleichstrom durch einen Kontaktwechselrichter in Drehstrom
umgeformt wird, wobei der Spannungsvektor des Drehstromnetzes durch eine täldgebende
Synchronmaschine bestimmt wird. Der Betrieb solcher Anlagen bereitet Schwierigkeiten
hinsichtlich der Stabilität, und zwar sind diese Schwierigkeiten zu einem erheblichen
Teil dadurch bedingt, daß der Wechselrichter sehr empfindlich auf Änderungen der
Synchronlage der Kontaktbewegüng gegenüber der Phasenlage der auf ihn einwirkenden
Wechselspannung ist. Die Wechselspannung ist nämlich für den Betrieb des Wechselrichters
eine sehr wichtige Größe, da sie als sog. Wendespannung den Übergang der Stromführung
von der einen Phase zur Folgephase veranlaßt, Störungen in der gegenseitigen Phasenbeziehung
zwischen der Synchronlage der Kontakte und der Wendespannung können auftreten, wenn
bei Spannungsschwankungen der Antriebsmotor der Kontakte Winkeländerungen bezüglich
seiner synchronen Lage erleidet, oder wenn im Drehstromnetz Unsymmetrien auftreten.
Solche Störungen sind aber in einem ausgedehnten Drehstromnetz praktisch nie zu
vermeiden.
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Die Erfindung überwindet die genannten Schwierigkeiten dadurch, daß
die taktgebende Synchronmaschine gleichzeitig auch zum Antrieb der Wechselrichterkontakte
dient. Es sei hierzu bemerkt, daß es an sich bekannt ist, die Synchronmaschine,
die die Wechselspannung für einen Kontaktumformer liefert, auch zum Antrieb der
Kontakte des Umformers zu benutzen. Bei der bekannten Anordnung handelt es sich
jedoch nicht um einen Wechselrichter, sondern die Kontakte arbeiten
als
Gleichrichter, wobei die Synchronmaschine den gleichzurichtenden Wechselstrom liefert.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung kann die taktgebende Synchronmaschine
mit dem Antrieb der Wechselrichterkontakte entweder unmittelbar oder überZwischengetriebe
gekuppelt sein. Es kommt nur darauf an, die Kupplung so auszubilden, daß die Synchronlage
der Kontaktbewegung jede Änderung, die die Synchronlage des Maschinenläufers erleidet,
verzögerungslos mitmacht. Eine ungewollteVerschiebung zwischen der Wendespannung
und der Kontaktbewegung kann dann nicht mehr eintreten. Die zur Anpassung der Drehstromspannung
des gespeisten Netzes an die Gleichspannung der Übertragungsleitung und für die
Umformung der Phasenzahl meist erforderlichen Transform-.-toren werden zwischen
die Maschinenwicklung und .die Kontakte des Umformers geschaltet. Bei Schaltungen
mit in mehrere Spannungsstufen unterteilter Umformung kann an Stelle einer gemeinsamen
Maschine oder Maschinengruppe auch für jede Stufe eine besondere Synchronmaschine
vorgesehen werden, wobei dann jede Stufe ihren eigenen Transformator erhält. Hierbei
ist es zweckmäßig, zwecks Erzielung einer möglichst geringen Oberwellenrückwirkung
auf die Gleichstromleitung die Generatoren mit gegenseitiger Phasenversetzung zu
betreiben, so daß die Wirkung einer höherphasigen Schaltung entsteht. Um für den
Wechselrichter eine möglichst hohe Trittgrenze zu erreichen, wird man die Transformatoren
streuungsarm ausführen. Wenn die Spannungsverhältnisse es erlauben, wie z. B. bei
Mehrstufenschaltungen mit getrennten Generatoren; können hier mit Vorteil Spartransformatoren
verwendet werden.
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Die Schwierigkeiten der Stromwendung des Wechselrichters bei Spannungsänderungen
und besonders bei Spannungsunsymmetrien sind zum wesentlichen Teil dadurch bedingt,
daß der Kontaktuinforiner seine Wendespannung entweder allein aus dem gespeisten
Netz bezieht oder aus Taktmaschinen, die mit dein gespeisten Netz in unmittelbarer
oder mittelbarer elektrischer Verbindung stehen, so daß alle Spannungsstörungen
des gespeisten Netzes in unerwünschter Weise ihren Einfluß auf die Stromwendung
ausüben.
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Diese trotz der starren Kupplung des Kontaktapparates mit der zugehörigen
Wechselstrominaschine noch bestehenden Schwierigkeiten können wesentlich gemildert
werden, wenn bei gleichzeitig auch elektrisch möglichst starrer Verbindung zwischen
Kontaktapparat und Taktmaschine (kleine Transforinatorstreuung) _ das gespeiste
Drehstromnetz nicht unmittelbar, sondern über Drosselspulen an die Taktmaschine
angeschlossen wird. Sie können gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung auch
gänzlich dadurch überwunden werden, daß das gespeiste Drehstromnetz von der Übertragungsleitung
bz«-. von dem Kontaktumformer durch Anwendung eines Motorgenerators an Stelle der
Taktmaschine elektrisch getrennt «wird. _^,£ls Motorgenerator kommt dabei vorzugsweise
ein solcher in Frage, der aus zwei Synchroninaschinen aufgebaut ist. Eine solche
Anordnung liefert dem Kontaktuinfornier eine stets symmetrische, ungestörte Wendespannung.
Sie hat weiterhin noch den Vorteil, daß die Wechselrichterblindleistung unmittelbar
geliefert wird und :daß der Netzblindstroin von dem zum Betrieb des Wechselrichters
erforderlichen Blindstrom völlig getrennt ist. Ganz allgemein gesagt bietet sich
durch die eleliz.-trische Trennung die -1-lögliclil:eit, die Übertragungsverhältnisse
in der Gleichstromleitung und in dem Drehstromnetz ganz unabliängig voneinander
zu regeln.
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In der genannten Anordnung Kontaktumformer-Motorgenerator kann die
Verbindung Kontaktumformer-Motor auch aufgefaßt werden als Hochspannungs-Gleichstroinmotor-Einheit,
wobei der Schaltapparat des Kontaktumformers den Stromwender darstellt, der mit
Rücksicht auf das er forderliclie Spannungsübersetzungsverhältnis und die Umformung
der Phasenzahl über ruhende Transformatoren an die das Drehmoment erzeugende Arbeitswicklung
des Motors angeschlossen ist. Es ist klar, daß auch jede andere Kontaktumformerschaltung
in Verbindung mit einer motorisch wirkenden umlaufenden Maschine dein Erfindungsgedanken
entspricht und daß auch mit anderen Schaltapparaten, z. B. mit ruhenden Stromrichtergef,Ä.Cen,
der Erfindungsgedanke verwirklicht werden kann; an die Stelle der Anordnung Kontaktumformer-Motor
kann also ohne weiteres jeder für Hochspannung geeignete Stromrichtermotor oder
eine sonstwie als Gleichstrom-Hochspannungsmotor wirkende Maschine treten. Die gleichen
Überlegungen galten selbstverständlich auch für die Gleichrichterseite, wo zumindest
bei Verbundbetrieb Anordnungen gemäß dem Erfindungsgedanken von Wichtigkeit werden
können. In allen Fällen bildet der als Gleichstroin-Hochspannungsmotor wirkende
Teil zusammen mit der angekuppelten Netzmaschine sozusagen einen umlaufenden Netzkupplungsumforiner
für die Kupplung der Gleichstromleitung finit dein Drehstromnetz, «wobei auf der
Gleichstromseite je nach Art der verwendeten Apparate mit Rücksicht auf die hohe
Gleichspannung noch besondere Maßnahmen beziiglich der
Durchführung
der Stromwendung getroffen sind, -wie z. B. die Zwischenschaltung von Transformatoren
zwischen Maschinenwicklung und Schaltapparat. -Für den stabilen Betrieb bei gegebener
Wendespannung ist es wichtig, daß der Strom nach oben hin mit Rücksicht auf die
Trittgrenze des Wechselrichters begrenzt wird. Eine Überschreitung der Trittgrenze
kann aber auch dadurch vermieden werden, daß man diese durch Vergrößerung der Wendespannung
erhöht. Beides kann bei der vorgenannten Anordnung mit elektrischer Trennung der
Netze dadurch erreicht werden, daß die mit dem Kontaktumformer elektrisch verbundene
Synchronmaschine eine stromabhängige mittelbare oder unmittelbare Zusatzerregung
erhält. Es genügt unter Umständen, wenn nur eine Übertragungsseite in dieser Weise
ausgestaltet wird., jedoch kann man durch gleichzeitige Zusatzerregung beim Wechselrichter
und Zusatzentregung beim Gleichrichter eine erhöhte Wirksamkeit erzielen. Die zusätzliche
Erregung bzw. Entregung kann auch vorteilhaft. mit den an sich bekannten Mitteln
der sogenannten Stoßerregung bzw. -entregung durchgeführt werden, wodurch es möglich
wird, auch schnellsten Schwankungen der Übertragungsverhältnisse gerecht zu werden..
Es sei an dieser Stelle nochmals bemerkt, daß die geschilderten Maßnahmen, nämlich
die elektrische Trennung der Anlageteile durch Motorgeneratoren und die zusätzliche
Maschinenerregung, auch dann mit Vorteil verwendet werden können, wenn die Umformer
nicht als Kontaktumformer ausgestaltet sind, sondern mit Entladungsstrecken arbeiten.
Im übrigen haben diese Maßnahmen in analoger Ausgestaltung auch dann Bedeutung;
wenn es sich um eine Umformung mit in Stufen unterteilter Gesamtspannung handelt.
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Für die Erfindung können an Stelle der Zusatzerregung dei Synchronmaschinen
oder in Verbindung mit ihr auch sämtliche bekannten Mittel zur Zwangskommutierung
verwendet werden. Unter anderem kann man zur Verbesserung der Kommutierung eine
besondere Maschine vorsehen, die mit dem Kontaktantrieb . bzw. mit der Synchroninaschine
gekuppelt ist, und die während der Überlappungsdauer der Kontakte, d. h. während
des Kommutierungsvorganges, eine von der Belastung abhängige Wendespannung liefert.
Eine ähnliche Wirkung kann auch durch eine 'besondere Ausgestaltung der mit dem
Kontaktumformer elektrisch verbundenen Synchronmaschine erzielt werden. Bei Ver-@vendung
ruhender Stromwendemittel kann die Erzeugung einer stromabhängigen Wendespannung
beispielsweise durch stromabhängige Beeinflussung dort Drosselspulen, z. B. durch
Vormagnetisierung, oder durch stromabhängige Veränderung des Ladestromes von Kommutierungskondensatoren,
z. B. durch Gittersteuerung etwaiger zur Rufladung der Kondensatoren dienender Stromrichtergefäße,
durchgeführt werden. .In allen- derartigen Fällen wirkt die Anordnung. Kontaktumformer-Motor
bz«.- der anstatt dieser Anordnung verwendete .Stromrichtermotor o. dgl. dann wie
ein mit Wendepolen versehener Gleichstrom-Hochspannungsmotor, dessen Stromwendung
zum mindesten innerhalb weiter Grenzen- den Schwankungen des Laststromes folgt und
eine Erhöhung des Grenzstromes und damit der Stabilität erlaubt, ohne daß dabei
der Leistungsfaktor der Umformungseinrichtung auf untragbare Werte absinkt. Bei
manchen Anordnungen läßt sich sogar eine Phasenvoreilung erzielen.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In Fig. i bedeutet i eine Kraftmaschine, beispielsweise eine Dampfturbine, die den
Synchrongenerator 2 antreibt. Der Synchrongenerator 2- speist über die Transformatoren
5 den Kontaktumformer 3, der zwecks Verbesserung der Komrnutierung mit Schaltdrosseln
6 ausgerüstet ist. Der Antrieb des Kontaktumformers erfolgt nun nicht durch einen
besonderen Antriebsmotor, vielmehr ist das Antriebsorgan unmittelbar mit der Welle
der Synchronmaschine :2 gekuppelt, so daß die einmal eingestellten Phasenbeziehungen
stets erhalten bleiben.
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Über die Gleichstromleitung q. wird die Energie dem Köntaktwechselrichter
7 mit den Schaltdrosseln g zugeleitet, von diesem in Drehstrom umgeformt und dann
über die Transformatoren S der Synchronmaschine io zugeführt. Der Antrieb der Uinforinerkontakte
7 ist wiederüin mit der Welle der zugehörigen Synchronmaschine io starr gekuppelt.
Die Synchromnaschine io speist nun das Drehstromnetz 12 nicht unmittelbar, sondern
gibt ihre Leistung mechanisch an die Synchronmaschine ii weiter, die sie dann ihrerseits
in Drehstromleistung umformt und dem Netz 12 zuführt. Man erkennt. daß das Drehstromnetz
12 von dein Kontalctumforiner 7 elektrisch völlig getrennt ist.
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Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die obenerwähnte Zusatzerregung
der Synchronmaschine. Die Arbeitswicklung der Synchronmaschine ist mit 13 bezeichnet.
Die normale Erregerwicklung 14 wird von einer Erregermaschine 16 gespeist. Außerdem
ist eine zusätzliche Erregerwicklung 1s vorhanden, die einen Strom empfängt, der
von dem Strom in der Gleichstromleitung q. abhängig ist. Zu diesem Zweck ist ein
Meßwiderstand
17 vorgesehen, dessen beide Hälften beiderseits des
geerdeten Mittelpunktes des Kontaktumformers liegen und an dem ein dem Gleichstrom
proportionaler Spannungsabfall auftritt. Da sich der Meßwiderstand 17 auf Erdpotential
befindet, so ist es möglich, die Erregerwicklung 15 unmittelbar an ihn anzuschließen.
Man kann jedoch im Bedarfsfalle auch noch besondere Regeleinrichtungen dazwischenschalten.
Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen des linken Teiles der Fig. i.
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Im Gegensatz zu Fig. i ist in Fig. 3 die Wechselrichterseite einer
Übertragungsanlage dargestellt, bei der keine elektrische Trennung der Netze vorhanden
ist und die takthaltende Maschine 18 infolgedessen nicht nur die Blindleistung für
den Wechselrichter, sondern auch die für das Drehstromnetz liefert. Um die durch
die elektrische Verbindung bedingten Störungsmöglichkeiten der Stromwendung zu beseitigen
oder wenigstens in ihrer Wirksamkeit zu vermindern, sind zwischen die Sammelschiene
12 und die einzelnen Zweige des Drehstromnetzes Drosselspulen ig geschaltet, die
eine hinreichende Dämpfungswirkung auf alle stoßartigen Vorgänge im Drehstromnetz
ausüben. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen des rechten Teiles der Fig.
i.