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Stromrichter Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, der eine grundsätzlich
andere Arbeitsweise besitzt als die bisher bekannten Stromrichter. Neben .einer
Reihe von anderen Vorteilen bietet er vor allem die Möglichkeit, nacheilenden Blindstrom
.an das mit ihm verbundene Wechselstromnetz abzugeben. Es ist bekannt, daß die bisher
üblichen. Stromrichteranordnungen stets aus dem Wechsel- bzw. Drehstromnetz nacheilenden
Blindstrom aufnehmen und daher eine Verschlechterung des Leistungsfaktors bewirken.
Das gilt sowohl für den Gleichrichterbetrieb als- auch für den Wechselrichterbetrieb.
Der gewöhnliche Wechselrichter ist nicht imstande, Verbraucher zu speisen, die Magnetisierungsstrom
benötigen. Er bedarf in diesem Falle eines zusätzlichen Blindleistungserzeugers.
Besonders schwerwiegend macht sich dieser Nachteil bei Kraftfibertragungsanlagen
bemerkbar, die mit hochgespanntem Gleichstrom in der Übertragungsleitung arbeiten,
da hier stets die Forderung vorliegen wird, im gespeisten Drehstromnetz außer der
Wirkleistung auch noch Blindleistung zur Verfügung zu haben. Der Grund, weswegen
der Stromrichter nicht ohne fremden Blindströmerzeuger arbeiten kann, liegt in der
Eigenart der natürlichen Kommutierung, die nur unter dem Einfiuß der zur Verfügung
stehenden Netzspannungen vor sich geht, begründet.
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Die vorliegende Erfindung benutzt in an sich bekannter Weise eine
Schaltung, bei der die einzelnen Stromrichterzweige in beiden Richtungen zur Stromführung
befähigt sind. Das kann bei Ventilstromrichtern in der Weise erreicht werden, daß
in jedem Stromrichterzweig zwei Ventile mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel
geschaltet Werden. Bei Kontaktstromrichtern sind derartige
Maßnahmen
nicht erforderlich, da ja die Schaltkontakte von vornherein keine eindeutige Durchlaßrichtung
besitzen. Aus diesem Grunde ist die Erfindung auch gerade für Kontaktstromrichter
von besonderer Bedeutting@ da sich hier der einfachste Aufbau ergibt.
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Die Schaltung wird so getroffen, daß die in beiden Richtungen durchlässigen
Einzelzweige zu je zwei einphasige Vollwegschaltungen mit iSo° Stromführungsdauer
des Einzelzweiges bilden, wobei auf der Netzseite des Transformators auf höhere
Harmonische abgestimmte Sperrkreise vorgesehen sind, die den Primärwicklungen einen
im wesentlichen sinusför-. migen Stromverlauf aufzwingen. Gekennzeichnet ist die
Erfindung dadurch, daß bei Anschluß an ein von einer fremden Spannungsquelle unter
Spannung gehaltenes Wechselstromnetz der Zeitpunkt, in ,dem die Kommutierung eingeleitet
wird, jeweils vor dein Vorzeichenwechsel der Spannung liegt.
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Eine Stromrichterschaltung mit in beiden Richtungen stromdurchlässigen
Einzelzweigen, die zu je zwei einphasige Vollwegschaltungen, mit i8o° Stromführungsdauer
des Einzelzweiges bilden und beider .dem Transformator netzseitig auf höhere Harmonische
abgestimmteSperrkreisevorgeschaltetsind, ist an sich bereits bekannt. Es handelt
sich dabei jedoch nicht um ein von einer fremden Spannungsquelle her unter Spannung
gehaltenes Wechselstromnetz, vielmehr stellt die bekannte Einrichtung einen Wechselrichter
dar, der trotz plötzlicher Freigabe und Sperrung der Stromrichterzweige eine sinusförmige
Spannung in ,dem daran angeschlossenen: Wechselstromnetz erzeugen soll. Die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung möge an Hand der Zeichnungen näher erläutert
werden. Fig. i zeigt .den grundsätzlichen Schaltungsaufbau, wobei eine Ausbildung
des Stromrichters als Kontaktstromrichter zugrunde gelegt sein möge. Die Primärwicklung
des an das Drehstromnetz 9 angeschlossenen Stromrichtertransformators ist mit 7
bezeichnet. Die Sekundärphasen des Transformators tragen ihrer Reihenfolge nach
die Ziffern i bis 6. An die Enden der einzelnen Phasenwicklungen sind die Kontakte
der Schalteinrichtung io angeschlossen, die- durch den Antriebsmotor 12 synchron
mit der Frequenz des Wechselstromnetzes 9 angetrieben wird. Auf der anderen Seite
sind die Kontakte der Schalteinrichtung io sämtlich miteinander verbunden und bilden
so den einen Pol des Gleichstromkreises i i. Der andere Pol des Gleichstromkreises
i i wird durch den gemeinsamen Sternpunkt der Transformatorsekundärwicklungen i
bis 6 dargestellt. Den Kontakten der Schalteinrichtung io sind außerdem noch sog.
Schaltdrosseln 13 vorgeschaltet, .d. h. Drosselspulen, die eine sehr scharf geknickte
Magnetisierungskenn-Linie besitzen und bereits bei sehr niedrigen Stromwerten, die
noch funkenlos unterbrochen werden können, ihre Sättigungsgrenze haben. Außerdem
ist eine Hilfsschalteinrichtung mit den Kontakten 14 vorgesehen, .die periodisch
die Schaltdrosseln 13 kurzschließt. Auf .die Bedeutung der Schaltdrosseln und :der
Hilfseinrichtung 14 wird noch später eingegangen werden. Wesentlich ist .die Bauart
des Transformators, der so beschaffen ist, daß die Schaltung aus drei einphasigen
Vollweggleichrichterschaltungen aufgebaut ist. Zwischen die Primärwicklung des Transformators
7 und das Drehstromnetz 9 sind noch die Sperrkreise 8 geschaltet, welche so abgestimmt
sind, daß in den Primärwicklungen des Transformators nur ein im wesentlichen sinusförmiger
Strom fließen kann. Wegen des Aufbaues der Gesamtschaltung aus lauter einphasigen
Vollwegschaltungen mit i8o° Stromführungsdauer muß dann die Summe der Sekundärströme
eines Transformatorschenkels -ebenfalls sinusförmig verlaufen.
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Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 näher dargestellt. In Fig. 2 sind
untereinander die Sekundärströme der drei Transformatorschenkel in dem Schaltbild
nach Fig. i mit der entsprechenden gegenseitigen Phasenversetzung wiedergegeben.
Dabei ist angenommen, daß ! durch entsprechende Wahl ,des Zündzeitpunktes eine Phasenverschiebung
von 30° zwischen Spannung und Strom vorhanden ist. V4Teiterhin ist angenommen, daß
Wechselrichterbetrieb vorliegt. Betrachtet man den obersten Teil der Fig. @, wo
die Ströme des linken Transform.atorschenkels h und I4 wiedergegeben sind, so erkennt
man, daß auch diese Ströme aus Teilen von Sinuslinien bestehen. Es soll weiter unten
gezeigt werden, daß die Spannungen Ul, U4 usw. nahezu rechteckförmigen Verlauf besitzen.
Fig. 2 soll in erster Linie dazu dienen, um zu zeigen, wie sich nun der Strom in
dem Gleichstromkreis, also beispielsweise in dem Kabel einer Gleichstrom-Hochspannungskraftübertragung,
verhält. Addiert man die drei Ströme, die für die einzelnen Transformatorschenkel
gelten, so kommt man. auf einen resultierenden Stromverlauf, wie .er in Fig. 3 für
den Verschiebungswinkel zp - 3o° dargestellt ist. In Fig. 3 sind dann noch andere
mögliche Stromformen des Gleichstromes wiedergegeben, die sich auf verschiedene
Aussteuerwinkel ip des Wechselrichters beziehen. .
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Wie Fig. 3 zeigt, hat der Gleichstrom bei der angenommenen Schaltung
eine Welligfeit,
die .dem doppelten Wert der Spannungswelligkeit
auf der Gleichstromseite bei normalen Schaltungen entspricht. Da jedoch auch der
Mittelwert des Gleichstromes doppelt so groß ist wie .der Mittelwert einer Gleichspannung
bei der normalen Schaltung, so folgt daraus, daß die verhältnismäßige Stromwelligkeit
der erfindungsgemäßen Schaltung die gleiche ist wie die verhältnismäßige Spannungswelligkeit
bei einer normalen Schaltung.
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Die Form der Spannung auf der Gleichstromseite wird- nun bei der aufgezwungenen
Stromform von den Belastungsverhältnissen im Gleichstromkreis, also beispielsweise
bei einer Hochspannungsübertragung von den Daten des tlbertragungskabels, abhängen.
Maßgebend für die Spannungen ist bei den gegebenen Strömen dabei der Wellenwiderstand
des Gleichstromkreises. Eine nähere Untersuchung zeigt, :daß insbesondere bei langen
Gbertragungsl.eitungen, wie sie bei Gleichstrom-Hochsp.annungskraftübertragun:g
meist vorliegen, Oberwellenspannungen entstehen, die die :Größenordnung von r bis
2 °/a der gesamten Gleichspannung nicht übersteigen. Sieht man von :einer Verzerrung
der Spannungskurvenform .durch den Transformator infolge von Streuungen und Verlustdämpfungen.
ab; so ergibt sich für die primäre Phasenspannung wegen der Kleinheit der Oberwellen
ein nahezu rechteckf-örmiger Verlauf, wie er auch in Fig. 2 angenommen worden war.
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In Fig. q. ist schematisch noch einmal die Stromrichterschaltung wiedergegeben,
wobei dann neben die einzelnen Teile der Stromrichterschaltung jeweils die Spannungskurvenform
zt und die Stromkurvenform i gesetzt wird. Das Zustandekommen der Stromkurvenform
in den einzelnen Teilen .der Schaltung ist nach dem. vorher Gesagten ohne weiteres
klar und braucht daher nicht mehr betrachtet zu' werden. Die Spannungskurvenform
ist für jdas Drehstromnetz 9 voraussetzungsgemäß eine Sinuslinie. In dem Gleichstromkreis
ii herrscht .dagegen, wie oben erläutert, eine nahezu konstante Gleichspannung.
Infolgedessen müssen die Spannungskurven in den zusammengehörigen Sekundärwicklungen
r und q. des Transformators den .dargestellten rechteckförmigen Verlauf zeigen.
Dieser hat wiederum in der Primärwicklung 7 die dargestellte, ebenfalls aus rechteckförmigen
Stücken zusammengesetzte Spannungskurvenform zur Folge. Die Differenz zwischen der
rechteckförmigen Spannungskurve und Odem sinusförmigen Spannungsverlauf in dem Drehstromnetz
9 liegt, wie dargestellt, am Sperrkreis B. Daraus geht die Notwendigkeit :des Sperrkreises
hervor, um dem Stromrichter den sinusförmigen Stromverlauf aufzuzwingen. . Zusätzliche
Glättungsinduktivitäten sind im Gleichstromkreis nicht erforderlich, sondern sogar
eher insofern schädlich, als sie eine zusätzliche Verzerrung :der Spannung durch
die Stromoberwellen hervorrufen. Wichtig ist dagegen, daß ,der Gleichstromkreis
eine gewisse Speicherfähigkeit besitzt, was jedoch bei den Kabelleitungen von Gleichstrom-Hochspannungskraftübertragungen
von vornherein in ausreichendem Maße der Fall sein wird.
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An Hand der Fig. 5 bis 7 möge der Kommutierungsvorgang der erfindungsgemäßen
Stromrichteranordnung erläutert werden. Fig.5 gibt noch einmal schematisch die Schaltung
als solche wieder. Die beiden auf einem gemeinsamen Schenkel angeordneten Sekundärwicklungen
des Transformators sind mit I und II bezeichnet. Für die Vorzeichen von Spannung
und Strom möge bei der folgenden Betrachtung die Voraussetzung gemacht sein, daß
beide vom Mittelpunkt der Sekundärwicklung des betreffenden Schenkels aus nach den
Wicklungsenden zu positiv gerechnet werden. Die Spannung des Gleichstromnetzes sei
ttt. Fig.6 bezieht sich auf Gleichrichterbetrieb. In dem Augenblick t1 sei die Phase
I in Betrieb, wobei positiver Strom ä, bei positiver Phasenspannung ut fließt. Der
Strom entsteht dabei durch die positive Differenz zwischen der Phasenspannung att
und der als Gegenspannung wirkenden Netzspannung u, Die Netzspannung z-ta ist der
Einfachheit halber in den Zeichnungen nicht dargestellt. Sie unterf scheidet sich
nämlich von den Spannungen itt und utt nur durch die inneren Spannungsabfälle des
Stromrichters, wobei die Differenz jedesmal so groß ist, daß der durch den gerade
vorhandenen Augenblickswert des Stromes entstehende innere Spannungsabfall gedeckt
wird. Diese Spannungsabfälle sind aber im Verhältnis zu den Spannungen u, und utt
außerordentlich klein. Im Augenblick t2 "geht der sinusförmig verlaufende Strom
durch Null und wird negativ. Dies rührt daher, daß von diesem Augenblick an die
Netzspannung u,z die weiterhin positive und konstante Phasenspannung u, überwiegt.
Die Netzspannung u" unterliegt periodischen Schwankungen gegenüber den als treibende
EMKe wirkenden Spannungen ut und utt. Diese Schwankungen werden durch den Einfluß
des pulsierenden Stromes auf die Netzinduktivitäten hervorgerufen. Es treten hier
ähnliche Verhältnisse auf wie bei einer an einer Wechselspannung liegenden Drossel,
deren EMK ja ebenfalls abwechselnd größer und .kleiner ist als die aufgedrückte
Klemmenspannung. Da bei der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung nun der Verlauf
des Stromes in dem einzelnen Gleichrichterzweig vorgeschrieben ist, so liegt
damit
auch derjenige Zeitpunkt fest, in dem die Netzspannung it,i die EMK ztl bzw. 7t!,
schneidet. Dieser Zeitpunkt entspricht einem Wechsel in der Stromrichtung. Der Strom
möge dabei unter dem Einfluß der Speicherfähigkeit des Gleichstromkreises getrieben
werden. Bei mehrphasigen Stromrichtern wird der negative Strom dagegen nicht von
den Speichern des Gleichstromnetzes, sondern von einer anderen Phase geliefert,
die in diesem Augenblick gerade positiven Strom führt (vgl. Fig. 2).
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Die Kommutierung wird nun nach der Richtungsumkehr des Stromes in
der abzulösenden Phase eingeleitet, jedoch noch zu einem Zeitpunkt, in welchem die
Spannungen ihr Vorzeichen noch nicht .umgekehrt haben. Dies ist beispielsweise der
Zeitpunkt t, In dem Zeitpunkt t3 wird das der Phase II zugehörige Ventil gezündet
bzw. der entsprechende Schaltkontakt geschlossen. Dann wirkt in Phase I die Differenz
zwischen der Netzspannung (ut-ttl), in Phase 11 dagegen die Summe 111" + u Il. Unter
.dem Einfluß .dieser Spannungen nimmt also der Strom in Phase II zu, während er
in I allmählich bis ,auf Null abnimmt. Der in Phase II entstehende Strom hat entsprechend
dem Wirkungssinn der Summe zcn -1- itll negatives Vorzeichen.. -Nachdem der Strom
il bis auf Null abgesunken ist, wird die Phase I abgeschaltet. Die Kommutierung
ist damit beendet. Danach wird bei richtig eingestellter Phase für den Kommutierungsvorgang
die Spannung ui - ull ihr Vorzeichen umkehren. Damit geht der Strom il! in
Phase II von negativen zu positiven Werten über. Man erkennt, daß bei einer falschen
Phasenlage .des Kommutierungseinsatzes erst nach dem Vorzeichenwechsel der Spannung
eine richtige Stromwendung nicht mehr möglich ist, da ja dann in der abzulösenden
Phase I die Summe von Netz- und Phasenspannung wirkt und daher die Phase II, in
derdie Differenz wirksam ist, den Strom nicht übernehmen kann. Man muß also den
Kommutierungsbeginn mit Rücksicht auf die Umkehr der Spannung wählen, wodurch für
den Schaltzeitpunkt eine Bedingung, die ihn mit dern.Leistungsfaktor auf der Drehstromseite
verknüpft, gegeben ist.
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Bei Ventilen macht die rechtzeitige Unterbrechung es Stromes der abzulösenden
Phase keine Schwierigkeiten, anders dagegen bei Kontaktstromrichtern, bei denen
ja die Öffnung des Kontaktes möglichst in stromlosem Zustand erfolgen muß. Diesem
Zweck dienen die bereits oben erwähnten und in Fig. i dargestellten Schaltdrosseln
13. Sie verursachen eine Verflachung des Stromverlaufs in der Nähe des Nulldurchganges.
Außerdem sind Parallelpfade zu den Kontakten vorgesehen. Naturgemäß ist eine solche
Verflachung nur bei demjenigen Nulldurchgang erwünscht, bei dem die Abschaltung
erfolgen soll, während sie bei dem ersten Nulldurchgang im Zeitpunkt t. ziemlich
störend wäre. Aus diesem Grunde ist die Hilfsschalteinrichtung 1q. vorgesehen, die
die Schaltdrosseln während des größten Teiles der Periode kurzgeschlossen hält und
nur in dem gewünschten Augenblick zur Wirkung kommen läßt. Die Hilfsschalteinrichtung
wird dabei zweckmäßig mit dem Antrieb für die Haupt schalteinrichtung io
ge-
kuppelt. Es soll nicht unerwähnt bleiben, daß die Verwendung von Schaltdrosseln
auch bei Ventilstromrichtern von Bedeutung sein kann, da sie die zur Verfügung stehende
Entionisierungszeit vergrößert.
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In Fig. 7 ist dann noch einmal der Strom-und Spannungsverlauf bei
Wechselrichterbetrieb näher dargestellt. Man sieht daß auch hier die Kommutierung
erfolgen muß, bevor die Spannungen ihr Vorzeichen umkehren. Der Wechselrichterbetrieb
unterscheidet sich von dem in Fig.6 dargestellten Gleichrichterbetrieb nur -dadurch,
.daß hier die Zeiten negativer Stromrichtung gegenüber :den Zeiten positiven Stromes
überwiegen. Wesentlich ist in jedem Fall, daß der Schwerpunkt der Stromhalbwelle
gegenüber dem der Spannungshalbwelle so verschoben ist, wie dies der Abgabe nacheilender
Blindleistung entspricht. Bei Gleichrichterbetrieb eilt dementsprechend der Strom
der Spannung nach, so daß kein zusätzlicher Blindstrom für die Kommutierung erforderlich
ist, sondern sogar Blindstrom für andere Verbraucher abgegeben werden kann.