DE726860C

DE726860C - Rectifier system adjustable by step switching

Info

Publication number: DE726860C
Application number: DES131408D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Erwin Kuebler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1938-03-23
Filing date: 1938-03-23
Publication date: 1942-10-21

Description

Durch Stufenschaltung regelbare Gleichrichteranlage Man geht in letzter Zeit mehr und. mehr dazu über, Elektrolysebäder beispielsweise zur Aluminium- oder zur Chlorerzeugung nicht mehr wie bisher durch rotierende Umformer, sondern durch Gleichrichter mit Gas-oder Dampfentladungsstrecken zu speisen. Dabei stellt der Betrieb der Bäder an die Abmessungen und die Aufteilung der Gleichrichteranlage ganz bestimmte Anforderungen, die bei den meisten Elektrolyseanlagen ziemlich gleichartig sind. Im allgemeinen erfordert der Bäderbetrieb eine Gleichstromstärke in der Größenordnung von etwa 30 ooo Amp. bei einer Spannung von ungefähr 8oo V. Die Spannung muß zwecks Anpassung an die Zahl der in Reihe geschalteten Bäder meist in sehr weiten Grenzen regelbar sein. Wollte man, die Spannungsregelung in den erforderlich weiten Grenzen nur durch Gittersteuerung der Gleichrichter durchführen, so ergäben sich auf der Drehstromseite zu schlechte Werte des Leistungsfaktors, was um so schwerer ins Gewicht fällt, als die Elektrolyseanlagen meist den Hauptverbraucher für das.speisende Drehstromnetz darstellen. Es ist deshalb erforderlich, die den Gleichrichtern zugeführten Anodenspannungen durch Umschaltungen an den Transformatoren stufenweise regelbar zu machen.Rectifier system that can be regulated by step switching. One goes to the last Time more and. more about electrolysis baths, for example for aluminum or for chlorine production no longer by rotating converters as before, but by To feed rectifiers with gas or vapor discharge paths. The Operation of the baths according to the dimensions and distribution of the rectifier system very specific requirements that are pretty much the same for most electrolysis systems are. In general, pool operation requires a direct current of the order of magnitude of about 30,000 amps at a voltage of about 8oo V. The voltage must be used for the purpose of Adaptation to the number of baths connected in series usually within very wide limits be controllable. If one wanted the voltage regulation within the required wide limits carry out only by grid control of the rectifier, it would result on the Three-phase side too bad values of the power factor, which is all the more serious falls when the electrolysis systems are mostly the main consumers for the three-phase power supply system represent. It is therefore necessary to measure the anode voltages supplied to the rectifiers to make it gradually controllable by switching on the transformers.

In Anbetracht der hohen Gleichstromstärke ist es weiterhin nötig die Gleichstromleistung auf mehrere parallel arbeitende Gleichrichtergruppen aufzuteilen, wozu dann noch eine oder mehrere Gleichrichtergruppen als Betriebsreserve hinzukommen. Die Phasenzahl der- Gleichrichter wird zweckmäßig möglichst hoch gewählt, damit die Entstehung von Oberwellenströmen in dem speisenden Drehstromnetz möglichst weit herabgedrückt wird. Man verwendet deshalb im allgemeinen eine zwölfphasige Speisung der Gleichrichter.In view of the high direct current strength, it is still necessary Distribute DC power to several rectifier groups working in parallel, to which one or more rectifier groups are added as an operating reserve. The number of phases of the rectifier is expediently selected as high as possible so the creation of harmonic currents in the feeding three-phase network if possible is pushed down far. A twelve-phase one is therefore generally used Supply of the rectifier.

Die unmittelbare Umwandlung eines Dreiphasensystems in ein Zwölfphasensystem durch einen Transformator verlangt jedoch die Verwendung von Zickzack- oder Gabelschaltungen der Transformatorwicklungen: in diesem Falle ist es nicht mehr ohne Schwierigkeiten möglich, .den Transformator als Anzapftransformator zum Zwecke der Stufenregelung auszubilden. Der Wicklungsaufbau ist infolge der Zickzack- oder Gabelschaltungen bereits derart umständlich, daß das Hinzukommen von Anzapfleitungen größte Schwierigkeiten bereiten würde. Es ist daher üblich, die Aufgabe der Stufenregelung besonderen Regeltransformatoren zuzuweisen, die mit den speisenden Haupttransformatoren in Reihe geschaltet sind. Dadurch ergibt sich naturgemäß ein außerordentlich hoher transformatorischer Aufwand in der Gleichrichteranlage. Die üblichen Gleichrichteranlagen für Elektrolysespeisung bestehen aus sechs zwölfphasigen Gleichrichtergefäßen für den normalen Betrieb, die zu je zwei an einen gemeinsamen Transformator angeschlossen sind. Schon für den normalen Betrieb ergeben sich also drei Haupttransformatoren und drei Regeltransformatoren, die meist für eine Spannungsregelung in den Grenzen von So bis iooo/o ausgelegt sind. Hinzu kommt noch eine vierte Reservegruppe, die ebenfalls einen Haupttransformator und einen Regeltransformator enthält.The immediate conversion of a three-phase system into a twelve-phase system through a transformer, however, requires the use of zigzag or hybrid circuits the transformer windings: in this case it is no longer without difficulties possible, .the transformer as a tapping transformer for the purpose of step control to train. The winding structure is due to the zigzag or fork connections already so cumbersome that the addition of tap lines causes great difficulties would prepare. It is therefore customary for the task of step control to use special regulating transformers which are connected in series with the feeding main transformers. This naturally results in an extraordinarily high transformer effort in the rectifier system. The usual rectifier systems for electrolysis feed consist of six twelve-phase rectifier vessels for normal operation, two of which are connected to a common transformer. Already for normal operation results in three main transformers and three regulating transformers, which are mostly designed for voltage regulation within the limits of So to iooo / o are. There is also a fourth reserve group, which also has a main transformer and contains a regulating transformer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichteranlage für Elektrolysezwecke zu schaffen, die die gestellten Bedingungen, insbesondere auch hinsichtlich der Oberwellenrückwirkung auf das Drehstromnetz und der B:etriehsreserve, mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Transformatoren erfüllt. Es wird. dabei eine Gleichrichteranlage mit im wesentlichen 24phasiger Rückwirkung auf das Drehstromnetz zugrunde gelegt, die aus einer ungeraden Anzahl, vorzugsweise aus drei Gleichrichtergruppen mit getrennten Speisetransformatoren für den normalen Betrieb und mindestens einer Reservegruppe besteht. Gemäß der Erfindung werden nun bei einer solchen Anlage die Speisetransformatoren sämtlicher Gruppen als sechsphasige Anzapftransformatoren ausgebildet. Dabei werden eine Betriebsgruppe sowie eine Reservegruppe, die um 30° e1. in der Phase gegeneinander verschoben sind, durch Einschalten von Ouertransformatoren für -I- 15° e1. Phasendrehung auf zwölfphasigen Betrieb umschalbar gemacht, während die Speisetransformatoren der restlichen Betriebsgruppen so ausgestaltet werden, daß sich je zwei zu einem Zwölfphasensystern ergänzen. Dadurch, daß die Speisetransformatoren nur sechsphasig ausgebildet sind, ist es möglich, sie mit normalen glatten Wicklungen, insbesondere auch mit Röhrenwicklungen, auszuführen, so @daß keine Veranlassung mehr vorliegt, besondere zusätzliche Regeltransformatoren zu verwenden. Der Aufwand an Transformatoren bei einer solchen Anlage besteht also aus vier Haupttransformatoren und zwei Quertransformatoren, die jedoch nur für einen geringen Bruchteil der Leistung bemessen zu «erden brauchen. Gegenüber der vorher beschriebenen Anlage mit vier zwölfphasigen Transformatoren und vier Regeltransformatoren ergibt sich demnach eine ganz erhebliche Ersparnis. Wie weiter unten gezeigt werden soll, ist zudem die Rückwirkung auf das Drehstromnetz hinsichtlich der Oberwellen noch wesentlich günstiger, da die Anlage zum Teil 24phasig zurückwirkt.The invention is based on the object of a rectifier system for electrolysis purposes to create the conditions set, in particular also with regard to the harmonic feedback on the three-phase network and the B: etriehsreserve, met with a significantly lower cost of transformers. It will. included a rectifier system with essentially 24-phase feedback on the three-phase network based on an odd number, preferably from three groups of rectifiers with separate supply transformers for normal operation and at least one Reserve group exists. According to the invention are now in such a system Supply transformers of all groups as six-phase tap transformers educated. An operating group as well as a reserve group, which by 30 ° e1. are shifted in phase from one another by switching on output transformers for -I- 15 ° e1. Phase rotation made switchable to twelve-phase operation while the supply transformers of the remaining operational groups are designed in such a way that that two complement each other to form a twelve-phase system. Because the supply transformers are only six-phase, it is possible to use them with normal smooth windings, especially with tube windings, so that there is no need there is more to use special additional regulating transformers. The effort on transformers in such a system consists of four main transformers and two cross-transformers, but only for a small fraction of the power measured to «need to earth. Compared to the previously described system with four twelve-phase transformers and four regulating transformers result a very substantial saving. As will be shown below, is also the effect on the three-phase network with regard to harmonics is still significant cheaper, because the system partly has a 24-phase feedback.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltkombination dargestellt. i ist das speisende Drehstromnetz und 2 das Gleichstromnetz, an das die Elektrolysebäder angeschlossen sind. Für die Speisung sind drei Betriebsgruppen 3, 4 und 5 und eine Reservegruppe 6 vorgesehen. Sämtliche Gleichrichtergruppen enthalten je zwei Entladungsgefäße, die bei der Gruppe 3 mit i i und 12 bezeichnet sind. Beide Gefäße einer Gruppe werden aus einem gemeinsamen Speisetransformator versorgt. Sämtliche Speisetransformatoren sind sechsphasig mit glatten Wicklungen, vorzugsweise Röhrenwicklungen, und mit Stufenschaltung ausgeführt. Die Wicklungsanordnung der Speisetransformatoren 7 und 8 ,der beiden Betriebsgruppen 3 und 4 ist dabei so gewählt, daß sich diese beiden sechsphasigen Transformatoren zu einem zwölfphasigen System ergänzen. Im vorliegenden Fall ist das dadurch erreicht, daß die Primärwicklung des Transformators 7 in Stern, die des Transformators 8 dagegen in. Dreieck geschaltet ist. Es entsteht somit zwischen den Sekundärspannungssystemen eine Phasenverschiebung von 30° e1.In the drawing is an embodiment of the invention Switching combination shown. i is the feeding three-phase network and 2 is the direct current network, to which the electrolysis baths are connected. There are three operating groups for the supply 3, 4 and 5 and a reserve group 6 provided. All rectifier groups included two discharge vessels each, which are labeled i i and 12 in group 3. Both The vessels in a group are supplied from a common supply transformer. All Supply transformers are six-phase with smooth windings, preferably tube windings, and designed with step switching. The winding arrangement of the supply transformers 7 and 8, the two operating groups 3 and 4 is chosen so that this add two six-phase transformers to a twelve-phase system. in the In the present case, this is achieved in that the primary winding of the transformer 7 in star, whereas that of transformer 8 is connected in delta. It arises thus a phase shift of 30 ° e1 between the secondary voltage systems.

In Reihe mit dem Transformator 9 der Betriebsgruppe 5 und mit dem Transformator io ,der Reservegruppe 6 ist je ein Quertransformator 13 bzw. 14 geschaltet, der eine Phasendrehung von -f- 15° e1. hervorruft und somit aus .dem Sechsphasensystem des Haupttransformators ein Zwölfphasensystem herstellt. Dabei bleibt es sich gleich, ob die Gleichrichtergefäße sechsphasig oder zwölfphasig ausgebildet sind. Im allgemeinen wird man ohnehin gezwungen sein, bei niedrigeren Phasenzahlen mehrere Anoden ein und .desselben Gefäßes parallel zu schalten, so daß in jedem Fall :ein und %dieselbe Gefäßtypie durchweg für die ganze Anlage verwendet werden kann. Die Quertransformatoren 13 bzw. 14 können .durch besondere Schalteinrichtungen, .die bei der Betriebsgruppe 5 mit 15 und 16 bezeichnet sind, überbrückt werden. Diese Schalteinrichtungen brauchen nicht als Leistungsschalter ausgebildet zu sein, da sie nur im stromlosen Zustand geschaltet zu werden brauchen. Man kann also mit Hilfe dieser Schalteinrichtungen die Gruppen 5 und 6 von Sechsphasenhetrieb auf Zwölfphasenbetrieb umschalten. Zu beachten ist noch, daß die Sechsphasensysteme der beidenTransformatoren 9 und zo, .denen die Quertransformatoren 13 und 14 zugeordnet sind, durch entsprechende Wicklungsschaltung um 30° e1. in der Phase gegeneinander versetzt sind.In series with the transformer 9 of the operating group 5 and with the transformer io, the reserve group 6, a transverse transformer 13 or 14 is connected, which has a phase shift of -f- 15 ° e1. and thus produces a twelve-phase system from the six-phase system of the main transformer. It does not matter whether the rectifier vessels are six-phase or twelve-phase. In general, if the number of phases is lower, you will be forced to connect several anodes of one and the same vessel in parallel, so that in each case: one and the same vessel type can be used throughout the entire system. The transverse transformers 13 and 14 can be bridged by special switching devices, which are designated by 15 and 16 in operating group 5. These switching devices do not need to be designed as circuit breakers, since they only need to be switched in the de-energized state. With the help of these switching devices, groups 5 and 6 can be switched from six-phase operation to twelve-phase operation. It should also be noted that the six-phase systems of the two transformers 9 and zo, to which the transverse transformers 13 and 14 are assigned, are turned by 30 ° e1 by means of a corresponding winding circuit. are offset from one another in phase.

Betrachtet man zunächst einmal den normalen Betrieb, bei dem also die Reservegruppe 6 nicht eingeschaltet ist, so erkennt man, daß die beiden Gruppen 3 und 4 zusammen eine zwölfphasige Rückwirkung ausüben und daß die Gruppe 5, für sich allein betrachtet, ebenfalls zwölfphasig wirkt. Fällt nun die Betriebsgruppe 4 aus, so ist ihr Ersatz durch die Reservegruppe 6 ohne weiteres in der Weise möglich, daß in der letztgenannten Gruppe der Quertransformator überbrückt wird. Fällt dagegen die Gruppe 3 aus, so ist ein unmittelbarer Ersatz durch die Gruppe 6 nicht möglich, da beide Gruppen verschiedenartige Primärwicklungen besitzen. Man muß dann den Quertransformator 13 der Betriebsgruppe 5 überbrücken, so daß diese nun in gleicher Weise wirkt wie bisher die Betriebsgruppe 3, wobei dann die Reservegruppe 6 die bisherige Rolle der Betriebsgruppe 5 übernimmt. Die- Betriebsgruppe 5 ist wiederum bei ihrem Ausfall ohne weiteres durch die Reservegruppe 6 ersetzbar, da hier wegen der Zwölfphasigkeit die zwischen beiden vorhandene Phasendrehung von 3a° e1. keine Rolle spielt. Man sieht also, daß es ohne weiteres möglich ist, in jedem beliebigen Störungsfall die ursprüngliche Schaltungskombination wieder nachzubilden.First of all, if you look at normal operation, that is the reserve group 6 is not switched on, it can be seen that the two groups 3 and 4 together exert a twelve-phase reaction and that group 5, for considered alone, also acts twelve-phase. Now the company group falls 4, it can easily be replaced by reserve group 6 in such a way that that in the latter group the transverse transformer is bridged. Falls against it group 3, an immediate replacement by group 6 is not possible, because both groups have different primary windings. You then have to use the transverse transformer 13 of the operating group 5, so that it now acts in the same way as previously operating group 3, with reserve group 6 taking on the previous role company group 5 takes over. Operation group 5 is again in the event of its failure Can easily be replaced by reserve group 6, because here because of the twelve-phase nature the phase shift of 3a ° e1 between the two. doesn't matter. Man so sees that it is easily possible in any case of failure to recreate the original circuit combination.

Um sich ein Bild darüber zu machen, wie die Gesamtrückwirkung auf das Drehstromnetz aussieht, geht man am besten von der Betriebsgruppe 3 aus. Die Sekundärphasen dieser Gruppe sind um 6o° e1. gegeneinander versetzt. Diese Gruppe besitzt also Phasen mit den Phasenlagen o°, 6o°, z2o°, 18o° e1. usw. Dazwischen, d. h. bei 30°, 90°, 15o° e1. usw. liegen die Phasen der Betriebsgruppe 4. Die Phasen der Betriebsgruppe 5 sind gegeneinander um nur 30° e1. versetzt und liegen wegen der gleich großen Vorwärts- und Rückwärts,drehung der Quertransformatoren symmetrisch zu den Phasen der Betriebsgruppe 3. -Sie nehmen also die Lagen r5°, 45°, 75°, ro5° e1. usw. ein. Die Phasen der Betriebsgruppen 3, 4 und 5 zusammen ergänzen sich mithin zu einem 24-Phas@en-System. Das ist jedoch nur teilweise der Fall, da die Phasenleistung der Betriebsgruppe 5 halb so groß ist wie die- Phasenleistung einer der beiden anderen Betriebsgruppen. Insgesamt ergibt sich eine 24phasige Rückwirkung für zwei Drittel der Gesamtleistung, während ein Drittel der Leistung zwölfphasig auf das Netz zurückwirkt.To get an idea of how the overall impact is on the three-phase network looks like, it is best to start from operating group 3. the Secondary phases of this group are around 60 ° e1. offset against each other. This group thus has phases with the phase positions o °, 6o °, z2o °, 18o ° e1. etc. in between, d. H. at 30 °, 90 °, 15o ° e1. etc. are the phases of company group 4. The phases of operating group 5 are against each other by only 30 ° e1. displaced and lie because of the equal forward and backward rotation of the transverse transformers symmetrically for the phases of company group 3. So you take the positions r5 °, 45 °, 75 °, ro5 ° e1. etc. a. The phases of company groups 3, 4 and 5 together therefore complement each other to a 24-phase system. However, this is only partially the case because of the phase power of operating group 5 is half as large as the phase power of one of the other two Company groups. Overall, there is a 24-phase reaction for two thirds of the total power, while a third of the power has a twelve-phase effect on the grid.

Claims

PATENT CLAIM: Rectifier system that can be regulated by step switching, in particular for feeding electrolysis systems, with essentially: 24-phase Impact on the three-phase network, consisting of an odd number, preferably three rectifier groups with separate supply transformers for the normal Operation and at least one reserve group, characterized in that the supply transformers all groups are designed as six-phase tap transformers, and that a company group as well as a reserve group: those around 30 ° e1. in phase against each other are shifted by switching on transverse transformers for -I- 15 'e1. Phase rotation Can be switched to twelve-phase operation while away from the supply transformers each of the remaining groups of companies add two to a twelve-phase system.