DE737991C - Freier selbstgefuehrter Wechsel-Gleichrichter - Google Patents

Freier selbstgefuehrter Wechsel-Gleichrichter

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DE737991C
DE737991C DEL96060D DEL0096060D DE737991C DE 737991 C DE737991 C DE 737991C DE L96060 D DEL96060 D DE L96060D DE L0096060 D DEL0096060 D DE L0096060D DE 737991 C DE737991 C DE 737991C
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DEL96060D
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Inventor
Richard Troeger
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AEG AG
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AEG AG
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    • 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
    • H02M7/006Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output using discharge tubes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Description

  • Freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter Unter einem freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter wird im Sinne der Erfindung ein Stromrichter verstanden, der in bezug auf den Energieaustausch zwischen einem Gleichstromnetz und einem Wechselstromnetz beliebiger Frequenz bzw: bei Reihenschaltung von zwei freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichtern zwischen zwei Wechselstromnetzen gleicher oder verschiedener Frequenz praktisch in -der gleichen Weise arbeitet wie ein normaler Umspanner.
  • Der freie selbstgeführte Wechsel-Gleichrichter hat nach dieser Erklärung u. a. folgende Forderungen zu erfüllen: Unabhängigkeit der Spannungsübersetzung von der r'inderung sowohl der Lastgröße wie der Lastart, also einerlei, ob es sich um Änderungen von Wirk- oder Blindleistung handelt und wie schnell auch immer die Änderung der Lastverhältnise erfolgt. Der freie selbstgeführte Wechsel-Gleichriohter soll sich wie der Umspanner den Betriebsschwankungen anpassen, ohne daß besondere Reguliergriffe erforderlich sind, bzw. sind derartige Reguliereingriffe auf die Erzielung einer verfeinerten An-Passung (Naahregulieren von Verlustspannung, vorbestimmte Wirk- oder Blindfastverschiebung o. dgl.) beschränkt.
  • Der Einfachheit halber wird für die Beschreibung durchweg die Einphasendoppelwegschaltung ,gewählt; der einphasige, freie selbstgeführte Wechsel-Gleichrichter läßt sich jedoch ebenso yvie ein normaler zu einem Vielphasenstromrichter zusammenfassen unter Beachtung der dabei erzielbaren Ersparhisse an Gefäßen (rnehranodigen Gefäßen),' Umspannern (Mehrphasenumspanner), Leitungen, Steuereinrichtungen usw.
  • Die Abb. r und 2 lassen grundsätzlich den derzeitigen Stand der Technik auf dem Weg zurLäsungdes freien selbstgeführtenWechsel-Gleichrichters- erkennen.
  • Die in Abb. z dargestellte Anordnung besteht aus einem Gleichrichter GR mit den Entladungsstrecken G1 und G2 sowie der Drossel DG und einem Wechselrichter WR mit den Entladungsstrecken WI und W2 sowie der Drossel Dw. Sie ist wechs-elstromseitig über den Transformator T an das Netz mit der Spannung Ew, gleichstromseitig an ein Netz mit der Spannung F0 angeschlossen und unterscheidet sich von dem bekannten Umkehrstromrichter in Kreuzschaltung zum Antrieb von Gleichstrommotoren nur durch den Zusatz eines Kondensators C zum Wechselrichter WR. Dieser Kondensator ermöglicht es, den Wechselrichter in bekannter Weis beschränkt selbst geführt zu betreiben, so daß unter gewissen Voraussetzungen auch dann Leistung von dem Gleichstromnetz in das Wechselstromnetz übertragen werden kann, wenn wechselstromseitig keine Führungsmaschine angeschlossen ist.
  • Die Einschränkung der Anwendbarkeit dieses Stromrichters ist wesentlicher Art. Er gestattet weder die Blindleistungsübertragung aus dem Gleichstromnetz ins Wechselstromnetz noch umgekehrt. Zwischen Blind- und Wirkleistung besteht kein Art-, sondern nur ein Formunterschied insofern, als unter Blindleistung eine Wirkleistung verstanden wird, die periodisch entsprechend der Netzfrequenz (also bei f = 5o hundertmal je Sek:.) die Leistungsrichtung wechselt, während der Richtungswechsel der Wirkleistung (z. B. bei Fördermaschinen mit Stromrücklieferung) meist unregelmäßig und wesentlich langsamer vor sich geht. Setzen daher die Kathodendrosseln Dg. und D" in Abb. i, die bei jedem Richtungswechsel der Leistung ihren Strom zwischen Null und Voll verändern, der Wirkleistungsumkehr kein besonderes Hindernis in den Weg, so bedeuten sie bei hundertmaligem Wechsel ihres Stromes in der Sekunde, wie sie die Blindleistungsübertragung für f=50 erfordert, einen derartigen Wiederstand, daß der Blindstromausgleich praktisch unterbunden wird.
  • Aber auch die Blindleistungslieferung an das Wechselstromnetz, z. B. durch Einbau von Kondensatoren, also durch Vergrößerung von C in Abb. i, erfüllt nicht die Bedingung des freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters. Um bei veränderlicher Blindlast die Spannung konstant zu halten, ist man gezwungen, den Kondensator C zu regulieren, was betriebstechnisch Schwierigkeiten bereitet und der vom freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter verlangten einfachen Ärbeitsweise widerspricht.
  • Als Mittel zur Beseitigung der Drosselwirkung der beiden Kathodendrosseln Dg und Dtv in Abb. i bei Blindleistungsübertragung ist (vgl. Elektrische Bahnen 1932, S. 51, Bild .4 und 1d) vorgeschlagen worden, die beiden Drosseln durch eine Umkehrdrossel zu ersetzen, wie sie in Abb. 2 dargestellt ist. Die Bezugszeichen der Abb. 2 entsprechen denen der Abb. i. Hierbei sind die beiden Drosselwicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern untergebracht, also eng magnetisch miteinander verkettet. Man erkennt, daß bei dieser Ausführung Leistungsumkehr durch Wechsel zwischen Gleich- und Wechselrichterbetrieb ;;eine Flußänderung in der Drossel erfordert, Andern lediglich eine Änderung in der Verteilung der A. W. auf die beiden Wicklungen Dg und D", und daher keinen Spannungsverlust durch Drosselwirkung hervorruft.
  • Trotzdem ist es in den ,Jahren seit Bekanntwerden dieser Drossel nicht gelungen, damit einen freien selbstgeführten Wechsel.-Gleichrichter für größere Leistungen herzustellen. Der Grund ist folgender: die Umkehrdrossel dient wie jede Kathodendrossel als Puffer gegenüber der Verschiedenheit des Spannungsverlaufs des Gleich- und Wechselstromsystems; dieser Unterschied äußert sich an den Klemmen der Drossel -als Wechselspannung. Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, vermag die Drossel wohl eine Gegen-EMK in Richtung a-,ö auszuüben, jedoch nicht in umgekehrter Richtung, da sie in letzterem Fall über die Gefäße W1, G1 bzw. W=, G2 (bis auf den Lichtbogenabfall der Gefäße) kurzgeschlossen ist. Von der während der positiven Spannungshalbwelle /3 gespeicherten Feldenergie wird daher in der negativen Halbwelle zunächst nur ein verhältnismäßig geringer Betrag verbraucht, mit der Wirkung, daß ein Umlaufstrom zwischen Drossel und Gefäßen entsteht, der sich dem normalen Betriebsstrom überlagert und auf einen solchen Wert ansteigt, daß die zweite Halbwelle der Drosselspannung durch die Verluste im Umlaufkreis aufgezehrt wird. Ein solcher Betrieb erfordert aber erhebliche zusätzliche Verluste und eine wesentliche Vergrößerung der verschiedenen Anlageteile, so daß die der Abb. 2 entsprechenden Schaltungen schon aus diesem Grunde für größere Leistungen nicht in Frage kommen.
  • Die Erfindung vermeidet die bisher erwähnten Mängel und kommt zu einer umfassenden Lösung des freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters, dessen Gleichrichterteii mit dem Wechselrichter über eine Unkehrdrossel gekuppelt ist, dadurch, daß sie den Gleichrichter- und den Wechselrichterteil nicht wie bisher unmittelbar, d. h. bei gleicher Klemmenspannung, sondern über einen Umspanner mit Anschlüssen verschiedener Spannungswerte derart parallel schaltet, daß die Umkehrdrossel bei Rückarbeitung den durch diese Schaltung bedingten Spannungsunterschied zu überwinden hat und ihreEnergie praktisch ohne Verluste ins Netz zurückliefern kann. Dabei wird die Spannungsabstufung für die Anschlüsse von Gleich- und Wechselrichter so gewählt, daß einerseits bei der Kommutierurig die nötige Entionisierungszeit zur Verfiigung steht und andererseits der zum Wechselrichten vorgesehene Kommutierungskondensator klein wird.
  • Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes soll im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele für die Schaltmöglichkeiten näher erläutert werden.
  • Die in Abb.-3 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der Schaltung der Abb.2o lediglich dadurch, daß die Stromrichterwicklung des Umspanners die beiden zusätzlichen Anzapfungen d und b' enthält, die zwischen den Außenklemmen a und b_ (vg1. auch Abb. i und 2) liegen, deren Wechselklemmenspannung mithin um einen vorgegebenen Betrag kleiner ist als - die Klemmenspannung zwischen a und b.
  • Ist beispielsweise das Gefäß WI geöffnet und überwiegt die Gleichspannung E, die im Wechselstromkreis (zu dem auch der Kondensator- und Magnetisierungsstromkreis des Umspanners zu rechnen sind) wirksame Gegenspannung (Wechselrichterbetrieb), so wird in der Umkehrdrossel Energie gespeichert. Die Spannung der Drossel ist in ß positiv gegenüber a; die Klemmenspannung der Umspannerwicklung zwischen den Anschlußpunkten a und a' ist während dieser Zeit wirkungslos für die Drossel.
  • Steigt die Gegenspannung des Wechselstromkreises anschließend über die Gleichspannung, so wechselt die Klemmenspannung an der Drossel ihre Richtung; sie sucht ihre Speicherenergie bei praktisch unverändertem Strom über den Stromweg a, G1, ä , a, W1, ß zu entladen und hat hierbei die Gegenspannung zwischen den Anschlußklemmen a und ä der Umspannerwicklung zu überwinden. Die Energie, welche die Drossel hierbei abgibt, wird autotransformatorisch in das Netz zurückgegeben; der Stromrichter wirkt während' dieser Zeit als Gleichrichter. Durch die Wahl der Anzapfung d hat man es in der Hand, die Gegenspannung für die Drossel mindestens so groß zu wählen, daß die während des Wechselrichtens gespeicherte Energie beim Arbeiten als Gleichrichter vor Eintritt des Leistungswechsels,aufgebraucht ist und demnach keine Feldenergie übrigblei'bt, um einen frei laufenden Umlaufstrom hervorzurufen.
  • Die Abb. q. stellt einen freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichter in Kreuzschaltung dar, die bekanntlich -den Vorteil bietet, daß das Kathodenpotential sowohl der Gleich- wie der Wechselrichterphasen zusammengelegt und demgemäß .beide Stromrichterhälften mit mehranodigen Gefäßen betrieben werden können. Stromrichterseitig ist die Umspannerwicklung zu diesem Zweck in zwei Wicklungen unterteilt, und zwar derartig, daß die Gleichrichterwicklung mit einer um a, d bzw. b, b' kleineren Windungszahl ausgeführt wird, deren Betrag wiederum so bemessen ist, daß die während der positiven Spannungshalbwelle von der Drossel gespeicherte Energie in der folgenden Halbwelle ins Netz zurückgeliefert wird. Denn auch bei dieser Schaltung ist leicht zu erkennen, daß ohne diese Abstufung der Wicklungen sich ein freier Umlaufstrom, über die Drossel, z. B. auf dem Wege a, ß, a, W1, ,a', G1, a, ausbilden würde, da die Wicklungshälften hierbei jeweils entgegengesetzt vom Strom durchflossen werden und daher praktisch keine Gegen-EMK hervorgerufen.
  • Die Abb. 3 zeigt ein Beispiel eines freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters in i8o° Zweiphasenbrückenschaltung, also bei zweianodiger " Arbeitsweise mit den bekannten Vorteilen der besseren Ausnutzung des Umspanners und der verlängerten Brenndauer der Anoden bei Mehrphasenbetrieb. Auch in diesem Falle wird erfindungsgemäß die Ausbildung freier Umlaufströme bei einseitiger Spannungsbeanspruchung der Drossel, z. B. auf dem Wege a1, ß1, G2, ia', a, W., a1, durch die Gegenspannung in den abgestuften Teilen a, ä und b, b' der Umspannerwicklung verhindert.
  • Die für diese Schaltung benötigten beiden Umkehrdrosseln sind zu einer einzigen Drossel D mit gemeinsamem Kern vereinigt. Die Drossel weit in diesem Fall' zwei getrennte Wicklungen mit Mittelanzapfung auf, von denen je eine dem Plus- bzw. Minuspol der Gleichspannung vorgeschaltet ist.
  • Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß man durch Zusammensetzung mehrerer einphasiger freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter in den obenerttAhnten Grundschaltungen einen Mehrphasen-Wechsel-Gleichrichter herstellen kann, indem man die einzelnen Wechsel-Gleichrichter mit der vom Mehrphasensystem verlangten Phasenversetzung steuert.
  • In Abb. 6 ist ein Schaltbeispiel für einen dreiphasigen freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter in Brückenschaltung dargestellt. Das Auftreten einer Gleichspannung an der Drossel wird wieder dadurch vermieden, däß Gleichrichter- und Wechselrichtergefäße an verschieden hohe Spannungen des Drehstromnetzes angeschlosen sind. Die Bezugszeichen dieser beiden Abbildungen entsprechen ebenso wie diejenigen der folgenden sinngemäß denen -der vorhergehenden Abbildungen.
  • Die Abb. 7 stellt einen sechsphasigen selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter in Sternschaltung dar, bei der, anstatt für jede einzelne Phase bzw. für je zwei um i8o° versetzte Phasen eine Umkehrdrossel anzuwenden, die Umkehrdrosseln zu einer Drossel vereinigt sind. Dies bedeutet nicht nur eine Vereinfachung, sondern gleichzeitig eine Verkleinerung der zur Glättung aufzuwendenden Drosselleistung, da bekanntlich bei gleichem Glättungsgrad und gleicher Nutzleistung die Drosselleistung mit der Phasenzahl schnell zurückgeht.
  • Die .ebb. S zeigt ein Beispiel zur Anwendung der Erfindung bei einer Schaltung mit Saugdrosseln SDo und SDW, bei der sowohl die Kathoden der Gleich- wie Wechselrichter zu einem gemeinsamen Potential vereinigt sind und infolgedessen für beide Stromrichterarten statt einanodiger Gefäße inehranodige (G, IY) verwandt werden können.
  • In den folgenden Beispielen sind Schaltmöglichkeiten für Umrichter bzw. zur Kupplung von Ein- und Mehrphasenwechselstroinnetzen angegeben, die sich aus den Grundschaltungen des Wechsel-Gleichrichters . ableiten.
  • In Abb.9 ist eine Kupplung zweier Einphasennetze finit den Spannungen EW, und EWtr beliebiger Frequenz dargestellt. Sie besteht sekundär aus zwei einphasigen, freien selbstgeführtenWechsel-GleichrichternAundE, die abwechselnd arbeiten und deren Umschaltung im Takte der Wechselspannung Et", vorgenommen wird. Alle Gefäße sind hierbei mit Steuergittern zu versehen.
  • Die Anordnung gemäß 21b. io ist aus Abb. 5 abgeleitet und zeigt einen freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichter in Brückenschaltung. Hierbei ist die Gefäßzahl verdoppelt.
  • Die Kupplung von Mehrphasennetzen läßt sich grundsätzlich in der Weise herstellen, daß man jedes Mehrphasennetz in mehrere Einzelphasen zerlegt und die Einzelphasen über mehrere Stromrichter nach Abb. 9 einzeln kuppelt. So zeigt z. B. die Abb. z i die Kupplung zweier Zweiphasennetze EW1, EW« über Scott-Transformatoren Ti, T2; SR bedeutet hierbei jeweils einen freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichter gemäß Abb. g.
  • Der Aufwand an Umspannern, Drosseln und Gefäßen läßt sich wesentlich verringern, wenn man die Schaltungen nach Abb. 5 bzw. i o unmittelbar zu Mehrphasenschaltungen erweitert, wie das aus den Abb. 1a und 13 hervorgeht.
  • In der Anordnung nach Abb. 12 ist ein Drehstromnetz Eblf, mit einem Einphasennetz EW,1 (Umrichter) gekuppelt. Die Drossel D hat hier drei getrennte Wicklungen, die Gefäßzahl ist gegenüber,der Einphasenkupplung gemäß Abb. io nur um die Hälfte vermehrt. Die Steuerung der Gefäße ergibt sich durch sinngemäße Erweiterung der Steuerung nach Abb. i o.
  • Die Abb. 13 zeigt die Kupplung zweier Drehstromnetze über ,eine dreiphasige Umkehrdrosel und 36 einanodige Gefäße. Sämtliche angeführten Schaltungen lasen sich natürlich in bekannter Weise durch Vermehrung der Umspannerwicklungen in Schaltungen mit mehranodigen Gefäßen, Saugdrosseln usw. überführen. Hierbei kann auch die Wicklungszahl auf der Umkehrdrossel vermindert werden, ohne daß dadurch ihre grund-,sätzliche Wirkung verändert wird.
  • In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, die Gegenspannung zur Ausnutzung der gespeicherten Feldenergie der Umkehrdrossel verstellbar einzurichten. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß an der Umspannerwicklung regelbare Anzapfungen vorgesehen werden, die in bekannter Weise von Hand oder selbstätig geregelt werden.
  • Die Steuerung der Gefäße erfolgt nach dem aus der allgemeinen Stromrichtertechnik bekannten Verfahren. Bei Selbstführung des freien selbstgeführten Gleich-Wechselrichters wird für die Steuerung ein Taktgeber für die Frequenzhaltung oder Frequenzregelung vorgesehen, z. B. eine regelbare Frequenzmaschine, einregelbarer Schwingungskreis, Kippschwingungsgeräte o. dgl. Falls der Wechselrichter in ein Netz mit eigenem Kraftwerk speist, wird die Steuerung in der Regel von dessen Frequenz und Phasenlage geführt werden.
  • Es besteht die Möglichkeit, die mit der Anzapfung der Umspannerwicklung erzielte Wirkung der Unterdrückung der Umlaufspannung teilweise oder ganz durch Gittersteuerung zu ersetzen, indem auch die Gleichrichtergefäße mit Steuerung versehen und die Steuerwinkel von Gleich- und Wechselrichter derart gegeneinander versetzt werden, daß zwischen beiden die gewünschte Gegenspannung zur Unterdrückung des Umlaufstromes bzw. Nutzbarmachung der in der Umkehrdrossel gespeicherten Feldenergie erreicht wird.
  • Von den vielfachen Anwendungsmöglichkeiten des freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichters seien besonders folgende hervorgehoben: Verlustlos regelbarer umsteuerbarer Antrieb von Induktionsmotoren mit Stromrückgewinnung für Fördermotoren, Walzwerks- und Schiffsantrieb, Kupplung und Leistungsaustausch zwischen synchron oder asynchron betriebenen Wechselstromnetzen, Umrichten von einem beliebig phasischen System beliebiger Frequenz in ein anderes System von beliebiger Phasen- und Frequenzzahl, Gleichstrom-Hochspannungsübertragungmit Wirk-undBlindleistungsaustausch über die Gleichstromleitung. -

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE i. Freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter, dessen Wechselrichterteil mit dem Gleichrichterteil über eine Umkehrdrossel gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gleichrichter- und Wechselrichterteil eine zusätzliche Spannung durch die verschiedene Bemessung des Übersetzungsverhältnisses der Umspannerwicklung für Gleich- und Wechselrichteranschluß derart eingeführt ist, daßr die Umkehrdrossel den dadurch bedingten Spannungsunterschied zu überwinden hat und ihre Energie nutzbar wird. a. Eine Zusammenstellung von freien selbstgeführten Wechsel-Gleichrichtern nach Anspruch i zu einem Umrichter bzw. zum Kuppeln von Ein- oder Mehrphasennetzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausgeprägter oder versteckter Glcichstromzwischenkreis verwandt wird und daß durch ,periodische Umkehr des Gleichstromzwischenkreises Ein- oder Mehrphasenstrom erzeugt wird. 3. Freier selbstgeführter Wechsel-Gleichrichter ,nach Anspruch t und a, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Gleich- wie Wechselrichtergefäße steuerbar sind und die zusätzliche Spannung zwischen Gleich-und Wechselriehterzweig durch die verschiedene Aussteuerung ,der beiden Gefäßarten erreicht wird. q.. Anordnung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrphasenschaltungen die Umkehrdrosseln zu einer gemeinsamen Umkehrdrossel vereinigt weiden. 5. Anordnung nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Spannung von Hand oder selbsttätig regulierbar ist. 6. Anoxdnung nach Anspruch i bies, dadurch gekennzeichnet, daß der freie selbstgeführte Wechsel-Gleichrichter in mehranodiger Arbeitsweise (Saugdrossel-, Brückenschaltung) ausgeführt ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1107784B (de) * 1954-12-11 1961-05-31 Siemens Ag Stromrichteranordnung fuer Umkehrantriebe
FR2035900A1 (de) * 1969-03-26 1970-12-24 Reliance Electric Ag

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