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Einrichtung zur Sicherstellung der Stabilität eines Wechselrichters
Die Erfindung bezieht sich auf die selbsttätige Regelung bzw. Kompoundierun@g von
Wechselrichtern und ist inisbesonderie bestimmt für Wech:selrichter, die am Ende
einer mit hochgespanntern Gleichstrom arbeitenden Kraftübertragungsleitung zur Umformung
dets übertragenen Gleichstromes in Wechsel- oder Drehstrorri dienen. Es ist bekannt,
daß bei einem Wechselrichter der Endzeitpunkt des Kommutierungsvorganges um einen
bestimmten Winkel, den sogernannten Sicherheitswinkel, vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
der elinander ablösenden Phasen liegen: muß, wenn -ein Durchzünden bz.w. Außextrittfallen
des Wechselrichters vermieden werden soll. Da diie Dauer des Kommutierungs@vorganges
sowohl von der Größe des übertragenen Stromes als auch von der Spe.nrnung des gespeisten
Wechselstromnetzes abhängt, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, um beim
Absinken der Wechselspannung hzw. beim Ansteigen, des Belaistungsst,romes ein Au@ßerttirittfallen
des, Wechselrichters zu, verhindern, Main kann sich geigen ein Außertrittfallendadurch
schützen, daß man den Steuerwinkel im normalen Betrieb so groß wählt, da,ß auch
bei der Spannungsabsenkung im Wechselstromnetz. und dem höchsten Strom der Komirnutnerungsvorgang
um den Sicherheitswinkel vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit beendet ist.
Dies, führt jedoch dazu, daß der Wechselrichter im normalen Betrieb miit einem schlechten,
Leistungsfaktor arbeitet. Es sind deshalb auch schon Vorschläge bekanntgeworden,
die darauf abzielen, in den genannten F'ülen den
Zündzeitpunkt voreuverschieben,
d. 1i,, den Steuerwinkel zu vergrößern, um auf diese Weise das für die Kommutierung
zur Verfügung stehende Zeitintegral der Wendelspannung. auf dein gleichen Wert zu
halten bzw. zu vergrößern. Man kann dann im normalen; Betrieb mit einem kleineren
Steuerwinkel und damit einem besseren Leistungsfaktor arbeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Sicherstellung
der Stabilität des Wechselrichters zu: schaffen, welche gestattet, duirch einfache
Änderungen der Einstellung die verschiedenartigsten Anforderungen hinsichtlich der
Überlastbarkeit und des. Belastungsstromes des Wechselrichters bei auftretenden
Störungen zu erfüllen, und mit welcher es insbesondere möglich ist, den Betrieb
so zu führen, daß stets mit dem mit Rücksicht auf die Stabilität noch zulässigen
Steuerwinkel gearbeitet wird. In letzterem Fall erhält also der Leistungsfaktor
stets den günstigsten Wert, der überhaupt möglich ist. Der Grundgedanke der Erfindung
geht dahin, die bekannte Überlastungsbedingung eines Wechselrichters durch entsprechende
Regelspannungskomponenten im Eingangskreisi des selbsttätigen, Reglers abzubilden.
Bezeichnet man. mit E", die Leerl,auf-Gleich-EMK des 'Wechselrichters bei voller
Aussteuerung, mit ß den Steuerwinkel, mit ßo den Sikherheitswinkel, mit G die Reaktianz
im Kommutierungskreis des Wechselrichters und mit J den Be:lasitungsstrom, so gilt
für die Uberlastbarkeit ü des Wechselrichters die Gleichung E" o
. cos ß, - E"" . cos ß = 2 G . J ü. Diese Gleichung kann man in die,
Form bringen: E2"0 # cos ß - E,"Q # cos ß, -h- K J = O. :Ulan könnte nun in den
Eingangskreis des Reglers Spannungen einführen, die den einzelnen Gliedern dieser
Gleichung entsprechen. Infolge der Trägheit der Steuerkreise ist es jedoch nicht
möglich, den Einfluß von Spannungsabsenkungen auszugleichen. Die technisch zur Verfügung
stehenden Regler sind, insbesondere in der Form von Röhrenreglern, zwar außerordentlich
rasch, jedoch liegt die Trägheit der Regel- und Gittersteuerkreise immerhin, noch
in &ir Größenordnung von i bis 3 rhs. Die bei Kurzschließen im Wechselstromnetz
auftretenden Span.nungsabse nkungien, werden aber meist noch rascher verlaufen.
Es ist deshalb zweckmäßig, den Einfiuß der Spannung aus dem Eingangskrens des Reglers
zu entfernen und lediglich die Glied her mit cos ß und J veränderlich zu machen.
Die Gleichung für den: Regelkreis lautet dann: C,.cosß-C2+KJ=o oder Cl # cos ß +
K J = korst. Sinn wirkende, dem Cosinus, des Steuerwinkels wenigstens angenähert
proportionale Komponente enthält. Wie die obige Gleichung zeigt, kann die @@- Regelspannung
zusätzlich auch noch eine der stromproportionalen Komponente enitgegengerichtete
konstante Komponente enthalten, znx: welcher, wie unten dargelegt, weiterhin auch
nach eine der Spannung des Wechselistromnetzes proportionale Komponente hinzukommen:
kann.
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Die Konstanten des Reglereingangskreisies werden zweckmäßig so gewählt,
daß der- Wechselrichter bei Nennbetrieb mit einem so großen Steuerwinkel arbeitet,
daß bei der größtmöglichen Spannungsabsenkung, bei der der Wechseilrichter noch
stabil bleiben muß, der Wert ü = i innerhalb der Verzögerungszeit T, nach welcher
der Regler zur Wirkung kommt, nicht überschritten wird. Diese Verzögerungszeit ist
beim Weichselrichter T = T, + ß-ßa. Dabei ist T,. die Zeit vom Beginn der
Störung bis zur Verstellung dies Zündwinkels, also die Zeit, uni welche durch die
Trägheit d er Regelkreise die Verstellung dem ausläsenden Impuls nacheilt. Die zeitliche
Lage, die der Endpunkt des Kommutierungsvorganges nach Ablauf dieser Zeit erreicht
hat, kann diann bei: weiterem Ansteigen dies Stromes unverändert beibehalten bleiben,
so daß such also die iUberlastbarkeit des Wechselrichters nicht mehr ändert. Durch
andere Wahl der Konstanten kann man aber auch hiervon abweichen und ein anderes
Regelergebnis erzielen.
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Für die praktische Durchführung des Erfindungsgedankens, sind in der
Zeichnung zwei verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt. Der Wechselrichter
selbst ist durch die beiden Entladungsgefäße i und 2 angedeutet. Das speisende Gleichstromnetz
ist mit q. und das gespeiste Drehstromnetz mit 3 bezeichnet. Die Steuerapparatur
5 für die Erzeugung der Gi-tterspannungsi:mpulse möge von der bekannten: Art sein,
bei welcher die von dem Stromrichter abgegebene Spannung einem der Gittersiteuerungsapparatur
zugeführten Gleichgtrom proportional ist. Dieser Gleichstrom wird von einem Röhrenregler
6 geliefert, in dessen Eingangskreis die verschiedenen Komponenten der Regelspannung
eingeführt werden. Diie dem Cosiinus des Steuerwinkels ß dies Wechselrichters proportionale
wird an einem Widerstand 14 abgegriffen, der unmittelbar in den Ausgangskreiisj
des Röhrenreglers 6 geschaltet isst. Der Widerstand g, w relcher über einen Hilfsgleichrichter
8 von dem in der Wechselstromziuleitung zum Wechselrichter liegenden Stromwandler
7 gespeist wird, liefert die dem Belastungsstrom pro@-portionale Regelsipannungskomponente.
Ihr Proportiomalitätsfaktor läßt sich mit Hilfe des Regelwiderstandes io in gewissen
Grenzen, einstellen. An dem Widerstand 12 wird; schließlich einte, konstante Spannung
abgegriffen, die von der Batterie i i geliefert wird und an dem Regelwiderstand
13 einstellbar ist.
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Erfüllt die St euerappa:ratur 5 des Wechselrichters de Bedingung,
daß die ausgesteuerte Spannung des Die Erfindung besteht demnach im wesentlichen
darin, diaß die im Eingangskreis des. Reglers wirksame Regelspannung außer einer
dem Belastungsstrom proportionalen Komponente eine im gleichen
Wechselrichters
Beim Ausgangsstrom des Röhrenreglers 6 p,roportionial ist, nicht, so- kann man,
um die dem Cosinus des, Steuerwinkels ß proportionale Regelspannung zu erzeugen,
eine Anordnung nach Fig. a mrwenden. Hier ist ein besonderer Hilfsgleichrichter
17 vorgesehen, dessen Steuerapparatur 16 genau so aufgebaut; ist wie diie Steuerapparatur
5 desi Wechselrichters. Beide Steuerapparatumen werden in Reihenschaltung von dem
Ausgangsgleichstrom des Röhrenreglers 6 durchflossen, so daß an beiden stets der
gleiche Steuerwinkel eingestellt ist. Der Hilfsgleichrichter 17 ist mit einem Widerstand
18 belastet, und an diesem l.äßt sich dann wegen der gleich großen Aussteuerung
des Hilfsgleichrichters 17 und des Wechselrichters eine Spannung abgreifen, die
denn Cosinus des Steuerwinkels ß des Wechselrichters, proportional ist. Dabei ist
vorausgesetzt, daß die Belastung des Hilfsgleichrichters 17 durch den Widerstand
18 nur sehr schwach ist, so daß ein Einfluß des Spannungsabfalles im Hilfsgleichrichter
nicht bemerkbar wird. Die dem Belastungsstrom proportionale Regelspannungskomponente
wird in diesem Fäll nicht der Wechselstromseite, sondern der Gleichstromseite des
Wechselrichters entnommen, und zwar an einem Widerstand 15, der im Spanniungsmittelpunkt
dies Wechselrichters in dessen, Gleichstromkreis geschaltet ist.
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Fig. 3 zeigt die Lage der Steuerwinkel. Im Normalbetrieb beginnt bei
einer bestimmten Last, z. B. Nennlast, die Komm@utierung miit@ einem Steuerwinkel
ß, und ist, bei ß" beendet. Tritt nun die maximal zulässige Spannungsabsenkung in
dem gespeisten Wechseilstromnetz auf, so wird d,ie Kommutierunigszeit so vergrößert,
daß bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der Regler zur Wirkung gelangt, die Stabilitätsgrenze
fast erreicht ist. Die Kommutierung erstreckt sich in diesem Fall von ß1 bis ßot"f".
Nach Ablauf der Verzögerungszeit, wird nun der Regler dien Winkel vergrößern, wobei
diese Vergrößerung durch entsprechende Wahl der Konstanten im Reglereingangskreis
so bemessen sein kann!, diaß bei Fortdauer der maximalen Spannungsabsenkung die
K-ommutierung trotz des ansteigendien, Stromes jeweils in dem durch ß""i" festgelegten
Zeitpunkt beendet ist. Die Überlastbarkeit behält dann also ständig den, Wert i.
Ist die Sp,annungsabsenkung im Wechselstromnetz geringer, so wird die Kommutierung
bereits vor dem durch den Sicherheitswinkel ßo.i" bestimmten Zeitpunkt beendet sein
und - die überlastbarkeit ü entsprechend aussteigen.
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Eine solche Einstellung der Konstanten im Reglereingangskreis hat
weiterhin den Vorteil, daß bei Laständerungen, z. B. infolge einer Änderung der
Spannung an dem: die Kraftübertragungsanlage speifsenden Gleichrichter, der Winkel
ß so beeinflußt wird, diaß er bei abfallendem Gleichstrom wieder kleiner und auf
den Wert gebracht wird, der wieder dem Mindestwert der überla.stbarkeit bei der
größtmöglichen Spannungsabsenkung entspricht. Es wird. also selbsttätig auch unter
Berückgicht-igung der Reglerträgheit bei dien verschiedensten Belastungen eine Regelung
auf konstante Kommutieruugssicherheit erreicht. Die Änderung des Winkels ß bei steigendem
Strom ist dabei niemals größer, als es, zur Erhaltung der Stabilität unbedingt erforderlich
ist.
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Will man eine starke Kompoundierungerreichen, also größere Veränderung
von cos, ß, so ist dies leicht dadurch möglich, daß die Konstanten Cl, C2 und k
in der obigen Gleichung anders gewählt werden. So kann z. B. durch eine Verkleinerung
des. Wertes von C2 eine Verstärkung der Kompoundierung erreicht werden.
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In der obengenannten Regelgleichung kann man die Differenz Cl - coas
ß- C2 in erster Annäherung ersetzen durch K1 - Ug-K2 - U",
d. h. durch die Differenz zweier Spannungen, von denen: die erstere der Gleichspannung
und die zweite der Wechselspa,nnung des Wechisielrichters proportional ist. Man
erhält in diesem Fall eine zu starke Kompoundierung, d. h. eine verhältnismäßig
starke Vorverlegung des Zündzeitpunktes mit wachsendem Belastungsstrom. Will man
die Kompoundierung schwächen, so kann man, dies durch Verkleinerung des Gliedfes
K2 - U" erreichen.
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In der Konstante K des stromproportionalen Gliedes K - J ist eine
Größe enthalten, die dem Spannungsabfall an der Reaktanz des Wechselrichters proportional
ist. Ändert sich die Kurzschlußleistung des Netzes in stärkerem Maße, so kann man
dies durch eine entsprechende Änderung des Faktors K berücksiichtigen.
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Es wurde schon oben erwähnt, diaß sich mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
auch andere Gesetzmäßigkeiten der Regelung leicht erreichen lassen. Es soll zunächst
der Fall einer Kompoundiierung auf annähernd konstanten Wirkstrom betrachtet werden.
Da der Regler mit Verzögerung arbeitest, wird in dem Augenblick, in welchem die
Regelung zur Auswirkung kommst, der Strom bei gegenüber dem ursprünglichen Wert
noch ungeändertem Winkel ß angestiegen sein. Der Wirkstrom ist also in diesem Augenblick
größer geworden. Um den Einflu.ß des während dieser Zeit erfolgten St,romanstiegs,
auszugleichen, muß man das Glied C2 der obigen Regelgleichung verkleinern,. Die
nachträgliche Konstanthaltung des Wirkst.roines wird dann allfein durch die beiden,
übrigen Steuerspannungskomponenten bewirkt. Die Verkleinerung des Gliedes C2 kann
dadurch erreicht werden, daß man es aus der Summe einer konstanten Spannung und
einer kleinen Zusatz,sp,a.nnu.ng zusammensetzt, von denen letztere. proportional
der Wechselsp@annung ist. Beim Absinken der 'Wechselspannung wird also auch die
Spannungskomponente G im Regelkreis verkleinert.
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Bei Regelung auf konstante Wirkleistung ist einte geringe Vergrößerung
dies Gliedes C2 notwendig. In diesem Fall wird man dieses Glied aus der Diifferenz
einer konstanten Spannung und einer der Netzwechselspannung proportionalen Spannung
zusammensetzen. Um nicht in Bereiche zu kommen, in denen der Wechselrichter nicht
mehr stabil arbeiten kann, ist: der Spannungsanstieg durch das
veränderliche
Glied zu verzögern. Außerdem kann eine Begrenzung desi Mindestwertes von fl vorgesehen
werden, wie es bereits vorgeschlagen worden ist.
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Bei der Regelung auf konstanten Wi,rl,#strom oder konstante Wirkleistung
des Wechselrichters wird im allgemeinen; eine Verstellung der Sollwerte des Reglers
am Gleichrichter und am Wechselrichter bei Einstellung einer anderen; Wechsefrichterbelastung
notwendig werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig die Sollwerteinsteller an den
beiden Übertragungseniden durch eine sogenannte elektrische Welle zu kuppeln. Arbeitet
diese elektrische Welle mit Zeitverzögerung, so ist es aus S:tabilitätsgründen ratsam,
besondere Mitteil vorzusehen, welche dafür sorgen, daß der Sollwert auf der Wechselrichterseite
dem Sollwert auf vier Gleichricbters,eite beim Einstellen höherer Werte nacheilt,
bei einer Herabregelung jedoch voreilt. Auf diese Weise kann der Sollwert auf der
@echse@riditerseite gegenüber der Gleichrichterseite niemals auf zu hohe Werte eingestellt
sein.