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Einrichtung zur Sicherstellung des stabilen Arbeitens von Wechselrichtern
Es ist bekannt, daß ein Wechselrichter nur dann stabil arbeitet, wenn der Kommutierungsvorgang
zeitlich vor dem Schnittpunkt der einander ablösenden Phasenspannungskurven beendet
ist. Diese Verhälthisse sind in Fig. i dargestellt. Mit P ist der Schnittpunkt der
einander ablösenden Phasenspannungskurven is und :, bezeichnet. Der Kommutierungsvorgang
beginnt um den Steuerwinkel ß vor diesem Schnittpunkt P. Der Kommutierungsvorgang
selbst benötigt eine von der Höhe der Strombelastung, den Induktivitäten des Kommutierungskreises
und der Höhe der Wechselspannung abhängige Zeitdauer, die sogenannte tiberlappungszeit
ü. Aus Gründen der Sicherheit muß verlangt werden, daß der Endzeit-Punkt des t berlappungsabschnittes
ü um einen bestimmten Winkel ß., den sogenannten Sicherungswinkel, vor dem Zeitpunkt
P beendet ist. Der Winkel ß" muß positiv sein.
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Beim Betrieb des Wechselrichters unter veränderlichen Betriebsbedingungen,
insbesondere auch beim Vorhandensein einer selbsttätigen Leistungsregelung, besteht
immer die Gefahr, daß der Abstand des Endzeitpunktes des Kommutierungsvorganges
von dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasenspannungskurven
den aus Sicherheitsgründen notwendigen Mindestwert ß" unterschreitet. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln, welche die Unterschreitung
eines
vorgegebenen einstellbaren Mindestwertes des Sicherungswinkels bzw. eine Überschreitung
eines vorgegebenen Höchstbetrages von cos ß, verhindert. Zum Verständnis der Erfindung
muß auf folgende Beziehungen hingewiesen werden: Für den Zusammenhang zwischen der
dem Wechselrichter aufgedrückten Gleichspannung U9, der der vollen Aussteuerung
des Wechselrichters entsprechenden Leerlaufgleichspannung E, und dem Steuerwinkel
ß gilt folgende Gleichung: U.q = E" - cos ß -a- E, - g, worin g der auf E, bezogene,
von dem Gleichstrom herrührende Spannungsabfall in dem Wechselrichter bedeutet.
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Ferner gilt cos ß" - cos ß = 2 g. Aus den vorstehenden beiden Gleichungen
ergibt sich nach einiger Umformung
Gemäß der Erfindung wirkt nun die dem Wechselrichter aufgedrückte Gleichspannung
U, die der vollen Aussteuerung entsprechende Leerlaufgleichspannung E, und der Steuerwinkel
ß des Wechselrichters auf ein Überwachungsgerät ein, welches anspricht, wenn die
Größenbeziehung
einen vorgegebenen Höchstbetrag überschreitet und dabei einen oder mehrere Werte
dieser Größenbeziehung im Sinne einer Herabsetzung des Betrages der Größenbeziehung
beeinflußt. Das Überwachungsgerät spricht also mit anderen Worten an, sobald ein
vorgegebener Betrag von cos ß, überschritten wird und übt einen Regeleinfluß in
der Weise aus, daß cos ß, wieder herabgesetzt bzw. an der Überschreitung des vorgegebenen
Höchstbetrages gehindert wird.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, und
zwar ist dabei angenommen, daß der Wechselrichter dazu dient, um den von einer mit
hochgespanntem Gleichstrom arbeitenden Energieübertragungsfernleitung gelieferten
Gleichstrom in Wechsel- bzw. Drehstrom umzuformen. Mit i ist eine Drehstromsammelschiene
bezeichnet, auf die ein Generator 18 arbeitet. Der Drehstrom wird über einen Leistungsschalter
2 einem Gleichrichter zugeführt, dessen Transformator mit 3 und dessen Ventile mit
q. bezeichnet sind. Die Darstellung des Gleichrichters ist nur schematisch. Es ist
dabei angenommen, daß ein mehrphasiger Gleichrichter in Graetzschaltung vorhanden
ist. 6 sind die beiden Leiter des Hochspannungskabels und 5 die Glättungsdrosselspulen.
Am Ende der Hochspannungsleitung befindet sich der Wechselrichter, bestehend aus
den Entladungsstrecken 7 und dem Transformator B. g ist wiederum ein Drehstromleistungsschalter
und io das gespeiste Drehstromnetz.
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Mit ii ist die Gittersteuerungsapparatur des Wechselrichters bezeichnet.
Es ist angenommen, daß ein selbsttätiger Regler 12 vorgesehen ist, der über die
Gittersteuerungsapparatur ii die Zündzeitpunkte der Wechselrichterentladungsstrecken
beeinflußt. Der Regler z2 ist mit einem Sollwerteinsteller 13 verbunden, an dem
die zu übertragende Leistung von Hand oder durch ein Programmgerät automatisch eingestellt
wird. Es ist ferner ein Frequenzglied 1q. vorgesehen, welches den Sollwert der Leistung
bzw. des Stromes in Abhängigkeit von der Frequenz des Drehstromnetzes io beeinflußt.
15 ist das gemäß der Erfindung vorzusehende Überwachungsgerät. Auf dieses wirkt,
wie durch punktierte Linien angedeutet, zunächst über einen Gleichspannungswandler
17, die dem Wechselrichter aufgedrückte Gleichspannung U, ein. Ferner wirkt auf
das Überwachungsgerät 15 die auf der Wechselstromseite des Wechselrichters abgenommene
Spannung E, ein, welche der der vollen Aussteuerung E des Wechselrichters entsprechenden
Leerlaufgleichspannung proportional ist. Schließlich überträgt der Regler 12 noch
eine dem cos ß proportionale Meßgröße auf das Überwachungsgerät 15. Dieses kann
nun seinerseits in verschiedener Weise auf den Regelzustand der Anlage einwirken.
So kann z. B. eine Änderung der dem Wechselrichter aufgedrückten Gleichspannung
U, durch Beeinflussung des Generators 18 oder der Gittersteuerung 16 des Gleichrichters
erfolgen. Um diesen Einfluß auszuüben, kann eine der bekannten Fernsteueranlagen
benutzt werden. Der Einfluß des Überwachungsgerätes kann auch in einer Verstellung
des Regeltransformators 8 bestehen, um auf diese Weise die Leerlaufspannung E, zu
verändern. Schließlich kann das Überwachungsgerät 15 auch in den Regler 12 zwecks
Beeinflussung von cos ß eingreifen. Es kann entweder nur einer der genannten Regeleinflüsse
oder es können auch mehrere zugleich ausgeübt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel für das Überwachungs- j gerät ist schematisch
in Fig. 3 dargestellt. Das Überwachungsgerät besteht im vorliegenden Fall aus zwei
Meßwerken, deren bewegliche Teile um die gleiche Achse drehbar sind. Jedes der beiden
Meßwerke besitzt einen Zeiger i bzw. 2, die ein zusammengehöriges Kontaktpaar tragen.
Der Ausschlag des Zeigers i ist proportional dem Wert
und der Ausschlag des Zeigers 2 proportional cos ßo. Die Abweichung 8, welche die
beiden Zeiger in der Nullage gegeneinander besitzen, ist einstellbar. Wenn x der
Winkel zwischen den beiden Zeigern, y der Ausschlag des Zeigers 2 und a der Ausschlag
des Zeigers i ist, so gilt y + 8 = a + x oder a - y = 8
- x. Die Kontakte der Zeiger berühren sich, wenn x = o ist, und es ist dann
a - y = b. Wird b entsprechend dem höchstzulässigen Wert von cos ßo, d. h. auf cos
max eingestellt, so findet die Kontaktberührung statt, wenn die Gleichung
erfüllt ist.
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In diesem Augenblick erfolgt eine Kommandogabe durch das Überwachungsgerät.
Als Empfangsstellen für diese Kommandos kommen diejenigen Stellen der Anlage in
Frage, wo gemäß der obigen Gleichung die Werte U., bzw. E, bzw. cos ß verändert
werden. Wenn cos P, ...... überschritten wurde, so kann die Zurückführung
von
cos fl, auf einen zulässigen Wert durch Herabsetzung einer der vorgenannten Größen
U9, E, bzw. cos ß erfolgen. Sind mehrere Wechselrichter an eine gemeinsame Stromleitung
angeschlossen, so wird man die Regelung zweckmäßig durch Beeinflussung des Wertes
Er, an den Regeltransformatoren der Wechselrichter vornehmen.
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Wenn die Regelung durch Übertragung der Kommandoimpulse auf die Gleichrichterseite
bzw. auf den Generator erfolgt, so wird eine Auswirkung dieser Regelung erst feststellbar
sein, wenn die Gleichspannung auch auf der Wechselrichterseite zu sinken beginnt.
Ist die Gleichstromübertragungsleitung sehr lang, so machen sich die Laufzeiten
auf der Leitung bemerkbar, und es wird in diesem Falle die Spannung am Gleichrichter
beim Ansprechen des Überwachungsgerätes zu weit herabgeregelt werden. Man kann diese
Überregelung vermeiden, indem man die Verstellung der Gleichrichtersteuerung bzw.
der Erregung des Generators beim Ansprechen des Überwachungsgerätes nur in kleinen,
mit Zeitabstand aufeinanderfolgenden Schritten erfolgen läßt. Man kann statt dessen
auch die Kommandogabe durch das Überwachungsgerät bei steigender Gleichspannung
im Wechselrichter um einen bestimmten, von der Laufzeit im Gleichstromkabel abhängigen
Zeitbetrag vor Erreichung des angestrebten Wertes der Gleichspannung unterbrechen.
An sich ist ein zu weites Herabregeln der Gleichspannung unschädlich, da diese Regelung
nach der sicheren Seite hin erfolgt.
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Wenn das Überwachungsgerät sehr empfindlich ist und sein Regeleinfluß
sich in einer Verstellung des Regeltransformators auf der Wechselrichterseite auswirkt,
so wird eine solche Verstellung sehr oft erfolgen. Um ein zu häufiges Ansprechen
und damit ein zu häufiges Betätigen des Stufenschalters des Regeltransformators
zu vermeiden, kann durch ein Zeitrelais eine Verzögerung des Regeleinflusses vorgesehen
werden. Eine gewisse Verzögerung erhält man bereits durch die Trägheit der Meßwerke
des Überwachungsgerätes. Diese Trägheit kann um so größer sein, je kleiner der eingestellte
Wert von cos ß" m"x ist.
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Bei einem Absinken der Wechselspannung auf der Wechselrichterseite
wird der Wert
vergrößert und es würde damit auch cos ß", steigen, wenn nicht der selbsttätige
Regler 12 (Fig. 2) den cos ß zwecks Konstanthaltung der Leistung vergrößern würde.
Hierdurch wird das Anwachsen von
zum Teil wieder ausgeglichen. Genau so verhält sich die Anlage bei einem Ansteigen
der Gleichspannung U, Nun können diese Spannungsänderungen, nämlich die Spannungsabsenkung
auf der Drehstromseite des Wechselrichters oder der Spannungsanstieg auf dessen
Gleichstromseite so groß und schnell sein, daß der Eingriff des Leistungsreglers
nicht ausreicht und die cos-ß,-Überwachung zu spät kommt. Hiergegen kann man sich
jedoch dadurch schützen, daß man die Glättungsdrossel auf der Wechselrichterseite
so groß macht, daß nur ein langsamer Stromanstieg möglich ist. Eine Verflachung
des Stromanstieges erhält man auch durch anderweitige Erhöhung der Induktivität
des Gleichstromkreises, beispielsweise durch Anwendung eines Kabels mit Eisenleiter
oder geschlossener Eisenbewehrung, wobei entweder die ganze Strecke oder nur ein
Teil davon mit einem solchen Kabel ausgerüstet sein kann. Es muß als Eisenleiter
vorzugsweise weiches Eisen verwendet werden, weil dieses von allen Eisensorten den
geringsten spezifischen Widerstand hat und der Anstieg des induktiven Widerstandes
in Abhängigkeit von der Strombelastung am größten ist.
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Bei einem vollständigen Zusammenbruch der Spannungen müssen die Schutzeinrichtungen
wirksam werden. Bei einer Rückzündung im Gleichrichter oder bei einem Kurzschluß
im Gleichstromkabel verschwindet die Spannung U9. Dies wird aber die cos-ß,- Überwachung
nicht zum Ansprechen bringen, wenn auch cos ß durch den Regler kleiner wird. Bei
Wiederkehr der Spannung läuft der Betrieb normal weiter. Wenn jedoch die Wechselspannung
auf der Wechselrichterseite zusammenbricht, dann wird die cos-ß,- Überwachung ansprechen
und z. B. den Lastschalter des Regeltransformators in eine Endstellung bringen,
und zwar so, daß E, den größtmöglichen Wert erreicht. Die cos-ß,-Überwachung sichert
also ein Überschreiten der Trittgrenze, jedoch ist es immer noch möglich, daß mit
einem sehr schlechten cos ß und damit auch einem schlechten cos ß, gearbeitet wird.
Um dies zu vermeiden, kann man in das Überwachungsgerät eine zweite Meßeinrichtung
einbauen, die bei einem Wert cos ß,' anspricht, jedoch ist die Aufgabe des von diesem
Meßwerk ausgehenden Kommandos gerade derjenigen des zuerst beschriebenen entgegengesetzt,
d. h. während von dem erstgenannten der E",o heraufgeregelt wird, soll nunmehr E",,
heruntergeregelt werden. Das Entsprechende gilt für die Gleichspannung.