DE914030C

DE914030C - Einrichtung zur Erhoehung der Stabilitaet eines auf ein selbstaendiges Wechselstromnetz arbeitenden Wechselrichters

Info

Publication number: DE914030C
Application number: DES4558D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1941-03-04
Filing date: 1941-03-04
Publication date: 1954-06-24

Description

Einrichtung zur Erhöhung der Stabilität eines auf ein selbständiges Wechselstromnetz arbeitenden Wechselrichters Für den Betrieb von Wechselrichtern spielt die Tatsache, daß der Wechselrichter eine sogenannte Trittgrenze besitzt, eine erheblicheRolle. DieTrittgrenze stellt eine von dem Aussteuerungsgrad des Wechselrichters und der Wechselspannung abhängige Belastungsgrenze dar, oberhalb deren der Wechselrichter nicht mehr einwandfrei kommutieren kann. Der Kommutierungsvorgang muß nämlich spätestens in dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen beendet sein. Ist dies nicht der Fall, so kann beim Ventilwechselrichter die- abzulösende Entladungsstrecke nicht mehr erlöschen, während beim Kontaktwechselrichterkein stromloses Unterbrechen des abzulösenden Kontaktes mehr möglich ist. Die Dauer des Kommutierungsvorganges hängt aber von der Größedes zu kommutierenden Stromes sowie von der Wechselspannung ab, da die Differenz zwischen den Spannungen der einander ablösenden Phasen die Wendespannung bildet. Da für die Kommutierung eines bestimmten Stremes ein bestimmtes Zeitintegral der Wendespannung erforderlich ist, so verläuft der Kommutierungsvorgang um so schneller, je größer in dem betreffenden Bereich die genannte Differenzspannung ist, d. h. je früher in bezug auf den Zeitpunkt der Spannungsgleichheit dieser eingeleitet wird.
Aus dem Gesagten geht hervor, d.aß bei einer Spannungsabsenkung im Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz die für die Kommutierung zur Verfügung stehende Wendespannungsfläche kleiner wird. Da aber gleichzeitig auch der von dem Wechselrichter übertragene Strom anwächst, so nähert sich der Wechselrichter bei gleichbleibender Aussteuerung außerordentlich rasch der Trittgrenze. Mit plötzlichen Spannungsabsenkungen mu$ nun in einem Drehstromnetz stets gerechnet werden. Sie treten in erster Linie durch Zunahme der Blindbelastung auf. Die Geschwindigkeit, mit der bei einer Blindbelastungszunahme des Netzes dessen Spannung absinkt, hängt im wesentlichen nur von den Streufeldzeitkonstanten der parallel mit dem Wechselrichter arbeitenden Maschinen ab und ist wegen der Kleinheit dieser Zeitkonstanten außerordentlich groß. Andererseits können diese Spannungsabsenkungen nur durch Änderung der Erregerströme der Maschinen wieder ausgeregelt werden, was aber wegen der verhältnismäßig großen Zeitkonstanten der Feldwicklungen nur sehr langsam möglich ist. Es läßt sich mithin nicht vermeiden, daß beim plötzlichen Zuschalten großer Induktivitäten, z. B. beim Einschalten großer Transformatoren in einem ungünstigen Zeitpunkt der Spannungskurve, die Netzspannung vorübergehend absinkt.
In normalen Drehstromanlagen spielen diese kurzzeitigen Spannungsabsenkungen, die mit den üblichen Betriebsmeßinstrumenten kaum zu erfassen sind, praktisch keine Rolle; dagegen werden sie dem Wechselrichter leicht gefährlich. Hier können selbst kürzeste Spannungsabsenkungen dazu führen, daß die Anode, in deren Brennzeit die Spannungsabsenkung auftritt, nicht mehr imstande ist, den Strom an die Folgeanode ordnungsgemäß abzugeben, und daher durchzündet, d. h. über den Zeitpunkt der Spannungsgleichheit hinaus weiter brennt. Man muß deshalb, um diese Gefahr zu beseitigen, bei solchen Spannungsabsenkungen in den Steuervorgang des Wechselrichters eingreifen. Hier ist zunächst die Frage zu entscheiden, nach welcher Richtung die Aussteuerung geändert werden muß. Nach dem oben Gesagten hat eine Spannungsabsenkung ein Anwachsen des Stromes zur Folge. Um den Ström wieder herabzusetzen, müßte man den Aussteuerungsgrad des Wechselrichters vergrößern, d. h. den Zündzeitpunkt verzögern. Eine Verzögerung des Zündzeitpunktes bringt aber wieder eine Verkleinerung der Wendespannungsfläche mit sich, die ohnehin schon durch das Absinken der Wechselspannung vermindert ist, so daß hierdurch die Kommutierungsdauer wieder heraufgesetzt wird. Eine Vorverlegung der Zündzeitpunkte, d. h. eine Verminderung des Aussteuerungsgrades bewirkt dagegen, daß die durch das Absinken der Wechselspannung verkleinerte Wendespannungsflache wieder vergrößert wird und daß demgemäß eine Beschleunigungdes Kommutierungsv organges eintritt. Im allgemeinen wird es zweckmäßigsein, die letztgenannte Maßnahme zu ergreifen und den Aussteuerungsgrad des Wechselrichters zu vermindern. Die Gefahr, daß der Strom unzulässig anwächst, ist nämlich ziemlich gering, weil sich der Vorgang in ganz kurzer Zeit abspielt und die in der Anlage vorhandenen Induktivitäten eine so rasche Änderung des Stromes nicht zulassen.

DieErfindunglöstnundieAufgabe, dieSteuerung des Wechselrichters, insbesondere in einer Gleichstrom - Hochspannungs - Kraftübertragungsanlage, bei auftretenden Spannungsänderungen im gespeisten Wechselstromnetz so rasch zu beeinflussen, daß die Gefahr der Durchzündung mit Sicherheit vermieden wird. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, jede Anode einzeln für sich, und zwar abhängig von dem Verlauf der Phasenspannung der in der Brennfolge unmittelbar vorangehenden Anode zu steuern. Dieser Gedanke ist bei einer bekannten Wechselrichteranordnung bereits zur @i Anwendung gelangt. Bei dieser bekannten Anordnung wird sofort nach Eintritt eines Kurzschlusses der Strom der nach dem Kurzschlußpunktbrennenden Anode auf eine solche Wechselrichteranode kommutiert, die eine genügende positive Wendespannung besitzt und deren Spannung gegenüber der Kathode im Abnehmen begriffen ist. Der Eingriff in die Steuerung findet hierbei erst dann statt, wenn eine Störung aufgetreten ist und der Wechselrichter ohne diesen Eingriff in die Steuerung nicht mehr kommutieren könnte. Es ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, in Abhängigkeit von einem fehlerhaften Anstieg des Stromes in der brennenden Wechselrichteranode die Zündung der nach Eintritt des Fehlers die Stromführung übernehmenden Entladungsstrecke durch entsprechende Steuerungihrer Steuerelektrode zu verdrehen. Gemäß der Erfindung wird der Spannungsverlauf jeder Phase mit dem Verlauf einer vorgegebenen Spannung verglichen, und die Beeinflussung der Steuerung der Folgeanode erfolgt in Abhängigkeit von der Abweichung dieser Spannungen voneinander. Dadurch wird im Gegensatz zu der erwähnten bekannten Einrichtung bereits die Ursache einer möglichen Störung erfaßt, so daß die Störung infolge der sofort einsetzenden Steuerbeeinflussung der Folgeanode gar nicht erst eintreten kann. Es wird nicht, wie sonst bei spannungsabhängigen Steuerungen üblich, der Effektivwert der Wechselspannung, sondern ihr Augenblickswert in jeder einzelnen Phase überwacht. Sobald die Spannung der vorangehenden Phase auch nur vorübergehend von dem normalen Verlauf abweicht, tritt sofort eine Einwirkung auf den Zündzeitpunkt der Folgeanode ein. Dabei wird, wie schon oben erwähnt, die Anordnung zweckmäßig so getroffen, daß ein Abweichen des Spannungsverlaufes der vorangehenden Phase nach unten eine: Vorverlegung des Zündzeitpunktes der Folgephase bewirkt. . Praktisch läßt sich der notwendige Spannungsvergleich in der Weise durchführen, daß zur Festlegung des Sollspannungsverlaufes ein stark überdimensionierter Synchron-Synchron-Umformer an das zu überwachende Netz angeschlossen wird. Die Spannung dieses Umformers wird dann mit der über einen Transformator dem Netz unmittelbar entnommenen Spannung verglichen. Beide werden zu diesem Zweck auf gleiche Amplitude eingeregelt, und man kann annehmen, daß sie auch praktisch die gleiche Phasenlage haben.

Ändert sich jetzt die Netzspannung, so ändert sich

auch die Sekundärspannung des Transformators

entsprechend, während die Spannung des Um-

formers praktisch konstant bleibt. Man erhält

dann eine Differenzspannung, die man auf die

Steuerung .der Folgeanode zur Einwirkung bringen

kann.

In Fig. i der Zeichnung ist ein Ausführungs-

beispiel der Erfindung dargestellt. Aus dem Gleich-

stromnetz i wird über den Wechselrichter 2 das

Drehstromnetz 3 gespeist. Das Gitter jeder Anode

ist unter Zwischenschaltung einer Sperrspannungs-

quelle 13 mittels des Transformators 12 an den

Anodenkreis eines Hilfsentladungsgefäßes 8 an-

gekoppelt. Das Hilfsentladungsgefäß erhält seine

Anodenspannung über den Drehregler 9 und den

Transformator io ebenfalls aus dem Drehstrom-

netz 3. In seinen Steuerkreis wird über den Trans-

formator i i eine Wechselspannung eingeführt, die

gegenüber der Anodenspannung eine feste oder

einstellbare Phasenlage besitzt. In dem Gitterkreis

des Hilfsentladungsgefäßes 8 liegt außerdem noch

der Widerstand 7, an dem im Normalzustand kein

Spannungsabfall auftritt. Dann ist also der Zünd-

zeitpunkt des Hilfsentladungsgefäßes 8 und damit

der Zündzeitpunkt der zugehörigen Anode des

Wechselrichters 2 lediglich durch die an dem Trans-

formator i i abgenommene Gitterwechselspannung

bestimmt. Mit 5 ist der bereits erwähnte Synchron-

Synchron-Umformer bezeichnet, dessen Spannung

mit der Sekundärspannung des primärseitig am

Drehstromnetz 3 liegenden Transformators 4. ver-

glichen wird. Durch Einstellung seiner Gleich-

stromerregung wird der Umformer 5 auf die gleiche

Spannung eingestellt, die der Transformator q.

liefert. Diese beiden Spannungen sind gegensinnig

in Reihe mit dem Widerstand 7 geschaltet. Da sie

außerdem phasengleich sind, tritt an dem Wider-

stand so lange keine Spannung auf, wie sieh die

Spannung des Drehstromnetzes nicht verändert.

In demselben Augenblick jedoch, in dem die Span-

nung des Drehstromnetzes eine Änderung erleidet,

tritt auch an dem Widerstand 7 eine Spannung auf,

die das Potential des Steuergitters des Hilfs-

entladungsgefäßes 8 verschiebt und damit den

Zündzeitpunkt der betreifenden Anode des Wechsel-

richters beeinflußt. Bei einer Spannungsabsenkung

des Drehstromnetzes wird also beispielsweise der

Steuerimpuls für die Wechselrichteranode ent-

sprechend früher gegeben werden. Die Erregung

des Sekundärteiles des Umformers 5 wird zweck-

mäßig von der Spannung des Gleichstromnetzes i

abhängig gemacht, so daß auch Änderungen dieser

Spannung auf die Zündzeitpunkte der Wechsel-

richteranoden Einflußhaben. Das dem Widerstand 7

vorgeschaltete Ventil 6 hat lediglich den Zweck,

eine Überlastung des Steuergitters des gasgefüllten

Hilfsentladungsgefäßes 8 in der positiven Halb-

welle zu verhindern.

Eine gewisse Schwierigkeit besteht bei der in

Fig. i dargestellten Anordnung noch darin, daß bei

konstant bleibender Abweichung der Netzspannung

von der Sollspannung die Spannung an demWider-

stand nicht konstant ist, -weil ja die auftretende

Differenzspannung ebenfalls eine Wechselspannung

ist. Infolgedessen hängt daß Maß der Zündzeit-

punktverschiebung, das durch diese Abweichung

der Netzspannung hervorgerufen wird, davon ab,

wie die normale Lage des Zündzeitpunktes ein-

gestellt ist. Es ist daher zweckmäßig, die Spannung

an dem Widerstand 7 so zu beeinflussen, daß sie

bei unveränderlicher Abweichung der Netzspannung

von dem vorgegebenen Verlauf, wenn also beispiels-

weise die Amplitude der Sekundärspannung des

Transformators q. um einen bestimmten Betrag

geringer ist als die Spannungsamplitude des Um-

formers 5, zumindest über den für die Zündung in

Betracht kommenden Bereich konstant bleibt. Es

soll also mit anderen Worten der Einfluß des Um-

standeis, daß die beiden verglichenen Spannungen

Wechselspannungen sind, beseitigt bzw. eine

Wirkung erreicht werden, als ob die beiden ver-

glichenen Spannungen normalerweise rechteckige

Kurvenformen besäßen. Dies gelingt mit Hilfe

eines entsprechend dem Augenblickswert der Soll-

spannung veränderlichen Widerstandes im Strom-

kreis des Widerstandes 7.

Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Fig.2. Als

veränderlicher Widerstand dient hier ein Hoch-

vakuumrohr 1q., dessen Kennliniensteilheit mit

Hilfe des Schirmgitters 16 heeinflußt werden kann.

Zu diesem Zweck ist das Schirmgitter 16 über

einen Transformator 18 mit dem Umformer 5 ver-

bunden, so daß die Steilheit des Rohres im Takt

der von dem Umformer 5 gelieferten Wechsel-

spannung schwankt. Dem Steuergitter 15 des Rohres

werden über die Transformatoren 17 bzw. 23 die

Spannung des Umformers 5 und die Netzspannung

in Gegeneinanderschaltung zugeführt. Um nun den

Widerstand 7 im Gitterkreis des Hilfsentladungs-

gefäßes 8 mit Hilfe des Transformators 21 induktiv

an den Anodenkreis der Regelröhre 14 ankoppeln

zu können, wird dem Steuergitter 15 der Regel-

röhre außerdem noch über den Transformator 20

eine von dem Schwingungsgenerator i9 erzeugte

höherfrequente Spannung zugeführt, die auf der

Sekundärseite des Transformators 21 mit Hilfe

des Gleichrichters 22 wieder gleichgerichtet wird.

Es gelingt auf diese Weise, an dem Widerstand 7

wesentlich größere Spannungsänderungen zu er-

zeugen. Die Kennliniensteilheit der Regelröhre 14

wird durch den Einfluß des Schirmgitters 16 peri-

odisch so verändert, daß sie in der Nähe der Null-

durchgänge der von dem Umformer 5 gelieferten

Spannung groß ist und bei deren Scheitelwert ihr

Minimum erreicht. Dadurch tritt, wenn bei sonst

gleichförmigem Verlauf die Amplitude der Netz-

spannung kleiner ist als die der Umformerspannung,

an dem Widerstand 7 eine über die ganze Halb-

welle nahezu konstante Spannung auf, und die Ver-

schiebung des Zündzeitpunktes des Hilfsentladungs-

gefäßes 8 wird davon unabhängig, auf welchen

Zeitraum innerhalb der Periode der normale Zünd-

zeitpunkt festgelegt ist. Durch den Transformator

12 werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach

Fig. i, die Anodenstromänderungen des Hilfs-

gefäßes 8 in entsprechende Gitterspannungsimpulse für die zugehörigeWechselrichteranode umgeformt.

Claims

-PATENTANSPRÜCHE: -i. Einrichtung zur Erhöhung der Stabilität eines auf ein selbständiges Wechselstromnetz arbeitenden Wechselrichters, insbesondere in einer Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftübertragungsanlage, bei der während der Stromführungszeit einer Phase auftretende Änderungen des Betriebszustandes auf die Steuerspannung der Folgeanode im Sinne einer Zündzeitpunktverschiebung einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsverlauf jeder Phase mit dem Verlauf einer vorgegebenen Spannung verglichen wird und die Beeinflussung der Steuerung der Folgeanode in Abhängigkeit von der Abweichung dieser Spannungen voneinander erfolgt.
2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt jeder Anode durch eine willkürlich oder in Ab- hängigkeit von anderen Regelgrößen, z. B. dem Belastungsstrom, phasenveränderliche sinusförmige Steuerspannung bestimmt wird, welcher eine -der Differenz zwischen den Augenblickswerten der Phasenspannung der vorangehenden Anode und der Sollspannung entsprechende Spannung überlagert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpuls für jede Anode durch die Zündung eines Hilfsentladungsgefäßes erzeugt wird, in. dessen Gitterkreis die Differenzspannung zwischen der Phasenspannung der vorangehenden Anode und der Sollspannung eingeführt wird. .q..
Einrichtung nach Anspruch i oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein periodisch veränderlicher Widerstand vorgesehen ist, der den im wesentlichen sinusförmigen Verlauf der bei konstanter Abweichung der Netzspannung von der Vergleichsspannung auftretenden, das Hilfsentladungsgefäß steuernden Differenzspannung in einen rechteckförmigen Verlauf umbildet.
5. Einrichtung nach Anspruch q., dadurch gekennzeichnet, daß als periodisch veränderlicher Widerstand ein Hochvakuumrohr dient, dessen Kennliniensteilheit durch Anlegen einer festen Wechselspannung an das Schirmgitter derart beeinflußt wird, daß die Kurvenformumbildung der Differenzspannung richtig erfolgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch. gekennzeichnet, daß im Gitterkreis des Hochvakuumrohres die an der Differenzbildung beteiligten Spannungen einer höherfrequenten Spannung überlagert werden, welche auf der Sekundärseite eines im Anodenkreis des Rohres liegenden Transformators durch Gleichrichtung wieder besei't'igt wird.