DE9408504U1 - frequency converter - Google Patents
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Description
94 G 394 G3
Beschreibung
FrequenzumrichterDescription
frequency converter
Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Umwandlung von 50 Hz-Drehstrom in 16 2/3-Hz Einphasenstrom, insbesondere zur Bahnstromversorgung.The invention relates to a frequency converter for converting 50 Hz three-phase current into 16 2/3 Hz single-phase current, in particular for supplying traction current.
Elektrische Energieversorgungsnetze weisen oftmals unterschiedliche Frequenzen auf. Um diese Netze miteinander zu verbinden, ist es notwendig, sogenannte Frequenzumrichter einzusetzen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Versorgung von 16 2/3 Hz-Bahnnetzen auf, die aus dem 50 Hz-Netz versorgt werden sollen.Electrical power supply networks often have different frequencies. In order to connect these networks to one another, it is necessary to use so-called frequency converters. This problem occurs, for example, when supplying 16 2/3 Hz railway networks that are to be supplied from the 50 Hz network.
In der Vergangenheit wurden zur Frequenzumrichtung überwiegend rotierende Maschinen eingesetzt. In jüngerer Zeit werden auch Lösungen mit Stromrichtern, insbesondere für höhere Leistungen, diskutiert und versuchsweise eingesetzt.In the past, rotating machines were predominantly used for frequency conversion. More recently, solutions using power converters, especially for higher power outputs, have been discussed and used on a trial basis.
Aus Elektrische Bahnen 89 (1991) 11, Seiten 503 und 504, ist beispielsweise ein statischer Umrichter für die Bahnstromversorgung beschrieben, bei dem zunächst aus den 50 Hz über einen Umkehrstromrichter eine Gleichspannung erzeugt wird.For example, from Elektrische Bahnen 89 (1991) 11, pages 503 and 504, a static converter for the railway power supply is described, in which a direct current is first generated from the 50 Hz via a reversing converter.
Aus der Gleichspannung wird dann wiederum mittels einer Vielzahl von GTO-Wechselrichtern eine vorgegebene Anzahl von Teilspannungen erzeugt, die mittels der entsprechenden Anzahl von speziellen Transformatoren zu der gewünschten Spannung mit 16 2/3 Hz aufaddiert werden. Eine derartige Anordnung ist 0 seitens der Wechselrichter und der zugehörigen Transformatoren sehr aufwendig und kostspielig, wobei zur Erreichung einer verzerrungsarmen Ausgangsspannung Filter im Zwischenkreis und u. U. zusätzliche Filter auf der Ausgangsseite zur Unterdrückung von Oberschwingungen nötig sind.A number of GTO inverters are then used to generate a predetermined number of partial voltages from the direct current, which are then added together to form the desired voltage at 16 2/3 Hz using the appropriate number of special transformers. Such an arrangement is very complex and expensive on the part of the inverters and the associated transformers, and filters in the intermediate circuit and possibly additional filters on the output side to suppress harmonics are required to achieve a low-distortion output voltage.
Aus dem Asea Journal 1973, Vol. 46, Nr. 5, Seiten 119 bis 122, ist ein 12pulsiger Direktumrichter bekannt, der zur Versorgung eines 16 2/3 Hz-Bahnnetzes dient. Dieser benötigt jedoch ebenfalls ausgangsseitig aufwendige Filter. 5A 12-pulse direct converter is known from the Asea Journal 1973, Vol. 46, No. 5, pages 119 to 122, which is used to supply a 16 2/3 Hz railway network. However, this also requires complex filters on the output side. 5
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter für Energieverteilungsnetze zur Versorgung eines Bahnnetzes bereitzustellen, der bei einfacher Ausbildung sekundärseitig nur einen geringen oder möglichst keinen Filteraufwand erfordert.The invention is based on the object of providing a frequency converter for energy distribution networks for supplying a railway network, which, with a simple design, requires only a small or, if possible, no filtering effort on the secondary side.
Die Lösung gelingt erfindungsgemäß mit einem Frequenzumrichter zur BahnstromversorgungThe solution is achieved according to the invention with a frequency converter for the railway power supply
- wobei jeweils zwei antiparallel geschaltete 6-Puls Ventilbrücken eine von einem 50 Hz-Netz versorgte Grundeinheit bilden,- where two anti-parallel connected 6-pulse valve bridges form a basic unit supplied by a 50 Hz network,
- wobei jeweils zwei Grundeinheiten in Reihe geschaltet sind und eine 12-Puls-Einheit bilden und- where two basic units are connected in series and form a 12-pulse unit and
- die zwei 12-Puls-Einheiten über Koppelglieder parallel geschaltet sind.- the two 12-pulse units are connected in parallel via coupling elements.
Direktumrichter in Thyriostortechnik sind bereits schon seit ca. 2 5 Jahren bekannt. Sie wurden jedoch bisher nur bei Einheiten geringer Leistung und niedriger Pulszahl von den Fachleuten auf dem Sektor der Energieverteilung eingesetzt. Siehe hierzu auch obengenannten Stand der Technik. Zunächst lagen Vorbehalte gegen Halbleiter vor, da großer Wert auf eine betriebssichere Energieversorgung Wert gelegt wurde. Dies gilt insbesondere für den Einsatz bei der Bahnstromversorgung. Zu-0 dem kommt, daß Direktumrichter in der Regel Oberschwingungen erzeugen, die aufwendige Filter erfordern, was wiederum mit Kosten und Aufwand verbunden ist.Direct converters using thyristor technology have been around for around 25 years. However, they have so far only been used by experts in the energy distribution sector for units with low power and a low number of pulses. See also the above-mentioned state of the art. Initially, there were reservations about semiconductors because great importance was attached to a reliable energy supply. This applies in particular to use in the supply of traction power. In addition, direct converters usually generate harmonics that require complex filters, which in turn is associated with costs and effort.
Mit der vorliegenden Erfindung wurden nunmehr die Vorbehalte überwunden und ein Direktumrichter in Thyristortechnik mit hoher Pulszahl (p=24) und hoher Leistung für das spezielleWith the present invention, these reservations have now been overcome and a direct converter in thyristor technology with a high pulse rate (p=24) and high power for the special
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Anwendungsgebiet vorgesehen. Die bevorzugte Anwendung ist die Versorgung von Bahnnetzen. Durch den Einsatz einfacher und sicherer Techniken sowie erprobter Komponenten wird ein Umrichter hoher Zuverlässigkeit möglich, wobei auch z. B. gegenüber einem Zwischenkreisumrichter nunmehr ein sekundärseitiger Wechselrichter und ein Transformator nicht mehr erforderlich sind.The preferred application is the supply of railway networks. The use of simple and safe technologies and tried-and-tested components makes it possible to create a highly reliable converter, whereby, for example, a secondary inverter and a transformer are no longer required, as opposed to an intermediate circuit converter.
Die Anordnung kann mit Vorteil Wirk- und Blindleistung in beide Richtungen (50 HzH> 16 2/3 Hz bzw. 16 2/3 Hz ->50 Hz) austauschen und ins 16 2/3 Hz-Netz induktive und kapazitive Blindleistung liefern. Die positiven Eigenschaften der rotierenden Maschinen für den Übertragungsbetrieb bleiben beim vorgeschlagenen Umrichter erhalten. Da die Ausgangsspannung nur geringe Verzerrungen aufweist, ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand nötig. Darüber hinaus bestehen keine Anforderungen an das 16 2/3 Hz-Netz, wie z.B. eine Mindestkurzschlußleistung oder eine definierte Konstanz der 16 2/3 Hz Net&zgr;frequenz.The arrangement can advantageously exchange active and reactive power in both directions (50 HzH> 16 2/3 Hz or 16 2/3 Hz ->50 Hz) and supply inductive and capacitive reactive power to the 16 2/3 Hz network. The positive properties of the rotating machines for transmission operation are retained in the proposed converter. Since the output voltage has only low distortion, little or no filtering is necessary. In addition, there are no requirements for the 16 2/3 Hz network, such as a minimum short-circuit power or a defined constancy of the 16 2/3 Hz network frequency.
Für besonders hohe Anforderungen kann am Ausgang ein Filter angeordnet sein. Aufgrund der ohnehin hohen Qualität der Ausgangsspannung ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand erforderlich. Das Filter ist mit Vorteil als Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 800 bis 1 200 Hz ausgebildet.For particularly high requirements, a filter can be arranged at the output. Due to the already high quality of the output voltage, no or only minimal filtering is required. The filter is preferably designed as a high-pass filter with a cut-off frequency of approx. 800 to 1,200 Hz.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.Further advantages of the invention emerge from the remaining claims. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Die Figur zeigt ein 5 0 Hz-Netz 1, das über einen Frequenzumrichter 3 mit einem 16 2/3 Hz-Netz 5 verbunden ist. Das 50 Hz-Netz 1 ist bevorzugt ein Energieversorgungsnetz mit beispielsweise 400 kV. Das 16 2/3 Hz-Netz 5 kann beispiels-5 weise ein Bahnversorgungsnetz sein, das in der Praxis 110 kV aufweisen kann. Gegebenenfalls kann das 16 2/3 Hz-Net&zgr; 5 ge-The figure shows a 50 Hz network 1, which is connected to a 16 2/3 Hz network 5 via a frequency converter 3. The 50 Hz network 1 is preferably a power supply network with, for example, 400 kV. The 16 2/3 Hz network 5 can, for example, be a railway supply network, which in practice can have 110 kV. If necessary, the 16 2/3 Hz network 5 can be
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löscht oder wirksam geerdet betrieben werden. Seine Netzfrequenz ist beliebig vorgebbar.extinguished or effectively earthed. Its mains frequency can be specified as required.
Der Frequenzumrichter 3 ist wie folgt aufgebaut: 5The frequency converter 3 is constructed as follows: 5
Er weist zunächst vier Grundeinheiten 7aa, 7 ab, 7ba und 7bb auf, die jeweils von zwei antiparallel geschalteten 6-Puls-Ventilbrücken 9 gebildet sind. Die Ventilbrücken 9 sind bevorzugt als an sich bekannte 6-Puls Thyristorbrücken ausgestaltet. Es können jedoch auch andere geeignete steuerbare Halbleiter zur Anwendung kommen. Jeweils eine Ventilbrücke 9 bildet dabei die positive Halbwelle und eine weitere Ventilbrücke 9 die negative Halbwelle der zu bildenden Ausgangsspannung. It initially has four basic units 7aa, 7ab, 7ba and 7bb, each of which is formed by two anti-parallel connected 6-pulse valve bridges 9. The valve bridges 9 are preferably designed as known 6-pulse thyristor bridges. However, other suitable controllable semiconductors can also be used. One valve bridge 9 forms the positive half-wave and another valve bridge 9 the negative half-wave of the output voltage to be formed.
Jeweils zwei Grundeinheiten 7aa und 7ab bzw. 7ba und 7bb sind in Reihe geschaltet und bilden dadurch jeweils eine 12-Puls-Einheit 11a, 11b. Die Grundeinheiten 7aa, 7ab und 7ba, 7bb einer jeden 12-Puls-Einheit 11a bzw. 11b erhalten jeweils 0 eine um 3 0° phasenverschobene Eingangsspannung, wobei zwischen den beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b eine Phasenverschiebung um 15° besteht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Grundeinheiten 7aa bis 7bb folgende Phasenwinkel auf:Two basic units 7aa and 7ab or 7ba and 7bb are connected in series and thus form a 12-pulse unit 11a, 11b. The basic units 7aa, 7ab and 7ba, 7bb of each 12-pulse unit 11a or 11b each receive an input voltage that is phase-shifted by 30°, with a phase shift of 15° between the two 12-pulse units 11a, 11b. In the present embodiment, the basic units 7aa to 7bb have the following phase angles:
Grundeinheit 7aa 0°
Grundeinheit 7ab 30°
Grundeinheit 7ba -15°
Grundeinheit 7aa 15°Basic unit 7aa 0°
Basic unit 7ab 30°
Basic unit 7ba -15°
Basic unit 7aa 15°
Die einzelnen Phasenwinkel können ggf. auch anders gewählt werden. Wesentlich ist, daß dadurch eine 24pulsige Ausgangsspannung mit geringen Verzerrungen gebildet ist.The individual phase angles can also be selected differently if necessary. The important thing is that this creates a 24-pulse output voltage with low distortion.
Die Phasenverschiebungen werden vorliegend durch den Einsatz von Transformatoren 13a, 13b erzielt, die jeweils sekundär-The phase shifts are achieved here by using transformers 13a, 13b, each of which has secondary
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seitig zwei die Phasenverschiebung bildende Sekundärwicklungen aufweisen. Alternativ können auch beispielsweise die strichliert dargestellten Transformatoren 15a bis 15d oder äquivalent wirkende Bauelemente eingesetzt werden. 5have two secondary windings on the side that form the phase shift. Alternatively, the transformers 15a to 15d shown in dashed lines or equivalent components can be used. 5
Die beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b sind ausgangsseitig parallel geschaltet. Um Kreisströme zwischen den 12-Puls-Einheiten 11a, 11b zu verhindern, sind diese mittels Drosseln 17a, 17b, insbesondere Saugdrosseln, voneinander elektrisch entkoppelt. Vorliegend weisen die Drosseln 17a, 17b eine Mittelanzapfung auf, die als Spannungsausgang dient. Andere äquivalent wirkende Entkopplungsschaltungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise eine Unterteilung der Drosseln 17a, 17b in Einzeldrosseln oder der Anschluß der 12-Puls-Einheiten 11a, 11b an eine speisende Doppelleitung, die erst im Netz 5 galvanisch verbunden ist. Die Induktivität zur Entkopplung ist hierbei durch die Induktivität der Doppelleitung gegeben.The two 12-pulse units 11a, 11b are connected in parallel on the output side. In order to prevent circulating currents between the 12-pulse units 11a, 11b, they are electrically decoupled from one another by means of chokes 17a, 17b, in particular suction chokes. In this case, the chokes 17a, 17b have a center tap that serves as a voltage output. Other decoupling circuits with equivalent effects are also possible, for example dividing the chokes 17a, 17b into individual chokes or connecting the 12-pulse units 11a, 11b to a feeding double line that is only galvanically connected in the network 5. The inductance for decoupling is given by the inductance of the double line.
Die Mittelanzapfungen der Drosseln 17a, 17b sind zum 16 2/3 Hz-Netz 5 geführt. Gegebenenfalls kann für zusätzliche Beeinflussungen der Erdung im 16 2/3 Hz-Netz 5 der zusätzlich gebildete Mittelpunkt des Umrichters für eine Erdverbindung über die Zusatzdrossel· 19 (strichlierte Darstellung) herausgeführt werden. Dadurch sind Maßnahmen wie direkte Erdung, wirksame Erdung oder Einsatz von Löschspulen möglich.The center taps of the chokes 17a, 17b are led to the 16 2/3 Hz network 5. If necessary, the additional center point of the converter can be led out for an earth connection via the additional choke 19 (dashed line) for additional influences on the earthing in the 16 2/3 Hz network 5. This enables measures such as direct earthing, effective earthing or the use of suppression coils.
Der vorgestellte Frequenzumrichter 3 weist ein sehr gutes Oberschwingungsverhalten in seiner Ausgangsspannung auf. Die Verzerrungen sind dabei derart gering, daß gegebenenfalls auf Filter verzichtet werden kann. Bei hohen Anforderungen kann jedoch ein beliebiges geeignetes Filter 21 eingesetzt werden (strichliert dargestellt). Je nach Bedarf kann das Filter 21 auch in üblicher Anordnung zwischen den Phasenanschlüssen und dem Nulleiter angeordnet werden. In diesem Beispiel können 5 charakteristische Oberschwingungen in der Ausgangsspannung im Frequenzbereich von 24 &khgr; 50 = 1 200 Hz, deren Vieifachen undThe frequency converter 3 presented here has very good harmonic behavior in its output voltage. The distortions are so low that filters may be dispensed with. However, for high requirements, any suitable filter 21 can be used (shown in dashed lines). Depending on requirements, the filter 21 can also be arranged in the usual arrangement between the phase connections and the neutral conductor. In this example, 5 characteristic harmonics can be found in the output voltage in the frequency range of 24 x 50 = 1 200 Hz, their multiples and
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deren Seitenbändern erwartet werden. Insbesondere kann bei einem induktiven Verhalten des 16 2/3 Hz-Netzes 5 auf Filter verzichtet werden. Gegebenenfalls reicht es aus, lediglich einen Hochpaß im Bereich der unteren Seitenbänder von 1 200 Hz {ca. bei 800 Hz) einzusetzen.their sidebands. In particular, if the 16 2/3 Hz network 5 behaves inductively, filters can be dispensed with. If necessary, it is sufficient to use only a high-pass filter in the area of the lower sidebands of 1 200 Hz (approx. at 800 Hz).
Durch die Kopplung der 12-Puls-Einheiten 11a, 11b über die Drosseln 17a, 17b ist auch ein Teillastbetrieb bei Ausfall einer 12-Puls Einheit 11a, 11b möglich. Die Ausgangsspannung weist in diesem Fall zwar nicht die Qualität auf, es ist jedoch ein Notbetrieb möglich.By coupling the 12-pulse units 11a, 11b via the chokes 17a, 17b, partial load operation is also possible if a 12-pulse unit 11a, 11b fails. In this case, the output voltage is not of the same quality, but emergency operation is possible.
Im Hinblick auf eine möglichst verzerrungsfreie Ausgangsspannung wird der als Direktumrichter ausgelegte Frequenzumrichter 3 auf eine sinusförmige Ausgangsspannung mit 16 2/3 Hz ausgesteuert. Bei Tolerierung einer erhöhten Verzerrung der Ausgangsspannung kann, z. B. bei trapezförmiger Aussteuerung der Spannung, die Übertragungsleistung unmittelbar um ca. 10 bis 20 % gesteigert werden.In order to achieve an output voltage that is as distortion-free as possible, the frequency converter 3, which is designed as a direct converter, is controlled to a sinusoidal output voltage of 16 2/3 Hz. If increased distortion of the output voltage is tolerated, e.g. with trapezoidal control of the voltage, the transmission power can be increased immediately by approx. 10 to 20%.
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Cited By (3)
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1995
- 1995-03-24 AT AT16695U patent/AT702U1/en not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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| AT702U1 (en) | 1996-03-25 |
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