DE966841C - Einrichtung zur Verkleinerung der Blindleistung bei dreiphasigen Stromrichtern mit Teilspannungen - Google Patents

Description

Der Blindstromverbrauch von Stromrichteranlagen, die mit niederer Aussteuerung betrieben werden, tritt besonders dann nachteilig in Erscheinung, wenn die Stromrichterleistung einen erheblichen Anteil der gesamten Netzbelastung bildet. Es ist bereits bekannt, dem Stromrichter-Umspanner sekundäre Teilspannungen zu entnehmen und an zusätzliche gesteuerte oder ungesteuerte Entladungsstrecken anzuschließen. Die Abgriffe an den Sekundärwicklungen wurden dabei meist derart angeordnet, daß sie die Wechselspannung in einem ganzzahligen Verhältnis unterteilten. Man erreicht damit im Gleichrichterbereich eine beträchtliche Blindstromersparnis. Dagegen bleibt im Wechselrichterbetrieb der Nutzen nur gering, und es stellen sich erhebliche Schwierigkeiten in der Beherrschung der Steuerbedingungen heraus, welche die Betriebssicherheit in Frage stellen.

Der Erfindung liegen daher zwei ursächlich zusammenhängende Aufgaben zugrunde," nämlich bei einer gegebenen Zahl zusätzlicher Entladungsstrecken, ao d. h. unter Zugrundelegung eines bestimmten Aufwandes, die günstigsten Bemessungen der Spannungsabstufungen zu finden und außerdem die Steuerung so auszugestalten, daß die erkannten Gefahren für die Betriebssicherheit des Wechselrichterbetriebes mit gestuften Anodenspannungen vermieden werden. Die Erfindung erstreckt sich vorzugsweise auf dreiphasige Gleichrichterschaltungen sowie die aus diesen mittels Saugdrosseln oder Brückenanordnungen kombinierten sechs- und höherphasigen Schaltungen, die besonders für große Leistungen in Frage kommen.

Gemäß der Erfindung wird der Blindstromverbrauch dadurch besonders gering, daß die Abgriffe an den Transformator-Sekundärwicklungen, die jeweils be-

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sondere Anodengruppen der zusätzlichen Entladungsstrecken speisen, so angeordnet sind, daß die Höhe der untersten Spannstufe kleiner ist als die Unterschiede der gleichmäßig abgestuften Spannungen der übrigen Anodengruppen. Ein Minimum der Blindlast wird erreicht, wenn die Höhe der untersten Phasenspannungsstufe nach der Formel i7_w/(»]/3"+i) bemessen ist, wo XJ_w die volle sekundäre Phasenspannung und η die Zahl der Teilspannungsstufen je Phase xo bezeichnet. Der Spannungsunterschied jeder höheren Stufe zur benachbarten der gleichen Phase beträgt dann das ]/J-fache der untersten Stufe.

Fig. ι veranschaulicht das Beispiel einer dreiphasigen Gleichrichterschaltung mit zwei Abgriffen an jeder Sekundärspule des Transformators 1. Hier beträgt η = 2, so daß sich aus der Formel für den unteren Abgriff 0,224 U₁₀ und für den oberen Abgriff 0,224 (i + ]/J) U_w = 0,612 U_t0 ergibt. Mit diesen Spannungen und der vollen Spannung U_w werden je drei Anoden einer Sekundärphase, im ganzen neun Anoden des Stromrichtergefäßes 2 gespeist. Der gleichgerichtete Strom wird über eine Glättungsdrossel 3 und einen Umschalter 4 dem Anker des Motors 5 zugeführt, dessen Magnetfeld aus einer besonderen Spannungsquelle 6 erregt ist.

Die berechnete Spannungsabstufung ermöglicht bei Betätigung der noch zu beschreibenden Gittersteuerung eine in Fig. 2 dargestellte Blindstromersparnis. Als Abszisse ist die gesteuerte Gleichspannung Ug gewählt, die im Gleichrichterbereich das positive, im Wechselrichterbereich das negative Vorzeichen führt. Als Ordinate ist die Blindleistung Nb aufgetragen, und es ist vorausgesetzt, daß die Gleichstromstärke konstant bleibt und innere Verluste und Abfälle vernachlässigt werden. U₉ und Nb sind zur Vereinfachung des Maßstabes auf ihre Höchstwerte bezogen. Die Kurven sind Kreisbögen, und zwar bedeutet der große Halbkreis 7 den Betrieb mit der höchsten Anodenspannung allein und die Reihe der kleinen Bögen 8 bis 12 den Betrieb mit allen Zwischenstufen. Hierbei ist während der Steuerung der einzelnen Spannungsstufe im Gleichrichterbetrieb immer die nächst niedere Spannungsstufe voll ausgesteuert. So ergibt die Steuerung der höchsten Stufe 18 die Teilkurve 8, die Stufe 19 die Teilkurve 9 und die Stufe 20 die Teilkurve 10. Im Wechselrichterbereich, werden die höheren Spannungsstufen nahe beim Spannungsnundurchgang gezündet und die nächst niedere Stufe durch weiter fortgesetzte Zündverzögerung gesteuert. Hier ergibt die Steuerung der Stufe 20 den Teilkreis 11 und die Steuerung der Stufe 19 den Teilkreis 12. Der Anstieg der Bogenreihe 11 und 12 um den Neigungswinkel/3 hängt mit dem noch zu beschreibenden Grenzwinkel β des Wechselrichterbetriebes zusammen. Alle Teilkreise 8 bis 12 haben den gleichen Radius von 0,224 infolge der Bemessung der Teilstufen nach der angegebenen Formel. Bei Abweichung von derselben werden die Radien verschieden groß, und es ergibt sich wegen der quadratisch anwachsenden Kreisflächen auch ein Anwachsen der mittleren Höhe der Bogenreihe 8 bis 12. Die in Fig. 2 gegebene Darstellung zeigt also den günstigsten Fall der Blindstromersparnis für das Beispiel η = 2 gemäß der Erfindung.

In Fig. 3 ist die sogenannte Steuerkennlinie für das gleiche Beispiel gezeichnet, nämlich die gesteuerte Gleichspannung U_g in Abhängigkeit vom Gesamtsteuerwinkel, wobei die Zündwinkel, ohne zeitlich zu springen, d. h. staffettenähnlich von einer Anodengruppe auf die folgende übergehend, fortlaufend aneinandergereiht sind. Es ergibt sich eine Wellenlinie, die bei richtiger Bemessung der Spannungsstufen für jede derselben gleiche maximale Steilheit besitzt, aber an den Stufengrenzen flach verläuft. Zur Erzielung einer gleichbleibenden Belastung beim Anfahren und Bremsen des Motors 5 (Fig. 1) wird man jedoch einen geraden Verlauf der Kennlinie bevorzugen. Erfmdungsgemäß kann eine Entzerrung angenähert durch einander überlappende Steuerung benachbarter Spannungsstufen erreicht werden, wenn man bei jedem Übergang den Zündwinkel der neuen Stufe dem der alten Stufe vorauseilen läßt. Bei zunehmenden Überlappungen bis zu 30° verkürzt sich die Abszisse der Fig. 3 an jeder Übergangsstelle derart, daß die flachen Stellen verschwinden und die Kennlinie nahezu entzerrt wird.

Eine Stetigkeit der Regelung im Sinne einer Vermeidung von Schwankungen des Belastungsstromes kann auch dadurch erzielt werden, daß die Winkelgeschwindigkeit der Zündpunktverschiebung an den stellen Stellen der Steuerkennlinie verringert wird. An den flachen Stellen wird die Verstellgeschwindigkeit also relativ höher. Vorteilhaft wird diese Maßnahme mit der vorgenannten gegenseitigen Überlappung der Steuerbereiche der einzelnen Anodengruppen um kleine Zündwinkel kombiniert, so daß man auch mit kleineren Überlappungen auskommt, welche die Blindleistung zusätzlich etwas erhöhen.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem zeitlichen Verlauf der Transformator-Sekundärspannungen. Die Kurven sind mit U₁₈, I7₁₉, CZ₂₀ und F₁₈, F₁₉, F₂₀ bezeichnet entsprechend den Stufen 18, 19 und 20 der Fig. i. Mit starken Linien ist der Verlauf der gesteuerten Gleichspannung in einem gewählten Fall des Wechselrichterbetriebes hervorgehoben, der dem Teilkreis 12 in Fig. 2 entspricht. Zur Sicherung des Strom-Überganges von der Anode mit der Spannung C₁₉ auf die Anode mit der Spannung F₁₈ ist es erforderlich, daß der mit γ bezeichnete Phasenwinkel, in welchem die Kurve U₁₉ nach dem Erlöschen ihrer zugehörigen Anode vorübergehend negativ gegenüber dem Verlauf der Gleichspannung ist, eine zur Stromkommutierung und Entionisierung im allgemeinen ausreichende Größe von 25 bis 30° besitzt.

Dementsprechend muß die zur Kurve F₁₈ gehörige Anode um einen Winkel γ = ο bis 15⁰ vor dem Spannungsnulldurchgang gezündet werden. Beide Phasenwinkel sind andererseits möglichst knapp zu bemessen, weil sie die Blindleistung nachteilig beeinflussen; den Einfluß des Winkels β läßt Fig. 2 erkennen, wo die Mittelpunkte der Kreise 11 und 12 auf einer Geraden mit dem Neigungswinkel β gegen die Abszisse liegen. Die Brenndauer der einzelnen Entladungsstrecken wechselt ständig im Verlauf der Steuerung zwischen und 120°. Der zur Zündung dienende positive Gitterimpuls darf im Wechselrichterbetrieb nicht breiter sein als die Brenndauer der zugehörigen Anode, damit

diese nicht zu einem falschen Zeitpunkt erneut zündet. Erfindungsgemäß wird daher eine zeitliche Begrenzung der positiven Gitterbeaufschlagung dadurch bewerkstelligt, daß ein zu lange aufrechterhaltener positiver Impuls der Gitterspannung momentan über eine Hilfsentladungsstrecke abgeleitet wird oder ein negativer Gegenimpuls von solcher Höhe und Phasenlage zugeführt wird, daß beim Ende der Brenndauer der zugehörigen Anode eine Auslöschung der Gitterzündspannung

ίο eintritt. Beispielsweise darf in der Darstellung der Fig. 4 dasjenige Gitter, welches die Anode der Spannungsstufe U₁₉ gezündet hat, im Bereich des Phasenwinkels β und darüber hinaus nicht mehr positiv bleiben. Bei Benutzung eines Hilfsstromrichters wird daher der Zündimpuls, welcher die an F₁₈ angeschlossene Hauptanode zündet, gleichzeitig dazu verwendet, eine Hilfsanode zu zünden, welche das Gitter der an U₁₉ angeschlossenen Hauptanode genau im gewünschten Zeitpunkt entlädt. Um die Gitterspannung hierbei in das Negative zu verkehren, muß die Kathode des Hilfsstromrichters eine negative Vorspannung gegenüber der Kathode des Hauptstromrichters erhalten. Der Hilfsstromrichter hat im vorliegenden Beispiel 3 η Anoden, welche an die gleichen Steuerspannungen wie die Gitter der an Teilspannungen liegenden Hauptanodengruppen anzuschließen sind, während die Gitter des Hilfsstromrichters mit den Steuerspannungen der an voller Spannung liegenden Hauptanodengruppe derart verbunden sind, daß am Hilfsstromrichter alle Gitterspannungen gegen die zugehörigen Anodenspannungen im Mittel um 120⁰ nacheilen.

In Big. ι ist eine derartige Hilfsstromrichterschaltung angegeben, die aus den gittergesteuerten Dampfoder Gasentladungsgefäßen 21 bis 26 besteht. Die Anoden der Entladungsgefäße 21 bis 23 sind über Widerstände 27 an den Drehtransformator 28 angeschlossen, desgleichen die Anoden der Entladungsgefäße 24 bis 26 über Widerstände 29 an den Drehtransformator 30. Die Gitter der Entladungsgefäße 21 und 24, 22 und 25, 23 und 26 werden paarweise gespeist über die Widerstände 31 und 32 von dem Drehtransformator 33. Bei abwechselnder Betätigung der Drehtransformatoren eilen die Gitterspannungen aller Stromtore den zugehörigen Anodenspannungen gegenüber um 0 bis 240⁰ nach. Die Gitter des Hauptstromrichters 2 sind derart angeschlossen, daß die zur Spannungsstufe 18 gehörenden über die Widerstände 32 vom Drehregler 33, die zur Stufe 19 gehörenden über die Widerstände 29 vom Drehregler 30 und die zur Stufe 20 gehörenden über die Widerstände 27 vom Drehregler 28 gespeist werden. Die Kathoden der Entladungsgefäße 21 bis 26 sind über eine negative Vorspannungsquelle 34 mit der Kathode des Hauptgefäßes 2 verbunden. Die üblichen Mittel zur Verzerrung der von den Drehreglern 28, 30 und 33 abgegebenen Spannungen zur Erzielung schroffer Flanken sowie einer allgemeinen negativen Vorspannung, ferner die Betätigung der Drehregler, die z. B. durch Kurvenscheiben auf gemeinsamer Steuerwelle erfolgen kann, sind nicht besonders dargestellt.

DerSteuervorgang spielt sich nunfolgendermaßen ab: Zuerst wird der Drehregler 28 aus der Nullage vorwärts (gegen das Drehfeld) bis zur Erreichung der vollen Aussteuerung gedreht, wobei der Motor anläuft. Kurz vor Erreichung dieser Endstellung wird der Drehregler 30 vorwärts gedreht und zuletzt der Drehregler 33 bis zur Erreichung der gewünschten Drehzahl. Zum Reversieren werden die drei Drehregler rückwärts (im Sinne des Drehfeldes) bis in ihre tiefste Stellung gebracht, die durch den Winkel β in Fig. 4 vorgeschrieben ist. Darauf wird der Umschalter 4 betätigt. Nun beginnt die Bremsung mit einer Vorwärtsbewegung des Drehreglers 33 um maximal 15⁰ (Winkel γ in Fig. 4). Darauf wird der Drehregler 30 bis in die Nullage — d. h. bis zur Zündung im Spannungsnulldurchgang — bewegt und anschließend bzw. auch wieder etwas überlappend der Drehregler 28. Dieser kann zum Zwecke des Reversierens sofort in seine Höchststellung gebracht werden, worauf der Motor seine Drehrichtung umkehrt. Das weitere Spiel vollzieht sich dann wie bei dem voraufgegangenen Anlauf des Motors. Der Blindleistungsbedarf verhält sich bei dem hier beschriebenen Steuervorgang derart, daß die kleinen Kreisbögen der Fig. 2 in der Reihenfolge 10 (rechter Teil), 9, 8, 12, 11, 10, 9, 8 usw. durchlaufen werden. Erfahrungsgemäß überwiegt in Reversierbetrieben die Leistungsaufnahme des Motors erheblich die Bremsleistung, so daß der etwas erhöhte Blindleistungsbedarf im Wechselrichterbereich weniger ins Gewicht fällt.

Die Erfindung kann nicht nur in der beschriebenen i-Gefäßschaltung, sondern auch in der 2-Gefäßschaltung (Kreuzschaltung) angewendet werden, bei welcher der Umschalter 4 fortfällt. Es können auch für den Gleichrichter- und den Wechselrichterbetrieb getrennte Drehregler vorgesehen werden, so daß die etwas zeitraubende Rückdrehung derselben beim Übergang zum Bremsen vermieden wird.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Verkleinerung der Blindleistung bei dreiphasigen Stromrichtern, gegebenenfalls in Saugdrossel- oder Brückenschaltung, bei denen außer einer mit der vollen Sekundärspannung des Transformators betriebenen Anodengruppe auch mindestens eine weitere Gruppe mit abgegriffenen Teilspannungen gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen der Anodengruppen gleichmäßig gegeneinander abgestuft sind, die Höhe der untersten Spannungsstufe jedoch kleiner als der Unterschied der übrigen Stufen bemessen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der untersten Spannungsstufe nach der Formel U»/^]/^+1) bemessen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anwendung zum Anlassen und Bremsen (Reversieren) von Gleichstrommotoren.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Anodengruppen beim Anlassen im Gleichrichterbetrieb von den niederen zu den höheren Stufen fortschreitend, beim Bremsen im Wechselrichterbetrieb von der zweithöchsten zu den niederen Stufen fortschrei-

tend durch Vorverlegung der Zündzeitpunkte gesteuert werden, während die Anodengruppe der höchsten Spannung im Wechselrichterbetrieb ständig kurz vor oder beim Beginn der negativen Spannungshalbwellen gezündet werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines angenähert stetigen Verlaufes der Steuerkennlinie die Steuerbereiche der einzelnen Anodengruppen sich um kleine Zündwinkel bis zu etwa 30⁰ gegenseitig überlappen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Zündpunktverschiebung an den steileren Stellen der Steuer kennlinie verringert wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherung der Kommutierung von einer Anode niederer zu einer Anode höherer Spannung im Wechselrichtergebiet die Anode höherer Spannung vor dem Spannungsnulldurchgang mit einer Voreilung bis zu 15⁰ gezündet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Begrenzung der positiven Gitterbeaufschlagung die Steuerspannungen aller an Teilspannungen liegenden Anodengruppen an die Anoden von Hilfsstromrichtern angeschlossen sind, deren Gitter mit den um 120° nacheilenden Steuerspannungen der höchsten Anodengruppe verbunden sind, während die Kathoden der Hilfsstromrichter gegen die Kathode des Hauptstromrichters eine negative Vorspannung erhalten.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Begrenzung der positiven Gitterbeaufschlagung durch Zuführung negativer Spannungsimpulse solcher Höhe an die Steuergitter bewirkt wird, daß etwa 30⁰ vor dem Schnittpunkt der zu kommutierenden Spannungen im Wechselrichtergebiet eine Auslösung der Zündspannung eintritt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 677 783, 643 801,

60S 637. 701 407·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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