SE518596C2 - Anordning för generering av en enfasväxelspänning - Google Patents

Description

25 30 35 518 5 96 ï-.f - Li ~ Lzf å" 2 trafikerande spårgående fordonen. Därvid är normalt den första strömriktarens växelspänningssida via sekundärlindningen hos en transformator ansluten till de tre faserna hos trefasmatningen, varvid transformatorerna vanligtvis är anordnade att åstadkomma en nedtransformering av växelspänningen till en lägre nivå än hos trefasmatningslinjen. Den första strömriktaren åstadkommer en likriktning av spänningen och denna Iikspänning förs sedan till nämnda andra strömriktare, vilken styrs genom pulsbreddsmo- dulering att avge en växelspänning formad av växelvis positiva och negativa spänningspulser för åstadkommande av en växel- spänning matad till en primärlindning hos en transformator, vars sekundärlindning är ansluten till banmatningslinjen och jord. Där- vid styrs växelriktaren (den andra strömriktaren) hos enfassidan att åstadkomma en växelspänning med önskad frekvens, vanligt- vis 16 2/3 eller 25 Hz, medan trefasmatningslinjen har en fre- kvens av vanligtvis 50 eller 60 HZ. Förutom att de båda transfor- matorerna åstadkommer önskad spänningsanpassning, den ena till-de båda strömriktarna och likspänningsmellanledet och den andra till enfasbanmatningslinjen, tillser de även galvanisk av- skiljning mellan enfas- och flerfassidan.

Ett annat användningsområde för en inledningsvis definierad an- ordning är i ett elektriskt drivet fordon, såsom i ett lok. Fastän dessa tidigare kända anordningar är väl fungerande vore det naturligtvis intressant att kunna förenkla dem för att spara kost- naden SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandhålla en anord- ning av det inledningsvis nämnda slaget, vilken är enklare och framförallt låter sig framställas till en lägre kostnad än tidigare kända sådana anordningar, utan att för den skull något avkall görs på anordningens funktionsduglighet.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att den andra strömriktaren förses med endast ett fasben med seriekopplade 10 15 20 25 30 35 51 s 596 šïïfiïï: 3 strömventiler i form av omkopplarorgan och därmed parallell- kopplade likriktarorgan och ett uttag för enfasväxelspänningen anslutet till en mittpunkt mellan nämnda strömventiler, och ge- nom att en ledning ansluten till nämnda mittpunktsuttag är för- bunden med en jordad återledare för ström till en till nämnda enfasväxelspänning anslutbar last och denna återledare är an- sluten till nämnda spänningsmässiga symmetrimittpunkt hos lik- spänningsmellanledet. Genom att den andra strömriktaren, vilken fungerar som växelriktare, endast uppvisar ett fasben kommer genom anslutningen av den jordade återledaren till mittpunkten hos likspänningsmellanledet det senare att ligga symmetriskt till jord och ej hoppa som fallet skulle vara vid två eller flera fasben hos växelriktaren. Således kan den andra strömriktaren (växelriktaren) vara anordnad att med sin växelspänningssida vara ansluten utan någon mellanliggande transformator till en last, vilket betyder att betydande kostnader kan sparas genom att den ena transformatorn sparas in. Dock behövs en transformator mellan den första strömriktaren och växelspänningskällan (vanligtvis ett växelspänningsnät) för att uppnå galvanisk åtskillnad mellan växelspänningskällan å ena sidan och lasten ansluten till enfasväxelspänningen å andra sidan. Därför är företrädesvis den första strömriktaren anordnad att ha sin växelspänningssida ansluten till växelspänningskällan via en transformator genom att vara ansluten till dennas sekundärlind- ning.

Antalet faser hos växelspänningen hos växelspänningskällan kan vara godtyckligt, men enligt en föredragen utföringsform av upp- finningen är det tre. Normalt kan spänningen hos en trefasmat- nlngslinje variera en hel del, medan i de flesta fall, såsom vid banmatning av spårgående fordon, enfassidan uppvisar mindre variationer, varför det är klokt att vid avlägsnande av en trans- formator ha transformatorn kvar på den första strömriktarens växelspänningssida.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar an- ordningen medel för styrande av den första strömriktaren att på 10 15 20 25 30 35 518 596 'F z 'z 4 sin växelspänningssida alstra en Iikfasig spänning med samma frekvens som enfasväxelspänningen på den andra strömriktarens växelspänningssida, och uttagen hos den första strömriktarens växelspänningssida är anslutna till nämnda spänningsmässiga symmetrimittpunkt hos likspänningsmellanledet. Detta är fördel- aktigt, då anslutningen av nämnda återledare till likspännings- mellanledets symmetrimittpunkt medför att likspänningsmellanle- det blir belastat med en ström från återledaren med samma fre- kvens som enfasväxelspänningen, och genom att den första strömriktaren styrs på nämnt sätt kommer en ström att uppstå från den första strömriktarens växelspänningssida till nämnda symmetrimittpunkt hos mellanledet, och denna ström kommer att ha samma frekvens som strömmen från återledaren till likspän- ningsmellanledets symmetrimittpunkt och därmed kan den kom- pensera strömmen från återledaren, så att det förhindras att denna passerar de kondensatorer som likspänningsmellanledet uppvisar och dessa härigenom skonas. Med Iikfasig spänning menas att i det fall det exempelvis förekommer tre anslutningar på den första strömriktarens växelspänningssida, d v s då växel- spänningskällan är trefasig, då kommer ut från den första ström- riktaren på dess växelspänningssida i varje anslutning en växel- spänning med samma frekvens som enfasväxelspänningen och i fas med växelspänningen på de båda andra anslutningarna att genereras.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är de olika sekundärlindningarna hos transformatorn anslutna till de olika fasingångarna hos den första strömriktaren Y-kopplade i förhållande till varandra. Således kommer då den gemensamma nolledaren att vara ansluten till likspänningsmellanledets sym- metrimittpunkt och åstadkomma nämnda kompensering av strömmen från återledaren. Därvid styrs den första strömriktaren företrädesvis att leverera en ström i nämnda nolledare, vilken har väsentligen samma storlek som strömmen från återledaren.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är transformatorns primärlindningar anslutna till de olika faserna 10 15 20 25 30 35 518 596 5 hos växelspänningskällan A-kopplade med varandra. Härigenom uppstår inga olägenheter p g a den ström som kommer att gå via transformatorns sekundärlindningar till likspänningsmellanledets symmetrimittpunkt, eftersom den strömkomponent som därige- nom alstras i transformatorns primärlindning kommer då endast att cirkulera runt i A-kopplingen och kommer inte ut till faserna hos växelspänningskällan, d v s normalt trefasmatningslinjen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är fre- kvensen hos växelspänningen från växelspänningskällan 50 eller 60 Hz, medan den andra strömriktaren med fördel är anordnad att generera en enfasväxelspänning med en frekvens av 16 2/3 eller 25 Hz.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är den första strömriktaren anordnad att leverera en likspänning av 20- 60 kV på nämnda likspänningsmellanled, vilket gör det möjligt att uppnå den spänningsnivå som normalt efterfrågas hos enfas- banmatningslinjer, då toppvärdet på enfasväxelspännlngen kom- mer att vara väsentligen hälften av nämnda likspänning, och därför exempelvis en likspänning av 50 kV erfordras för att er- hålla ett toppvärde hos enfasväxelspännlngen på 25 kV, vilket leder till en enfasväxelspänning av ca 17 kV, vilket ofta är ett passande värde. Detta gäller för frekvenserna 50 och 16 2/3 Hz enligt ovan, medan enfasväxelspännlngen företrädesvis är ca 12 kV för frekvenserna 60 och 25 Hz.

Enligt speciellt föredragna utföringsformer av uppfinningen är nämnda återledare bildad av en järnvägsräls respektive växel- spänningssidan hos den andra strömriktaren bildad av en enfas- banmatningslinje för elektriskt drivna fordon.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav. « 10 15 20 25 30 35 518 596 6 KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Här nedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö- ringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritning, på vilken Fig 1 är en schematisk vy av en anordning enligt en föredra- gen utföringsform av uppfinningen, Fig 2 är en något mera detaljerad vy av en del av anord- ningen enligt Fig 1.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖR- INGSFORM AV UPPFINNINGEN I Fig illustreras en anordning för omriktning av ström och spän- ning mellan en första trefassida 1 och en andra enfassida 2. En sådan anordning är lämpad för att ingå i en omformarstation för levererande av elektrisk energi från en trefaslinje till en enfas- banmatningslinje för elektriskt drivna fordon. På den första sidan uppvisar anordningen en transformator 3, vars tre primärlind- ningar 4-6 är anslutna till varsin fas 7-9 hos trefaslinjen 10.

Dessutom är primärlindningarna 4-6 inbördes A-kopplade.

Transformatorns sekundärlindningar 11-13 är via varsin induktor 14-16 anslutna till en första strömriktare 17, närmare bestämt till varsin mittpunkt hos varsitt fasben hos denna strömriktare bildat av seriekopplade strömventiler 18 (se Fig 2) i form av omkopp- larorgan 19 och därmed antiparallellkopplade Iikriktarorgan 20.

Därvid uppvisar företrädesvis varje sådan strömventil ett antal seriekopplade sådana omkopplarorgan och antiparallellt därmed kopplade Iikriktarorgan, vanligtvis dioder, och omkopplarorganen, vilka normalt utgörs av IGBT-er, är anordnade att alla styras si- multant, så att de fungerar som ett enda omkopplarorgan, vilket antyds genom de sammanfattande symbolerna längst ned l Fig 2.

Varje fasben är av trenivåtyp och är anslutet till de båda motsatta polerna 21, 22 hos ett likspänningsmellanled 23 och till dettas 10 15 20 25 30 35 518 596 7 symmetrimittpunkt 24. Likspänningsmellanledet är på konventio- nellt sätt uppbyggt av två seriekopplade kondensatorer 25, 26, vardera ansluten mellan en pol 22 respektive 21 och symmetri- mittpunkten 24. Vidare uppvisar det ett filter 27 anordnat att re- ducera och företrädesvis avlägsna genom funktionen hos ström- riktaren 17 och den på andra sidan av likspänningsmellanledet anordnade andra strömriktaren 28 alstrade övertonsströmmar.

Den andra strömriktaren uppvisar endast ett fasben 29, på vars uttag 30 en enfasväxelspänning genereras och kan via en glättande induktor 31 matas till en last 32. Enfassidan uppvisar även en återledare 33, vilken i fallet av en enfasbanmatningslinje utgörs av rälsen, och denna är jordad, samt ett övertonsfilter 34. Återledaren 33 är ansluten till likspänningsmellanledets symme- trimittpunkt 24, så att denna alltid kommer att ligga på jord och ej heller hoppa tack vare ett enda fasben hos den andra strömrikta- ren 28 (växelriktaren), och därigenom absolutbeloppet hos po- tentialerna hos likspänningsledets båda poler 21, 22 alltid kom- mer att vara väsentligen detsamma.

Vidare är sekundärlindningarna 11-13 hos transformatorn Y- kopplade och anslutna med nolledaren 35 till likspänningsmel- lanledets symmetrimittpunkt 24.

Det påpekas att i Fig 2 har endast de båda strömriktarna och lik- spänningsmellanledet visats, medan anslutningarna till likspän- ningsmellanledets symmetrimittpunkt via återledaren och nolleda- ren är utelämnade.

Funktionen hos anordningen eller frekvensomriktaren är följande: den första strömriktaren 17 styrs företrädesvis på konventionellt sätt via styrning av dess omkopplarorgan att leverera en likspän- ning till likspänningsmellanledet, medan omkopplarorganen i sin tur tillser att likspänningsmellanledets likspänning omvandlas till en trefas-symmetrisk 50 eller 60 Hz-spänning ut mot transfor- matorns sekundärlindningar. Dessutom styrs den första ström- riktaren via ett schematiskt antytt styrorgan 36 att leverera en 10 15 20 25 30 35 518 596 8 Iikfasig spänning med samma frekvens som enfasväxelspänning- ens frekvens ut till respektive sekundärlindning, d v s exempelvis en spänning med en frekvens av t.ex 16 2/3 Hz i varje sekundär- lindning i fas med motsvarande spänning i de andra sekundär- lindningarna. Genom att sekundärlindningarna är Y-kopplade kommer de så uppnådda strömmarna att adderas och att gå i nolledaren 35 mellan transformatorn och melianledets symme- trimittpunkt 24. Denna ström kommer att kompensera den ström som uppstår i återledaren 33 till melianledets symmetrimittpunkt 24, så att denna returström inte kommer att belasta melianledets kondensatorer och leda till störningar.

Vidare kommer den ström som alstras i transformatorns primär- lindningar 4-6 p g a nämnda likfasiga ström i sekundärlindning- arna att inte förorsaka några olägenheter, utan denna ström kommer endast att cirkulera runt i A-kopplingen hos primärlind- ningen och inte att komma ut till faserna 7-9 hos trefaslinjen.

Genom den uppfinningsenliga utformningen av frekvensomrikta- ren sparas betydande kostnader genom att den ena transforma- torn, den på enfassidan, har kunnat tas bort, samtidigt som även vissa energiförluster, som annars hade förorsakats i den trans- formatorn, kan elimineras.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen.

Exempelvis skulle frekvensen hos spänningen på enfassidan mycket väl kunna vara lika som den hos spänningen på den för- sta strömriktarens växelspänningssida. Vidare skulle antalet fa- ser på den första strömriktarens växelspänningssida kunna vara vilket annat som helst än det som visas i Figurerna.

Det påpekas att fastän benämningen på uppfinningen är "anordning för generering av en enfasvåxelspänning” fungerar anordningen naturligtvis åt båda håll, som konventionella omrik- tare och skulle egentligen lika gärna kunna benämnas "omriktare s 1 s 596 šïï*šïï: '* 9 meIIan enfas- och fierfasväxelspänningssystem", men den första benämningen är vald för att peka på huvudsyftet med uppfin- ningen.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 518 596 10 PATENTKRAVI 1. Anordning för generering av en enfasväxelspänning innefat- tande en första strömriktare (17) ansluten till en växelspän- ningskälla (10) för likriktning av en växelspänning och en via ett iikspänningsmellanled (23) till den första strömriktaren ansluten andra strömriktare (28) anordnad att omvandla lik- spänningen till en enfasväxelspänning, varvid iikspännings- mellanledet uppvisar en spänningsmässig symmetrimittpunkt (24) symmetriskt ansluten till den andra strömriktaren, kän- netecknad därav, att den andra strömriktaren uppvisar endast ett fasben (29) med seriekopplade strömventiler (18) i form av omkopplarorgan (19) och därmed parallellkopplade likrik- tarorgan (20) och ett uttag (30) för enfasväxelspänningen anslutet till en mittpunkt mellan nämnda strömventiler, och att en ledning ansluten till nämnda mittpunktsuttag (30) är för- bunden med en jordad àterledare (33) för ström till en till 'nämnda enfasväxelspänning anslutbar last (32) och denna àterledare är ansluten till nämnda spänningsmässiga sym- metrimittpunkt (24) hos likspänningsmellanledet. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att den andra strömriktaren (28) är med sin växelspänningssida anordnad att vara ansluten utan någon mellanliggande transformator till en last (32). Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att den första strömriktaren (17) är anordnad att ha sin växelspän- ningssida ansluten till växelspänningskällan via en transfor- mator (3) genom att vara ansluten till dennas sekundärlind- ning (4-6). Anordning enligt något av kraven 1-3, kännetecknad därav, att den innefattar medel (36) för styrande av den första ström- riktaren (17) att på sin växelspänningssida alstra en likfasig spänning med samma frekvens som enfasväxelspänningen på den andra strömriktarens (28) växelspänningssida, och att 10 15 20 25 30 35 10. 11 518 596 11 uttagen hos den första strömriktarens växelspänningssida är anslutna till nämnda spänningsmässiga symmetrimittpunkt (24) hos likspänningsmellanledet (23). Anordning enligt något av kraven 1-4, kännetecknad därav, att den innefattar åtminstone två faser anslutna tiil den första strömriktarens (17) växelspänningssida. Anordning enligt krav 5, kännetecknad därav, att den inne- fattar tre faser anslutna till den första strömriktarens (17)_ växelspänningssida. Anordning enligt krav 3-6, kännetecknad därav, att de olika sekundärlindningarna (4-6) hos transformatorn (3) anslutna till de olika fasingàngarna hos den första strömriktaren (17) är Y- kopplade i förhållande till varandra. Anordning enligt krav 7, kännetecknad därav, att transfor- matorns (3) primärlindningar (7-9) anslutna till de olika fa- serna hos växelspänningskällan är A-kopplade med varandra. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att frekvensen hos växelspänningen från växelspän- ningskällan är 50 eller 60 Hz. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att den andra strömriktaren (28) är anordnad att gene- rera en enfasväxelspänning med en frekvens av 16 21, eller 25 Hz. .Anordning enligt av föregående krav, kännetecknad därav, att den första strömriktaren (17) är anordnad att leverera en Iikspänning av 20-60 kV på nämnda likspänningsmellanled (23). 10 15 518 596 12 12.Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda àterledare (33) är bildad av en järnvägs- räls. 13.Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att växelspänningssidan hos den andra strömriktaren (28) är bildad av en enfasbanmatningslinje (30) för elektriskt drivna fordon. 14.Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att växelspänningskällan är bildad av en trefasmat- ningslinje (10). 15.Anordning enligt krav 13 och 14, kännetecknad därav, att den är utformad att ingå i en omformarstation för levererande av elektrisk energi från trefaslinjen (10) till enfaslinjen (30) eller omvänt.