WO1990010339A1 - Saugdrehdrossel und verfahren zum parallelbetrieb zweier stromrichter - Google Patents

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WO1990010339A1 PCT/DE1989/000126 DE8900126W WO9010339A1 WO 1990010339 A1 WO1990010339 A1 WO 1990010339A1 DE 8900126 W DE8900126 W DE 8900126W WO 9010339 A1 WO9010339 A1 WO 9010339A1
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PCT/DE1989/000126
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Georg Heinle
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel

Definitions

  • the invention relates to a three-phase suction throttle circuit for coupling two phase-shifted three-phase networks to a common network (preamble of claim 1).
  • the invention further relates to a method for parallel operation of two converters on a common network with the features of the preamble of claim 7.
  • N1 and N2 denote each of the two input networks supplying power converters, which can be, for example, three-phase generators which are intended to provide the load network N3 with the required power and thus with the load current _I3.
  • ST1 and ST2 designate regulating and control units which supply the control pulses for the power converters SRI and SR2. Even if these regulating and control units ST1 and ST2 ensure that the three-phase voltage systems in the phase connections Rl, Sl, Tl and R2, S2, T2 are phase-locked to the system of three-phase voltages in the phase connections R3, RS3, T3 of the common load network N3 As a rule, the phase connections R1 and R2 cannot be connected to the phase connection R3 without further ado, rather an arrangement of transformers and / or chokes is required to connect the common load network N3 to the two output three-phase voltages in order to ensure the desired division of the load current _I3 into the two converter output currents II and 12_ and to avoid mutual interference between the converters.
  • the subject of the invention is, i 'n Fig. 1 is characterized be ⁇ with COP.
  • the invention is not restricted to three-phase networks; in particular, networks with a higher number of phases can also be used.
  • the arrangement COP is also necessary if the common network N3 is not a consumer that is to be fed from the networks N1 and N2, but if, conversely, a supply network N3 is used to supply two consumers N1 and To feed N2.
  • FIG. 2 Such a case is shown in FIG. 2.
  • a load L is to be fed via an inverter WR with currents or voltages that are as sinusoidal as possible.
  • the inverter WR is supplied with a DC voltage that is as constant as possible and is operated in a pulsed manner. If the DC input voltage of this pulse-controlled inverter WR is supplied by a rectifier, this DC voltage contains harmonics which depend on the number of pulses in the rectifier and the frequency of the rectifier input voltage and must be smoothed out by appropriately large DC link capacitors.
  • two rectifiers here two uncontrolled diode bridges GR1 and GR2 are provided in FIG.
  • phase connection R3 of the common load network L must be distributed over the two phase outputs R1 and R2 of the converters SRI and SR2 connected to it in such a way that the desired current flows in the circuits of the converters connected to these connections R1 and R2. It is known to connect appropriately dimensioned chokes D1 and D2 for this purpose. The same applies to the other phase connections.
  • the converters are controlled in such a way that the three-phase systems are synchronized with one another, that is to say have no phase shift.
  • a suction throttle limb DR is produced, as is shown in FIG. 4.
  • the turn ratio of the leg halves determines the current distribution between the two converters. Although these could now generate two three-phase voltage systems by corresponding clocking, which would be phase-shifted with respect to one another and lead to a sinusoidal current in the phase connection R3 of the common load. Due to the magnetic coupling in the suction throttle limb DR, partial currents flow through the two converters, which are in phase with one another. However, this means that different phase angle factors would occur in the converters in the event of a phase shift in the three-phase voltage systems. Therefore, both converters could never be fully utilized at the same time.
  • This known circuit thus improves the operation of the load L, but worsens the utilization of the converter.
  • FIG. 5 The circuit shown in FIG. 5 is in the dissertation "Asynchronous machine operation with two magnetically coupled pulse inverters" by R.Sesing, Ruhr University, Bochum 1987 described, in which the two converters (here two inverters coupled to one another via their DC voltage inputs) generate phase-shifted three-phase voltage systems at their phase connections 1, 2, 3 or a, b, c and each have corresponding phase voltages of both converters via transformers (bl, ba or b2, bb or b3, bc) are coupled together.
  • a second group of transformers (wc 1 , wl 'or wb 1 , w3' or wa 1 , w2 ') perform a further coupling of both networks, so that both transformer systems represent a magnetic coupling unit with 6 inputs and 6 outputs each.
  • the 6 outputs are connected to the connections of a 6-phase load L ', which is a three-phase machine with two galvanically separated, three-phase winding systems.
  • the phase outputs of a converter are each connected to one of the two stator winding systems via a winding of each transformer system, a galvanic connection and thus an electrical coupling of the output systems of the two converters to one another is not provided.
  • This arrangement is relatively expensive and requires a special design of the load L '.
  • the object of the invention is to create another possibility for coupling two three-phase networks to a common network.
  • a three-phase induction choke designed in accordance with the invention should therefore be used when two converters are operated in parallel on a common network in order to create a method in which the disadvantages of the coupling methods shown in FIGS. 3 to 6 are avoided.
  • the connections of this common network are each connected via a suction throttle contained in the three-phase suction throttle to a phase connection of the first and the second converter, as is already the case with the known arrangement according to FIG. 4.
  • the converters are operated at the frequency of the network and in accordance with a predetermined division factor such that each current flowing in a network connection is divided into the corresponding phase currents of the first and second converters.
  • the object is achieved in that a group of at least three magnetically coupled choke coils is provided for each phase of the common network.
  • a group of at least three magnetically coupled choke coils is provided for each phase of the common network.
  • two choke coils are electrically connected in series, but the resulting electrical which belongs to another group and is therefore magnetically coupled to the coils of the other group.
  • the two other coils of this other group which are also electrically connected in series with one another, are in turn electrically connected in series with a coil of a further group.
  • the end points of the electrical series connection are now each connected to a phase of the three-phase networks, between which there is a phase shift because of the mutual coupling of the phase currents of these three-phase networks.
  • the phases of the common network are each connected to a tap between the coils of the groups which are electrically connected in series.
  • this arrangement means that the two converters can be operated in such a way that one phase current of the first converter in each case has a predetermined phase shift with respect to the corresponding phase current of the second converter, each phase current of the second converter being magnetically coupled to at least one other phase current of the second converter and one phase current of the first converter.
  • FIG. 10 and FIG. 11 the extension of the invention to the coupling of more than three three-phase networks
  • FIG. 12 and FIG. 13 the motor voltage and the motor current in a prior art corresponding to FIG. 4 (FIG. 12) and FIG Invention (FIG. 12) when using the arrangement according to FIG. 7,
  • FIG. 14 and FIG. 15 the comparison of the mains voltage and mains current in an arrangement according to FIG. 2 using a conventional three-phase suction throttle (FIG. 14) or using a suction rotary throttle circuit according to the invention (FIG. 15),
  • FIG. 16 shows a preferred arrangement of the choke cores for the magnetic coupling of the phase currents.
  • the chokes WIR, W2R and W3R are assigned to the phase connection R3 of the common network (for example the feed network of a three-phase machine), which are coupled to one another via a common magnetic core MR.
  • This group, assigned to the phase connection R3, contains the electrically connected chokes WIR and W3R, which correspond to the suction throttle limb DR in the prior art according to FIG. 7.
  • Also part of the group is the choke W2R, which is not galvanically connected to the chokes WIR and W3R of this group.
  • the two other coils W1S and W3S of this group belonging to S3 are electrically connected in series with the coil W2T, so that WIT, W2T and W3T form the third group of magnetically coupled chokes belonging to the connection T3.
  • the tap VR which is provided for current and voltage in the phase connection R3, is arranged between the coils WIR and W3R.
  • FIG. 7 shows only the resultant connection of the chokes in the three-phase case.
  • FIG. 7 results in the circuit of FIG.
  • This rotary suction throttle is particularly suitable for coupling two 6-pulse pulse inverters of the same power.
  • the Power converter SR2 is clocked via its regulating and control device ST2 in such a way that its output voltage exhibits a fundamental oscillation which leads by 30 * compared to the output voltage of the power converter SRI and its regulating and control device ST1.
  • the output voltages of the two converters are added to the taps for the phase currents of the common network with complex weighting factors which result from the arrangement and dimensioning of the chokes.
  • there is also a phase difference of 30 ' which is predetermined by the turn conditions. It is therefore possible to operate both converters with the same power angle that is also present in the load.
  • the suction rotary throttle according to the invention prevents cross currents from flowing between the converters.
  • these transformers must be dimensioned for the amplitude of the entire fundamental vibration, while the suction throttle according to the invention only for the difference between the two transformers output voltages must be dimensioned.
  • the currents in both converters assume a predetermined amplitude ratio ("division factor" K).
  • the factor W2. exp (j.360 * / N) in the circuit according to FIG. 7 results from the fact that the current in output T2 on magnetic core MR is coupled to the current flowing in output R2 by 120 * leads.
  • the number of windings W3 has a negative sign, since the coil W3R flows through the current _I2_ in the opposite direction of winding. The same applies to the currents and floodings in the other throttle groups.
  • the circuit according to FIGS. 7 and 8 has an asymmetry. This can be eliminated by a circuit according to FIG. 9, where a phase current of the converter SRI is also coupled to a further phase current of the same converter. Correspondingly, the phase connection R3 of the common network is now a group with one another via the common network
  • cos dp ü magnetic core MR assigned to coupled coils which contains the following 5 coils: the electrical coils WIR 1 and W4R '; the coil W3R ', which is electrically connected in series, with the coils WIT 1 and W4T 1 (these are assigned to T3) and the coil W2S' assigned to the phase connection S3; and additionally the coil W2R ', which is electrically connected in series with the two coils (W1S 1 , W4S 1 ) assigned to the phase output S3 and the remaining coil W3T' of the group assigned to the phase output T3.
  • the number of turns of the coils of a group is determined such that, with a predetermined phase shift dP of the three-phase networks, there is a magnetization balance in the magnetically coupled coils and the current exchanged between the common network and the three-phase networks is distributed to the three-phase networks according to a predetermined distribution ratio K.
  • the magnetization balance (flow balance) is:
  • the suction rotary throttle according to the invention thus makes it possible to couple two power converters to form a common network. If additional power converters are to be connected, additional suction rotary chokes are required, which are linked together in a hierarchy ("cascade").
  • the cascading principle is based on the fact that the output voltages of the two converters SRI and SR2 are coupled to one another via a primary rotary suction choke, the output voltage of which therefore again represents a defined three-phase voltage system which is coupled to a different rotary voltage system via a secondary rotary suction choke that can be formed by one or more further converters.
  • a higher-level system of voltages is then applied to the taps of the secondary rotary suction throttle.
  • the connection and dimensioning of the chokes then also determine how the three-phase systems of the individual converters add to the three-phase system of a higher-level network.
  • 6-pulse converters SRI, SR2 and SR3 can be operated with the same output power (ie the same amplitudes of the output currents L1, 12 » 13), so that an 18-pulse current can be generated in a higher-level network.
  • the three power converters are clocked at 20 * to each other.
  • the current 13 ' which flows in the three-phase network N3 connected to the converter SR3 and which is to be combined together with 112 to form the superordinate load current 1123 now fed together with 112 into the secondary suction throttle COP 123.
  • a tree-shaped cascading can reduce the effort required for coupling four power converters.
  • Two primary rotary suction chokes C0P12 1 and C0P34 1 each couple two three-phase networks, which are supplied by the SRI and SR2 converters or the SR3 and SR4 converters, to common networks N12 and N34, which are connected by a secondary rotary suction choke COP 1 ' be connected to a higher-level network, in which case the current I 11 is exchanged between the higher-level network and the converters.
  • the coils of a group can each be magnetically coupled to one another via a core, as shown in FIGS. 7, 8 and 9. You need less iron if you use one leg of a common core for each group. Such a three-phase core is shown in Fig. 16.
  • a capacitor Z is shown, which is charged to a voltage which practically does not change with respect to the frequency of the converters and therefore, regardless of the load caused by the currents L1 and I_2, impresses the voltage at the AC converter connections.
  • voltage-impressing converters which also include direct converters (“cycloconverters”).
  • a setpoint generator VS gives the converters a setpoint V * which varies with the frequency of the common network and which, under certain circumstances, can also be taken from a current control for the total current _I or the current I.
  • a phase shifter PH shows that the two converters are clocked offset by the phase angle dp.
  • the impedances of the choke arrangement now determine the relationship between the currents 1 and 12 on the one hand and the voltage differences between the mains voltage and the alternating voltage impressed by the converters.
  • the choke arrangement which is matched to the phase shift dp and the division factor K therefore causes a current _I to flow in the connections R3, S3 and T3, which is shifted by a load-dependent phase angle with respect to the mains voltage and according to
  • the invention can also be used for current-shaping converters, provided that these impressed currents meet the flow equilibrium given the dimensioning of the suction-rotary throttle. Deviating currents, however, drive the chokes into saturation.
  • the invention is therefore essentially suitable for voltage-impressing converters.
  • FIG. 12 shows the profile of the voltage UR3 and the current IR3 in the phase connection R3 of a load L designed as a three-phase machine if the two converters are connected to the load network via a three-phase inductor in accordance with FIG. 4, the three-phase inductor comprising individual suction ⁇ throttle legs DR, DS and DT exist between each output of the converter and the converter are operated at the same power angle.
  • the converters are clocked without phase shift, the full control of the pulse-controlled inverter being assumed in FIG. 12, ie each valve is live for more than 120 "of a period of the output voltage.
  • FIG. 13 shows the curve a phase voltage in the three networks and the conductor current IR3 for the case that the suction rotary reactor according to the invention is used instead of the usual three-phase induction choke according to Fig. 7.
  • the basic oscillation of the motor current corresponds to the basic oscillation according to Fig. 12
  • the peak current according to FIG. 12 is approximately 30S above the amplitude of the fundamental oscillation, this peak current increase, which causes increased losses in the motor and oversizing the converters requires only about 5%.
  • the additional effort for the rotary suction throttle can therefore be largely compensated for by the more favorable dimensioning of the power converter, while the connected load results in a lower harmonic load and fewer losses.
  • FIGS. 14 and 15 are based on an arrangement according to FIG. 2, in which two uncontrolled rectifier bridges specify the voltage at intermediate circuit capacitors ZI and Z2, which is then switched to a rotary field machine by a pulse-controlled inverter WR. If the three-phase voltage inputs of the rectifier bridges are connected in a conventional manner to a common supply network R3, S3, T3, the curve shape of current IR3 and voltage UR3 at phase connection R3 shown in FIG. 14 results in a sufficiently rigid supply network. The voltage Uc across the intermediate circuit capacitors is practically constant. The input direct current IC flowing from the rectifiers into the intermediate circuit shows the harmonic shown with 6 times the mains frequency.
  • a voltage-impressing converter namely an intermediate circuit converter
  • the inverter accounts for about 7051 of the costs of the entire converter and whose costs are proportional to the peak current.
  • the cost of a suitable dimensioned choke is about 8% of the converter costs.
  • the inverter costs then decrease due to the reduction of the peak current through the suction rotary choke by about 14% of the converter costs, whereby the additional costs of the suction rotary choke are more than compensated for.
  • a smaller intermediate circuit capacitor can be used, and the losses which, when fully controlled in 6-pulse operation, amount to about 30% of the copper nominal losses, are negligible.
  • the copper losses are approximately 2% of the nominal output, which means that the losses are reduced by 30% to 200 kW. 02. This is approximately 1.2 kW.

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Abstract

Um zwei Netze, insbesondere die Ausgangsspannungen oder Ströme zweier phasenversetzt getakteter Stromrichter, an ein gemeinsames Drehstromnetz anzukoppeln, wird eine Saugdrossel-Anordnung vorgeschlagen, bei der für jede Phase des gemeinsamen Netzes eine Saugdrossel-Wicklung (W1R, W3R) und eine weitere Drossel (W2R) vorgesehen sind. Die weitere Drossel ist mit der Saugdrossel magnetisch verkoppelt, aber durch Reihenschaltung mit einer anderen Saugdrossel (W1T, W3T) an einen anderen Phasenausgang (T1, T2) der beiden Stromrichter angeschlossen. Der magnetische Kern (MR) der miteinander verkoppelten Spulen (W1R, W2R, W3R) wird also von unterschiedlichen Phasenströmen der Stromrichter durchflossen, so daß eine Phasendrehung zwischen den beiden zu verkoppelnden Stromrichter-Ausgangsströmen und Spannungen sichergestellt ist. Dadurch können z.B. zwei 6-pulsige Stromrichter parallel an einem Netz betrieben werden und einen 12-pulsigen Netzstrom erzeugen.

Description

Saugdrehdrossel und Verfahren zum Parallelbetrieb zweier Stromrichter
Die Erfindung betrifft eine Drehstrom-Saugdrosselschaltuπg zur Ankopplung zweier phasenverschobener Drehstromnetze an ein gemeinsames Netz (Oberbegriff des Anspruchs 1). Die Er¬ findung betrifft ferner ein Verfahren zum Parallelbetrieb zweier Stromrichter an einem gemeinsamen Netz mit den Merk¬ malen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Bei Drehstromnetzen, in denen ein erheblicher Laststrom fließt, besteht häufig der Wunsch, die Last auf zwei Dreh¬ stromnetze zu verteilen, die von getrennten Stromrichtern kleiner Leistung gespeist werden und durch eine entsprechende Anordnung an das Lastnetz angekoppelt werden müssen. Eine derartige Situation ist z.B. in Fig. 1 gezeigt, wobei ange¬ nommen ist, daß ein Stromrichter SRI mit dem drehstromseiti- gen Anschlüssen Rl , Sl , Tl einen Strom Ll liefert, während ein Stromrichter SR2 an seinem drehstro seitigen Phasenaus- gangen R2, S2, T2 einen Strom 32 liefert. Mit Nl und N2 sind jeweils die beiden Stromrichter speisenden Eingangsnetze be¬ zeichnet, wobei es sich z.B. um Drehstromgeneratoren handeln kann, die dem Lastnetz N3 die erforderliche Leistung und so¬ mit den Laststrom _I3 zur Verfügung stellen sollen. Mit ST1 und ST2 sind Regel- und Steuereinheiten bezeichnet, die die Steuerimpulse für die Stromrichter SRI und SR2 liefern. Selbst wenn diese Regel- und Steuereinheiten ST1 und ST2 sicherstellen, daß die Drehspannungssysteme in den Phasenan¬ schlüssen Rl, Sl, Tl und R2, S2, T2 phasenstarr auf das System der Drehspannungen in den Phasenanschlüssen R3, RS3, T3 des gemeinsamen Lastnetzes N3 synchronisiert sind, können in der Regel die Phasenanschlüsse Rl und R2 nicht ohne wei¬ teres an den Phasenanschluß R3 angeschlossen werden, vielmehr ist zum Anschluß des gemeinsamen Lastnetzes N3 an die beiden Ausgangs-Drehspannungen eine Anordnung aus Transformatoren und/oder Drosseln erforderlich, um die gewünschte Aufteilung des Laststromes _I3 in die beiden Stromrichter-Ausgangsströme II und 12_ sicherzustellen und eine gegenseitige Beeinflussung der Stromrichter zu vermeiden. Eine entsprechende Anordnung, die Gegenstand der Erfindung ist, ist i'n Fig. 1 mit COP be¬ zeichnet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dreiphasige Netze beschränkt, insbesondere können auch Netze höherer Pha¬ senzahl verwendet werden. Die Anordnung COP ist ferner auch erforderlich, wenn es sich bei dem gemeinsamen Netz N3 nicht um einen Verbraucher handelt, der aus den Netzen Nl und N2 gespeist werden soll, sondern wenn umgekehrt ein Versorgungs¬ netz N3 dazu verwendet wird, um zwei Verbraucher Nl und N2 zu speisen.
Ein derartiger Fall ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei soll eine Last L über einen Wechselrichter WR mit möglichst sinus¬ förmigen Strömen oder Spannungen gespeist werden. Um die Kur¬ venform zu erreichen, wird der Wechselrichter WR mit einer möglichst konstanten Gleichspannung gespeist und gepulst be¬ trieben. Wird die Eingangsgleichspannung dieses Pulswechsel- richters WR von einem Gleichrichter geliefert, so enthält diese Gleichspannung Oberschwingungen, die von der Pulszahl des Gleichrichters und der Frequenz der Gleichrichter-Ein¬ gangsspannung abhängt und durch entsprechend große Zwischen- kreiskondensatoren geglättet werden muß. Um diesen störenden Oberschwingungsgehalt zu reduzieren, sind in Fig. 2 zwei Gleichrichter (hier zwei ungesteuerte Diodenbrücken GR1 und GR2) vorgesehen, deren Ausgangsspannungen über entsprechende Zwischenkreiskondensatoren ZC1 und ZC2 geglättet werden. Das Drehstromnetz an den Wechselstromeingängen Rl, Sl und Tl der Gleichrichterbrücke GR1 erzeugt eine Oberschwingung 'mit 6-facher Frequenz des gemeinsamen Netzes (Phasenanschlüsse R3, S3, T3), und das gleiche gilt für das Drehstrom-system an den Eingängen R2, S2, T2 der Gleichrichterbrücke GR2. Besteht aber zwischen den beiden Drehstromsystemeπ der Gleichrichter- brücken ein Phasenunterschied von 30", so verdoppelt sich die Frequenz der Oberschwingungen im Zwischenkreis und die hier¬ für vorgesehenen Kondensatoren ZI und Z2 können kleiner aus¬ gelegt werden.
Auch hier besteht die Aufgabe, die Phasenanschlüsse Rl, Sl , Tl und R2, S2, T2 über eine Ankopplungsanordnung COP derart an die Phasen R3, S3, T3 des gemeinsamen Versorgungsnetzes anzuschließen, daß der Strom L3 so auf die beiden Ströme I_l und _I2. der beiden Gleichrichterbrücken verteilt wird, daß diese gleichmäßig ausgelastet werden. Darüber hinaus muß die Anordnung COP auch sicherstellen, daß die beiden Drehstrom- Eingangssysteme der Gleichrichterbrücken die gewünschte Pha¬ senverschiebung von 30" aufweisen.
Zugrunde liegender Stand der Technik
Fig. 3 betrifft den Fall, daß die Stromrichter mit einer vor¬ gegebenen, praktisch konstanten Eingangsspannung betrieben werden, die durch das Betätigen der Stromrichterventile mit alternierendem Vorzeichen auf die Drehstromausgänge durchge¬ schaltet werden. Der im Phasenanschluß R3 des gemeinsamen Lastnetzes L fließende Strom muß auf die beiden daran ange¬ schlossenen Phasenausgänge Rl und R2 der Stromrichter SRI und SR2 so verteilt werden, daß in den an diese Anschlüsse Rl und R2 angeschlossenen Stromkreisen der Stromrichter jeweils der gewünschte Strom fließt. Es ist bekannt, zu die¬ sem Zweck entsprechend dimensionierte Drosseln Dl und D2 anzuschließen. Entsprechendes gilt für die anderen Phasen¬ anschlüsse. Die Stromrichter werden dabei so gesteuert, daß die Drehstromsysteme aufeinander synchronisiert sind, also keine Phasenverschiebung aufweisen. Der Stromrichterbetrieb verursacht dabei aber Schaltspitzen und Verzerrungen in der Kurvenform der Ausgaπgsströme, die dann ebenfalls aufeinander synchronisiert sind und sich im gemeinsamen Lastnetz L ver¬ stärken. Dies kann im Lastnetz, z.B. einer Drehfeldmaschine, zu erhöhten Verlusten und einer Verzerrung des gewünschten Drehmomentes führen.
Die Aufteilung des Laststromes _I3 in die beiden Teilströme II und 12_ kann daher zwar aus anderen Gründen erforderlich sein, diese bekannte Schaltung verbessert aber den Betrieb der Last L nicht wesentlich.
Werden die Drosseln Dl und D2 der Fig. 3 magnetisch miteinan¬ der verkoppelt, so entsteht ein Saugdrosselschenkel DR, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Das Windungsverhältnis der Schenkelhälften bestimmt dann die Stromaufteilung auf die beiden Stromrichter. Diese könnten zwar jetzt durch entspre¬ chendes Takten zwei Drehspannungs-Systeme erzeugen, die ge¬ geneinander phasenverschoben wären und in dem Phasenanschluß R3 der gemeinsamen Last zu einem sinusförmigen Strom führten. Durch die magnetische Verkopplung in den Saugdrosselschenkel DR fließen über die beiden Stromrichter Teilströme, die mit¬ einander in Phase sind. Dies bedeutet aber, daß bei einer Phasenverschiebung in den Drehspannungssystemen unterschied- liehe Leistungswinkel-Faktoren in den Stromrichtern auftreten würden. Es könnten daher niemals beide Stromrichter gleichzei¬ tig voll ausgenutzt werden.
Diese bekannte Schaltung verbessert somit zwar den Betrieb der Last L, verschlechtert aber die Ausnutzung der Stromrichter.
In der Dissertation "Asynchronmaschinenbetrieb mit zwei magne¬ tisch gekoppelten Pulswechselrichtern" von R.Sesing, Ruhr-Uni¬ versität, Bochum 1987, ist die in Fig. 5 angegebene Schaltung beschrieben, bei denen die beiden Stromrichter (hier zwei über ihre Gleichspannungseingäπge miteinander verkoppelte Wechselrichter) an ihren Phasenanschlüssen 1, 2, 3 bzw. a, b, c phasenverschobene Drehspanπungssysteme erzeugen und jeweils einander entsprechende Phasenspanπungen beider Stromrichter über Transformatoren (bl, ba bzw. b2, bb bzw. b3, bc) miteinander verkoppelt werden. Eine zweite Gruppe von Transformatoren (wc1, wl ' bzw. wb1, w3' bzw. wa1, w2') führen eine weitere Verkopplung beider Netze durch, so daß beide Transformatorensysteme eine magnetische Koppeleinheit mit je 6 Eingängen und 6 Ausgängen darstellen. Die 6 Ausgänge sind an die Anschlüsse einer 6-phasigen Last L' angeschlossen, bei der es sich um eine Drehfeldmaschine mit zwei galvanisch voneinander getrennten, dreiphasigen Wick- lungssysteme handelt. Die Phasenausgänge eines Stromrichters sind dabei jeweils über eine Wicklung jedes Transformator- systemes an eines der beiden Statorwicklungssysteme ange¬ schlossen, eine galvanische Verbindung und somit eine elek¬ trische Verkopplung der Ausgangssysteme beider Stromrichter untereinander ist nicht vorgesehen. Diese Anordnung ist ver¬ hältnismäßig kostspielig und erfordert eine Spezialausfüh- rung der Last L' .
Ähnliche transformatorische Verkopplungen .sind wiederholt vorgeschlagen worden (z.B. Deutsche Auslegeschrift 21 06 146). Dabei sind in der Regel mindestens zwei Transformatoren vor¬ gesehen, die primärseitig jeweils an einen der Stromrichter angeschlossen sind und deren Sekundärseiten miteinander und mit den Phasenanschlüssen der gemeinsamen Last verbunden sind. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Durch entsprechende Schaltung dieser Transformatoren kann erreicht werden, daß die beiden primärseitigen Stromsysteme gegeneinan¬ der eine Phasenverschiebung um 30* aufweisen, so daß die Stromrichter SRI, SR2 beide im 6-pulsigen Betrieb mit glei- ehern Leistungswinkelfaktor und gleicher Ausnutzung betrieben werden können, während in der an das gemeinsame Lastπetz ange¬ schlossenen Maschine M die Vorteile eines 12-pulsigen Betrie¬ bes erreicht werden.
Bei dieser bekannten Schaltung müssen aber die Transformato¬ ren jeweils auf die Grundschwingungsleistung dimensioniert werden und sind daher kostspielig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere Mög- lichkeit zur Ankopplung zweier Drehstromnetze an ein gemein¬ sames Netz zu schaffen. Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Drehstrom-Saugdrossel soll also dann eingesetzt werden, wenn zwei Stromrichter parallel an einem gemeinsamen Netz betrie¬ ben werden, um ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Nach- teile der in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Verfahren zur Ankopplung vermieden sind. Die Anschlüsse dieses gemeinsamen Netzes sind dabei jeweils über eine in der Drehstrom-Saug¬ drossel enthaltenen Saugdrossel mit je einem Phasenanschluß des ersten und des zweiten Stromrichters verbunden, wie dies bei der bekannten Anordnung nach Fig. 4 bereits der Fall ist. Wie bei dieser bekannten Anordnung werden die Stromrichter mit der Frequenz des Netzes und entsprechend einem vorgegebe¬ nen Aufteilungsfaktor so betrieben, daß jeder in einem Netzan¬ schluß fließende Strom in die entsprechenden Phasenströme des ersten und des zweiten Stromrichters aufgeteilt wird.
Weitere Aufgaben, die mittels der Erfindung gelöst werden können, ergeben sich aus der näheren Beschreibung.
Offenbarung der Erfindung
Bezüglich der erforderlichen Drehstrom-Saugdrosselschaltung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für jede Phase des ge¬ meinsamen Netzes eine Gruppe aus mindestens drei magnetisch miteinander verkoppelten Drosselspulen vorgesehen ist. In je¬ der Gruppe sind jeweils zwei Drosselspulen elektrisch in Rei¬ he geschaltet, wobei aber in die dadurch entstehende elektri- ist, die einer anderen Gruppe angehört und daher mit den Spu¬ len der anderen Gruppe magnetisch verkoppelt ist. Die beiden anderen Spulen dieser anderen Gruppe, die ebenfalls miteinan¬ der elektrisch in Reihe geschaltet sind, sind ihrerseits mit einer Spule einer weiteren Gruppe elektrisch in Reihe geschal¬ tet.
Dadurch entsteht für jeden Phasenanschluß des gemeinsamen Netzes nicht nur eine Gruppe miteinander magnetisch verkoppel- ter Drosselspulen, sondern auch eine Reihenschaltung von elek¬ trisch miteinander verbundenen Spulen, wobei aber die Spulen einer Reihenschaltung mindestens zwei unterschiedlichen Grup¬ pen magnetisch verkoppelter Spulen angehören. Die Endpunkte der elektrischen Reihenschaltung sind nun jeweils an eine Phase der Drehstromnetze angeschlossen, zwischen denen wegen der wechselseitigen Verkopplung der Phasenströme dieser Dreh¬ stromnetze eine Phasenverschiebung besteht. Die Phasen des gemeinsamen Netzes sind jeweils an einen Abgriff zwischen den elektrisch in Reihe geschalteten Spulen der Gruppen ange- schlössen. Werden die beiden an das gemeinsame Netz anzukop¬ pelnden Drehstromnetze an die Anschlüsse zweier Stromrichter angeschlossen, so bewirkt diese Anordnung, daß die beiden Stromrichter so betrieben werden können, daß jeweils ein Pha¬ senstrom des ersten Stromrichters eine vorgegebene Phasenver- Schiebung gegenüber dem entsprechenden Phasenstrom des zwei¬ ten Stromrichters aufweist, wobei jeder Phasenstrom des zwei¬ ten Stromrichters mindestens mit einem anderen Phasenstrom des zweiten Stromrichters und einem Phasenstrom des ersten Stromrichters magnetisch verkoppelt wird.
Dieses Verfahren zum Parallelbetrieb zweier Stromrichter weist daher die im Anspruch 7 genannten Merkmale auf. Vorteil¬ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü¬ chen gekennzeichnet. Anhand von 9 weiteren Figuren und 5 Aus- führungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 zwei bereits beschriebene Einsatzmöglichkei- ten der Erfindung,
Fig. 3 bis Fig. 6 den bereits beschriebenen Stand der Technik, Fig. 7 und Fig. 8 zwei erste Ausführungsbeispiele der Erfin¬ dung mit dem Parameter N = +1 bzw. N = -1, Fig. 9 eine symmetrische Anordnung für den Fall dreiphasiger Netze,
Fig. 10 und Fig. 11 die Erweiterung der Erfindung auf die An¬ kopplung von mehr als drei Drehstromnetzen, Fig. 12 und Fig. 13 die Motorspannung und den Motorstrom bei einem Fig. 4 entsprechenden Stand der Technik (Fig. 12) und der Erfindung (Fig. 12) bei Verwendung der Anordnung nach Fig. 7,
Fig. 14 und Fig. 15 den Vergleich von Netzspannung und Netz¬ strom bei einer Anordnung nach Fig. 2 unter Verwendung einer üblichen Drehstrom-Saugdrossel (Fig. 14) bzw. Verwen- düng einer erfindungsgemäßen Saugdrehdrosselschaltung (Fig.15), Fig. 16 eine bevorzugte Anordnung der Drosselkerne zur magne¬ tischen Verkopplung der Phasenströme.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäß Fig. 7 sind dem Phasenanschluß R3 des gemeinsamen Netzes (z.B. des Speisenetzes einer Drehfeldmaschine) die Drosseln WIR, W2R und W3R zugeordnet, die über einen gemein¬ samen magnetischen Kern MR miteinander verkoppelt sind. Diese, dem Phasenanschluß R3 zugeordnete Gruppe enthält die elektrisch in Reihe geschalteten Drosseln WIR und W3R, die im Stand der Technik nach Fig. 7 dem Saugdrosselschenkel DR entsprechen. Ebenfalls zur Gruppe gehört aber auch die Dros¬ sel W2R, die mit den Drosseln WIR und W3R dieser Gruppe gal- vanisch nicht verbunden ist. Dagegen besteht eine galvanische Verbindung von WIR und W3R mit der Drossel W2S, die zusammen mit den Drosseln W1S und W3S die zum Phasenanschluß S3 gehöri¬ ge Gruppe bildet, deren Drosseln miteinander magnetisch über den gemeinsamen Kern MS verkoppelt sind.
Die beiden anderen Spulen W1S und W3S dieser zu S3 gehörenden Gruppe sind elektrisch mit der Spule W2T in Reihe geschaltet, so daß WIT, W2T und W3T die dritte, zum Anschluß T3 gehörende Gruppe magnetisch verkoppelter Drosseln bildet.
Zwischen den Spulen WIR und W3R ist der Abgriff VR angeordnet, der für Strom und Spannung im Phasenanschluß R3 vorgesehen ist.
Nach diesem Prinzip können an sich auch Anordnungen für mehr- phasige Drehstromnetze hergestellt werden, jedoch zeigt Fig. 7 nur die sich ergebende Verknüpfung der Drosseln im dreiphasi¬ gen Fall. In einem in der Praxis wichtigen Fall gilt für die Windungszahl Wl der Drosseln WIR, W1S und WIT, die Windungs¬ zahl W2 der Drosseln W2R, W2S und W2T und die Windungszahl W3 der Drosseln W3R, W3S und W3T die Beziehung W2 = W3 = Wl/ 3 Ohne die Drosseln W2R, W2S und W2T ergibt Fig. 7 die an sich bekannte Schaltung der Fig. 4, bei der die drei Schenkel DR, DS und DT die Wechselströme der Stromrichter SRI, SR2 ohne Phasenverschiebung durch Aufteilung der Ströme in der Last L erzeugen. Diese bekannte Anordnung der Saugdrosseln DR, DS und DT ist als "Drehstrom-Saugdrossel" bekannt. Die Einbezie¬ hung der Drosseln W2R, W2S und W2T in Fig. 7 bewirkt aber bei den angegebenen Windungszahlen, daß nunmehr der Drehstrom 12 des Stromrichters SR2 gegenüber dem Strom I_l des Stro - richters SRI um 30* voreilt, aber gleiche Amplitude aufweist. Wegen dieser Drehung der Stromsystem kann die erfindungsge¬ mäße Anordnung als "Saug-Dreh-Drossel" bezeichnet werden.
Diese Saug-Dreh-Drossel eignet sich besonders zur Kopplung zweier 6-pulsiger Pulswechselrichter gleicher Leistung. Der Stromrichter SR2 wird über seine Regel- und Steuereinrichtung ST2 so getaktet, daß seine Ausgangsspannung eine Grundschwin¬ gung aufweist, die gegenüber der Ausgangsspannung des Strom¬ richters SRI und seiner Regel- und Steuereinrichtung ST1 um 30* voreilt. An den Abgriffen für die Phasenströme des gemeinsamen Netzes werden infolge der Verkopplungen in den Drosseln die Ausgangsspannungen der beiden Stromrichter mit komplexen Ge¬ wichtungsfaktoren addiert, die sich durch die Anordnung und Dimensionierung der Drosseln ergeben. Für die in den Strom- richtern fließenden Ströme ergibt sich ebenfalls ein Phasen¬ unterschied von 30', der durch die Windungsverhältnisse vor¬ gegeben ist. Es ist daher möglich, beide Stromrichter mit dem gleichen Leistungswinkel zu betreiben, der auch in der Last vorliegt.
Darüber hinaus verhindert die erfindungsgemäße Saugdrehdros¬ sel, daß zwischen den Stromrichtern Querströme fließen können. Die gleichen Vorteile werden zwar auch durch Transformator¬ anordnungen erreicht, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, jedoch müssen diese Transformatoren auf die Amplitude der ge¬ samten Grundschwingung bemessen werden, während die erfin¬ dungsgemäße Saugdrossel nur für die Differenz der beiden Um¬ richter-Ausgangsspannungen dimensioniert werden muß.
Insbesondere ergibt sich, daß bei der phasenverschobenen Tak¬ tung der beiden Stromrichter, die insbesondere spannungsein- prägende Stromrichter sein können (z.B. Direktumrichter oder Zwischenkreisu richter mit nahezu konstant vorgegebener Gleichspannung im Zwischenkreis, wie sie bei Pulswechsel- richtern verwendet werden), die Ströme in beiden Stromrich¬ tern ein vorgegebenes Amplitudenverhältnis ("Aufteilungsfak- tor" K) annehmen.
Beschreibt man die Ausgangsströme der beiden Stromrichter jeweils durch eine komplexe Größe _π und _I2, s0 ergibt sich für den gemeinsamen magnetischen Schenkel der miteinander verkoppelten Wicklungen einer Gruppe das Durchflutungsgleich- gewicht:
U . Wl + 12 . (-W3) + 12 . W2 . exp (j.360*/N) = 0 (1) wobei N die Phasenzahl der Netze ist, die im Fall der Fig.7 mit positivem Vorzeichen behaftet ist, also N = +3. Wird demgegenüber die Verschaltung der Drosseln gemäß Fig. 8 vorge¬ nommen, so gilt N = -3. Für größere Phasenzahlen sind auch Schaltungen möglich, bei denen der Fachmann im Durchflutungs- gleichgewicht nach Formel (1) den Winkel 360*/N im Exponen¬ ten durch 360" m zu ersetzen hat, der zwischen den innerhalb einer Gruppe magnetisch miteinander verkoppelten Strömen des Stromrichters SR2 auftritt.
Der Faktor W2 . exp(j.360*/N) bei der Schaltung nach Fig. 7 ergibt sich also dadurch, daß der Strom im Ausgang T2 auf dem magnetischen Kern MR mit dem Strom im Ausgang R2 fließenden Strom verkoppelt ist, um 120* voreilt. Die Wicklungszahl W3 besitzt ein negatives Vorzeichen, da die Spule W3R vom Strom _I2_ in umgekehrtem Wicklungssinn durchflössen wird. Entspre¬ chendes gilt für die Ströme und Durchflutungen in den anderen Drosselgruppen.
Soll nun zwischen den Strömen _π und _I_2 die gewünschte Pha- senverschiebung dP und der Aufteilungsfaktor K gelten, so er¬ gibt sich daraus eine Bedingung 12 = K . . . exp(j.dP). (2)
Durch Einsetzen dieser Bedingung in das Durchflutungsgleich- gewicht erhält man für den Realteil und den Imaginärteil folgende Gleichungen:
-Wl + K . W3 . COS dP - K . W2 . COS(dp+360*/N) = 0 .(3) W3 . sin dp - W2 . sin(dp+360*/N) = 0. (4) 1 Aus diesen Gleichungen lassen sich nun die Windungsverhält¬ nisse berechnen. So erhält man aus (3) und (4): W3/W2 = sin(dp + 360*/N)/sin dp (5) und durch Einsetzen von (5) in (3): - Wl _ „ (-cos(360*/N+dp) + sin(dp+360*/N) . cos dp) ,,* _, __ _ κ _ sin dp ^b )
Ergibt sich hierbei eine negative Windungszahl, so ist die betreffende Spule umzupolen. Ein in der Praxis wichtiger Fall erfordert die Vorgaben dP = +30*, K = +1. In diesem Fall gilt 0 W3 = W2 = Wl/ 3.
Die Entscheidung zwischen den beiden Varianten nach Fig. 7 und 8, also das Vorzeichen von N, hängt vom gewünschten Win¬ kel dp ab. Für dP = 30* ist z.B. die Schaltung nach Bild 7 5 günstiger, für dP = -30* aber die Schaltung nach Bild 8, da dann weniger Windungen benötigt werden.
Werden durch Ungenauigkeiten in der Steuerung des Stromrich¬ ters SR2 gewisse Unsymmetrien in dessen Ausgangsströmen her- 0 vorgerufen, so werden durch die Verkopplung mit den Ausgangs¬ strömen des Stromrichters SRI diese Unsymmetrien teilweise auch diesem Stromrichter eingeprägt, der sie zu einem gewis¬ sen Grad ausregeln kann.
5 Die Schaltung nach den Figuren 7 und 8 weist eine Unsymmetrie auf. Diese kann beseitigt werden durch eine Schaltung nach Fig. 9, wo auch ein Phasenstrom des Stromrichters SRI mit einem weiteren Phasenstrom des gleichen Stromrichters verkop¬ pelt wird. Entsprechend ist dem Phasenanschluß R3 des gemein- 0 samen Netzes nunmehr eine Gruppe miteinander über den gemein¬ samen
WW2l * uK * .^-_c-«os_.t!-_^=—<___!.). ^+ sin(dp + 3sϊ60n*c/ϊpN) . cos dpü magnetischen Kern MR verkoppelter Spulen zugeordnet, die fol- 5 gende vier Spulen enthält: die elektrisch in Reihe geschalteten Spulen WIR1 und W4R' ; die Spule W3R' , die elektrisch in Reihe geschaltet ist, mit den Spulen WIT1 und W4T1 (diese sind T3 zugeordnet) und der dem Phasenanschluß S3 zugeordneten Spule W2S ' ; und zusätzlich die Spule W2R ' , die elektrisch mit den beiden dem Phasenaus¬ gang S3 zugeordneten, in Reihe liegenden Spulen (W1S1, W4S1) und der restlichen Spule W3T ' der dem Phasenausgang T3 zuge¬ ordneten Gruppe in Reihe geschaltet ist.
Durch den Abgriff R3 wird die zugeordnete Gruppe der Drosseln WIR', W2R', W3R1 und W4R■ in zwei Hälften von je zwei Drossel¬ spulen geteilt.
Auch hier werden die Windungszahlen der Spulen einer Gruppe so bestimmt, daß bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung dP der Drehstromnetze in den magnetisch verkoppelten Spulen ein Magnetisierungsgleichgewicht herrscht und der zwischen dem gemeinsamen Netz und den Drehstromnetzen ausgetauschte Strom nach einem vorgegebenen Verteilungsverhältnis K auf die Drehstromnetze aufgeteilt wird.
Das Magnetisierungsgleichgewicht ("Durchflutungsgleichge- wicht") lautet in diesem Fall:
11.Wl - II.W2 exp(-j 360*/N) + _I2_W3 exp(j 360*/N)-_I2.W4 = 0 und für die Stromaufteilung wird gefordert:
12 = K . II. exp(j dP).
Dies führt zu der komplexen Gleichung (W1-W2 exp(-j.360*/N)) exp(-j dP/2) = (W4-W3 exp(j.360*/N)).K.exp(j dP/2).
Für N = +3 ergibt sich als eine mögliche Lösung Wl = K.W4 W3 = K.W2 l sin 60* -.„. π
W = tg(dp/2) " cos(60 ) Die erfindungsgemäße Saugdrehdrossel ermöglicht also, zwei Stromrichter zur Bildung eines gemeinsamen Netzes miteinan¬ der zu verkoppeln. Sollen weitere Stromrichter angeschlossen werden, so benötigt man weitere Saugdrehdrosseln, die in einer Hierarchie ("Kaskade") miteinander verkoppelt werden.
Das Kaskadierungsprinzip beruht darauf, daß die Ausgaπgsspan- nung der beiden Stromrichter SRI und SR2 über eine primäre Saugdrehdrossel miteinander verkoppelt werden, deren Ausgangs- Spannung somit wieder ein definiertes Drehspannungssystem dar¬ stellt, das über eine sekundäre Saugdrehdrossel mit einem an¬ deren Drehspannungssystem verkoppelt wird, das von einem oder mehreren weiteren Stromrichtern gebildet werden kann. An den Abgriffen der sekundären Saugdrehdrossel steht dann ein über- geordnetes System von Spannungen an. Verschaltung und Dimen¬ sionierung der Drosseln bestimmen dann auch, wie sich die Drehstromsysteme der einzelnen Stromrichter zum Drehstrom¬ system eines übergeordneten Netzes addieren.
Fig. 10 zeigt eine derartige Möglichkeit. Sollen z.B. drei
6-pulsige Stromrichter SRI, SR2 und SR3 mit gleicher Ausgangs¬ leistung (d.h. gleichen Amplituden der Ausgangsströme Ll, 12» 13) betrieben werden, so kann man dadurch einen 18-pulsigen Strom in einem übergeordneten Netz erzeugen. Die drei Strom- richter werden jeweils um 20* versetzt zueinander getaktet. Für die primäre Saugdrehdrossel C0P12 wählt man dann die Pha¬ senverschiebung der Ströme zu dP12 = 20* und den Aufteilungs¬ faktor zu K12 = 1. Am Phasenabgriff der primären Saugdreh¬ drossel C0P12 steht dann der Strom n2_ = 1V_ + I2J_ = 112' an. Dessen Phasenlage ist gegenüber II' um (dpl2)/2 = 10* und gegenüber dem Strom 13' um 40*-(dP12)/2=30" phasenversetzt.
Der Strom 13' , der in dem an den Stromrichter SR3 angeschlos¬ senen Drehstromnetz N3 fließt und zusammen mit 112 zum über- geordneten Laststrom 1123 zusammengesetzt werden soll, wird nun zusammen mit 112 in die sekundäre Saugdrehdrossel COP 123 eingespeist.
Für die Dimensionierung dieser sekundären Saugdrehdrossel COP 123 ergibt sich daher, daß im Durchflutungsgleichgewicht für die gewünschte Phasenverschiebung der Winkel dp 123 = 40* -(dP12)/30* und für den Aufteilungsfaktor der Wert K123 = I3'/I12 = 13'/(II'+12' ) = 0,5 zu setzen ist.
Wie in Fig. 10 durch unterbrochene Linien dargestellt ist, ist dieses Prinzip auf weitere Stromrichter SR4, ... erwei¬ terbar.
Einen geringeren Aufwand für die Verkopplung von vier Strom- richtern kann durch eine baumformige Kaskadierung erreicht werden, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Dabei verkoppeln zwei primäre Saugdrehdrosseln C0P121 und C0P341 jeweils zwei Drehstromnetze, die von den Stromrichtern SRI und SR2 bzw. den Stromrichtern SR3 und SR4 geliefert werden, zu gemein- samen Netzen N12 und N34, die durch eine sekundäre Saug¬ drehdrossel COP1 ' an ein übergeordnetes Netz angeschlossen werden, wobei dann der Strom I11 zwischen dem übergeordneten Netz und den Stromrichtern ausgetauscht wird. Eine vorteil¬ hafte Dimensionierung der einzelnen Saugdrehdrosseln ergibt sich, wenn die Stromrichter, für die wiederum gleiche Lei¬ stung vorausgesetzt wird, so getaktet werden, daß zwischen den Ausgangsgrößen der Stromrichter SRI und SR2 die gleiche Phasenverschiebung von 30* vorliegt, wie zwischen den Strom¬ richtern SR3 und SR4. Gegenüber dem Stromrichter SRI eilt dann die Taktung des Stromrichters SR2 um 30*, des Stromrich¬ ters SR3 um 15* und des Stromrichters SR4 um 45* vor. Unter diesen Bedingungen verknüpfen die primären Saugdrehdrosselπ C0P12' und C0P341 also jeweils Netze mit einer Phasenverschie¬ bung von 30* und einem Aufteilungsfaktor 1 für die Ströme. Die resultierenden Ströme 112' und 134' weisen gleiche Amplitude, aber eine Phasenverschiebung von 15* auf. Daraus folgt dann die Dimensionierung der sekundären Saugdrehdrossel COP1 ' .
Im Prinzip können die Spulen einer Gruppe jeweils über einen Kern miteinander magnetisch verkoppelt werden, wie in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellt. Man benötigt aber weniger Eisen, wenn man für jede Gruppe einen Schenkel eines gemeinsamen Kernes verwendet. Ein derartiger Drehstrom-Kern ist in Fig.16 dargestellt.
In Fig. 7 ist wie in Fig. 2 ein Kondensator Z gezeigt, der auf eine Spannung aufgeladen ist, die sich gegenüber der Fre¬ quenz der Stromrichter praktisch nicht ändert und daher, un- abhängig von der Belastung durch die Ströme Ll und I_2, die Spannung an den wechselstromseitigen Stromrichteranschlüssen einprägt. Es handelt sich also um spannungseinprägende Strom¬ richter, zu denen auch Direktumrichter ("cycloconverter" ) ge¬ hören.
Ein Sollwertgeber VS gibt den Stromrichtern einen mit der Frequenz des gemeinsamen Netzes veränderlichen Sollwert V* vor, der unter Umständen auch einer Stromregelung für den Ge¬ samtstrom _I oder den Strom I entnommen sein kann. Ein Pha- senschieber PH stellt dar, daß die beiden Stromrichter um den Phasenwinkel dp gegeneinander versetzt getaktet werden.
Die Impedanzen der Drosselanordnung bestimmen nun den Zusam¬ menhang zwischen den Strömen _I_1 und 12 einerseits und den Spannungsdifferenzen zwischen der Netzspannung und der von den Stromrichtern eingeprägten Wechselspannung. Die auf die Phasenverschiebung dp und den Aufteilungsfaktor K abgestimm¬ te Drosselanordnung bewirkt daher, daß in den Anschlüssen R3, S3 und T3 ein Strom _I fließt, der gegenüber der Netzspan- nung um einen lastabhängigen Phasenwinkel verschoben ist und sich gemäß
Uil-lll/d+ ) und jι.2|=[ι|.κ/(i+κ) auf die beiden Stromrichter verteilt. Beide Ströme sind ge¬ genüber den von den Stromrichtern eingeprägten Spannungen um den gleichen lastabhängigen Phasenwinkel verschoben.
Prinzipiell kann die Erfindung auch für stromeiπprägende Stromrichter verwendet werden, sofern diese eingeprägten Ströme bei der gegebenen Dimensionierung der Saug-Dreh-Dros- sei das Durchflutungsgleichgewicht erfüllen. Abweichende Ströme treiben allerdings die Drosseln in die Sättigung. Die Erfindung ist daher im wesentlichen für spannungseinprä- gende Umrichter geeignet.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Fig. 12 zeigt den Verlauf der Spannung UR3 und des Stromes IR3 im Phasenanschluß R3 einer als Drehfeldmaschine ausgebil¬ deten Last L, wenn die beiden Stromrichter entsprechend Fig.4 über eine Drehstromsaugdrossel an das Lastnetz angeschlossen werden, wobei die Drehstrom-Saugdrossel aus einzelnen Saug¬ drosselschenkeln DR, DS und DT zwischen je einem Ausgang der Stromrichter besteht und die Stromrichter mit gleichem Lei¬ stungswinkel betrieben werden. Das heißt, bei dieser bekannten Schaltung werden die Stromrichter ohne Phasenverschiebung ge¬ taktet, wobei in Fig. 12 die Vollaussteuerung des Pulswechsel¬ richters angenommen ist, d.h. jedes Ventil ist über 120" einer Periode der Ausgangsspannung stromführend. In Fig. 13 ist der Verlauf einer Phasenspannung in den drei Netzen und des Lei- terstromes IR3 für den Fall gezeigt, daß anstelle der üblichen Drehstrom-Saugdrossel die erfindungsgemäße Saug-Drehdrossel gemäß Fig. 7 verwendet wird. Die Grundschwingung des Motor¬ stromes entspricht dabei der Grundschwingung gemäß Fig. 12. Während jedoch der Spitzenstrom nach Fig. 12 etwa 30S- über der Amplitude der Grundschwingung liegt, beträgt diese Spit¬ zenstrom-Überhöhung, die erhöhte Verluste im Motor hervorruft und eine Überdimensionierung der Stromrichter erfordert, nur etwa 5% . Der Mehraufwand für die Saugdrehdrossel kann daher weitgehend durch die günstigere Dimensionieruπg der Strom¬ richter ausgeglichen werden, während sich für die angeschlos- sene Last eine niedrigere Oberwellen-Belastung und weniger Verluste ergeben.
Die Figuren 14 und 15 gehen von einer Anordnung nach Fig. 2 aus, bei der zwei ungesteuerte Gleichrichterbrücken die Spaπ- nung an Zwischenkreiskondensatoren ZI und Z2 vorgeben, die dann durch einen Pulswechselrichter WR auf eine Drehfeldma¬ schine geschaltet wird. Sind die Drehspannungseingänge der Gleichrichterbrücken auf herkömmliche Weise an ein gemein¬ sames Versorgungsnetz R3, S3, T3 angeschlossen, so ergibt sich bei einem hinreichend starren Versorgungsnetz die in Fig. 14 gezeigte Kurvenform von Strom IR3 und Spannung UR3 am Phasenanschluß R3. Die Spannung Uc an den Zwischenkreis¬ kondensatoren ist praktisch konstant. Der von den Gleichrich¬ tern in den Zwischenkreis fließende Eingangs-Gleichstrom IC zeigt die dargestellte Oberschwingung mit 6-facher Netzfre¬ quenz.
Wird dagegen für die Ankopplung eine Saugdrehdrossel entspre¬ chend den Figuren 7 - 9 verwendet, so ergeben sich die in Fig. 15 dargestellten Verhältnisse. Die Kurvenform des Netz¬ stromes IR3 ist wesentlich glatter und der Strom IC über die Zwischenkreiskondensatoren zeigt eine wesentlich gerin¬ gere Oberschwingung, so daß auch nur wesentlich kleinere Zwischenkreiskondensatoren erforderlich sind.
Zur Abschätzung der Kosten sei von einem spannungseinprägen- den Stromrichter, und zwar einem Zwischenkreisumrichter aus¬ gegangen, bei dem auf den Wechselrichter etwa 7051. der Kosten des gesamten Umrichters entfallen und dessen Kosten propor- tional zum Spitzenstrom sind. Die Kosten einer geeignet dimensionierten Drossel betragen etwa 8% der Umrichterkosten. Die Wechselrichterkosten sinken dann wegen der Reduzierung des Spitzenstroms durch die Saugdrehdrossel um etwa 14% der Umrichterkosten, wodurch die Mehrkosten der Saugdrehdrossel überkompensiert werden. Zusätzlich kann wegen des dadurch er¬ möglichten 12-pulsigen Betriebs ein kleinerer Zwischenkreis- kondensator verwendet werden und die Verluste, die bei Voll¬ aussteuerung im 6-pulsigen Betrieb etwa 30% der Kupfer-Neπn- verluste betragen, werden vernachlässigbar. Bei einem 200 kW-Motor betragen die Kupferverluste etwa 2% der Nennleistung, man erhält also eine Verringerung der Verluste um 30%, bezo¬ gen auf 200 kW.0,02. Dies sind ungefähr 1,2 kW.
Für spezielle Anwendungen (z.B. Umrichter für Antriebe), die selbst bereits Vordrosseln und andere Schutzeinrichtungen be¬ nötigen, können wesentlich höhere Kosten eingespart werden, da die erfindungsgemäßen Saugdrehdrosseln unter Umständen be¬ reits teuere Vordrosseln ersetzen können.

Claims

Patentansprüche
1. Drehstrom-Saugdrosselschaltung zur Ankopplung zweier pha¬ senverschobener Drehstromnetze an ein gemeinsames Netz, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für jede Phase (R3, S3, T3) des gemeinsamen Netzes eine Gruppe aus mindestens drei miteinander magnetisch verkoppelten Drosselspulen (WIR, W2R, W3R; WIS, W2S, W3S; WIT, W2T, W3T) vorgesehen ist, wobei jeweils zwei Spulen (WIR, W3R) jeder Gruppe und eine Spule (W2S) einer anderen Gruppe (WIS, W2S, W3S) eine elektrische Reihenschaltung bilden, die beiden anderen Spulen (WIS, W3S) dieser anderen Gruppe (WIS, W2S, W3S) mit einer Spule (W2T) einer weiteren Gruppe (WIT, W2T, W3T) elektrisch in Reihe geschaltet sind, und jeweils eine Phase (Rl, R2) der phasenverschobenen Drehstromnetze an den Endpunkten der elektrischen Reihenschaltung und die Phase (R3) des gemeinsamen Netzes an einen Abgriff (VR) zwischen den elektrisch in Reihe geschalteten Spulen der entsprechen¬ den Gruppe angeschlossen sind. (Fig. 7)
2. Drehstrom-Saugdrosselschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Gruppe noch eine mit den anderen Spulen (WIR1, W3R ' , W4R') der Gruppe magnetisch verkoppelte vierte Drosselspule (W2R1) enthält, die elektrisch in Reihe geschaltet ist mit den elektrisch in Reihe geschalteten Spulen (WIS1, W4S') der anderen Gruppe (WIS1, W2S' , W3S', W4S') und einer Spule (W3T1) der weiteren Gruppe (WIT1, W2T1, W3T', W4T1). (Fig. 9)
3. Drehstrom-Saugdrosselschaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch jeden Abgriff (VR1) jeweils vier in Reihe liegende Spulen (WIR1, W2T', W3S', W4R■ ) in zwei Hälften von je zwei Spulen geteilt wird.
4. Drehstrom-Saugdrosselschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Win¬ dungszahlen der Drosselspulen einer Gruppe so bestimmt sind, daß bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung der Drehstrom- netze in den magnetisch verkoppelten Spulen ein Durchflutungs¬ gleichgewicht herrscht und der zwischen dem gemeinsamen Netz und den Drehstromnetzen ausgetauschte Strom nach einem vorge¬ gebenen Verteilungsverhältnis auf die Drehstromnetze aufge¬ teilt wird.
5. Drehstrom-Saugdrosselschaltung (C0P12) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abgriffe an Endpunkte einer sekundären Drehstrom-Saugdrossel¬ schaltung (C0P123) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ange- schlössen sind, daß andere Endpunkte der sekundären Drehstrom- Saugdrosselschaltung (C0P123) an Phasenanschlüsse eines drit¬ ten Drehstromnetzes (N3) angeschlossen sind und die Abgriffe der sekundären Drehstrom-Saugdrosselschaltung an die Phasen¬ anschlüsse eines übergeordneten Netzes angeschlossen sind. (Fig. 10)
6. Drehstrom-Saugdrosselschaltung (C0P12') nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pha¬ senanschlüsse des dritten Drehstromnetzes (N34) an die Abgrif- fe einer primären Drehstrom-Saugdrosselschaltung (C0P341) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angeschlossen sind, und die Endpunkte der primären Saugdrosselschaltung (C0P34') an die Phasen von zwei primären Drehstromnetzen (SR3, SR4) ange¬ schlossen sind. (Fig. 11)
7. Verfahren zum Parallelbetrieb zweier Stromrichter (SRI, SR2) an einem gemeinsamen Netz, dessen Netzanschlüsse (R3, S3, T3) jeweils an den Abgriff (VR) einer je einen Phasen¬ anschluß (Rl, R2) des ersten und des zweiten Stromrichters verbindenden Saugdrossel (WIR, W3R) verbunden sind, wobei die Stromrichter mit der Frequenz des Drehstromnetzes so betrieben werden, daß jeder in einem Netzanschluß (R1,R2) fließende Strom (31, 32) entsprechend einem vorgegebenen Aufteilungsfaktor in einen Phasenstrom des ersten Stromrich¬ ters und einen Phaseπstrom des zweiten Stromrichters aufge- teilt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder Phasenstrom des zweiten Stromrichters mit mindestens einem anderen Phasenstrom des zweiten Stromrichters und einem Pha¬ senstrom des ersten Stromrichters magnetisch verkoppelt wird, und die beiden Stromrichter so betrieben werden, daß ihre Phasenströme gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel ver¬ schoben sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß jeder Phasenstrom des ersten Strom¬ richters auch mit einem anderen Phasenstrom des ersten Strom¬ richters verkoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß von den beiden Stromrichtern zwei gegeneinander um den vorgegebenen Winkel phasenverschobene Drehspannungssysteme eingeprägt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß die Stromrichter mit gleichem Lei¬ stungsfaktor betrieben werden.
11. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zur Verkopplung der Phasenströme für jede Saugdrossel mindestens eine elektrisch in Reihe liegende, entsprechend dem vorgegebenen Winkel magnetisch gekoppelte weitere Drossel vorgesehen ist, und daß die Stromrichter jeder Reihenschaltung eine vorgegebene Spannung einprägen.
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