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"Schaltungsanordnung zur Erzeugung nach Größe und Kurvenform
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schnell veränderbarer Blindströme und Steuer- und Regeleinrichtung
fUr dieselbe" Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung
nach Größe und Kurvenform schnell veränderbarer Blindströme mit einem am zu beeinflussenden
dreiphasigen Wechselstromnetz liegenden Stromrichtertransformator und einem Stromrichter-Stellglied,
mittels dessen steuerbarer Stromrichterventile gleiche Sekundärwicklungen des Stromrichtertransformators
eingeschleift oder im Freilaufbetrieb umgangen werden, sowie mi einer /parallel
an das Wechselstromnetz angeschlossenen dreiphasigen Kondensatorbatterie zur Bereitstellung
einer vorbestimmten Kompensationsblindleistung, weiterhin eine Steuer- und Regeln
richtung zur Regelung dieser Schaltungsanordnung.
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Die Erfindung findet Anwendung in der Leistungselektronik, insbesondere
bei stromrichtergespeisten Antrieben mit induktiven Verbrauchern.
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Eine derartige bekannte Schaltungsanordnung zur Symmetrierung unsymmetrischer
Wirkleistungsbelastung in Versorgungsnetzen
und zur Kompensierung
von Blindleistungsbelastung weist zum Zuschalten oder Frei schalten der Sekundärwicklungen
des Stromrichtertransformators zwangskommutierte Halbleiterventile auf (DT-OS 23
29 287). Der Stromrichtertransformator ist als Streutransformator ausgebildet. Vorteilhaft
wird im bekannten Fall daher die primäre Speisespannung einmal durch den Streutransfort
mator in eine vom Steller zu schaltende Spannung von relativ geringer Größe umgewandelt,
und zum anderen dient der Streutransformator zur Erzeugung einer induktiven Stromkomponente.
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Zur Kompensation und Symmetrierung schnell verändeicheBlindströme
ist weiterhin bereits eine Anordnung vorgeschlagen worden (P 26 44 682.2), die aus
einem selbstgeftlhrten Stromrichter Vierquadrantensteller genannt, besteht und einem
dreiphasigen Kondensator, der vorzugsweise so bemessen wird, daß die Ströme der
drei Kondensatorphasen jeweils etwa halb so groß sind wie der größte in der betreffenden
Phase zu kompensierende Verbraucherstrom. Gemäß dem älteren Vorschlag wird der Wirkanteil
der Ströme des Stromrichter-Kompensationsstellgliedes durch dessen Wirkleitwert-Sollwert
bestimmt. Als Sollwert fUr die Blindströme des Kompensationsstellgliedes werden
direkt und ohne Verzögerung die Summenmomentanwerte der Ströme der Verbraucher und
eines zu diesen parallelen dreiphasigen Kondensators gemessen und um den Wirkanteil
des Mitsystems der Verbraucherströme vermindert, wobei der Wirkanteil mittels eines
Wirkleitwert-Umformers durch automatische Multiplikation einer dem Wirkleitwert
des Verbrauchers proportionalenGröße mit Größen, die dem Zeitverlauf der Spannungen
des Drehstromnetzes proportional sind'generiert wird. Die Größe der Sollwerte für
den Wirkleitwert des Kompensationsstellgliedes bzw. derjenigen für die als Kompensationsstellglied
eingesetzten Vierquadrantent steller wird durch eine Einrichtung zur Regelung der
mittleren Spannung auf der Gleichstromseite der Vierquadrantensteller
bestimmt.
Der für diese Schaltungsanordnung notwendige Meßwertumformer ist in einem weiteren
älteren Vorschlag angegeben (P 26 57 168.6).
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Zum Aufbau eines selbstgefuhrten Stromrichters werden als steuerbare
Stromrichterventile Thyristoren mit besonders niedrigen Freiwerdezeiten benötigt,
die bei der Fertigung nur mit vergleichsweise geringen Stückzahlen anfallen. Für
Kompensationsanlagen großer Leistung kann es daher von Vorteil sein, netzgeführte
Stromrichter zu verwenden, weil dann die Anforderungen an die Freiwerdezeit der
Thyristoren erheblich geringer sind.
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Es ist bereits bekannt, mit zwei netzkommutierten steuerbaren Briickenstromrichtern,
die gleichstromseitig über zwei Drosselspulen in Reihe geschaltet sind und von denen
der eine BrUckenstromrichter im Gleichrichterbereich, z. B. mit einem Steuerwinkel
von t= 750, und der andere Stromrichter im Wechselrichterbereich, beispielsweise
mit einem Steuerwinkel « = 1050, arbeitet, eine bestimmte gewünschte Blindleistung
an ein Wechsel+ stromnetz abzugeben und dabei auch den Oberwellengehalt durch Lieferung
entsprechender Ströme zu reduzieren(DT-AS 22 01 800).
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Auch in diesem bekannten Fall stellt eine parallel an das Wechselstromnetz
angeschlossene dreiphasige Kondensatorbatterie kapazitive Blindleistung zur VerfUgung.
Die Stromrichterventile sind im bekannten Fall unmittelbar an das Wechselstromnetz
angeschlossen, so daß sie entsprechend zu bemessen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einer Schaltungsanordnung
mit Stromrichtertransformator und den weiteren eingangs beschriebenen Merkmalen,
steuerbare Stromrichterventile, insbesondere Thyristoren, einsetzen zu können, deren
Freiwerdezeiten nicht extrem niedrig sein müssen. Weiterhin soll es
die
Schaltungsanordnung gestatten, Blindströme mit einstellbarer Kurvenform zu erzeugen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß als Stromrichter-Stellglied
an die Sekundärwicklungen 3edes sekundären Wicklungssystems netzgefUhrte Stromrichter-BrUckenschaltungen
angeschlossen sind, die gleichstromseitig miteinander und mit einer Glättungsdrosselspule
in Reihe geschaltet sind, wobei die Gleichstromkreise aller Sekundärsysteme gleichinnig
in Reihe zu einem geschlossenen Kreis verbunden sind.
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Dabei sind zwei Ausführungsformen möglich: In einer ersten Ausführungsform
ist an 3eweils eine Sekundärwicklung eine Einphasen-Brückenschaltung angeschlossen.
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In einer zweiten Ausführungsforin ist an die Phasenleiter eines jeden
der sekundären dreiphasigen Wicklungssysteme, die Jeweils für sichin Sternschaltung
verbunden sind, ein Stroirichter-Ventilsatz in Drehstrombrückenschaltung angeschlossen,
der zusätzlich ein viertes Ventil-Zweigpaar aufweist, dessen Wechselstromanschluß
mit mit dem Nullpunkt des zugehörigen Wicklungssystems verbunden istj.
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Vorteilhaft ist es mit beiden Ausführungsformen mit den Stromrichter-BrUckenschaltungen
in Verbindung mit der dreiphasigen Kondensatorbatt erie und entsprechender Regelungseinrichtung
möglich, Blindströme zu liefern, die einem vorgegebenen Sollwert schnell und mit
guter Näherung folgen.
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Zur Lieferung von Leistungsschwingungen von doppelter Netsfrequenz
ist zweckmäßig ein auf diese Frequenz abgestliater Parallelresonanzkreis aus einer
Drosselspule und einem tondensator in den Gleichstromkreis eingefugt.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Steuer-und
Regeleinrichtung für die vorbeschriebenen Schaltungsanordnungen anzugeben, die die
vorgenannten Bedingungen für die Liefe rung der Blindströme erfüllt. Diese Steuer-
und Regeleinrichtung stellt den schwachstromtechnischen Bestandteil der Schaltungsanordnung
dar, und es ist als bekannt vorauszusetzen, daß auch die Einrichtung gemäß DT-OS
23 29 287 eine Steuer- oder Regelt in richtung zur Kompensation der Blindleistungsbelasttng
aufweist.
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Für die Lösung dieser Aufgabe wird auf die bereits erwähnte ältere
Patentanmeldung P 26 44 682.2 hingewiesen. Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß
ein Sollwertgeber und eine Einrichtung zur Ventilüberwachung und -steuerung vorgesehen
sind wobei die drei Ströme der Transformator-Primärwicklungen unabhängig voneinander
durch Mehrstufen-Steuerung vorgegebenen Sollwerten angenähert werden, daß die Zahl
der Schaltstufen einer Polarität mit der Zahl der Sekundärsysteme des Stromrichtertranformators
übereinstimmt, daß bei Überschreitung einer positiven Schaltgrenze bzw. bei Unterschreitung
einer negativen Schaltgrenze durch den Stromsollwert eine Ventil strecke über die
Einrichtung zur Ventilüberwachung und -steuerung gezündet wird, die mit der Transformatorsekundärwicklung
der zugehörigen Phase verbunden ist und an der die Sperrspannung gerade in Durchlaßrichtung
wirkt, wenn die Vorzeichen von Netzspannung und der zeitlichen Ableitung des Stromsollwertes
übereinstimmen.
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WeitereAusgestaltungen der Steuer- und Regeleinrichtung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung sind in den vorstehenden Ansprüchen 6 bis 11 gekennzeichnet.
Vorzugsweise ist neben der vorbeschriebenen Blindstromsteuerung ein Gleichstromregelkreis
vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung
mit Einphasen-Brückenschaltung und Steuer- sowie Regelungseinrichtung, wobei nur
die Ausführung für eine Phase dargestellt ist,
Fig. 2 Zeitverläufe
der Ströme und Spannungen in der Schaltung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine Ausführungsform
der Schaltungsanordnung mit dreiphasigen Sekundärwicklungen in Sternschaltung und
mit an dieselben angeschlossenen Drehstrombrückenschaltungen und Fig. 4 Zeitverläufe
von Strömen und Spannungen der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.
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In Fig. 1 ist eine Phase der Schaltungsanordnung dargestellt, wobei
ein Stromrichtertransformator beispielsweise vier gleiche Sekundärwicklungen 1 bis
4 und eine Primärwicklung 5 aufweist.
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Die Primärwicklung 5 liegt mit den weiteren nicht dargestellten Primärwicklungen
des Stromrichtertransformators in Dreieckschaltung. Parallel zur Primärwicklunliegt
ein Kondensator 6, der so bemessen wird, daß sich bei Anschluß an die Netzspannung
ein Strom ergibt, dessen Scheitelwert etwa so groß ist wie der größte Augenblickswert
des zu kompensierenden Stromes. An die vorzugsweise gleichen Sekundärwicklungen
1 bis 4 sind in Einphasen-Brückenschaltung vier Ventilsätze angeschlossen mit Stromrichterventilen
der Ventilstrecken 11; 13; 14; 16 und 21; 23; 24; 26; und 31; 33; 34; 36 sowie 41;
43; 44; 46. Vier gleiche auf der Gleichstromseite der Einphasenstromrichter an-Schlossene
ge/ Glättungsdrosselwicklungen 10; 20; 30 und 40 können auf einem gemeinsamen Eisenkern
angeordnet werden. Alle vier Einphasenstromrichter werden gleichstromseitig in Reihe
geschaltet und bilden gemeinsam einen Kurzschlußkreis.
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Die Stxerungseinrichtung für diese Schaltungsanordnung besteht aus
einem Sollwertgeber 50, dessen Ausgang 50a mit dem Ausgangssignal
mit
einer Vergloichsstelle 51 verbunden ist. Die Vergleichsstelle 51 ist ausgangsseitig
an eine Einrichtung zur Ventil Überwachung und -steuerung 54 angeschlossen. Diese
Einrich-54 über eine Meßeinrichtung 55 tung/ überwacht/Strom und Spannung jeder
Ventilstrecke, z.B.
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Eingänge 11a und 11b, und bildet zum anderen über einen entsprechenden
Steuersatz die Steuerbefehle für die Ventile 11, 13, 14, 16 und 21, 23, 24, 26 und
31, 33, 34, 36 sowie 41, 43, 44, 46. Derartige Einrichtungen sind in anderen Zusammenhängen
allgemein bekannt, z.B. aus der DT-OS 24 41 962 eine Einrichtung zur Überwachung
der Sperrspannung, allerdings ausschließlich ztm Thyristorschutz im Zusamrnenhang
einer HGU-Anlage.
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Weiterhin ist ein Regelkreis mit einem Gleichstromregler 60 vorgesehen,
der den über einen Meßwertaufnehmer 61 erfaßten Gleichstrom id konstant hält und
bei Differenzen zwischen Soll - Idsoll und Ist5sert id des Gleichstromes vor?jeichenrich
tig einen Wirkstromsollwert iwsoll vorgibt, der dem von der Blindstromregelung abgeleiteten
Sollwert iqsoll für den Strom in der Primärwicklung 5 des Stromrichtertransformators
hinzugefUgt wird. Der Wert des Gleiohstromes ist so groß zu wählen, daß bei symmetrischer
Aus steuerung aller Ventilstrecken 11 .. 46 der Strom i in der Primärwicklung 5
etwa q so groß ist wie der Scheitelwert des Kondensatorstromes.
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Nachfolgend soll die Wirkungsweise der gesamten Schaltungsanordnung
bei der näherungsweisen Erzeugung eines gewUnschten Blindstromverlaufes am Beispiel
von Fig. 2 näher erläutert werden.
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Kurve 1 stellt die sinusförmig verlaufende Spannung URS dar,
Kurve
2 den durch die übergeordnete Kompensations-Steuereinrichtung 50 vorgegebenen Sollwert
lqsoll des von der Transformator-wicklung 5 aufzunehmenden Stromes. Fließt bei einer
Stromrichterbrücke der Gleichstrom id über zwei diagonal gegenüberliegende Ventile*
z.B 13 und 11, so fließt der Gleichstrom id auch über die zugehörige Sekundärwicklung,
z.B. 1, des Transformators, was einen entsprechenden Strom iq in der Primärwicklung
5 zur Folge hat. Fließt der Gleichstrom id dagegen im sogenannten Freilaufbetrieb
über zwei benachbarte, mit demselben Transformatoranschluß verbundene Ventile, z.B.
13 und 14, so bleibt die zugehörige Transformatorwicklung , z.B. 1, stromlos und
leistet daher auch keinen Beitrag zum Primärstrom iq. Bei konstantem Gleichstrom
id sind daher unter Berücksichtigung des Vorzeichens neun verschiedene Werte von
- 100 % bis + 100 % für den Strom iq der Primärwicklung 5 möglich, je nachdem wieviele
der vier BrUcken sich gerade im Freilaufbetrieb befinden. Soll in der Primärwicklung
5 der größte Strom iq, mit 100 % bezeichnet, fließen, darf keine Brücke im Freilauf
arbeiten. Arbeiten dagegen alle Brücken im Freilauf, beträgt der Primärstrom O %.
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In Fig. 2 sind die möglichen Werte des Primärstromes i als dünne Parallelen
zur Zeitachse eingetragen. Zu Beginn des dargestellten Zeit *tervaisi der Stromsollwert
qsoll nur klein.
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Der Stromistwert (stark ausgezogene Stufenkurve 3) beträgt O %; alle
Brücken arbeiten im Freilauf, leitend sind die Ventile 13; 14 und 23; 24 und 33;
34 und 43; 44. Im unteren Teil von Fig. 2 ist der leitende Zustand eines Ventils
durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet. Beginn und Ende des Leitzustandes
sind durch Querstriche hervorgehoben. Im Zeitpunkt a überschreitet der Sollwert
i qsoll des Primärstromes iq die Schaltgrenze +12,5% die mitten zwischen den möglichen
Istwerten des Primärstromes i von 0 % und 25 % liegt. Dies kann durch den Vergleicher
51 festgestellt werden, dem ja die Variable iqsoll vorgegeben wird, oder durch verschiedene
Schwellwertglieder (nicht dargestellt). In bekannter Weise wird das
Überschreiten
des Shalt wertes durch die Steuereinrichtung 54 erfaßt, die dann die Zündung der
Ventilstrecke 11 bewirkt. Mit Hilfe der in diesem Augenblick positiven Netzspannung
uRs ko lut tiert der Gleichstrom vom Ventil 14 auf das Ventil 11, der Gleichstrom
id fließt jetzt über die Sekundärwicklung 1 des Transformators, der Primärstrom
i hat jetzt den Wert + 25 %.
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Entsprechend werden in den Augenblicken b und c die Ventile 21 und
31 gezündet, nach dem Zeitpunkt c hat der Primärstrom iq den Wert 75 %. Da der Sollwert
iqsoll den Grenzwert von 87,5 % nicht überschreitet, bleibt die vierte Brücke im
Freilaufbetrieb. Im Zeitpunkt d unterschreitet der Sollwert iqsol1 die Grenze von
62,5 %, die an die Wicklung 1 angeschlossene BrUcke wird durch Zünden des Ventils
16 wieder in den Freilauf gebracht. Der Gleichstrom kommutiert dabei mit Hilfe der
inzwischen negativ gewordenen Spannung uRS vom Ventil 13 auf das Ventil 16. Entsprechendes
geschieht in den Zeitpunkten e und f; von f bis g sind alle Brücken wieder im Freilaufzustand.
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Im Zeitpunkt g wird durch Zünden des Ventils 46 der Gleichstrom id
in negativer Richtung über die Wicklung 4 geführt, der Primärstrom nimmt den Wert
- 25 % an. Die Auswahl der zu zündenden Ventile 11 ... 46 erfolgt nach folgender
Regel: Soll der Primärstrom 19 q unter Beachtung des Vorzeichens vergrößert werden,
d.h. in positiver Richtung ansteigen, dann muß ein Ventil mit ungerader Bezeichnungsziffer
gezündet werden. Sind zu diesem Zeitpunkt mehrere Ventile mit ungerader Bezeichnungsziffer
stromlos, wird dasjenige Ventil gezündet das am längsten stromlos ist. Soll der
Primärstrom verkleinert werden, wird ein Ventil mit gerader Bezeichnungsziffer gesundes
Um den Gleichstrom id konstant zu halten, wird mit Hilfe des Gleichstromreglers
60 in bekannter Weise ein Wirkstromsollwert iwsoll gebildet, der dem Blindstromsollwert
iq80ll* des Primärstromes hinzugefügt wird. Wie Fig. 2 zeigt, folgt der Istwert
iq des Primärstromes schnell und mit geringem Fehler seinem resultierendem Sollwert
iq50ll. Der Wirkanteil des
Primärstromes i stellt sich bei der
beschriebenen Anordnung selbständig so ein, daß gerade alle Verluste in Transformator,
Drosseln und Ventilen gedeckt werden.
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Die an der in Fig. 1 einphasig dargestellten Anordnung erläuterte
Wirkungsweise ändert sich nicht, wenn die Stromrichterbrücken aller drei Phasen
- der in der Regel dreiphasigen Anordnung - zu einem einzigen Gleichstromkreis in
Reihe geschaltet werden. Dabei ist es zweckmäßig, zunächst drei Brücken, die in
verschiedenen Phasen liegen, unmittelbar in Reihe z#schalten, sodaß die die Summenspannung
die eines sechspulsigen Stromrichters wird. Wenn die Summenspannung aller Stromrichterbrücken
nicht zu hohe Werte annimmt, kann auf die Aufteilung der Glättungsdrosselwicklungen
verzichtet werden. Die Primärwicklungen 5 der dreiphasigen Anordnungen werden,wie
bereits erwähnt, in Dreieck-Schaltung betrieben.
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Um den Aufwand der dreiphasigen Anordnung zu senken, wird in einer
Weiterführung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, anstelle der Einphasenstromrichter
eine besondere Form eines dreiphasigen Stromrichters anzuwenden. Diese Möglichkeit
ist in Fig. 3 dargestellt. Parallel zu einer dreiphasigen Kondensatorbatterie 6
liegt die im Dreieck geschaltete Primärwicklung 5 eines Dreiphasen-Transformators,
der vier gleiche Sekundärwicklungen 1...4 be- Die Sekundärwicklungen sind sterngeschaltet.
Die an die Wicklungsenden angeschlossenen Leiter sind mit R, S, T bezeichnet, die
Nullpunktleiter mit N. An die vier Leiter jeder Sekundärwicklung 1 ... 4 ist Je
ein Stromrichter-Ventilsatz in Vierphasen-Brückenschatung angeschlossen, die Schaltung
kann auch als Drehstrombrtlcke mit zwei gesteuerten Nullanoden bezeichnet werden.
Die Zugehörigket der Ventile zu den ter verschiedenen Zweigen ist durch die Buchstaben
R, S, T und N gekennzeichnet, die Zugehörigkeit zu den 8 verschiedenen Kommutierungsgruppen
durch die
Ziffern 11; 12; 21; 22; 31; 32; 41;42. Gleichstromseitig
sind alle vier Brückenschaltungen in Reihe geschaltet, der Stromkreis enthält noch
eine GlSttungs-Drosselßpule 9 und einen Parallelresonanzkreis mit einer Drosselspule
7 und einem Kondensator 8. Die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ist gleich
der doppelten Netzfrequenz zu wählen. Die Regeleinrichtung entspricht der anhand
von Fig. 1 beschriebenen, wobei neben den Meßeinrichtungen 55 zur Erfassung der
Stromlosigkeit der Ventile entsprechende für die Nullventile vorhanden sind.
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Fig. 4 zeigt, wie es mit dieser Anordnung möglich ist, die Ströme
der Primärwicklung 5 des Transformators einem vorgegebenen Sollwert schnell und
mit vergleichsweise geringem Fehler anzupassen. In Fig. 4 stellen die dünn ausgezogenen,
stetig verlaufenden Kurven die Sollwerte iRsoll, iSsollg iTsoll der primärseitigen
Wicklungsströme dar, dieitreppenförmig verlaufenden Kurven die Istwerte iR is, iT
dieser Ströme. Die Leitzeiten der einzelnen Ventile 12 .. 41 gehen aus dem unteren
Teil der Fig. 4 hervor. Die vier unterschiedlichen Zweige R, S, T, N sind durch
unterschiedliche Stricharten gekennzeichnet, die acht verschiedenen Kommutierungsgruppen
durch die zugeordneten Ziffern 11 ... 42. Die Zündung der einzelnen Ventile erfolgt
nach folgenden Regeln: 1. Soll der Betrag eines Primärstromes mit positivem Augenblickswert
vergrößert werden, so ist ein an einem Phasenleiter der betreffenden Phase angeschlossenes
Ventil aus einer Kommutierungsgruppe mit ungerader Bezeichnungiziffer zu zünden.
Sind zu diesem Zeitpunkt mehrere Ventile dieser Art stromlos, wird das Ventil derjenigen
Eommutierungsgruppe gezündet, deren Nullanodenventil die längste Brennzeit aufweist.
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2. Soll der Betrag eines Primärstromes iR, iS oder iT mit positivem
Augenblickswert verkleinert werden, so ist das an einen Nulleiter angeschlossene
Ventil einer Eommutierungsgruppe mit ungerader Bezeichnungsziffer zu zünden.
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Sind zu diesem Zeitpunkt mehrere Ventile dieser Art stromlos, wird
das Ventil derjenigen Kommutierungsgruppe gezündet, deren der betrachteten Phase
zugehöriges Ventil die längste Brennzeit aufweist. Für Primärströme mit gerade negativen
Augenblickswerten gelten gleiche Regeln, nur daß anstelle der Kommutierungsgruppe
mit ungeraden Bezeichnungsziffern solche mit geraden Bezeichnungsziffern auszuwählen
sind. Das Beispiel in Fig. 4 zeigt ein System von primären Wicklungsströmen mit
starker Unsymmetrie.
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Mit einem symmetrischen Spannungssystem bilden die Mit-Komponenten
des unsymmetrischen Stromsystems eine zeitlich konstante Leistung, die Gegen-Komponenten
eine mit der doppelten Netzfrequenz schwingende Wechselleistung.
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Der Parallelresonanzkreis ermöglicht es,diese Wechselleistung aus
dem Gleichstromkreis 7, 8 ohne merkliche Pulsation des Gleichstromes id zu liefern.
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