DE2233950A1

DE2233950A1 - Schaltanordnung zur verbesserung des leistungsfaktors mit netzstabilisierender wirkung bei stromrichtern mit phasenanschnitt und vorzugsweise natuerlicher kommutierung

Info

Publication number: DE2233950A1
Application number: DE2233950A
Authority: DE
Inventors: Franz Pfister
Original assignee: Deutsche Bundesbank
Current assignee: Deutsche Bundesbank
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1972-07-11
Publication date: 1974-01-31
Also published as: DE2233950B2; DE2233950C3

Description

SchaltanordnunE zur Verbesserung des Leistungsfaktors mit netzstabilisierender Wirkung bei Stromrichtern mit Phasenanschnitt und vorzugsweise natürlicher Kommutierung Herkömnliche Stromrichter mit Phasenanschnitt und natürlicher Kommutierung verursachen bekanntlich induktive Blindleistung, die sich aus Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung zusammensetzt und je nach Aussteuerungsgrad erheblich sein kann.
Bisher wurde zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Stabilisierung des Netzes dem Verbraucher wechselstromseitig eine entsprechende Kendensatorbatterie parallel geschaltet und dadurch die Blindleistung unmittelbar am Verbraucher kompensiert.
Bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Anschnittsteuerung können die zur Kompensation notwendigen. Kondensatoren aus Gewichtsgrundes nicht mehr im Fahrzeug untergebracht werden. Deshalb wurden teilweise in den Umspaunwerken Kondensatorbatterien installiert, und so eine zentrale Kompensation geschaffen, damit wenigstens die Energieerzeuger entlastet und das Netz stabilisiert wird. Da die bei dieser Methode zwischen Verbraucher (Blindleistungserzeuger) und Kompensationskondensator pendelnde Blindleistung nicht beeinflußt werden kann, tritt keine zusätzliche Belastung der (Fahr-) teitung auf, die im Grenzf alle höher als die Wirkleistung sein kann.
Außerdem können die auftretenden Oberwellen hierbei ungehindert in das Netz gelangen und eine beträchtliche'Eurvenformverzerrung verursachen, die sich bei anderen Verbrauche,rn,sehr nachteilig auswirken kann. Die Möglichkeit der Beeinflussung freg;tienzabhängiger Signalkreise u.ä. im Bahnbetrieb kann nicht ausgeschlossen werden. Es sind auch Schaltanordnungen bekannt, wo Rwr;h die Verwendung. von zwei oder mehr steuerbaren Folgebrücken eine Verminderung der bei der Än{chnittsteuerung mit natürlicher Kommutierung auftretenden Blindleistung erreicht wird.
Auf diese Schaltanordnung wird im weiteren Text noch Bezug-genommen.
Außerdem sind Stromrichterschaltungen belannt, wo durch Zwangs löschung der Thyristoren und unter gleichzeitiger Verwendung zwei oder mehrerer Folgebrücken die auftretende Elindleistung reduziert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltanordnung, die bei Stromrichtern vorzugsweise mit natürlicher Kommutierung eine wesentliche Verbesserung des Leistungsfaktors bringt.
Erfindungsgemäß werden einer an sich bekannten Stromrichterschaltung, die in Form einer unsymmetrisch gesteuerten Einphasengleichrichterbrücke arbeitet und an die Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen sein kann, je ein Kompensations-Kondensator, zweckmäßig ein bipolarer Elektrolytkondensator mit Ladediode für die positive und negative Halbwelle parallel geschaltet. Zur Ent- bzw. Umladung der Kompensations-Kondensatoren erhält die Anordnung zwei Entladethyristoren, die so geschaltet sind, daß die gespeicherte Energie zu jedem beliebigen Zeitpunkt über den Lastkreis abgegeben werden kann.
Damit wird nicht nur die Verschiebungsblindleistung reduziert, sondern zusätzlich der Wirkstromanteil in Lastkreis verEroßert.
Da bei dieser Schaltanordnung im Moment des Entladevorganges der Kompensationskondensator umgeladen wird und die hierbeI aufgenommene Energie ebenfalls über den Verbraucherkreis fließt, erhöht sich der Wirkstromanteil nochmals un diesen Betrag. Außerdem werden durch die eingeschalteten Kondensatoren die auftretenden Oberschwingungen gedämpft, so dann die Verzerrungsblindleistung wesentlich reduziert wird.
Da die Kompensations-Kondensatoren über die vorgeschalteten Dioden aufgeladen werden und somit nur bei gezündeten Hauptthyristoren des Stromrichters Energie dem Netz entnehmen, kann keine Überkompensation des Netzes auftreten.
Durch die Möglichkeit der Verwendung bipolarer Elektrolytkondensatoren wird das Gewicht für die jeweils notwendige Xompensationskapazität wesentlich verringert.
Bei Kurzschlüssen oder plötzlichen Netzabschaltungen können sich die Kompensations-Kondensatoren durch die eingebauten Dioden nicht über die Transformatorwicklung entladen, was bei großer Kondensatorleistung die Zerstörung der Wicklung zur Folge hätte.
Bei Bedarf kann die erfindungsgemäße Anordnung auch mehrfach in der gleichen Schaltung ausgeführt werden. Zur Erreichung eines gleichmäßigen Energieflusses während des Ent- bzw. Umladevorganges der Kompensations-Kondensatoren und zur weiteren Verringerung des Oberwellenanteiles im Primärstrom, müssen hierbei die Entladethyristoren zeitlich versetzt gezündet werden.
Grundsätzlich ist es jedoch notwendig, bei der Durchsteuerung des Umrichters die Zündimpulse für die Hauptthyristoren und die Entladethyristoren so miteinander zu verschieben, daß ein Maximum der Kompensation und gleichzeitige Dämpfung der Oberwellen in Primärstrom erreicht wird.
Ein erprobtes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Stand der lig. 1 näher erläutert werden.
Die Schaltanordnung nach Fig. 1 seigt den Haupttrasformator mir mit den Wicklungen W1, W2, W3. . An die Sekindärwicklungne W2, W3 ist jeweils eine an sich bekannte unsymmetrisch gesteue-rte Einphasengleichrichterbrüche angeschlossen. Der Verbraucher M ist hier ein Mischstrommotor mit vorgeschalteter Glättungsdrossel, der von den beiden Einphasen-Gleichrichterbrücken I und II, die gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind, gespeist wird. Diese Schaltanordnung wird bei der Deutschen Bundesbahn in den elektrischen Triebwagen ET 420 angewendet.
Gemäß der Erfindung erhält die bekannte Schaltanordnung parallel zu den Sekundärwicklungen einen Kompensationskondensator C1 (C2) mit Ladediode D1 (D2) und Entladethyristor Thl (Th2) für die positive Halbwelle und Eompensationskondensator C3 (C4) mit Ladediode D3 (D4) und Entladethyristor Th3 (Th4) für die negative Halbwelle. Die in Klammern angegebenen Bezeichnuancen benennen die Bauteile der zweiten Einphasengleichrichterbrück (II).
Wird die Primärwicklung W1 mit Spannung beaufschlagt und die Nauptthyristoren der Einphasengleichrichterbrücken zunächst nicht gezündet, so werden die Kompensations-Ixondensatoren CI (C2) entsprechend der positiven Halbwelle und C3 (C4) entsprechend der negativen Halbwelle auf den Scheitelwert der anstehenden Sekundärspannung aufgeladen.--Die Anordnung entnimmt dann dem Netz einmalig während zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen kapazitiven Blindstrom.
Die weiteren Vorgänge sollen an Kand der Fig. 2 und nur für die Brücke (I) näher erläutert werden.
Bei anstehender positiver Halbwelle kann z. B. die gespeicherte Energie aus Kompensations-Kondensator C3,der negativ aufgeladen ist, durch Zünden von Thyristor Th3 zu jedem beliebig wählbaren Zeitpunkt in der Halbwelle über den Verbraucherkreis als Wirkenergie abgegeben werden. Der negativ aufgeladene Kompensations-Kondensator C3 wird hierbei nicht nur entladen, sondern durch die anstehende Spannung der positiven Halbwelle auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen. Während des Umladevorganges fließt Strom über Kompensationskondensator C3, Entladethyristor Th3, Lastkreis (L,M), Freilaufdioden DII, DIV der 2. Brücke, Freilaufdiode DI der 1. Brücke und Sekundärwicklung W2. Der leitende Thyristor Th) wird gelöscht, sobald der Ladestrom des Kondensators Null wird. Jetzt kann in herkömmlicher Art der Hauptthyristor ThI für die positive Halbwelle gezündet und der Stromfluß entsprechend dem gewählten Steuerwinkel ob eingeleitet werden.
Durch die Ansteuerung des entsprechenden Thyristors )Th1) wird der gleiche Vorgang für die negative Halbwelle eingeleitet.
Da erfindungsgemäß die Zündzeitpunkte der Thyristoren während der Zeitdauer einer Halbwelle beliebig verschoben werden können und hierbei keine Beeinflussung zwischen Laststrom und Kompensationsstrom auftreten kann, gestattet die Anordnung eine Verschiebung der Stromzeitflächen und somit der Stromgrundwelle, so daß damit eine wesentliche Verbesserung der Verschiebungsblindleistung erzielt und gleichzeitig die gespeicherte Energie als Wirkenergie ausgenützt wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, tritt im Primärstrom nur während des Umladevorganges eine zur Verschiebung der Stromgrundwelle wesentlich beitragende. Stromzeitfläche auf. Um den Qberwellenanteil im Primärstrom noch zusätzlich zu vermindern, muß deshalb der Umladevorgang der Kompensations-Kondensatoren der 1.
und 2. Brücke zeitlich verschoben sein. Da sich Laststrom und Kompensationsstrom nicht beeinflussen, können die Entladethyristoren der 1. und 2. Brücke unabhängig voneinander und auch dann gezündet werden, wenn nur ein Rauptthyristor z. B. jener der 1. Brücke, gezündet ist und Strom führt.
Ist z. B. die 1. Brücke voll durchgesteuert und die 2. Brücke im Teilaussteuerbereich, %Th1 so sollten zur Ausnützung-der vollen Kondensatorenergie die Entladethyristoren Th3 und h4 für die positive und an und Th2 für die negative Halbwelle gleichzeitig gezündet werden. Damit entfällt zwar die Dreiteilung der Stromzeitfläche im Primärstrom, es kann jedoch durch entsprechende Plazierung der Strom-Zeitfläche aus den Kompensationskondensatoren wiederum ein Maximum Kompensation erreicht werden.
Die in Fig. 2 angegebenen Zündzeitpunkte für die Thyristoren Th3, Th4, ThI für die positive Halbwelle und Th1, Th2, ThIII für die negative Halbwelle sind beliebig gewählt Die an sich bekannten Beschaltungsglieder für die Thyristoren, Entladewiderstände für die Kondensatoren und kleinen Induktivitäten zur Dämpfung der Stromsteilheit etc. sind hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Die Erzeugung der Impulse für die Ansteuerung der Thyristoren erfolgt in an sich bekannter Weise.

Claims

Patent ansprüche

Schaltanordnung (Fig. 1 Beschreibung nur für ein Gleichrichterbrückenteil (I)) zur Verbesserung des Leistungsfaktors mit netzstabilisierender Wirkung bei Stromrichtern vorzugsweise mit Phasenanschnitt und natürlicher Kommutierung, dadurc'= gekennzeichnet, daß einer an sich bekannten Stromrichterschaltung zwei Kompensations-Kondensatoren, zweckmäßig bipolare Ele'-trolytkondensatoren C1, C3 mit Ladedioden D1, D3 für die positive und negative Halbwelle wechselstromseitig parallel geschaltet werden und zur Ent- bzw. Umladung der Kondensatoren zwei Entladethyristoren Th1, Th3 so angeordnet sind, daß die gespeicherte Energie zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt über den Lastkreis als Wirkenergie abgegeben werden land.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch geirennzeichnet, daß die Kompensations-Kondensatoren während des Entladevorganges durch die anstehende Spannung umgeladen werden und die hierbei aufgenommene Energie ebenfalls über den Verbraucherkreis fließt, so daß der Wirkstromanteil nochmals um diesen Betrag erhöht wird.
3.~Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren über Dioden aufgeladen werden und nur bei gezündeten Haupttyristoren des Stromrichters Energie aus dem Netz entnehmen, so daß im Leerlauf keine Uberkompensation im Netz auftreten kann.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die eingeschalteten Kondensatoren, die bei der Anschnittsteuerung auftretenden Oberschwingungen gedämpft werden und so die Verzerrungsblindleistung wesentlich reduziert wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anordnung auch mehrfach in der gleichen Schaltung ausgeführt werden kann.

L e e r s e i t e