DE2708305A1

DE2708305A1 - Einrichtung zur symmetrierung eines unsymmetrischen verbrauchers

Info

Publication number: DE2708305A1
Application number: DE19772708305
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Schmid
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-02-25
Publication date: 1978-08-31
Also published as: SE7801469L; DE2708305B2; CH622388A5; GB1576561A; DE2708305C3; US4177508A; JPS53106431A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA Jj ρ 3 0 3 3 BRD

Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers, der aus einem Drehspannungsnetz gespeist ist, mit einem wechselspannungsseitig mit vertauschter Phasenfolge an das Drehspannungsnetz angeschlossenen selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet, zwangsweise löschbar und so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, wobei die Phasenlage bezüglich der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage und die Amplitude der Grundschwingung in Abhängigkeit von der Amplitude des zur Symmetrierung erforderlichen Strom-Gegensystems geführt ist, und mit einer an den Stromrichter angeschlossenen Gleichstromquelle. Eine solche Einrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 247 819 bekannt.

Um Rückwirkungen auf das Drehspannungsnetz durch einen unsymmetrischen Verbraucher, z.B. einen Lichtbogen-Schmelzofen, zu vermeiden oder gering zu halten, muß die Blindleistung des Verbrauchers kompensiert und die unsymmetrische Verteilung der Wirklast auf die einzelnen Netzphasen symmetriert werden. Da sich Blindleistung und Unsymmetrie des Verbrauchers fast sprungartig ändern können, müssen zur Kompensation und zur Symmetrierung Einrichtungen verwendet werden, die Stellzeiten im Bereich von Millisekunden besitzen, die also Blindleistungs- und Unsymmetrieänderungen sehr schnell ausregeln können.

Nm 2 Po / 15.2.1977 809835/0252

Das von einem unsymmetrischen dreiphasigen Verbraucher in einem Drehspannungsnetz hervorgerufene Stromsystem läßt sich bekanntlich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Wird ein entsprechendes Strom-Mitsystem in das Drehspannungsnetz eingespeist, so läßt sich die durch den Verbraucher bedingte Blindleistung kompensieren; durch Einspeisung eines entsprechenden Strom-Gegensystems läßt sich dagegen die Unsymmetrieleistung kompensieren. Auf dieser Tatsache beruht die aus der DT-OS 2 247 819 bekannte Einrichtung zur Symmetrierung und Blindleistungskompensation eines Verbrauchers.

Bei der aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 247 819 bekannten Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers ist ein selbstgeführter Stromrichter über einen Transformator mit vertauschter Phasenfolge an ein Drehspannungsnetz angeschlossen. Der Stromrichter wird über eine Glättungsdrossel von einem netzgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist. Netzgeführter und selbstgeführter Stromrichter werden mit Netzfrequenz getaktet. Daher kann für den netzgeführten und für den selbstgeführten Stromrichter eine gemeinsame Meßeinrichtung für das erforderliche Strom-Gegensystem vorgesehen sein. Mit dieser Meßeinrichtung läßt sich über die Steuerung des netzgeführten Stromrichters die Höhe (der Betrag) und über die Steuerung des selbstgeführten Stromrichters die Phasenfolge des symmetrierenden Strom-Gegensystems beeinflussen.

Soll bei dieser bekannten Einrichtung der Betrag des Strom-Gegensystems verändert werden, so muß über die Steuerimpulse des netzgeführten Stromrichters dessen Ausgangsstrom verändert werden. Die Glättungsdrossel im Zwischenkreis zwischen den beiden Stromrichtern setzt jedoch wegen ihrer beträchtlichen Induktivität einer schnellen Stromänderung einen ansehnlichen induktiven Widerstand entgegen, so daß eine Änderung des Ausgangsstroms bei vorgegebener Bauleistung des netzgeführten Stromrichters nur relativ langsam erzielt werden kann. Soll dagegen die bekannte Einrichtung auch für die Bewältigung schneller Änderungen der Unsymmetrieleistung geeignet sein, so muß der netzgeführte Stromrichter für große Spannungen und

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gleichzeitig auch für große Ströme bemessen sein, d.h. die hierfür aufgewendete Bauleistung ist sehr groß. Die vom netzgeführten Stromrichter aufgenommene Blindleistung ist in diesem Fall beträchtlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers so auszugestalten, daß mit vertretbarem Aufwand große Stellgeschwindigkeiten beim Ausgleich von Unsymmetrieänderungen erzielt werden können, ohne daß die Einrichtung zu große Blindströme aufnimmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gleichstromquelle zum Einspeisen eines konstanten, der maximal zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung entsprechenden Gleichstroms vorgesehen ist, und daß der selbstgeführte Stromrichter durch Zünden und Löschen seiner Ventile sowohl in Abhängigkeit von der Phasenlage als auch in Abhängigkeit von der Amplitude des erforderlichen Strom-Gegensystems gesteuert ist, wobei eine Änderung der Amplitude der Grundschwingung des Ausgangsstroms durch Pulsbreitensteuerung in einem dem Steuersatz des selbstgeführten Stromrichters vorgegebenen Pulsprogramm und eine Änderung der Phasenlage der Grundschwingung des Ausgangsstroms durch Verschieben des gesamten Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung durchgeführt wird.

Bei dieser Einrichtung bleibt bei der Steuerung der in den Gleichstromeingang des selbstgeführten Stromrichters eingespeiste Gleichstrom unverändert. Durch Veränderung der Einschaltdauer des selbstgefUhrten Stromrichters (verändertes "Pulsen" des AusgangsStroms) wird die Amplitude der Grundschwingung des AusgangsStroms des selbstgeführten Stromrichters und damit die in das Wechselspannungsnetz eingespeiste, zur Symmetrierung verwendete Unsymmetrieleistung beeinflußt. Außerdem wird durch Verschiebung der zeitlichen Lage des gesamten Pulsprogramms für dRs Zünden und Löschen der steuerbaren Ven-

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tile des selbstgefUhrten Stromrichters die Phasenlage des Ausgangsstroms hinsichtlich der Netzwechselspannung verändert. Die Phasenlage kann - sofern die Kommutierungsschaltung des selbstgeführten Stromrichters entsprechend ausgelegt ist -je nach Bedarf praktisch jeden beliebigen Winkel im Bereich von 0° bis 360° el annehmen. Die erreichte Verschiebung muß dabei identisch mit der gewünschten Phasenlage sein.

Es kann also gesagt werden, daß über Pulsbreitensteuerung in dem vorgegebenen Pulsprogramm des selbstgefUhrten Stromrichters die Amplitude und durch zeitliches Verschieben dieses Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung die Phasenlage des eingespeisten symmetrierenden Strom-Gegensystems eingestellt wird. Die gewünschte Phasenlage und Amplitude des eingespeisten Strom-Gegensystems wird hier somit durch die Steuerung ein und desselben Stromrichters erreicht. Dies resultiert in einer hohen Stellgeschwindigkeit.

Nach einer grundsätzlichen Ausführungsform kann das Pulsprogramm so beschaffen sein, daß der Ausgangsstrom pro Periode der Netzwechselspannung in symmetrischer Anordnung aus mindestens 2k « 2 nebeneinander liegenden positiven und mindestens 2k ■ nebeneinander liegenden negativen Teilstrombalken mit jeweils steuerbarer Gesamtbreite besteht. Bei großem Wert der Zahl k kann man die Anzahl der auftretenden Oberschwingungen gering halten. Bei einem sechspulsigen selbstgeführten Stromrichter kann dann so vorgegangen werden, daß bei k = 1 die positiven und die negativen Teilstrombalken jeweils symmetrisch in zwei im Abstand einer halben Periode liegenden Zeitpunkten gelegen sind, daß ihre Breite gleich bemessen ist» und daß jeweils ihre durch Addition gewonnene Gesamtbreite maximal bis zu einer Drittelperiode steuerbar ist. Die Steuerung kann hierbei so vorgenommen werden, daß beidseitig symmetrisch zu äquidistanten Zeitpunkten jeweils wenigstens ein Ventil des Stromrichters stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer der einzelnen Ventile des Stromrichters in Abhängigkeit von der Höhe der zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung geführt ist und wobei die äquidistanten Zeitpunkte bezüglich der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage

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des zur Symmetrierung benötigten Strom-Gegensystems einstellbar ist.

Be.! dreiphasiger Ausbildung können hierbei pro Periode der Netzwechselspannung insgesamt zwei Ventil-Einschaltzeiten unterschiedlicher Dauer vorgesehen sein. Zur Reduktion von Oberschwingungen im Ausgangsstrom des selbstgeführten Stromrichters könnte die Anzahl der Einschaltzeiten prinzipiell auch ein Mehrfaches sein, doch steigen mit wachsender Anzahl die Schaltverluste des seIbstgeführten Stromrichters.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen, der wechselspannungsseitig an das Drehspannungsnetz und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters angeschlossen und der auf konstantem Ausgangsstrom geregelt ist. Der netzgeführte Stromrichter kann hierbei insbesondere steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung umfassen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die vorteilhafterweise mit einem besonders geringen Aufwand an Bauelementen auskommt und überhaupt keine Blindleistung aufnimmt, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle eine Drosselspule vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter aus dem Drehspannungsnetz gespeist ist, und daß die Phasenlage der Ausgangsströme des selbstgeführten Stromrichters bezüglich der Netzwechselspannung gering abweichend von dem Wert, der durch das zur Symmetrierung erforderliche Strom-Gegensystem vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule der konstante Gleichstrom einstellt. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß es letztlich gleichgültig ist, auf welche Weise am Eingang des selbstgeführten Stromrichters der konstante Gleichstrom erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung wird also der selbstgeführte Stromrichter gleichfalls auch zur Erzeugung des Gleichstroms herangezogen. Hierbei ist allerdings ein geringer, dem ohmschen Widerstand der Drosselspule entsprechender Wirkleistungsverbrauch des selbstgeführten Stromrichters zu verzeichnen.

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Zwisehen dem selbstgeführten Stromrichter und dem Drehspannungsnetz kann zur Spannungsanpassung ein Transformator angeordnet sein. Zur Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen lassen sich dabei höherpulsige Transformator- und Stromrichterschaltungen verwenden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als selbstgeführter Stromrichter ein Stromrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, bei dem sämtliche Ventile steuerbar ausgeführt sind. Hierbei kommt man mit einem geringen Aufwand aus.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung muß - im Gegensatz zur Einrichtung nach der DT-OS 2 247 819 - nicht der eingeprägte Gleichstrom selbst in Abhängigkeit von der erforderlichen Unsymmetrieleistung gesteuert werden. Mit Hilfe des selbstgeführten Stromrichters wird vielmehr, angepaßt an den Bedarf, pro Periode der Netzwechselspannung jeweils nur ein mehr oder weniger großer Bruchteil des eingeprägten und also unverändert gelassenen Gleichstroms gleichsam "ausgeblendet" und für die Kompensation der vom Verbraucher erzeugten Unsymmetrieleistung herangezogen. Dabei muß der netzgeführte Stromrichter, der bei einer der genannten Ausbildungen vorhanden ist, lediglich zur Erzeugung des eingeprägten Gleichstroms, nicht jedoch für schnelle Änderungen bemessen sein. Außerdem muß dieser netzgeführte Stromrichter zwar für hohe Ströme, jedoch nur für kleine Spannungen ausgelegt sein. Bei der Verwendung einer Drosselspule, die bei einer weiteren der genannten Ausbildungen als Gleichstromquelle vorhanden ist, entfällt der gesamte Aufwand hinsichtlich des netzgeführten Stromrichters. Weiterhin ist gegenüber der bekannten Einrichtung der Blindleistungsbedarf wesentlich reduziert. Bei Verwendung der genannten Drosselspule als Gleichstromquelle ist der Blindleistungsbedarf sogar Null. Dies wird als besonders vorteilhaft angesehen.

Zur Erzeugung des Pulsprogrammes kann auf bekannte und bewährte Pulsprogrammgeber zurückgegriffen werden, die bei Pulswechselrichtern eingesetzt werden.

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Unter dem Begriff "Drehspannungsnetz" wird vorliegend allgemein ein n-phasiges Netz verstanden, wobei η = 3, 4, ..., also eine ganze Zahl größer als 2 ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von 14 Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers, bei der als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen ist,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers, bei der als Gleichstromquelle eine Drosselspule vorgesehen ist, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform mit einem bevorzugten selbstgeführten Stromrichter,
Fig. 4 den von der Gleichstromquelle abgegebenen Gleichstrom in

Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 5 bis 10 Zeitdiagramme, die die Zündverteilung und die

Stromführungsdauer der einzelnen Ventile des selbstgeführten Stromrichters veranschaulichen,

Fig. 11 bis 13 den zugehörigen zeitlichen Verlauf der drei Ausgangsströme des selbstgeführten Stromrichters und
Fig. 14 die zugehörige Zeitachse mit äquidistanter Einteilung.

Nach Fig. 1 speist ein Drehstrom-Generator 2 über ein Drehspannungsnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen unsymmetrischen Verbraucher 4 mit einer Netzwechselspannung der Netzfrequenz f = 1/T_n. Als Verbraucher 4 ist hier speziell eine induktive dreiphasige Last vorgesehen. Das kann aber auch beispielsweise ein Lichtbogen-Schmelzofen sein, der nur zwischen zwei der Phasenleiter R, S, T angeschlossen ist.

Die vom Verbraucher 4 aufgenommene Unsymmetrieleistung wird durch eine Einrichtung zur Symmetrierung geliefert. Diese Einrichtung ist zwischen dem Drehstrom-Generator 2 und dem Verbraucher 4 angeordnet. Sie ist so aufgebaut, daß sie die auf-

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tretende Unsynunetrieleistung im Drehspannungsnetz 3 möglichst weitgehend kompensiert, bei Unsymmetrieänderungen sehr schnell anspricht und diese ausregelt. Sie speist dazu mittels ihrer Ausgangsströme i^, i«, i* ein Strom-Gegensystem in das Drehspannungsnetz 3 ein.

Die Einrichtung zur Symmetrierung umfaßt einen selbstgeführten Stromrichter 5 mit ρ = 6 steuerbaren Ventilen A bis F in Drehstrom-Brückenschaltung. Die Ventile A, B und C, D und E, F sind jeweils in gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet. Sämtliche Ventile A bis F sind jeweils einzeln einschaltbar und zwangsweise löschbar. Jedes dieser Ventile A bis F kann dabei aus einem Hauptthyristor bestehen, dem die Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors parallel geschaltet ist (vergleiche DT-OS 2 247 819, Fig. 2). Auch andere Kommutierungsschaltungen sind einsetzbar; hierauf wird bei Fig. 3 noch eingegangen.

Die wechselstromseitigen Ausgangsklemmen u, v, w des Stromrichters 5 sind an die Anschlußklemmen r, s, t eines zur Spannungsanpassung vorgesehenen Transformators 6 in Stern-Stern-Schaltung angeschlossen. Der Anschluß ist so vorgenommen, daß die Phasenfolge vertauscht ist. Dazu ist hier speziell die Ausgangsklemme u mit der Anschlußklemme s und die Ausgangsklemme ν mit der Anschlußklemme r verbunden. Weiterhin sind die beiden Klemmen w und t miteinander verbunden. Durch diese Vertauschung der Phasenfolge ist der Stromrichter 5 in der Lage, je nach Amplitude der netzfrequenten Grundschwingungen der Ausgangsströme i^, ip, i_r und der zeitlichen Lage seiner Steuerimpulse ein beliebig einstellbares symmetrisches Gegen-Stromsystem mit einem zur Phasenfolge des Drehspannungsnetzes 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein in der Phasenlage zwischen 0° und 360° el einstellbares Strom-Gegensystem abzugeben, wie es zur Symmetrierung des Verbrauchers 4 gefordert wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Vertauschung der Phasenfolge auch elektrisch durch geänderte Zündfolge erreichen läßt.

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Zur Unterdrückung von bestimmten Oberschwingungen kann der Transformator 6 abweichend von der Darstellung auch in mehryulsiger Schaltung ausgeführt sein.

An die beiden gleichstromseitigen Anschlußklemmen 7 und 8 des selbstgeführten Stromrichters 5 ist eine Gleichstromquelle angeschlossen. Diese liefert einen eingeprägten, der maximal zu kompensierenden Unsymmetrieleistung entsprechenden Gleichstrom I,_t der in einem Stromregelkreis konstant gehalten wird. Als Gleichstromquelle 10 ist nach Fig. 1 ein netzgeführter Stromrichter 11 mit steuerbaren Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung vorgesehen, der wechselspannungsseitig über einen Eingangstransformator 12 in Stern-Stern-Schaltung an das Drehspannungsnetz 3 und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel 13 an die Anschlußklemmen 7, 8 angeschlossen ist. Die Zündimpulse für die steuerbaren Ventile des netzgeführten Stromrichters 11 werden von einem Steuergerät 15 geliefert, das aus dem Drehspannungsnetz 3 gespeist und mit diesem synchronisiert ist. Zur Messung des Gleichstroms I- ist ein Strommeßglied 14 vorgesehen, das Bestandteil des (nicht näher gezeigten) Stromregelkreises ist. Zur Lieferung des eingeprägten Gleichstroms I_d muß der Stromrichter 11 zwar für den vollen Gleichstrom I_d dimensioniert werden, braucht aber nur für eine kleine Leistung ausgelegt zu sein.

Der selbstgeführte Stromrichter 5 wird von einer Steuereinrichtung 20 gesteuert. Dieser Steuereinrichtung 20, die eine Meßeinrichtung für das erforderliche Strom-Gegensystem und einen Pulsprogrammgeber mit Steuersatz besitzt, sind als Meßgrößen die Netzwechselspannung und der Netzwechselstrom zugeführt. Aus beiden Meßgrößen ermittelt die Steuereinrichtung 20 die benötigte Amplitude und Phasenlage für das erforderliche Strom-Gegensystem und damit für die Grundschwingung der Ausgangsströme I₁, i₂, i,.

über die Steuerung der Pulsbreiten im Pulsprogramm, das vom Pulsprogrammgeber dem Steuersatz des selbstgeführten Stromrichters 5 vorgegeben ist, läßt sich die Höhe und über die Ver-

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/13

1 Π Π Q "3 Π ζ / / UoOyO

>/ρ χ ft ί χ QQTl fr ι OUwv DnLI

Schiebung dieses Pulsprogramms gegenüber den NuI!durchgängen der Netzwechselspannung läßt sich die Phasenlage des in das Drehspannungsnetz 3 eingespeisten Strom-Gegensystems einstellen. Das wird später anhand der Figuren 4 bis 14 verdeutlicht.

Die Einrichtung zur Symmetrierung nach Fig. 2 zeigt weitgehend denselben Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Es ist jedoch eine andere Gleichstromquelle 10 vorgesehen, die wesentlich einfacher aufgebaut ist. Als Gleichstromquelle 10 wird hier - in Verbindung mit dem von einer Steuereinrichtung 22 gesteuerten selbstgeführten Stromrichter 5 - eine Drosselspule 23 herangezogen. Diese Drosselspule 23 verbindet die beiden Anschlußklemmen 7, 8 des Stromrichters 5. Die Steuereinrichtung 22 enthält ebenfalls eine Meßeinrichtung, einen Pulsprogrammgeber und einen Steuersatz; sie ist jedoch gegenüber der Steuereinrichtung 20 geringfügig verändert. Damit sich in der Drosselspule 23 ein konstanter, eingeprägter Gleichstrom I. einstellt, wird nämlich hier die Phasenlage des Pulsprogramms für den selbstgeführten Stromrichter 5 in der Steuereinrichtung 22 noch entsprechend beeinflußt. Dabei wird die Phasenlage der Ausgangsströme i^, i₂, i* des selbstgeführten Stromrichters 5 bezüglich der Netzwechselspannung gegenüber dem Wert, der zur genauen Symmetrierung eigentlich erforderlich wäre und von der Steuereinrichtung 20 (nach Fig. 1) auch genau gemessen und verarbeitet wird, verstellt. Die Verstellung des eingespeisten Strom-Gegensystems ist nur geringfügig und beträgt nur wenige Grad elektrisch. Die Verstellung wird vorgenommen durch einen (nicht näher gezeigten) Stromregelkreis, bei dem der Istwert des Gleichstroms I^ durch das Strommeßglied 14 erfaßt wird.

Die Einrichtung zur Symmetrierung nach Fig. 3 zeigt weitgehend denselben Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Allerdings wird hier ein selbstgeführter Stromrichter 5 in besonders günstiger Schaltung verwendet. Es handelt sich um einen selbstgeführten netzgetakteten Stromrichter 5, der mit modifizierter Phasenfolgelöschung arbeitet. Im Stande der Technik sind bereits dreiphasige Stromrichter in Brückenschaltunp bekannt, die auf dem Prinzip der Phasenfolgelöschung beruhen (ETZ-A, Band 96, 1975, Heft 11, Seiten 520 bis 523; Proc. IEE, Band 120, 1973,

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Heft 9, Seiten 969 bis 976). Bei diesen Brückenschaltungen ist in jedem Ventilzweig ein steuerbares Hauptventil mit einer Diode in Reihe geschaltet. Abweichend davon sind vorliegend die üblichen Dioden durch steuerbare Ventile, insbesondere Thyristoren, ersetzt, so daß sämtliche Ventile A1 bis F2 steuerbar sind. Vorliegend umfaßt die dreiphasige Brückenschaltung zwei Brückenhälften, von denen jede aus drei Ventilzweigen besteht. Jeder Ventilzweig besitzt die Reihenschaltung eines ersten steuerbaren Hauptventils A1, B1, C1, D1, E1, F1 mit einem zweiten steuerbaren Hauptventil A2, B2, C2, D2, E2, F2. Jede Brückenhälfte enthält weiter drei Kommutierungskondensatoren K.^, ^cE' ^EA ^^zw· Kg₁J, Kjjp, Kp_B, von ebnen jeder Kommutierungskondensator (z.B. K_AC) zwischen dem Verbindungspunkt in der einen Reihenschaltung (z.B. A1, A2) und dem Verbindungspunkt in der anderen Reihenschaltung (z.B.CI, C2) angeordnet ist. Die Funktion eines solchen Stromrichters mit Phasenfolgelöschung ist in einphasiger Ausführung bereits in der älteren Anmeldung P 27 02 078.6 - VPA 77 P 3004 BRD erläutert. Der Stromrichter 5 wird über eine Drosselspule 1? mit konstantem Gleichstrom I_d aus einem kleinen netzgeführten Stromrichter 11 gespeist.

Im folgenden wird anhand der Figuren 4 bis 14 das Verfahren für die Steuerung der Einrichtung zur Symmetrierung nach Fig. oder 3 näher erläutert. Entsprechend kann auch - mit geringfügiger Verschiebung - bei der Einrichtung nach Fig. 2 vorgegangen werden.

Aus den Fig. 4 und 14 ergibt sich ein Steuerbeispiel für die Steuerung des Betrags des einzuspeisenden Strom-Gegensystems. Die einzelnen Zeitabschnittebeziehen sich dabei auf die in Fig. 14 dargestellte Zeitachse t.

Nach Fig. 4 besitzt der Gleichstrom I_d, der gleich dem Ausgangsstrom der Stromquelle 10 ist, einen völlig waagerechten Zeitverlauf. Die einzelnen zünd- und löschbaren Ventile A bis F werden nach einem bestimmten Pulsprogramm gesteuert. Dadurch wird der Gleichstrom I, zyklisch auf alle drei Phasenausgänge des selbstgeführten Stromrichters 5 verteilt.

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Aus den Fig. 5 "bis 10 ist zunächst die zeitliche Verteilung der stromleitenden Zustände und die Stromführungsdauer der einzelnen Ventile A bis F des selbstgeführten Stromrichters 5 ersichtlich. Eingetragen ist der zeitliche Verlauf der Ventilströme i. bis ip. Danach erhält jedes Ventil A bis F in ,jeder Periode T = i/f„ der Netzwechselspannung zwei Zündimpulse. Jedes Ventil A bis F ist also pro Periode T zweimal für einige Zeit eingeschaltet. Die Steuerung ist nun so vorgenommen, daß' sich abwechselnd eine kürzere und eine längere Einschaltdauer ergibt. Nach Ablauf der durch den Pulsprogrammgeber vorgegebenen Einschaltdauer wird das betreffende Ventil A bis F zwangsgelöscht.

Aus Fig. 5 geht hervor, daß die längere der beiden Einschaltdauern symmetrisch zu einem ersten Zeitpunkt ti und die kürzere der beiden Einschaltdauern symmetrisch zu einem zweiten Zeitpunkt t2 liegt. Nach Fig. 14 ist die Periodendauer T durch äquidistante Zeitpunkte ^ = O, T_n/6, 2T_n/6, 3T_n/6 ..., T_n mit i = O, 1, 2, ... unterteilt; es gilt hierbei t, - ^_-1 « T /(pk) ■ 1/(pf_nk), wobei ρ die Pulszahl des Stromrichters 5. f„ wieder die Netzfrequenz und k eine positive ganze Zahl bedeutet. Die Pulszahl ρ ist vorliegend gleich 6 und k ist gleich 1 gewählt. Der erste Zeitpunkt ti liegt genau zwischen T/6 und 2T /6. Der zweite Zeitpunkt t2 liegt um T /2 zeitlich später und somit genau zwischen 4T /6 und 5T /6. Die Zahl 2k gibt jeweils die gewählte Anzahl der positiven und der negativen Teilstrombalken an. In einem anderen Ausführungsbeispiel könnte k « 2, 3, ... gewählt sein.

Die Stromführungsprogramme der Ventile benachbarter Brückenzweige sind um T /2 gegeneinander verschoben. Aus einem Vergleich der Ventilströme i. und i_ß von Fig. 5 und 6 wird z.B. deutlich, daß das Steuerungsprogramm der beiden Ventile A und B identisch ist, aber um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben ist. Dabei sind während einer jeden Periode T_n für eine Zeitdauer, die der kürzeren der beiden Einschaltdauern entspricht, beide Ventile A und B zweimal gleichzeitig stromführend. Das gilt auch für die beiden Ventilströme i„ und ip der beiden benachbarten Ventile C und D nach Fig. 7 und 8 so-

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wie für die beiden Ventilströme i„ ur.d i- der beiden benachbarten Ventile Ξ ur.d F nach Fig. 9 und ¹C. Die Steuerung des Ver.tilp?.ares C, D ist gegenüber der. Ventilp = sr A, B um T /3 zeitlich nachverschcben, und die Steuerung des anderen Ventilpaares D, F ist gegenüber dem Ventil^-aar A. B un T /3 zeitlich vorverschcben.

Die in den Figuren 5 bis ¹O dargestellte Stromverteilung der Ventile A bis F hat zur Folge, daß sich drei gegeneinander un T /3 phasenverschoben Ausgangsströme I₁, i_?, i, einstellen. Ihr Zeitverlauf ist in den Figuren H bis ¹? gezeigt. Fro Periode ergeben sich danach c^eveils zwei benachbarte positive und zwei benachbarte negative Teilstrombalken gleicher Breite 2a. Hier tragen also insgesamt vier Teilstrombalken oro Periode zur Grundschvir.gur.g bei. Die Gesamtbalkenlänge pro Kalbperiode ist gleich <~a.

Zur Amplitudensteuerur.g ist folgendes zu sagen:

Aus Fig. *£■ geht hervor, daß beidseitig symmetrisch zu den äquidistan-en Zeitpunkten t_± = 0, T_n/6, 2T_n/6 ... T_n mit i = 0, 1, 2, ... eine Aussteuerung a erfolgt. Eine bestimmte Aussteuerung a entspricht dabei einem bestimmten Betrag des einzuspeisenden Stron-Gegensystems, vrird ein größerer Betrag erforderlich, so wird von der Steuereinrichtung 2C eine größere Aussteuerung a vorgegeben. Die Zünd- und Löschzeitpunkte der einzelnen Ventile A bis F werden dann in Richtung der waagerechten Pfeile von Fig. 14 verschoben.

Die Verschiebungsrichtung für das Zünden und Löschen der Ventile A und 3 bei vergrößerter Aussteuerung a ist durch waagerechte Pfeile auch in Fig. 5 bzw. 6 kenntlich gemacht. Hieraus ergibt sich, daß die kürzere und die längere Einschaltdauer gegensinnig steuerbar sind. Aus Fig. 5 und 6 ist weiter ersichtlich, daß die längere Einschaltdauer die Länge (T /p) + 2a und daß die kürzere Einschaltdauer die Länge (T /p) - 2a besitzt, wobei vorliegend ρ = 6 gilt. Während bei einer vergrößerten Aussteuerung a die längere Einschaltdauer größer wird, nimmt die kürzere hierbei ab. Bei einer maximalen Aussteuerung a = T_n/12 ist die längere Einschaltdauer ~_n/3

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die kürzere Einschaltdauer C geworder., rei einer .-.u ξ steuerung a = 0 sind jedoch beide Einschaltcauern gleich rrt.*:; sie heben dann den Wert T /6 anrenoncen. Entsrrechences i'ilt fJr die Zinschaltdauem in den Firuren 7 bis 'C.

Aus Fig. 11 ist erischtlich, c?.~ bei einer ver~r"'er~er. Aussteuerung a die Flanker, der einzelner. Teilstrc-balken Lr. Richtung der Pfeile versehet en werden, de? eise die Gesar-tbreite 2a jedes Teilstroiacalkens zuninet. Als Kexisalwert fir die Aussteuerung a gilt - wie bereits erwähnt - der Wer": ε = 7^/12. Die beiden Teilstroisbaiken sind darr, zu eir.en 2~ror.ccl>:er: der Ereite T /3 verschmelzen. Dss ist ir. Fig. ^ΛΛ durch die Neidergestrichelten grö£eren Strcnfcslken or.f-edeute-:. Tie ~ir.ir.ele Aussteuerung a ist durch den Wert ε = C ν

-ο ~c ·

Zur Veränderung der Fhasenlere des einrespeister. STrcr-C-erer.-systens werden sämtliche Teilstronit=lkeri der Fir. '' "'is *? reiaeinsani im gleichen Sinne um denselben 3etrer ~e r.ech .Anforderung zeitlich vor- oder zurückverscheben.

Aus Fig. 11 wird folgendes deutlich: Die ^ir.st;eisun& eines Stroni-Gegensystenis nix aeximel möglichem Bexrer -:=r.r. ~iz eir.ez. Pulsprograann durchgeführt werder., des se sufgebeu* is", c = 3 i" Ausgangsstron i,, pro Periode T ein positiver ur.d eir. negativer Strombalken entsteht, die eine aaxinele Breite von T„/7 und einen gegenseitigen Abstand von T /6 besitzen. Fine Verringerung des maximalen Betrages erfordert eine Verringerung der Strcn:- flußdauer in jeder Kalbperiode. Das wird dadurch erreicht, da.? der Strombalken in jeder Halbperiode in eine gewisse Zahl 2k von Teilstrombalken aufgeteilt wird ("Strompulsen"), wobei die Breite der Teilstrombalken verringert wird. Dabei kann k eine der Zahlen 1, 2, 3, ... annehmen. Beispielsweise kann eine Aufteilung in 2k = 2 gleich breite und symmetrisch gelegene Teilstronbalken vorgenommen werden. Dies ergibt sich aus Fig. 11. Abweichend davon kann aber auch eine Aufteilung in 2k = A oder mehr Teilstrombalken erfolgen, die jeweils gleiche Breite besitzen müssen. Allerdings ist zu beachten, daß mit steigender Anzahl 2k von Teilstrombalken die Schaltverluste steigen.

10 Patentansprüche

14 Figuren 809835/0252

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L e e r s e i t

Claims

77 P 3 03 3 BRD Patentansprüche 2708305

1.) Einrichtung zur Symmetrierung eines unsymmetrischen Verbrauchers, der aus einem Drehspannungsnetz gespeist ist, mit einem wechselspannungsseitig mit vertauschter Phasenfolge an das Drehspannungsnetz angeschlossenen selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet, zwangsweise löschbar und so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, wobei die Phasenlage bezüglich der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage und die Amplitude der Grundschwingung in Abhängigkeit von der Amplitude des zur Symmetrierung erforderlichen Strom-Gegensystems geführt ist, und mit einer an den Stromrichter angeschlossenen Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (10) zum Einspeisen eines konstanten, der maximal zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung entsprechenden Gleichstroms (I-a) vorgesehen ist, und daß der selbstgeführte Stromrichter (5) durch Zünden und Löschen seiner Ventile (A bis F) sowohl in Abhängigkeit von der Phasenlage als auch in Abhängigkeit von der Amplitude des erforderlichen Strom-Gegensystems gesteuert ist, wobei eine Änderung der Amplitude der Grundschwingung des Ausgangsstroms (I₁, i₂» i*) durch Pulsbreitensteuerung in einem dem Steuersatz des selbstgeführten Stromrichters (5) vorgegebenen Pulsprogramm und eine Änderung der Phasenlage der Grundschwingung des Ausgangsstroms (i-i» i?' *3^ durch Verschieben des gesamten Pulsprogramms gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung durchgeführt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsprogramm so beschaffen ist, daß der Ausgangsstrom (I₁, i₂, i*) pro Periode (T_n) der Netzwechselspannung in symmetrischer Anordnung aus mindestens 2k = 2 nebeneinander liegenden positiven und mindestens 2k * 2 nebeneinander liegenden negativen Teilstrombalken mit jeweils steuerbarer Gesamtbreite (2a) besteht, wobei die positiven und

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die negativen Teilstrombalken jeweils gleiche Breite (2a) und einen gegenseitigen Abstand von (t. - t._₁) = T /(p.k) besitzen, worin T_n die Periode der Netzwechselspannung, ρ die Pulszahl des selbstgeführten Stromrichters (5) und k eine positive ganze Zahl ist (Fig. 11 bis 13)·

3. Einrichtung nach Anspruch 2 mit einem sechspulsigen selbstgeführten Stromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß bei k = 1 die positiven und die negativen TeiIstrombalken Jeweils symmetrisch in zwei im Abstand einer halben Periode (T /2) liegenden Zeitpunkten (ti, t2) gelegen sind, daß ihre Breite (2a) gleich bemessen ist und daß jeweils ihre durch Addition gewonnene Gesamtbreite (Aa) maximal bis zu einer Drittelperiode (T_n/3) steuerbar ist (Fig. 11 bis 13).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig symmetrisch zu äquldistanten Zeitpunkten jeweils wenigstens ein Ventil (A bis F) des Stromrichters (5) stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer der einzelnen Ventile (A bis F) des Stromrichters (5) in Abhängigkeit von der Höhe der zu symmetrierenden Unsymmetrieleistung geführt ist und wobei die äquidistanten Zeitpunkte (t*) bezüglich der Nulldurchgänge der Netzwechselspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage des zur Symmetrierung benötigten Strom-Gegensystems einstellbar ist (Fig. 5 bis 10).

5. Einrichtung nach Anspruch k für ein dreiphasiges Drehspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß pro Periode (T_n) der Netzwechselspannung zwei Ventil-Einschaltzeiten unterschiedlicher Dauer vorgesehen sind (z.B. Figur 5).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen ist, der wechselspannungsseitig an das Drehspannungsnetz und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten

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Stromrichters angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der netzgeführte Stromrichter (11) auf konstanten Ausgangsstrom (Ij) geregelt ist (Figur 1).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der netzgeführte Stromrichter (11) steuerbare Ventile in Drehstrom-Brückenschaltung umfaßt (Figur 1).

Θ. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle (10) eine Drosselspule (23) vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter (5) aus dem Drehspannungsnetz (3) gespeist ist, und daß die Phasenlage der Ausgangsströme (I₁, ip, i,) des selbstgeführten Stromrichters (5) bezüglich der Netzwechselspannung gering abweichend von dem Wert, der durch das zur Symmetrierung erforderliche Strom-Gegensystem vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule (23) der konstante Gleichstrom (I_d) einstellt (Figur 2).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wechselspannungsseitigen Ausgang des selbstgeführten Stromrichters (5) und dem Dreh-? Spannungsnetz (3) ein Transformator (6) angeordnet ist (Fig. 1 bis 3).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als selbstgeführter Stromrichter (5) ein Stromrichter mit Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, bei dem sämtliche Ventile (A1 bis D2) steuerbar ausgeführt sind (Fig. 3).

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