CH621440A5

CH621440A5 - Balancing device for a three-phase power system

Info

Publication number: CH621440A5
Application number: CH1576377A
Authority: CH
Inventors: Gottfried Prof Moeltgen
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1981-01-30
Also published as: DE2713073B2; JPS53118747A; DE2713073A1; SE7803176L; DE2713073C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit einem selbstgeführten Stromrichter, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist. The invention relates to a balancing device for a three-phase network that is loaded by an asymmetrical consumer, with a self-commutated converter that is connected to the three-phase network via a three-phase transformer with an interchanged phase sequence, and with a network-guided converter that is also connected to the three-phase network and feeds the self-commutated converter with impressed direct current via a smoothing choke.

Eine solche Symmetrierungseinrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 247 819 bekannt. Diese Symmetrierungseinrichtung beruht auf folgender Überlegung: Das von einem unsymmetrischen Verbraucher im Drehstromnetz hervorgerufene Stromsystem lässt sich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Durch Einspeisung eines entsprechenden Gegen-stromsystems in das Drehstromnetz lässt sich der Verbraucher symmetrieren, indem der als Unsymmetrieleistung bekannte Anteil der Scheinleistung, der keinen Wirkanteil hat, aufgebracht ist. Such a balancing device is known from German Offenlegungsschrift No. 2,247,819. This balancing device is based on the following consideration: The current system caused by an asymmetrical consumer in the three-phase network can be broken down into a symmetrical, concurrent and a symmetrical, opposing current system. By feeding an appropriate counter-current system into the three-phase network, the consumer can be symmetrized by applying the portion of the apparent power known as asymmetry power that has no active component.

Die bekannte Symmetrierungseinrichtung benutzt zur Lieferung des Gegenstromsystems einen selbstgeführten Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen in Drehstrombrückenschal-tung, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist. Dieser Wechselrichter wiederum bezieht seinen Gleichstrom über eine Glättungsdrossel aus einem Gleichrichter, der ebenfalls steuerbare Ventile in Drehstrombrückenschaltung besitzt und über einen Netztransformator an das Drehstromnetz angeschlossen ist. The known balancing device uses a self-commutated inverter with controllable valves in a three-phase bridge circuit to supply the countercurrent system, which is connected to the three-phase network via a three-phase transformer with an interchanged phase sequence. This inverter, in turn, draws its direct current from a rectifier via a smoothing choke, which also has controllable valves in a three-phase bridge circuit and is connected to the three-phase network via a mains transformer.

Es hat sich gezeigt, dass der Aufwand bei dieser bekannten Symmetrierungseinrichtung recht gross ist; denn die Netzwechselspannung des Drehstromnetzes wirkt auf die Gleichstromseite des Wechselrichters in der Weise zurück, dass dort It has been shown that the effort involved in this known balancing device is quite large; because the AC line voltage of the three-phase network affects the DC side of the inverter in such a way that there

- bei eine Übersetzung des Drehstromtransformators von 1:1 - with a ratio of the three-phase transformer of 1: 1

- Spannungswerte vom Doppelten der Leiterspannung des Drehstromnetzes auftreten. Die Zwischenkreisspannung enthält einen hohen Wechselanteil von doppelter Netzfrequenz. Das hat eine hohe Beanspruchung der Ventile des Wechselrichters zur Folge und macht eine sehr grosse Induktivität der Glättungsdrossel erforderlich. Diese grosse Induktivität wiederum verlangt einen grossen Steuerbereich des Gleichrichters, wenn der eingeprägte Gleichstrom rasch geändert werden soll. - Voltage values of twice the line voltage of the three-phase network occur. The intermediate circuit voltage contains a high alternating component of twice the mains frequency. This results in high stress on the valves of the inverter and requires a very large inductance of the smoothing choke. This large inductance in turn requires a large control range of the rectifier if the impressed direct current is to be changed quickly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Symmetrierungseinrichtung den Gesamtaufwand zu verringern. Insbesondere soll erreicht werden, dass eine Glättungsdrossel und ein Gleichrichter jeweils kleiner Auslegung zum Einstellen des eingeprägten Gleichstroms ausreichen, so dass die Verluste gering bleiben. The object of the invention is to reduce the total outlay in the case of the balancing device mentioned at the beginning. In particular, it should be achieved that a smoothing choke and a rectifier, each of a small design, are sufficient to set the impressed direct current, so that the losses remain low.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen den selbstgeführten Stromrichter und das Drehstromnetz als Drehstromtransformator ein über einen Synchronmotor angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator geschaltet ist, und dass die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter in den Läufer des Drehfeldtransformators eingespeisten Stromes des Stromgegensystems gleich dem Doppelten der Netzfrequenz ist. This object is achieved according to the invention in that a three-phase transformer driven by a synchronous motor and rotating at a network-synchronous speed is connected between the self-commutated converter and the three-phase network as a three-phase transformer, and in that the frequency of the current of the opposing system fed by the self-commutated converter into the rotor of the three-phase transformer is equal to that Is twice the mains frequency.

Der rotierende Drehfeldtransformator kann insbesondere in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt und von einer an dasselbe Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmaschine angetrieben sein. Die Eigenschaften des rotierenden Drehfeldtransformators sind bespielsweise in dem Buch «Elektrische Maschinen» von Th. Bödefeld und H. Sequenz, 1971, Springer-Verlag, Wien, New York, 8. Aufl., Seiten 202-203 beschrieben. The rotating rotating field transformer can be designed in particular in the form of a slip ring machine and can be driven by a synchronous machine connected to the same three-phase network. The properties of the rotating rotating field transformer are described, for example, in the book "Electrical Machines" by Th. Bödefeld and H. Sequence, 1971, Springer-Verlag, Vienna, New York, 8th edition, pages 202-203.

Häufig ist bei einem Verbraucher neben der Symmetrierungseinrichtung gleichzeitig auch eine Einrichtung zur Blindleistungskompensation vorhanden, die einen rotierenden Phasenschieber umfasst. Dieser ohnehin vorhandene Phasenschieber kann nach einer Weiterbildung der Erfindung gleichzeitig auch zum Antrieb des Drehfeldtransformators verwendet werden. Dadurch kann eine besondere Synchronmaschine eingespart werden. In addition to the balancing device, a consumer frequently also has a device for reactive power compensation, which comprises a rotating phase shifter. According to a further development of the invention, this phase shifter, which is present anyway, can also be used to drive the rotating field transformer at the same time. A special synchronous machine can thus be saved.

Der rotierende Drehfeldtransformator überträgt im vorliegenden Fall selbst keine Wirklast, läuft also praktisch leer und erfordert zum Antrieb nur ein Antriebsaggregat kleiner Leistung, also zum Beispiel nur einen kleinen Synchronmotor. Ist nach Anschluss des Ständers des netzsynchron rotierenden Drehfeldtransformators an das Drehstromnetz das Ständerdrehfeld so gerichtet, dass die Läuferfrequenz Null ist, so ist der Drehfeldtransformator für das Drehstromnetz ohne Wirkung, das heisst an den Läuferklemmen entsteht durch die Netzspannung keine Spannung, die sich dem Wechselrichter mitteilen könnte. Wird bei dieser der Netzfrequenz entsprechenden Drehzahl in den Läufer ein Strom mit der doppelten Netzfrequenz (zum Beispiel mit 100 Hz) bei vertauschter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Ständerseite als das gewünschte Gegenstromsystem mit einfacher Netzfrequenz (zum Beispiel 50 Hz). In the present case, the rotating induction transformer itself does not transmit any active load, so it runs practically idle and only requires a drive unit of low power to drive, for example only a small synchronous motor. If, after connecting the stator of the synchronous rotating field transformer to the three-phase grid, the stator rotating field is directed in such a way that the rotor frequency is zero, the three-phase transformer has no effect on the three-phase network, i.e. the grid voltage does not generate any voltage at the rotor terminals that is communicated to the inverter could. If, at this speed corresponding to the line frequency, a current with twice the line frequency (for example 100 Hz) is fed into the rotor with the phase sequence reversed, it is transferred to the stator side as the desired countercurrent system with a single line frequency (for example 50 Hz).

Die Läuferwicklung des Drehfeldtransformators muss für eine Spannung isoliert sein, die sich aus der für das Gegenstromsystem wirksamen Induktivität einschliesslich derjenigen des Drehfeldtransformators und der maximalen Stromänderungsgeschwindigkeit des Wechselrichterstroms ergibt. Diese Stromänderungsgeschwindigkeit kann gering gehalten werden durch verhältnismässig grosse Löschkondensatoren im Wechselrichter. Eine grosse Kommutierungsdauer ist nicht nachteilig, weil keine Energieübertragung stattfindet. Die Spannung im Gleichstromkreis erreicht dann nur noch niedrige Werte und ist - bei einer Wechselspannung mit doppelter Netzfrequenz - im übrigen zum Beispiel sechspulsig, so dass eine kleine Glättungsdrossel und ein kleiner Gleichrichter zum Einstellen des Gleichstroms ausreichen. The rotor winding of the rotating field transformer must be insulated for a voltage which results from the inductance effective for the countercurrent system, including that of the rotating field transformer and the maximum current rate of change of the inverter current. This current change rate can be kept low by relatively large quenching capacitors in the inverter. A long commutation period is not disadvantageous because there is no energy transfer. The voltage in the direct current circuit then only reaches low values and, for an alternating voltage with twice the mains frequency, is, for example, six-pulse, so that a small smoothing choke and a small rectifier are sufficient to set the direct current.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur erläutert. An embodiment of the invention is explained below with reference to a figure.

Nach der Figur speist ein Drehstromnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen unsymmetrischen Verbraucher 4 mit einer According to the figure, a three-phase network 3 with the phase conductors R, S, T feeds an asymmetrical consumer 4 with a

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

4-5 4-5

50 50

55 55

60 60

6") 6 ")

3 3rd

Wechselspannung der Netzfrequenz f. Der Verbraucher 4 ist hier eine einphasige Last, zum Beispiel ein Lichtbogenschmelzofen. Weiterhin ist an das Drehstromnetz 3 eine ruhende Symmetrierungseinrichtung 10 angeschlossen. Diese Symmetrierungseinrichtung 10 sorgt für die Zufuhr der benö- 5 tigten Unsymmetrieleistung auf elektronischem Wege. AC voltage of the mains frequency f. The consumer 4 here is a single-phase load, for example an arc melting furnace. Furthermore, a stationary balancing device 10 is connected to the three-phase network 3. This balancing device 10 ensures the supply of the required unbalance power 5 electronically.

Die Symmetrierungseinrichtung 10 umfasst einen selbstgeführten Stromrichter 11, der über eine Glättungsdrossel 12 mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist wird. Der selbstgeführte Stromrichter 11 ist mit doppelter Netzfrequenz 2f getaktet und arbeitet als Wechselrichter. Die wechselspannungsseitigen Anschlussklemmen sind mit u, v, w bezeichnet. Er ist mit zwei vertauschten Phasenleitungen über einen mit netzsynchroner Drehzahl rotierenden Drehfeldtransformator 50 an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Dadurch ist er in der Lage, je nach ' 5 der Höhe des eingeprägten Gleichstroms und der zeitlichen Lage seiner Steuerimpulse zi 1 ein beliebig einstellbares symmetrisches Stromsystem mit einem zur Phasenfolge des Drehstromnetzes 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein Gegenstromsystem abzugeben, wie es zur Symmetrierung des -'<> einphasigen Verbrauchers 4 benötigt wird. Der Drehfeldtransformator 50 ist in der Bauweise einer Schleifringläufermaschine ausgeführt. The balancing device 10 comprises a self-commutated converter 11 which is fed with impressed direct current via a smoothing choke 12. The self-commutated converter 11 is clocked at twice the mains frequency 2f and works as an inverter. The connection terminals on the AC voltage side are labeled u, v, w. It is connected to the three-phase network 3 with two interchanged phase lines via a rotating field transformer 50 rotating at a network-synchronous speed. As a result, depending on the level of the impressed direct current and the timing of its control pulses zi 1, it is able to deliver an adjustable symmetrical current system with a sense of rotation reversed to the phase sequence of the three-phase network 3, i.e. to emit a countercurrent system, as is the case with symmetry des - '<> single-phase consumer 4 is required. The rotating field transformer 50 is designed in the manner of a slip ring machine.

Im einzelnen ist aus der Figur ersichtlich, dass der Ständer 51 des Drehfeldtransformators 50 direkt an das Drehstrom- r> netz 3 angeschlossen ist. Der Läufer 52 ist ebenfalls direkt mit den wechselspannungsseitigen Klemmen u, v, w des Stromrichters 11 verbunden; allerdings sind hier die Anschlüsse für die Klemmen v und w vertauscht. Der Läufer 52 wird mit netzsynchroner Drehzahl gedreht. Zum Antrieb ist eine besondere so Synchronmaschine 53 vorgesehen, die aus dem Drehstromnetz 3 gespeist wird. Da der Drehfeldtransformator 50 keine Wirklast überträgt, also praktisch leerläuft, erfordert er zum Antrieb eine nur klein bemessene Synchronmaschine 53. Abweichend hiervon kann, falls am Drehstromnetz 3 gleichzei- 1-tig ein (nicht gezeigter) rotierender Phasenschieber arbeitet, dessen Synchronmaschine zum Antrieb des Drehfeldtransformators 50 vorgesehen sein. It can be seen in detail from the figure that the stator 51 of the rotating field transformer 50 is connected directly to the three-phase network 3. The rotor 52 is also connected directly to the AC-side terminals u, v, w of the converter 11; however, the connections for terminals v and w are interchanged here. The rotor 52 is rotated at a synchronous speed. A special synchronous machine 53 is provided for the drive, which is fed from the three-phase network 3. Since the rotating field transformer 50 does not transmit any active load, i.e. it runs practically idle, it requires a synchronous machine 53 which is only of small dimensions for the drive Rotary field transformer 50 may be provided.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 enthält gesteuerte Hauptventile 21 bis 26 in Drehstrombrückenschaltung. Insbe-sondere können Thyristoren vorgesehen sein. Für die Hauptventile 21 bis 26 wird eine an sich bekannte Kommutierungseinrichtung für Phasenfolgelöschung verwendet. Diese enthält für jede Brückenhälfte einen Kommutierungskondensator 27a, 28a, 29a bzw. 27b, 28b, 29b sowie in Reihe mit jeweils einem der <"■ The self-commutated converter 11 contains controlled main valves 21 to 26 in a three-phase bridge circuit. In particular, thyristors can be provided. A known commutation device for phase sequence cancellation is used for the main valves 21 to 26. For each bridge half, this contains a commutation capacitor 27a, 28a, 29a or 27b, 28b, 29b and in series with one of the <"■

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gesteuerten Hauptventile 21 bis 26 je ein ungesteuertes Kommutierungsventil 31 bis 36. Die Kommutierungskondensatoren 28a bis 29b sind jeweils zwischen Hauptventil und zugehörigem Kommutierungsventil angeschlossen. Der selbstgeführte Stromrichter 11 wird sechspulsig betrieben (Pulszahl p = 6). controlled main valves 21 to 26 each have an uncontrolled commutation valve 31 to 36. The commutation capacitors 28a to 29b are each connected between the main valve and the associated commutation valve. The self-commutated converter 11 is operated in six pulses (number of pulses p = 6).

Die Glättungsdrossel 12 am Eingang des selbstgeführten Stromrichters 11 sorgt dafür, dass der speisende Gleichstrom eingeprägt ist. The smoothing choke 12 at the input of the self-commutated converter 11 ensures that the supplying direct current is impressed.

Der selbstgeführte Stromrichter 11 bezieht den eingeprägten Gleichstrom aus einem üblichen netzgeführten Stromrichter 13 in grundsätzlich beliebiger Schaltung. Der Stromrichter 13 ist über einen Netztransformator 17 ebenfalls an das Drehstromnetz 3 angeschlossen. Als netzgeführter Stromrichter 13 wird hier ein solcher mit gesteuerten Hauptventilen 41 bis 46 in Drehstrombrückenschaltung verwendet. Der Stromrichter 13 wird mit Hilfe von Steuerimpulsen zl3 sechspulsig betrieben (Pulszahl p = 6). The self-commutated converter 11 obtains the impressed direct current from a conventional mains-guided converter 13 in a basically arbitrary circuit. The converter 13 is also connected to the three-phase network 3 via a network transformer 17. As a network-guided converter 13, one with controlled main valves 41 to 46 in a three-phase bridge circuit is used here. The converter 13 is operated with the aid of control pulses zl3 in six pulses (number of pulses p = 6).

Zum Betrieb der Symmetrierungseinrichtung 10 ist folgendes zu sagen: Zunächst wird der vom Drehstromnetz 3 abgeschaltete Drehfeldtransformator 51 durch die Synchronmaschine 53 auf netzsynchrone Drehzahl hochgefahren. Danach wird der Ständer 51 an das Drehstromnetz 3 angeschaltet. Ist nach diesem Anschluss des Ständers 51 an das Drehstromnetz 3 das Ständerdrehfeld des Drehfeldtransformators 50 entsprechend gerichtet, so ist die Läuferfrequenz Null. In diesem Fall ist der Drehfeldtransformator 50 für das Drehstromnetz 3 ohne Wirkung, das heisst an den Klemmen des Läufers 52 entsteht durch die Netzwechselspannung keine transformatorische Spannung, die an den selbstgeführten Stromrichter 11 weitergeleitet werden könnte. Wird nun bei der netzsynchronen Drehzahl vom eingeschalteten Stromrichter 11 in den Läufer 52 Strom mit der doppelten Netzfrequenz 2f bei verkehrter Phasenfolge eingespeist, so überträgt er sich auf die Seite des Ständers 51 als das gewünschte Gegensystem mit der einfachen Netzfrequenz f. The following can be said about the operation of the balancing device 10: First, the rotating field transformer 51, which is switched off from the three-phase network 3, is ramped up to the grid-synchronous speed by the synchronous machine 53. Then the stator 51 is switched on to the three-phase network 3. If the stator rotating field of the rotating field transformer 50 is appropriately directed after this connection of the stator 51 to the three-phase network 3, then the rotor frequency is zero. In this case, the three-phase transformer 50 has no effect for the three-phase network 3, that is to say at the terminals of the rotor 52, the AC mains voltage does not produce any transformer voltage which could be passed on to the self-commutated converter 11. If, at the grid-synchronous speed, current is fed into the rotor 52 from the switched-on converter 11 at twice the grid frequency 2f with the phase sequence reversed, then it is transferred to the side of the stator 51 as the desired counter system with the simple grid frequency f.

Da an den Klemmen des Läufers 52 keine transformatorische Spannung auftritt, ist der Höchstwert der Spannung im Gleichstromkreis nicht mehr durch die Höhe der Netzwechsel-spannung bestimmt. Die Spannung im Gleichstromkreis ist nur bestimmt durch die Höhe des vom Gleichrichter 13 zu liefernden Gleichstroms und die für das Stromgegensystem massgeblichen Impedanzen. Daher reichen ein klein dimensionierter Gleichrichter 13 und eine klein bemessene Glättungsdrossel 12 zum Einstellen des Gleichstroms aus. Since no transformer voltage occurs at the terminals of the rotor 52, the maximum value of the voltage in the direct current circuit is no longer determined by the level of the mains alternating voltage. The voltage in the direct current circuit is only determined by the level of the direct current to be supplied by the rectifier 13 and the impedances relevant for the current opposing system. Therefore, a small-sized rectifier 13 and a small-sized smoothing choke 12 are sufficient to set the direct current.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

621440 PATENTANSPRÜCHE621440 PATENT CLAIMS

1. Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen Verbraucher belastet ist, mit einem selbstgeführten Stromrichter, der über einen Drehstromtransformator mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und mit einem netzgeführten Stromrichter, der ebenfalls an das Drehstromnetz angeschlossen ist und über eine Glättungsdrossel den selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom speist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den selbstgeführten Stromrichter ( 11 ) und das Drehstromnetz (3) als Drehstromtransformator ein über einen Synchronmotor (53) angetriebener, mit netzsynchroner Drehzahl rotierender Drehfeldtransformator (50) geschaltet ist, und dass die Frequenz des vom selbstgeführten Stromrichter (11) in den Läufer (52) des Drehfeldtransformators (50) eingespeisten Stromes des Stromgegensystems gleich dem Doppelten (2f) der Netzfrequenz (f) ist. 1.Symmetrization device for a three-phase network, which is loaded by an asymmetrical consumer, with a self-commutated converter, which is connected to the three-phase network via a three-phase transformer with reversed phase sequence, and with a mains-operated converter, which is also connected to the three-phase network and via a smoothing choke feeds the self-commutated converter with impressed direct current, characterized in that between the self-commutated converter (11) and the three-phase network (3) as a three-phase transformer, a three-phase transformer (50) driven by a synchronous motor (53) and rotating at a network-synchronous speed is connected, and that Frequency of the current of the opposing system fed by the self-commutated converter (11) into the rotor (52) of the rotating field transformer (50) is twice (2f) the mains frequency (f).

2. Symmetrierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehfeldtransformator (50) die Bauweise einer Schleifringläufermaschine besitzt. 2. Balancing device according to claim 1, characterized in that the rotating field transformer (50) has the construction of a slip ring machine.

3. Symmetrierungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zum netzsynchronen Antrieb des Drehfeldtransformators (50) vorgesehene Synchronmotor (53) ein rotierender Phasenschieber ist. 3. Balancing device according to claim 1 and 2, characterized in that the synchronous motor (53) provided for the mains-synchronous drive of the rotating field transformer (50) is a rotating phase shifter.