CH635214A5

CH635214A5 - Static converter

Info

Publication number: CH635214A5
Application number: CH1121877A
Authority: CH
Inventors: Herbert Dr Ing Stemmler
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1983-03-15
Also published as: NO151437B; DE2746588A1; NO151437C; DE2746588C2; ATA480978A; SE444376B; AT373449B; SE7809490L; NO783058L

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Umrichter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a static converter according to the preamble of claim 1.

Die Schaltung eines solchen Umrichters, der bereits früher vorgeschlagen wurde, ist in der einzigen Figur gezeigt. Die zwei Teildirektumrichter DUR 1 und DUR 2 sind drehstromseitig parallelgeschaltet (wobei selbstverständlich darauf geachtet werden muss, dass sich ihre Kommutierungsvorgänge nicht gegenseitig beeinflussen). Ihre 16%-Hz-Ausgänge werden einerseits über eine Induktivität XL und andererseits über eine Reihenschaltung XLC einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator T zugeführt; dieser speist in das Betriebsnetz ein, das zum Beispiel ein Bahnnetz sein kann. The circuit of such an inverter, which has already been proposed earlier, is shown in the single figure. The two partial direct inverters DUR 1 and DUR 2 are connected in parallel on the three-phase side (although it must of course be ensured that their commutation processes do not influence each other). Its 16% -Hz outputs are fed on the one hand via an inductor XL and on the other hand via a series circuit XLC to a capacitor and an inductor to a common transformer T; this feeds into the company network, which can be a rail network, for example.

Zufriedenstellend - das heisst mit völliger Vermeidung von Wirkleistungspulsationen - funktioniert diese Schaltung jedoch nur bei voller Leistung (100%) und ist daher ohne Zusatzmassnahmen nicht allgemein brauchbar. Satisfactory - that is, with total avoidance of active power pulsations - this circuit only works at full power (100%) and is therefore not generally usable without additional measures.

Im folgenden sollen zunächst die Gleichungen für den zeitlichen Verlauf der Wirkleistung und der 50-Hz-seitigen Blindleistung in einer solchen Schaltung betrachtet werden. In the following, the equations for the time profile of the active power and the 50 Hz-side reactive power in such a circuit are to be considered first.

Die 16%-Hz-seitigen Ströme ii; ii und Spannungen ui; U2 der Direktumrichter DURI und 2 seien rein sinusförmig und mögen folgenden zeitlichen Verlauf haben: The 16% Hz side currents ii; ii and voltages ui; U2 of the direct converter DURI and 2 are purely sinusoidal and may have the following time profile:

Ul = Ur COS ( Cöt+ Cpui). il = Ii COS ( (0t+ <pn) (1) Ul = Ur COS (Cöt + Cpui). il = Ii COS ((0t + <pn) (1)

U2 = U2 COS ( <öt+ (PU2). 12 = I2 cos ( cot4- cpi2) (2) U2 = U2 COS (<öt + (PU2). 12 = I2 cos (cot4- cpi2) (2)

Unter der Annahme, dass die Direktumrichter Assuming that the direct converter

- verlustfrei arbeiten - work lossless

- und keine Speicher beinhalten, - and contain no memory,

ist der ein- und ausgangsseitige zeitliche Verlauf der Wirkleistung identisch. Sie berechnet sich nach den folgenden Gleichungen: the temporal course of the active power on the input and output sides is identical. It is calculated using the following equations:

pi = Ul il = Ul Ii COS ( (öt+ cpui) cos ( Ü)t+ (pü) pi = Ul il = Ul Ii COS ((öt + cpui) cos (Ü) t + (pü)

= UiIi/2[cos(2ct>t+ «pui + (pu) + cos ( <pui~ <Pii)] (3) = UiIi / 2 [cos (2ct> t + «pui + (pu) + cos (<pui ~ <Pii)] (3)

P2 = U2 Ì2 = U212 cos ( (Dt+ (pU2) cos ( (0t+ <Pj2) P2 = U2 Ì2 = U212 cos ((Dt + (pU2) cos ((0t + <Pj2)

= U2I2/2 [cos (2 cot+ (pU2+ <pi2) + cos ( (pu2- Cpi2)] W = U2I2 / 2 [cos (2 cot + (pU2 + <pi2) + cos ((pu2- Cpi2)] W

Die Wirkleistung besteht also aus einem konstanten und einem pulsierenden Anteil. Als Summenleistung p erhält man: The active power therefore consists of a constant and a pulsating component. The total power p is:

p = pi + p2 = UiIi/2 cos (2 cot+ <pui+ (pu) p = pi + p2 = UiIi / 2 cos (2 cot + <pui + (pu)

+ U2I2/2 COS (2 Cöt+ <pu2+ <Pi2)+ UlIl/2 cos(<pul- <Pi,) + U2I2 / 2 COS (2 Cöt + <pu2 + <Pi2) + UlIl / 2 cos (<pul- <Pi,)

+U2I2/2 cos ( q>u2— <Pi2> (5) + U2I2 / 2 cos (q> u2— <Pi2> (5)

Bei symmetrischen Drehstromsystemen ergibt sich bekanntlich ein kontinuierlicher Leistungsfluss. Bei einphasigen Wechselstromsystemen hingegen ist die Wirkleistung prinzipiell pulsierend. As is well known, symmetrical three-phase systems result in a continuous power flow. With single-phase AC systems, on the other hand, the active power is basically pulsating.

Bei Direktumrichtern, die ein Drehstromsystem mit einem einphasigen Wechselstromsystem verbinden, kann man daher die Übertragung der pulsierenden Wirkleistung auf die Drehstromseite nur dann verhindern, wenn die Netzkupplüng noch zusätzliche, in geeigneter Weise angeordnete Speicher enthält. In the case of direct converters which connect a three-phase system to a single-phase alternating current system, the transmission of the pulsating active power to the three-phase side can only be prevented if the mains coupling also contains additional, suitably arranged memories.

Zu diesem Zweck werden die Ausgangsspannungen der bereits erwähnten 2 Direktumrichter (DUR 1 und DUR 2 in der Figur) über eine Induktivität (XL) bzw. über eine Kapazität und Induktivität (XLC) einem gemeinsamen, das Bahnnetz speisenden Transformator T zugeführt. Diese Induktivitäten und Kapazitäten übernehmen die Funktion des Speicherns. For this purpose, the output voltages of the two direct converters already mentioned (DUR 1 and DUR 2 in the figure) are fed via an inductor (XL) or via a capacitor and inductor (XLC) to a common transformer T feeding the rail network. These inductors and capacitors take on the function of storing.

Die Induktivitäten und Kapazitäten sind so bemessen, dass man zunächst einmal bei 100%iger Leistung die Umrichterausgangsspannungen ui und U2 in ihrer Amplitude gleich und in ihrer Phasenlage um 90° gegeneinander versetzt steuern kann. Dabei sind die Umrichterausgangsströme ii und Ì2 jeweils in The inductances and capacitances are dimensioned in such a way that the converter output voltages ui and U2 can be controlled with the same amplitude and their phase position offset by 90 ° in relation to one another. The converter output currents ii and Ì2 are each in

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

Phase mit ihren zugehörigen Spannungen ui und U2 und ebenfalls in ihren Amplituden gleich. Phase with their associated voltages ui and U2 and also the same in their amplitudes.

Auf diese Weise entsteht 16%-Hz-seitig ein Drehfeld mit kontinuierlichem Wirkleistungsfluss. In this way, a rotating field with a continuous active power flow is created on the 16% -HZ side.

Wie oben schon bemerkt, funktioniert dieses Prinzip zunächst nur bei voller Leistung (100%) und ist daher nicht ohne weiteres allgemein verwertbar. As already noted above, this principle initially only works at full power (100%) and is therefore not generally usable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgrund dieses allgemeinen Prinzips aufgebaute Schaltung so auszubilden und zu dimensionieren, dass eine Wirkleistungspulsation über den vollen Leistungsbereich 0-100% vermieden wird. The invention is based on the object of designing and dimensioning the circuit based on this general principle in such a way that active power pulsation over the full power range 0-100% is avoided.

Die Erfindung wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben. The invention is achieved in connection with the features of the preamble according to the characterizing part of patent claim 1. Further developments of the invention are described in the dependent claims.

Wie sich leicht zeigen lässt, entfällt unter diesen Bedingungen der pulsationsabhängige Anteil der Wirkleistung; setzt man noch (pui - <Pii = -( <Pu2~ <Pi2) = A<pui und substituiert die obigen Ausdrücke in der Gleichung (.5) für die Wirkleistung, so erhält man: As can easily be shown, the pulsation-dependent portion of the active power is omitted under these conditions; if one sets (pui - <Pii = - (<Pu2 ~ <Pi2) = A <pui and substitutes the above expressions in the equation (.5) for the active power, one obtains:

p = UI/2 [cos (2 cot- 7t/2) + cos (2 o)t+ 7t/2)] p = UI / 2 [cos (2 cot- 7t / 2) + cos (2 o) t + 7t / 2)]

+ UI/2 cos A(pui + Ul/2 cos (- Acpuu) + UI / 2 cos A (pui + Ul / 2 cos (- Acpuu)

Der in der eckigen Klammer stehende erste Term verschwindet offenbar, so dass sich ergibt: The first term in the square brackets apparently disappears, so that:

p = UI cos A<pui das heisst die Pulsationsabhängigkeit ist beseitigt. p = UI cos A <pui that means the pulsation dependency is eliminated.

Man kann es auch so ausdrücken, dass mit abnehmender Leistung - wobei wegen des geringen Spannungsabfalls an XL und XLC die beiden Umrichter-Ausgangsspannungsanzeiger Ui und U2 zunehmend in der Phasenlage aufeinander zurücken -eine Steuerung möglich ist, bei der die Umrichterausgangs-stromzeiger Ii und I2 in dem Masse in ihrer Phasenlage auseinanderrücken, wie die Spannungszeiger zusammenrücken, und dass dabei der Wirkleistungsfluss kontinuierlich bleibt. It can also be said that with decreasing power - due to the low voltage drop at XL and XLC, the two converter output voltage indicators Ui and U2 increasingly move back in phase - a control is possible in which the converter output current indicators Ii and I2 to the extent that their phase positions move apart as the voltage pointers move together, and that the active power flow remains continuous.

3 635 214 3,635,214

Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind die Bahnantriebe (vollstatische Bahnnetzkupplungsumfor-mer). Man kann ohne weitere Massnahmen nicht vermeiden, dass die 50-Hz-seitige Blindleistung zunächst einmal pulsierend s ist. A particularly important field of application of the invention is the railway drives (fully static railway network converter converter). Without further measures, it cannot be avoided that the 50 Hz reactive power is initially pulsating s.

In dieser Beziehung ist ein Betrieb des Netzkupplungsumformers als Trapezumrichter günstig. Hierbei ergibt sich eine starke Reduktion der Blindleistung und Blindleistungspulsation (max. von 100 auf 20% im oberen Leistungsbereich). Ferner ist 10 dadurch auch eine bessere Ausnützung der installierten Stromrichterleistung (um bis max. 20% möglich. Als Nachteil tritt in Erscheinung, dass die Wirkleistungspulsationen nicht mehr voll unterdrückt werden können. Überdies ergeben sich auf der 16%-Hz-Seite mehr Stromoberschwingungen. In this regard, it is favorable to operate the network coupling converter as a trapezoidal converter. This results in a sharp reduction in reactive power and reactive power pulsation (max. From 100 to 20% in the upper power range). Furthermore, this also enables a better utilization of the installed converter power (by up to a maximum of 20%. A disadvantage that occurs is that the active power pulsations can no longer be completely suppressed. In addition, there are more current harmonics on the 16% Hz side.

's Um im ganzen Leistungsbereich im Trapezbetrieb fahren zu können, muss entweder ein Stufentransformator (auf der 50-Hz- oder 16y3-Hz-Seite) vorgesehen werden, der entsprechend der verlangten Umrichterausgangsspannung verstellt werden kann (hinzu käme noch ein Verstellbereich, um die 20 Spannungsänderungen des 50-Hz-und 16y3-Hz-Netzes kompensieren zu können), - oder man lässt die Umrichterausgangs-spannungsamplitude unabhängig von der Leistung konstant (während die Phase geschwenkt wird). 's In order to be able to drive in the full power range in trapezoidal operation, either a step transformer (on the 50 Hz or 16y3 Hz side) must be provided, which can be adjusted according to the required converter output voltage (there would also be an adjustment range to cover the 20 to be able to compensate for voltage changes of the 50 Hz and 16y3 Hz network), - or the converter output voltage amplitude is left constant regardless of the power (while the phase is being shifted).

Statt der Speicherserienschaltung XLC wäre theoretisch nur 25 eine Kapazität notwendig. Sie hätte allerdings zur Folge, dass der Oberschwingungsstrom des betreffenden Direktumrichters auf der 16%-Hz-Seite stark ansteigen würde. Deswegen ist es aus praktischen Gründen notwendig, der Kapazität noch eine Induktivität in Reihe zu schalten. Dabei muss die Kapazität 30 allerdings entsprechend vergrössert werden. Instead of the memory series circuit XLC, only 25 capacitance would theoretically be necessary. However, it would have the consequence that the harmonic current of the relevant direct converter would increase sharply on the 16% Hz side. For practical reasons, it is therefore necessary to connect an inductance in series with the capacitance. The capacity 30 must, however, be increased accordingly.

Schliesslich sei noch bemerkt, dass die gleiche Methode, wie sie hier für die Unterdrückung der Wirkleistungspulsation für den vollstatischen Netzkupplungsumformer beschrieben wurde, auch für die Beseitigung der Zwischenkreis-Leistungs-35 pulsationen bei Lokomotiven mit netzseitigem zwangskommu-tiertem Wechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis angewendet werden kann. Für diesen Fall ist die bisher übliche Lösung ein Filter im Gleichspannungszwischenkreis. Finally, it should be noted that the same method as described here for suppressing the active power pulsation for the fully static network coupling converter can also be used for eliminating the DC link power pulsations in locomotives with network-side, force-commutated inverters with a DC voltage intermediate circuit. In this case, the usual solution to date is a filter in the DC link.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

635 214635 214

1. Statischer Umrichter zur Kopplung eines mehrphasigen Primärnetzes mit einem einphasigen Sekundärnetz, insbesondere zur Kopplung eines dreiphasigen 50-Hz-Netzes mit einem einphasigen 16%-Hz-Netz, wobei der statische Umrichter aus zwei Direktumrichtern besteht, die drehstromseitig parallelgeschaltet sind, wobei der eine Direktumrichter (DURi) am einphasigen Ausgang über eine Induktivität und der andere Direktumrichter (DUR2) am einphasigen Ausgang über eine Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität einem gemeinsamen Transformator (T) zugeführt sind, der in das einphasige Sekundärnetz einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Impedanzen XL, XLc der Netzkupplung dem Betrage nach gleich gross gewählt sind: 1. Static converter for coupling a multi-phase primary network with a single-phase secondary network, in particular for coupling a three-phase 50 Hz network with a single-phase 16% Hz network, the static converter consisting of two direct converters which are connected in parallel on the three-phase side, the a direct converter (DURi) at the single-phase output via an inductor and the other direct converter (DUR2) at the single-phase output via a series connection of a capacitor and an inductor are fed to a common transformer (T) which feeds into the single-phase secondary network, characterized in that the the two impedances XL, XLc of the network coupling are selected to be of the same magnitude:

XL = XLC = X , XL = XLC = X,

dass die Amplituden Ui, U2 der beiden Direktumrichter-Ausgangsspannungen gleich und ihre Phasenlagen <pui, <Pu2 gegenüber dem Sekundärnetz-Spannungszeiger entgegengesetzt gleich gewählt sind: that the amplitudes Ui, U2 of the two direct converter output voltages are the same and their phase positions <pui, <Pu2 are chosen to be the same opposite to the secondary network voltage pointer:

Ui = U2 = U ; «pui = — <Pu2 . Ui = U2 = U; «Pui = - <Pu2.

worin U die Ausgangsspannung des aus den beiden parallelgeschalteten Direktumrichtern bestehenden statischen Umrichters bedeutet, womit auch die entsprechenden Ströme ii, Ì2 einander gleich werden: where U is the output voltage of the static converter consisting of the two direct converters connected in parallel, with which the corresponding currents ii, Ì2 also become the same:

ii = Ì2 = i , ii = Ì2 = i,

worin i den Ausgangsstrom des aus den beiden parallelgeschalteten Direktumrichtern bestehenden statischen Umrichters bedeutet, und der Phasenlagen in der Beziehung where i means the output current of the static converter consisting of the two direct converters connected in parallel, and the phase positions in the relationship

<Pil = - <Pi2 <Pil = - <Pi2

zueinander stehen. to stand by each other.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gleichen Impedanzen XL = Xlc = X so gewählt sind, dass ihr Spannungsabfall ii • X dem Betrag nach gleich der Umrichterausgangsspannung U ist: 2. Converter according to claim 1, characterized in that the mutually identical impedances XL = Xlc = X are selected such that their voltage drop ii • X is equal in magnitude to the converter output voltage U:

U = ii • X U = ii • X

und dass die Phasenwinkel der Ströme und Spannungen so gewählt sind, dass die Beziehungen and that the phase angles of the currents and voltages are chosen so that the relationships

<Pui + <Pn = ~ n/2 , <Pu2 + <Pi2 = n/2 erfüllt sind. <Pui + <Pn = ~ n / 2, <Pu2 + <Pi2 = n / 2 are fulfilled.

2 2nd

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gleichen Impedanzen Xl = XLc = X so gewählt sind, dass die Amplitude der Umrichterausgangsspannung unabhängig von der Leistung konstant gehalten wird, während ihre Phase geschwenkt wird. 3. Converter according to claim 1, characterized in that the mutually equal impedances Xl = XLc = X are selected so that the amplitude of the converter output voltage is kept constant regardless of the power while its phase is being pivoted.

4. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Trapezumrichter ist. 4. Converter according to claim 1, characterized in that it is a trapezoidal converter.

5. Umrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Primär- oder Sekundärseite ein Stufentransformator vorgesehen ist. 5. Converter according to claim 4, characterized in that a step transformer is provided on the primary or secondary side.

6. Verwendung des Umrichters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Bahnnetzkupplungsumformer. 6. Use of the converter according to one of claims 1 to 5 as a railway network converter.