DE717831C - Anordnung zur Abschaltung bzw. Kurzschlussstrombegrenzung bei Stromrichterumformungseinrichtungen - Google Patents

Description

• Anordnung zur Abschaltung bzw. Kurzschlußstrombegrenzung bei Stromrichterumformungseinrichtungen Das Abschalten von Stromrichtern im halle von Kurzschlüssen in einem Netz kann bekanntlich durch die Gittersteuerung praktisch trägheitslos erfolgen. Nachteilig macht sich hierbei bemerkbar, @daß infolge dieser großen Geschwindigkeit, mit der die Abschaltung erfolgt, die Streckenschalter eingeschaltet bleiben. Bei Wiederinbetriebnahme des Stromrichters würde derselbe dann wieder auf den noch nicht abgeschalteten Kurzschluß arbeiten und sofort wieder abschalten, ohne daß nun dieses Mal der Streckenschalter gefallen wäre. Bekanntlich ist es nun notwendig, die-Stromrichteranordnung nicht sofort auszuschalten, sondern mittels der Gitterstetterung die Spannung nur so weit zu erniedrigen, daß durch die verkleinerte Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlußstromes gefahrlos dem Schalter (die zum Abschalten notwendige Zeit zur Verfügung gesteilt werden kann. Die hierfür bekanntgewordenen verschiedenen Schaltungen sind bisher jedoch nicht in der Lage, für größere Einheiten diese Bedingungen einwandfrei durchzuführen. Entweder arbeiten diese Schaltungen mit einer sinusförmigen oder einer. Gleichstromgittersteuerspannung und sind daher wegen des schrägen Anstieges der Steuerspannung (schleifende Schnitte zwischen Gittersteuerspannung und Ziindkennlinie der betreffenden Entladungsstrecke) für eine einwandfreie und, zeitlich gesehen, eindeutige Zündung der Großstromrichter nicht geeignet, oder aber die Anordnungen arbeiten mit einer Phasenverschiehung h7-w. Phasenverlagerung der Gitterwechselspannung. Die Verschiebung der Phasenlage der Gitterspannung aber ist mit den bisher angegebenen Mitteln nicht so rasch i zu erreichen, wie es für die Erfüllung der vorliegenden Aufgabe unbedingt erforderlich ist. Die,die Verschiebung der im allgemeinen rechteckförinigen Steuerspannung bewirkende Gleichstrommagnetisierung der Gittertransformatoren durchsetzt beiden bekannten Anordnungen auch die Wicklungen der sie erregenden Wechselspannung, so daß stets eine Dämpfung des Regelvorganges, d. h. eineVerzögerung der Phasenverschiebung der Span-, nung auftritt. Andererseits durchsetzt auch der Wechselstromfluß die Wicklungen der Gleichstromerregung und verursacht auch hier eine Dämpfung des Vorganges.
• Gegenstand der Erfindung ist eine praktisch trägheitslos arbeitende Anordnung zur Abschaltung bzw. Kurzschlußstrombegrenzung bei Stromrichterumformungseinrichtungen, -die mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstreck en arbeiten. Diesen Entladungsstrecken wird über Transformatoren stark gesättigter Bauart eine Steuerspannung annähernd rechteckförmiger Kurvenform, also mit steil ansteigender Wellenfront, zugeführt, und die Steuerbedingungen werden vom Kurzschlußstrom selbst abgeleitet. Erfindungsgemäß wird nun diese Steuerspannung; durch zusätzliche Magnetisderung des Gittertransformators in ihrer Phasenlage innerhalb einer Zeit von 3° bis 5° e1. so weit verschoben, daß der entstehende Kurzschlußstrom praktisch augenblicklich in seinem Anstieg begrenzt wird. Dabei wird die Bemessung der Geschwindigkeit des Aufbaues des die Verschiebung der Steuerspannungen hervorrufenden Gleichstrommagnetfeldes durch eine sehr geringe Bemessung der Zeitkonstanten des :die Gleichstrommagnetisierungswicklung enthaltenden Stromkreises stets größer gelialten n als die größte Feldänderungsgeschwindigkeit des im normalen Betrieb die rechteckförinige Steuerspannung erzeugenden Wechselfeldes, so idaß der Anstieg auf den Maximalwert des Gleichstromes in einer Zeit t.;, erfolgt, die gleich oder kleiner als der Wert ist, (wobei p die Phasenzahl und f die Frequenz bedeuten). Außerdem ist hierbei :die Anordnung der Magnetisierungswicklungeti auf dem Kern so zu treffen, daß der Gleichstrommagnetisierungsfluß nicht die Wicklungen der erregenden Wechselspannung durchsetzt und daß sich die indem Magnetisierungskreis der Gleichstromwicklung induzierten Wechselspannungen gegenseitig aufheben. Das kann durch entsprechende Aufteilung der Magnetisierungswicklun- in min-' Bestens zwei Teilwicklungen, die auf dem nicht sättigbaren Joch -des Gittertransformators aufgebracht werden, und durch gleichai Wicklungssinn der Teilwicklungen erreicht #-. werden.
• Mit Hilfe ,derartig bemessener und aufgzbauterStenerspannu.ngstransformatoren gelingt es, innerhalb kürzester Zeit eine Phasenverschiebung der rechteckförmigen Gittersteuerspannung zu bewirken. In Abb. z ist ein Steuertransformator gemäß der Erfindung dargestellt. Der Transformator besitzt einen Kern r, der nach dem gewöhnlichen Manteltransformatorblechschnitt aufgebaut ist. Das Joch :2 besteht aus einer Eisen--Nickel-Legierung, . Die Wechselstromerregerwicklung ,, befindet sich sauf -dem Mittelschenkel und treibt durch beide Außenschenkel den Wechselstrornfluß. Die Gleichstrommagnetisierungswicklung 4 sitzt, in zwei Teilwicklungen ;aufgeteilt, auf -dem nicht sättigbaren unteren Joch; beide Wicklungshälften weisen gleichen Wickelsinn auf, so daß sich die in ihnen induzierten Wechselspannungen aufheben. Die beiden Steuerspannungswicklungen 5 und 6, die in Reihe geschaltet sind und deren Verbindungspunkt beim Anschluß an einen Gleichrichter zur Kathode führt, sind auf dem Joch 2 angebracht. Wird nun eine Gleichspannung an die Wicklung 4 angelegt, so treibt der Gleichstrom nur durch den äußeren Eisenpfad einen Fluß, der in der einen Jochhälfte dem Wechselstromfluß entgegenwirkt, in der anderen den Wechselstromfluß verstärkt. Da die beiden Steuerspannungswicklungen 5 und 6 gegensinnig gewickelt sind, gelingt es, die rechteckförmigen Steuerspannungen gleichen Vorzeichens gegenüber der Kathode in gleicher Richtung zu verschieben, so daß ein Steuertransformator für die Steuerung zweier bezüglich der Phasenlage der Speisespannung uni a80, gegeneinander verschobener Entladungsstrecken verwendet werden kann.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann nun die infolge der nicht gleichzeitig auftretenden Belastung beider Jochhälften entstehende Unsymmetrie der Steuerspannung dadurch aufgehoben werden, daß zwischen beide Wicklungsenden und die Kathodenzuleitungen Trockengleichrichter ; geschaltet werden. In Verbindung mit den Gitterwiderständen 8 gelingt es, eine praktisch symmetrische I3eIastung :des Steuerungstransformators herbeizuführen. Der durch die erhöhte Belastung bedingte erhöhte Spannungsabfall kann leicht durch ein höheres Übersetzungsverhältnis ausgeglichen werden.
• In Abb. a a sind nur schematisch die an sich bekannten Vorgänge bei den Sättigungswandlern dargestellt worden. Der Wechselstromfluß 0,- durchsetzt auch das hochsättigbare Joch, dessen Sättigung den Verlauf Ojo,tt besitzt. Die Steuerspannung Ust tritt bekanntlich nur bei einer Änderung des Flusses fes des Jochflusses: Abb. 2 b zeigt die Verauf, also. während des Schrägverlauhältnisse bei der Hinzufügung der Mägnetisierungsgleichspannung 4 &r Abb. z. Es wird der zusätzliche Fluß- 0 - dem eigentlichen Magnetisierungsverlauf überlagert. Das äußert sich gewissermaßen so, als wenn einer Wechselspannung 0.-# eine Gleichspannungskomponente 0 = überlagert wird. Der Zeitabschnitt, in ein eine Flußänderung im Joch auftritt, verschiebt sich gegenüber der Abb. ä ä j e nach der Größe und Richtung des zusätzlichen Gleichstromes.
• Abb-.3 zeigt, wie eine :derartige Anordnung bei einem sechsphasigen Gleichrichter angewendet wird. Die Gitter,des Gleichrichters werden mit den entsprechenden Wicklungsenden der Steuertransformatoren verbunden. -Die Speisung der beim sechsphasigen Gleichrichter notwendigen drei Steuerspannungstransformatoren erfolgt zweckmäßigerweise unmittelbar vom Drehstromnetz 9 her. , Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der- Erfindung wird das Abschalten beim Auftreten 'eines Kurzschlußstromes in Abhängigkeit :dieses Stromes selbstbewirkt. Der Drosselsfrorri-,vandler zo ist nun so ausgebildet, _ daß der Sekundärseite die zur Verlagerung der Steuerspannungen notwendige Magnetisierungsleistung entnommen werden kann. 'Normalerweise wird die Drossel To primärsaitig vom Betriebsstrom 1n ,durchsetzt. Tritt ein Kurzschluß auf, so steigt,der Strom nach einer - e-Funktion auf den Kurzschlußwert 11"-- an. Der Anstiegsverlauf des Stronies i, folgt der Gleichung wobei T,_ die Zeitkonstante :des Gleichstromkreises darstellt. - - Unter :der berechtigten Annahme, :daß die Streuung :des Drosselwandlers klein ist, stellt dieser für den KurzschluB-kreis eine vernachlässigbare Induktivität dar. Es ist dann auch der Widerstand der Primärspule gegenüber den übrigen Widerständen zu vernachlässigen. T,. ist daher praktisch unabhängig von dem Drosselwandler. Die Differentiation der Gleichung (z) ergibt: die Anfangssteilheit s1 für-die-Zeit t=o wird dann Für den Selm@ndärkreis :des Wandlers gilt nun die folgende Gleichung:

  R. = Qhmscher Widerstand im Sekundär-

  kreis,

  L. = Induktiver Widerstand im Sekundär-

  kreis,

  AI = Gegeninduktivität im Sekundärkreis,

  i.2 = Sekundärstrom.

  Man kann dafür auch schreiben unter gleichzeitigem Einsetzender Gleichung (z) für den Wert Die Lösung -dieser inhomogenen-Differentialgleichung ist gegeben durch die Lösung der homogenen Differentialgleichungund ein partikuläres Integral. Die Lösung der homogenen 'Differentialgleichung ergibtc sich zu Zu einem partikulären Integral verhilft der Ansatz der in. Gleichung (5) eingesetzt ergibt:

  A (R2 - z-@ - ATS,

  LT1 _' L,

  Damit wird Die vollständige Lösung der Differentialgleichung (5) lautet somit -22 =-Z"ltont @ Zz7rart Für i2 = o und t = o ergibt sich für die Konstant= Damit wird Da die Zeitkonstante des Sekundärkreises ist, erhält man Dieser Strom i2 hat den aus Abb. q. ersichtlichen Verlauf. Den Zeitpunkt t"L, bei dem der maximale Wert von i2 auftritt, erhält man durch Differentiation der Gleichung (6) zu:

  die _ M T1 e- T1 e-Tz . (7)

  d t S l R, * T., - Ti( ` T + T

  1 2

  Zur Zeit t," ist , und die Gleichung (7) nimmt die Form an:

  e- T, _- e T# t TI- T2 In Ti . (8)

  Ti Tz Im -T i -T #T2

  a

  Entwickelt man das Glied a @i,n eine Reihe und bricht diese nach I .bis 2 Gliedern ab, so erhält man ,die Gleichung (8) in -der Form: Entsprechend der Phasenzahl soll das Maximum des Stromes i2 innerhalb der Arbeitsclauer einer Entladungsstrecke erreicht werden. Eine weitere Bedingung lautet also: Phasenzahl des Gleichrichters, f - Frequenz des speisenden Netzes. Gleichung (9) kann auch in der Form t"Z#T,+t"Z#T2=2Ti#T2 (9a) geschrieben werden. Für die Zeitkonstante T2 des Sekundärkreises ergibt sich die neue Gleichung: Zwecks Vereinfachung wird die auch versuchsmäßig bestätigte Annahme gemacht, daß tn << Ti ist (Tl,r 0,01, An ,; 6,003 Sek.), so daß sich ergibt Der in Gleichung (6) angegebene Sekundärstrom i2 hat sein Maximum zur Zeit t," erreicht. Die Gleichung des Maximalstromes i2,"ax lautet also, wenn der Wert der Gleichung (8) für t," in die Gleichung (6) eingesetzt wird: Der größtmögliche Wert von i2 ."x ergibt sich bei einer nur ideellen sekundären Zeitkonstanten von T. = o zu Wiederum werden und in einer Reihe entwickelt. Unterentsprechender Umformung ergibt sich als Wandlerzeitkonstante: setzt man den Wert der Gleichung (io) ein, so erhält man: Da T2 nie Null, sondern stets größer als Null sein wird, erhält man die Bedingung Zur Veränderung des Regeleinflusses durch den Drossel-strom%vandler io kann ein den Strom I4 beeinflussender, veränderlicher Widerstand ii (Abb. 3) dienen; es können aber auch die Wicklungsverhältnisse des Drosselstromwandlers oder der Magnetisierungswicklungen verändert werden. Auch kann der Eisenkern des Stromwandlers mit einem veränderlichen Luftspalt versehen werden und gegebenenfalls der Drosselstromwan.dler mit entsprechend bemessenen ParalleIdrosseln überbrückt werden. Unter Zuhilfenahrne eines größeren Schaltungsaufwandes kann,die rechteckförmige Steuerspannung während des Normalbetriebes durch eine entsprechende Vormagnetisierung verschoben werd; n, und man erhält so größere Regelbereiche für die Phasenverschiebung im Störungsfall. -Wie die Abb.5 und 6 zeigen, gelingt @es mit einer Anordnung gemäß Abb. 3 eine Abschaltung bzw. eine Begrenzung des Kurzschlußstromes in einer Zeit vorzunehmen, die unter io-3 Sek. liegt; nach dieser Zeit tritt eine Abflachung des Stromanstieges im Verhältnis i : io auf. Abb. 5 zeigt die Abschaltung bzw. Begrenzung in einem praktisch unbelasteten System. Im Punkte K, der ungefähr i5° e1. vor der Ablösung der gerade arbeitenden Entladungsstrecke durch die nächstfolgende liegt, tritt .ein Kurzschluß auf, der Normalstrom Jns entwickelt sich zum Kurzschlußstrom. Durch die entsprechende Wahl der Magnetisierungswicklungen und der Größenverhältnisse des Drosselstromwandlers wird .der Regelvorgang so wirksam, daß die gerade brennende Anode bis zum 1Kulldurchgang Strom führt. Erst dann zündet die nächstfolgende Entladungsstrecke (bei einer Frequenz von 50 Hz entsprechen Wie der Abb. 5 zu entnehmen ist, verringert sich die Steilheit des Kurzschlußstromanstieges TKant gleichzeitig auf den zehnten Teil ihres ursprünglichen Wertes. Der Magnetisierungsgleichstrom i2 bleibt kurze Zeit nahezu auf gleicher Höhe und sinkt dann langsam ab. Mit diesem Absinken ist ein langsames Wiederansteigen der Gleichspannung Ugl verbunden. Der Kurzschlußstrom TKsteigt langsam weiter, 'bis der Streckenschalter (Punkt A) des kumschlußbehaftetenTeile.s nach ungefähr drei Perioden abtrennt. Nach weiteren vier Perioden ist der Kurzschlußstrom auf den Wert Null zurückgegangen. Die Gleichspannung selbst wird mit dem Eintritt des Abschaltens, Punkt A, wieder nahezu vollständig, d. h. ohne zusätzliche Verzögerung ausgesteuert und ist mit dem Verschwinden des Kurzschlußstromes, also nach ungefähr 0,14 Sek., wieder auf den ursprünglichen Aussteuerungsgrad zurückgekehrt. Die gleichen Verhältnisse bei höherer Vorbelastung zeigt die A#bb. 6, für die die gleichen Bezugszeichen gelten. Auch hier arbeitet -die Anordnung gemäß der Erfindung voll-kommen sicher.
• Sollte trotz mehrfacher Abschaltversuche der Begrenzungsanordnung (Punkt A der Abb. 5 und 6) der Streckenschalter nicht fallen, so kann dann ebenfalls mit Hilfe der Gittersteuerung eine Abschaltung der gesamten Anlage vorgenommen werden. Da die Abschaltung bzw. Kurzschlußstromanstiegs:b:egrenzung vom zeitlichen Verlauf des Ktirzschlußstromes selbst hervorgerufen wird, kann man sie auch als --Begrenzung bezeichnen und damit zum Ausdruck bringen, daß ein Kurzschlußstrom im Entstehen erfaßt und begrenzt wird.
• Die Anordnung ist der Einfachheit halber nur für einen Gleichrichter dargestellt worden. Die Anordnung kann aber ebenso für die anderen Gruppen von Stromrichterumformungseinrichtungen verwendet werden, wenn es sich darum handelt, den Kurzschlußstrom zu begrenzen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Anordnung zur Abschaltung bzw. Kurzsch:lußstrombegrenzung bei Stromrichterumformungs:einrichtungen, :die mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeiten, bei denen zur Gittersteuerung Transformatoren stark gesättigter Bauart, die Steuerspannungen annähernd rechteckiger Kurvenform liefern, verwendet werden und die Steuerbedingung vom I#,urzschlußstrom selbst abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung durch zusätzliche Magnetisieru,ng des Gittertransformators in ihrer Phasenlage innerhalb einer Zeit 3° bis 5° e1. so weit verschoben wird, daß der entstehende Kurzschlußstrom praktisch augenblicklich in seinem Anstieg begrenzt wird, wobei die Geschwindigkeit des Aufbaues des die Verschiebung der Steuerspannungen hervorrufenden Gleichstrommagnetfeldes infolge sehr gering bemessener Zeitkonstante des die Gleichstrommagnetisierungswicklung enthaltenden Stromkreises stets größer ist als die größte Feldänderungsgeschwindigkeit des im normalen Betrieb die reehteckförmige Steuerspannung erzeugenden Wechselfeldes, so daß der Anstieg auf den Maximalwert des Gleichstromes in einer Zeit t. erfolgt, die gleich oder kleiner ist als der Wert ( - Phasenzahl, f = Frequenz). a. Anordnung nach Anspruch i und z, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommagnetisierungsfluß sich, ohne die Wicklungen der erregenden Wechselspannung zu durchsetzen, schließt und daß sich die im Magnetisierungskreis der Gleichstromwicklung induzierten Wechselspannungen gegenseitig aufheben. 3. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungs-, wicklung in mindestens zwei Teilwicklungen unterteilt ist, die auf dem nicht sättigbaren Joch des Gittertransformators angeordnet sind, und daß diese Teilwicklungen gleichsinnig gewickelt sind. q.. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromwicklung eine geringe Windungszahl aufweist. 5. Anordnung nach Anspruch i ff., dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergleichmäßimxng der unsymmetrisch auftreten-;den :Belastung beider Jochhälften zwischen die Wicklungsenden der Steuerspannungswicklungen Trockengleichrichter geschaltet werden. 6. Anordnung nach Anspruch i,d.adurch gekennzeichnet, daß die vom Kurzschlußstrtim abgeleitete Gleichspannung einem Drosselspulenwandler (io) entnommen wird, dessen sekundärseitigeZeitkonstante ist. 7. Anordnung nach Anspruch i und 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bemessung des Drosselspulen-wandlers die Vorschrift gilt