-
Anordnung zum Leistungsaustausch zwischen zwei Wechselstromnetzen
konstanter Spannung. mit Hilfe von Boucherotkreisen, Transformator- und Stromrichteranordhungen
Die Erfindung bezieht sich auf Leistungsübertragungsanlagen, bei denen ein Wechselstrom
konstanter Spannung in Wechselstrom konstanter Stromstärke umgewandelt wird, der
nach der Gleichrichtung und Übertragung über einen Konstantstrom-Gleichstroin-Zwischenkreis
wieder in Wechselstrom konstanter Stromstärke und schließlich in Wechselstrom konstanter
Spannung umgewandelt wird.
-
Zur Umwandlung von Wechselstrom konstanter Spannung in Wechselstrom
konstanter Stromstärke oder umgekehrt werden Boucherotkreise verwendet, die aus
Blindwiderständen entgegengesetzten Vorzeichens, also aus Drosseln und Kapazitäten
bestehen.
-
Bei derartigen Anordnungen waren bisher die Verluste verhältnismäßig
groß, insbesondere bei schwacher Belastung, da auch in diesem Falle die Stromstärke
des in dein Konstantstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis . flie-#jenden Gleichstromes
auf dem--gleichen Wert gehalten wird. Vmi- Übertragungsverluste, die durch den bei
niedrigem und hohem Leistungsaustausch fließenden konstanten Strom gegeben sind,
bei niedrigem Leistungsaustausch zu verringern, ist bereits ein Verfahren zur Veränderung
der Betriebsbedingungen von Boucherotkreisen bekanntgeworden, nach dem die Grüße
der Schaltungselementie der Boucherotkreise verändert werden.
-
Die Erfindung bezweckt eine Verringerung der Übertragungsverluste
bei schwacher Belastung ohne Eingriff in die Boucherotkreise selbst. Erfindungsgemäß
wird dies dadurch erreicht, daß zur Verringerung der übertragungsverluste bei schwacher
Belastung der Strom in der Übertragungsleitung stufenweise durch Umschaltung von
Transformatorwicklun_gen, die auf der Konstantstromseite der Böuclierothreise vorgesehen
sind, verändert wird. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann man
zusätzlich eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung des in dem Konstan_tstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis
fließenden Gleichstromes durch-Zu- bzw.
Abschalten von einzelnen,
mit den übrigen parallel arbeitenden Boucherotkreisen erreichen. Die Konstantstromkreise
werden, dann nur aus einem oder zum mindesten" aus einer geringen Anzahl von Boucher@fkreisen
gespeist. Hierdurch wird eine Vd@' minderung des in dem Konstantstroni5 zwischenkreis
fließenden Stromes und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt. Außer
diesen Schaltern sind noch weitere Schalter vorgesehen, die einzelne Boucherotkreise
bei geringer Belastung kurzschließen, wodurch gleichfalls eine Verringerung der
Verluste und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gesamtanordnung erreicht
wird.
-
Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung dient zur Energieübertragung
zwischen zwei Konstantspannungswechselstromkreisen. Sie besteht aus einer Energielieferungs-.und
einer Energieaufnahmeeinrichtung,wogei die letztere die Übertragungseinrichtung
mit den entsprechenden Stromkreisen verbindet und die gewünschte Energieübertragung
zwischen dem Konstantstrom-Gleichstrom-Zwischennetz und dem ausgangsseitigen Wechselstromnetz
konstanter Spannung bewirkt. Die Energielieferungs- und Energieaufnahmeeinrichtungen
sind in ihrem Aufbau gleich und enthalten mehrere Stromkreise zur Umformung des
Wechselstromes konstanter Spannung in Gleichstrom konstanter Stromstärke oder umgekehrt.
Im einzelnen besteht jeder Stromkreis aus einem Boucherotkreis mit mehreren hintereinandergeschalteten
Blindwiderständen entgegengesetzten Vorzeichens, der den Wechselstrom konstanter
Spannung in Wechselstrom konstanter Stromstärke umformt. Jeder - Boucherotkreis
ist mit verschiedenen Anschlußklemmen versehen, nämlich solchen, die zu dem Konstantspannungskreis
führen, und solchen, die mit dem Konstantstrom-Wechselstrom-Kreis verbunden sind.
Zwischen die Gleichstromkreise konstanter Stromstärke und die Wechselstromkreise
konstanter Stromstärke sind Entladungsstrecken geschaltet. Außerdem sind zwischen
den verschiedenen Konstantstrom-Wechselstrom-Kreisen geeignete Schalter vorgesehen,
um die Speisung der Entladungsstrecken eines Stromkreises durch einen einem anderen
Stromkreis angehörenden Boucherotkreis zu ermöglichen. Weiterhin sind Schalter vorgesehen,
mit deren Hilfe die Boucherotkreise mit den Wechselstromkreisen konstanter Spannung
verbunden oder auch kurzgeschlossen werden können, wodurch eine Verminderung des
in dem Gleichstromiibertragungskreis konstanter Stromstärke fließenden Gleichstromes
bewirkt und damit eine Verringerung -der Verluste- bei geringer -Be--lastung erreicht
werden kann. Weitere vorgesehene Schalteinrichtungen dienen zur Ab-Schaltung eines
der Boucherotkreise bei kleia Lastverhältnissen, um die bei geringen 1.a verhältnissen
auftretenden Verluste zu \-erinei den.
-
".,Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
sind zur Regelung des im Konstantstromzwischenkreis fließenden Stromes zwischen
Bouclierotkreis und Konstantstrornkreis Transformatoren mit mehreren Primärwicklungen
in jeder Phase vorgesehen, denen geeignete Schalter zugeordnet sind, die es ermöglichen,
die verschiedenen Primärwicklungen parallel oder hintereinanderzuschalten, wodurch
die gewünschte Regelung der Stromstärke bewirkt wird, bei der die Energieübertragung
stattfindet.
-
Zum besseren Verständnis sei der Erfindungsgedanke im folgenden an
Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Abb. i und 2 der Zeichnungen
zeigen scheniatisch die Anwendung des Erfindungsgedankens bei Energieübertragungsanordnungen,
wie sie in der Einleitung näher angegeben wurden.
-
In der Abb. i der Zeichnungen ist eine Anordnung; zur Energieübertragung
-zwischen einem Wechselstromnetz konstanter Spannung i und einem Wechselstromnetz
konstanter Spannung 2 dargestellt, wobei die Energieübertragung über eine Gleichstromleitung
3 hoher Spannung und konstanter Stromstärke erfolgt. Die Anordnung enthält besondere
Umformungseinrichtungen, die mit den entsprechenden Konstantspannungswechselstromkreisen
verbunden sind. Die mit dem Wechselstromkreis konstanter Spannung i verbundene Umformungseinrichtung
besteht aus mehreren Stromkreisen, die die Energieübertragung von dem Konstantspannungskreis
nach dem Konstantstromkreis 3 bewirkt. Der obere Stromkreis, der mit dem Wechselstromnetz
i verbunden ist, besteht aus einem Boucherotkreis d., der zur Umforinung de., Wechselstromes
konstanter Spannung in Wechselstrom konstanter Stromstärke oder umgekehrt dient.
Der Boucherotkreis ,4 enthält mehrere Zweige mit hintereinandergesehalteten Blindwiderständen
entgegengesetzten Vorzeichens, im Ausführungsbeispiel die Kapazitäten 5 und die
Drosseln6; mit dem Wechselstromnetz konstanter Spannun- ist der Boucherotkreis über
die Leitungen 7 und die Schalter 9 verbunden, während er mit dem Wechselstromkreis
konstanter Stromstärke io über die Anschlußpunkte ä in Verbindung steht: Zwischen
dem Wechsel- ; Stromkreis konstanter Stromstärke io und der Stromxichtereinrichtung
14 liegt der
Transformator i i mit den Primärwicklungen 1a und den
Sekundärwicklungen 13, der die gewünschte Spannungsumformung zwischen den beiden
Netzen bewirkt. Die Stromrichtereinrichtung 14 umfaßt die Entladungsstreckeni5 bis
2o und arbeitet je nach der Richtung, in der die Energie übertragen wird, als Vollweggleichrichter
oder als Wechselrichter. Die Entladungsstrecken 15 bis 2o sind jeweils mit
einer Anode 2i, einer Kathode 22 und einem Steuergitter 23 versehen und sind vorzugsweise
Dampf- oder Gasentladungsstrecken.
-
Der untere, mit dem Wechselstromnetz i verbundene Stromkreis ist ähnlich
aufgebaut wie der obere. Er enthält einen Boucherotkreis 24, der über die Anschlußpunkte
25 und die Schalter 25' mit dem Wechselstromnetz i verbunden ist, wenn dieser sich
in der oberen Stellung befindet, und der dagegen kurzgeschlossen ist, wenn die Schalter
25' sich in der unteren Stellung befinden. Mit dem Konstantstrornkreis 27 ist der
Boucherotkreis 24 über die Anschlußpunkte 26 und den Schalter 28 verbunden. Die
gewünschte Spannungsumformung zwischen dem Stromkreis 27 und dem Gleichstromkreis
3 geschieht mit Hilfe des Transformators 29 über die Stromrichteranordnung 30, die
mit der Stromrichteranordnung 14 in Reihe am Hochspannungsnetz 3 liegt und ebenfalls
aus Gas- oder Dampfentladungsstrecken besteht und je nach der Richtung, in der die
Energie zwischen den beiden Netzen. i und 2 übertragen wird, als Vollweggleichrichter
oder als Wechselrichter arbeitet. Es ist klär, daß in dem Augenblick, in dem die
Energie vom Wechselstromnetz 2 nach dem Wechselstromnetz i übertragen wird, die
Entladungsstreckengruppen 14 und 3o als Wechselrichter arbeiten müssen, um den Gleichstrom
in Wechselstrom umzuformen. Den Steuergittern 23 müssen daher geeignete Steuerspannungen
zugeführt werden. Der Einfachheit halber sind die Steuerkreise, die an sich von
der üblichen Art sein können, in der Zeichnung weggelassen worden.
-
Zur Regelung des in den Wechselstromkreisen konstanter Stromstärke
io und 27 fließenden Stromes sowie zur Regelung des in :dem Konstantstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis
3 aufrechterhaltenen Gleichstromes dient beispielsweise ein Schalter3z, der zwischen
den beiden Wechselstromkreisen to und 27 vorgesehen ist. Der Schalter
31 legt die beiden Stromkreise io und 27 parallel zueinander; auf diese Weise
läßt sich der Transformator 29 der Stromrichteranordnung 3o aus dem Boucherotkreis
4 speisen. Sind die Schalter 28 und 31 geschlossen, und befindet sich der Schalter
25' in der unteren Stellung, wodurch die an der Boucherotschaltung 24 vorgesehenen
Anschlußklemmen 25 kurzgeschlossen sind, so wird die von dem Boucherotkreis 4 abgegebene
Leistung auf die beiden Transformatoren i i und 29 verteilt und damit der indem
Konstantstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis 3 fließende Gleichstrom auf die Hälfte des
ursprünglichen Wertes herabgesetzt. Es kann natürlich auch der Schalter 31 geschlossen
sein, während die Schalter 25' und 28 offen gehalten werden, wenn der Transformator
29 vom Boucherotkreis 4 aus gespeist werden soll, da hierdurch der Boucherotkreis
24 vollkommen isoliert wird. Diese Schalteinrichtung.stellt eine zweckmäßige und
bequeme Anordnung zur Verringerung der Stromstärke dar, bei der die Energie zwischen
den beiden Stromkreisen i und 2 übertragen wird und erlaubt damit eine Herabsetzung
der Übertragungsverluste, insbesondere bei geringer Belastung. Die mit dem Stromkreis
2 verbundene Umformungseinrichtung ist genau so aufgebaut wie die, die mit dem Stromkreis
i verbunden ist, und zwar besteht der obere mit dem Wechselstromnetz 2 verbundene
Stromkreis aus der Stromrichteranordnung 32, dein Transformator-33, dem Boucherotkreis
34 und dem Schalter 35. Der entsprechende untere Stromkreis enthält die Stromrichteranordnung
36, den Transformator 37 und den Boucherotkreis 38. Die beiden Stromrichteranordnungen
32 und 36, die in dem Konstantstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis 3 liegen, sind in
Reihe geschaltet und arbeiten entweder als Gleichrichter oder als Wechselrichter.
Zwischen den Punkten 4o des Boucherotkreises 38 und dem Wechselstromkreis konst4nter
Spannung :2 ist dieSchaltvorrichtung 39 vorgesehen, mit deren Hilfe der Boucherotkreis
38 entweder mit dem Wechselstromkreis 2 verbunden oder kurzgeschlossen werden kann.
Die Anschlußpunkte 41 des Boucherotkreises 38, die zu dem Konstantstromkreis
44 führen, sind zunächst mit der Schalteinrichtung 40' verbunden, mittels
welcher der Boucherotkreis 38 vollkommen abgeschaltet werden kann; die Schalteinrichtung
42 dient zum Parallelschalten der beiden Wechselstromkreise 43 und 44. Auf diese
Weise läßt es sich erreichen, daß der Transformator 37 und die Stromr_chteranordnung
36 mit aus dem oberen Boucherotkreis 34 gespeist werden, wodurch sich die Stromstärke;
bei der die Energieübertragung über den Konstantstrom-Gleichstrom-Kreis 3 stattfindet,
in ihrem Wert verändern läßt.
-
Die Wirkungsweise der in der Abb. i dargestellten Anordnung sei im
folgenden kurz erläutert. Wir nehmen zu diesem Zweck an, daß die-Energieübertragung
aus dem Wechselstromkreis konstanter Spannung i nach dem
Wechselstromkreis
konstanter Spannung 2 erfolge. Die Schalter 9 und 35 sind dabei geschlossen; die
Schalter 25' und 39 mögen sich zunächst in der oberen Stellung befinden; sie sollen
also die Boucherotkreise 24 und 38 mit den entsprechenden Wechselstromnetzen konstanter
Spannung i uhd 2 verbinden. Weiterhin sollen die Schalter 28 und 40' geschlossen
und die Schalter 31 und 42 zunächst geöffnet sein. In diesem Fall übertragen
die Stromkreise auf der Eingangs- und der Ausgangsseite der Anordnung einen . Strom,
der von den entsprechenden Stromrichteranordnungen, die denKonstantstrom-Gleichstrom-Zwischenkreis
3 beliefern, vollkommen unabhängig ist. Im einzelnen bewirken die verschiedenen
Botrcherotkreise dieUmwändltrngdes Wechselstromes konstanter Spannung _ in Wechselstrom
konstanter Stromstärke oder umgekehrt, und die Stromrichteranordnungen führen den
Wechselstrom konstanter Stromstärke in konstanten Gleichstrom über. Die verschiedenen
Stromrichteranordnungen sind dabei jeweils hintereinandergeschaltet. Da die ganze
Anordnung ein Konstantstronisystem darstellt, bewirken irgendwelche Stromänderungen
im Lastkreis 2 eine Änderung der Gleichspannung im Gleichstromzwischenkreis. und
zwar sinkt dort die Spannung bei geringer «=erdender Last ab, während die Stromstärke
in diesem Gleichstromzwischenkreis 3, wie bereits gesagt, durch die Boucherotkreise
d. und a-. bzw. _ 34 und 38 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Infolgedessen
bleiben die in den Boucherotkreisen und den entsprechenden Transforrnatoranordnungen
auftretenden Verluste ebenfalls konstant, was natürlich eine Verringerung des Wirkungsgrades
der Gesamtanordnung bewirkt.
-
Will man bei geringer Belastung einen größeren Wirkungsgrad erzielen,
so kann man die Verluste mit Hilfe der vorgesehenen Schalteinrichtungen herabsetzen,
indem z. B. die Schalter 25' und 39 in die Stellung gebracht werden, wo die Boucherotkreise
24. und 38 kurzgeschlossen werden. Durch Schließung der Schalter 3 i und .12 können-
außerdem die Stromkreise :27 und 44 mit den entsprechenden Wechselstromkreisen io
und 4.3 parallel geschaltet werden, wodurch die Boucherotkreise q: und 34 die Leistungsumformung
der beiden Energieiibertragungsstromkreise übernehmen. So speist insbesondere der
Boucherotkreis d. den Transformator 29 und die StromrichteranordnUng 30 sowie
den Transformator i i und die Stroinrichteranordnung rd.. Ebenso wird der Boucherotkreis
3.:I aus den Stromrichteranordnungen 32 und 36 und den Transformatoren 33 und 37
gespeist. Da nun insbesondere der BotlcherOtkreiS 4 einen konstanten vorgegebenen
Strom liefert, verteilt sich dieser Strom auf die Transformatoren ii und 29, wodurch
der in dem Gleichstromzwischenkreis 3 fließende Gleichstrom auf die Hälfte herabgesetzt
wird. Dabei nimmt die Spannung einen Wert an, der der Belastung im Wechselstromkreis
2 entspricht, während die im Gleichstromzwischenkreis 3 eingetretene Halbierung
des Stromes eine Verringerung der Gesamtverluste etwa auf 2501"
hervorruft.
-
Man kann natürlich bei geringer Belastung auch die Schalter 25', 39,
-'8 und 4.ö alle öffnen und auf diese Weise die Boucherotkreise 24 und 38 von allen
Stromkreisen vollkommen abtrennen, wodurch die Verluste vollkommen vermieden werden.
die beint 1urzschliel;ien d;eser 1->'otrclierotl@reise immerhin noch auftreten.
-
Die Wirkungsweise der Anordnung ist dieselbe, wenn die Energie in
entgegeizgesetzter Richtung übertragen wird. An Stelle der zwei in dem Beispiel
dargestellten parallel arbeitenden Stromkreise kann man natürlich auch drei oder
mehrere parallel arbeitende Stromkreise verwenden, die dann durch Schalter miteinander
verbunden werden, die den Schalterei 31 und d.2 in Abb. i entspreclien. mit
deren Hilfe <ler in dein Konstantstroin-Gleichstrom-Zwischenkreis fließende Strom
geändert wird.
-
In der Abb. 2 ist ein weiteres Ausfülrrungsbe hpiel des Erfindungsgedankens
dargestellt, bei dem der in dem Konstantstrorn-Gleichstrom-Zwischenkreis hoher Spannung
fließende Gleichstrom auf eine andere Weise verändert wird. Der Einfachheit halber
ist in der Zeichnung nur die eine Hälfte der l;esainten Energieübertragungsanordnung
dargestellt. Sie besteht aus der Bäucherotschaltung46 mit den Kapazitäten a;, 48,
:I9 und den mit diesen in Reihe geschalteten Drosseln So. 5 1 und
52. Die Boticherotschaltung -.6 entnimmt die I:nei-gie dein Stromkreis konstanter
Spannung 45 und überträgt sie auf den Mehrphasenstromkreis konstanter Stromstärke
rnit den Stromschienen 53, 5-. und 5;. Zur Regelung des vorn 1--,'otrcherotl;ieis
abgegebenen Stromwertes sind die Kapazitäten 56, 57 und 58 vorgesehen, die den einzelnen
Zweigen der Boucherotschaltung zugeordnet sind. Diese Kapazitäten «-erden durch
die Schalter 59, 6o und 61 in die Stromkreise eingeschaltet, ohne daß dabei die
Symmetrie der Boucherotschaltung 4.6 gestört wird. Sie dienen zur Regelung des Effektivwiderstandes
der einzelnen Stromzweige. An Stelle der ini vorstehenden Beispiel verwendeten Kapaziü
äten können natürlich auch Drosseln treten. mit denen sich die gleiche Wirkung erzielen
läßt.
Als eine weitere Einrichtung zur Steuerung der Stromstärke,
bei der die Energie übertragen wird, ist der Transformator 62 vorgesehen, der aus
den Primärwicklungen 63a und 63U, 64" und 64v, 65" und 65v sowie aus denSekundärwicklungen66besteht.
DieSekundärwicklungen 66 sind mit der Stromrichteranordnung 67 verbunden, die zu
dem Konstantstrorn-Gleichstrom-Zwischenkreis hoher Spannung 68 führt, Die Stromrichteranordnung
'arbeitet je nach der Richtung der Energieübertragung als Vollweggleichrichter oder
als Wechselrichter. Die Primärwicklungen des Transformators 62 sind mit der Boucherotschaltung
46 verbunden.
-
Die Stromstärke im Konstantstromzwischenkreis 68 läßt sich mit Hilfe
von zu den Primärwicklungen des Transformators 62 parallel- bzw. mit diesen in Reihe
geschalteten Schalteinrichtungen regeln. So dient z. B. in der Stromschiene 53 der
Schalter 69 zum Hintereinanderschalten der Primärwicklungen 63a und 63v, während
diese Wicklungen mit Hilfe der Schalter 70 und 71 parallelgeschaltet
werden können. In entsprechender Weise kann man bei den Stromschienen 54 und 55
mit Hilfe der gleichbezeichneten Schalter vorgehen.
-
Die Wirkungsweise der in der Abb. 2 dargestellten Anordnung sei unter
der Annahme erläutert, daß die Energie aus dem Wechselstromkreis konstanter Spannung
45 nach dem Gleichstromzwischenkreis 68 übertragen wird. Es ist klar, daß entsprechende
Anordnungen mit anderen in der Zeichnung nicht dargestellten Konstantspannungskreisen
verbunden sind. Zunächst sei angenommen, .daß sich die Schalter 59, 6o und 61 in
der oberen Stellung befinden und daß die Drosseln und Kapazitäten der Boucherotschaltung
und die Regelkapazitäten von solcher Größe sind, daß der Boucherotkreis 46 sich
im Gleichgewicht bezüglich der Energielieferung an den Wechselstromkreis konstanter
Stromstärke mit den Primärwicklungen des Transformators 62 befindet. Außerdem sei
angenommen, daß die den verschiedenen Primärwicklungen zugeordneten Schalter 69
geschlossen sind, so daß die die einzelnen Zweige der Boucherotschaltung überbrückenden
Primärwicklungen jeweils hintereinandergeschaltet sind. Der Boucher otkr eis 46
liefert einen konstanten Strom, und diese Wicklungen und die: Stromrichteranordnung
67 bewirken eine Energieübertragung in Form eines Gleichstromes konstanter Größe
über den Zwischenkreis 68. Sinkt die dem Stromkreis 68 entnommene Leistung so weit
ab, daß das Verhältnis der Verluste zur Ausgangsleistung sehr groß wird, so werden
zweckmäßigerweise die Schalter 70 und 71 geschlossen und die Schalter 69
geöffnet, wodurch der Strom im Stromkreis 68 in seinem Wert erniedrigt wird. Die
Reihenfolge, in :der die Schalter 69, 7o und 71 betätigt werden, ist dann
wichtig, wenn alle Schalter geöffnet sind und die Ausgangsspannung der Boucherotschaltung
46 auf Werte ansteigt, die der Gesamtanordnung schaden können. Aus dieseln Grunde
müssen die Schalter 69, 7o und 71
gleichzeitig geschlossen und der Schalter
69 kurz darauf geöffnet werden, um die Energieübertragung in gewünschter Weise zu
bewirken. Es ändert sich dann selbstverständlich die von der Stromrichteranordnung
67 gelieferte Spannung und bewirkt die gewünschte Leistungsabgabe bei der neuen
Stromstärke; aber die Verringerung der Stromstärke im Zwischenkreis 68 und der dein
Transformator 62 zugeführten Stromstärke hat eine Verringerung der Übertragungsverluste
zur Folge. Bei Parallelschaltung der in Abb. 2 dargestellten Wicklungen sind die
Verluste nur 25 % der im Falle der Hintereinanderschaltung auftretenden Verluste.