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Anordnung zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels gittergesteuerter
Entladungsgefäße oder Kontaktumformer (Wechselrichter) Bekanntlich bietet die Übertragung
von elektrischer Energie auf weite Entfernungen mittels hochgespannten Gleichstromes
wesentliche Vorteile, da die Schwierigkeiten, die sich bei der Wechselstromübertragung
durch den Blindstrom der Leitung einstellen, in Fortfall kommen. Bei einer derartigen
Hochspannungs-Gleichstromübertragung zwischen zwei Wechselspannungsnetzen wird die
zu übertragende Energie am Anfang der Übertragung mittels Transformators und Bittergesteuerter
Gleichrichter in hochgespannten Gleichstrom umgeformt und der Gleichstromfernleitung,
die zweckmäßig als Kabel ausgebildet ist, zugeführt. Am Ende der Übertragungsleitung
sind dann für die Umformung in Wechselstrom wiederum gittergesteuerte Entladungsgefäße
(Wechselrichter) vorgesehen, die an das Wechselstromnetz angeschlossene Transformatoren
speisen. Normalerweise ist sowohl auf der Gleichrichter- als auch auf der Wechselrichterseite
der Gleichstromübertragung dem Gleichstromkabel je eine Glättungsdrossel vorgeschaltet.
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Da für die Wirkungsweise einer derartigen Gleichstrom-Hochspannungsübertragung
mittels gittergesteuerter Entladungsgefäße die Vorgänge bei der Gittersteuerung
von grundlegender Bedeutung sind;
sind diese an Hand der Fig. i
der Zeichnung, soweit sie für die Erfindung von Bedeutung sind, im folgenden erläutert.
Fig. i zeigt im oberen Teil den Verlauf der Spannung U eines Wechselrichters beim
Stromübergang von der Phase i auf die Phase 2 und im unteren Teil den Verlauf der
Ströme 1 in den einzelnen Phasen bzw. den Kommutierungsvorgang dieser Ströme. Der
Kommutierungsvorgang beginnt im Zeitpunkt a, der dem theoretisch möglichen Grenzpunkt
der Kommutierurig k um den Aussteuerungswinkel ß vorauseilt. Während der Kommutierung
liegt an der Gleichspannungsklemme des Wechselrichters der Mittelwert zwischen den
Spannungen der Phasen i und 2. Im unteren Teil der Fig: i ist dargestellt, wie der
Strom der Phase i während der Kommutierung auf Null zurückgeht, während der Strom
der Phase 2 von Null auf den Wert des vollen Gleichstromes hinaufgeht. Im Zeitpunkt
b ist der Kommutierungsvorgang beendet. Phase i führt dann keinen Strom mehr, Phase
2 den vollen Strom. An den Gleichstromklemmen liegt nun die Spannung der Phase 2.
Der Punkt b eilt gegenüber dem Punkt k der theoretischen Kommutierungsgrenze um
den Winkel y vor. Bei Leerlauf des Wechselrichters, d. h. bei I = 0, ist die Kommutierungszeit
gleich 0, und die Spannung würde bereits im Punkt a von der Phase i auf die Phase
2 hinüberwechseln. Da während der Kommutierung die Spannung des Wechselrichters
den Mittelwert zwischen den beiden Phasenspannungen darstellt, so wird der Mittelwert
der Gleichspannung um die schraffierte Fläche in Fig. i oben bei Belastung größer
als bei Leerlauf, d. h. also, bei konstant bleibender Spannung auf der Wechselstromseite
des Wechselrichters steigt die Spannung auf der Gleichstromseite des Wechselrichters
mit der Belastung an.
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Die Fig. 2 und 3 der Zeichnung zeigen diese Abhängigkeiten zwischen
Strom und Spannung am Gleichrichter und am Wechselrichter an Hand von Diagrammen.
Wird in der Gleichrichterstation. mit konstantem Aussteüerungswinkel a gefahren,
so erhält man auf der Gleichstromseite eine Abhängigkeit der Gleichspannung U" von
dem Belastungsstrom 1,L nach der Kurve a in Fig. 2. Wird auf der Wechselrichterseite
mit konstantem Aussteuerungswinkel ß gefahren, so ergibt sich an den Gleichstromklemmen
des Wechselrichters eine Abhängigkeit der Spannung U" von dem Belastungsstrom
1,1 nach der Kurve b in der Fig: 3, wobei ein Konstantbleiben der Spannung
auf der Wechselstromseite des Wechselrichters vorgesehen ist. Die dem Wechselrichter
von der Gleichstromseite her aufgedrückte Spannung muß also mit steigendem Belastungsstrom
erhöht werden. Sowohl der Gleichrichter als auch der Wechselrichter stellen also
mit diesem Verhalten ihrer Gleichspannungen einen positiven Widerstand dar.
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Der Betrieb des Wechselrichters mit konstantem Aussteuerungswinkel
ß hat nun mit Rücksicht auf die Kommutierungssicherheit und den Blindleistungsbedarf
des Wechselrichters gewisse Nachteile. Bei der Kommutierung des Wechselrichters
darf der Winkel y der Fig. i einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, da die
Entionisierung der Anode i des Wechselrichters, die eine bestimmte Zeit erfordert,
vor der theoretischen Kommutierungsgrenze k bereits beendet sein muß, wenn ein Durchzünden
des Wechselrichters bzw. ein Kurzschluß vermieden werden soll. Andererseits ist
zu beachten, daß bei einer verminderten Spannung des an den Wechselrichter angeschlossenen
Drehstromnetzes (z. B. infolge Kurzschlusses in diesem Netz) der Wechselrichter
einen erhöhten Strom führen wird, der die Kommutierungszeit zwischen den Punkten
a und b der Fig. i vergrößert, so daß bei konstant gebliebenem Winkel
ß der Winkel y kleiner wird. Wählt man nun den Winkel ß so, daß auch bei verminderter
Spannung des Drehstromnetzes noch genügende Kommutierungssicherheit bzw. ein für
die Entionisierung noch genügender Winkel y besteht, so wird der Blindleistungsbedarf
des Wechselrichters unwirtschaftlich groß. Wählt man andererseits den Winkel ß so,
daß die dem Drehstromnetz entnommene Blindleitung wirtschaftlich tragbar ist, so
erhält man bei plötzlichen Spannungsabsenkungen im Drehstromnetz keine ausreichende
Kommutierungssicherheit mehr. Es ist daher zweckmäßig, den Wechselrichter nicht
mit konstantem Aussteuerungswinkel ß zu fahren, sondern den Aussteuerungswinkel
ß mit steigendem Gleichstrom zu vergrößern.
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Infolge dieser Vergrößerung des Aussteuerungswinkels erhält man nunmehr
am Wechselrichter zwischen der Gleichspannung und dem Gleichstrom eine Abhängigkeit
gemäß der Kurve c der Fig. 3. Da die Spannung auf der Wechselstromseite des Wechselrichters
festliegt, so muß die Gleichspannung mit steigendem Gleichstrom und infolgedessen
ebenfalls steigendem Winkel ß und der damit verbundenen geringeren Aussteuerung
des Wechselrichters sinken.
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Während also der Wechselrichter bei Steuerung mit konstantem Winkel
ß gemäß der Kurve b der Fig. 3 einen positiven Ohmschen Widerstand darstellt, zeigt
die Charakteristik des Wechselrichters bei der geschilderten Aussteuerung mit veränderlichem
ß eine Neigung entgegengesetzten Vorzeichens. In dem Ersatzschaltbild einer Gleichstrornübertragung
der Fig. q. stellt der Ohmsche Widerstand R2 diesen negativen Widerstand dar, an
dessen Klemme bei auftretendem Gleichstrom ein negativer Spannungsabfall auftritt.
C ist in Fig. q die Kapazität des Gleichstromkabels, R1 ist der positive Ohmsche
Widerstand des Gleichrichters am Anfang der Übertragung, und L9 und Zu, sind die
am Anfang und. am Ende des Gleichstromkabels vorgeschalteten Glättungsinduktivitäten.
Wie ersichtlich, stellt dieses Ersatzschaltbild der Fig. q. einen Schwingungskreis
dar. Durch das Vorhandensein des negativen Widerstandes - R2 besteht nun die Möglichkeit,
daß Eigenschwingungen zwischen der Kapazität C und den Glättungsinduktivitäten L9
und L" durch diesen Widerstand angefacht werden.
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Man kann nun an Hand der Zustandsgleichungen für die Schaltung der
Fig. g. untersuchen, wie sich die Dämpfung an der Gleichstromübertragung; die für
die Unterdrückung von Eigenschwingungen maßgebend ist, entwickelt, wenn man den
geschilderten negativen Widerstand an der Wechselrichterseite der Übertragungsleitung
abändert. Als Resultat dieser mathematischen Untersuchungen ist in dem Diagramm
der Fig. 5 die Dämpfung (genauer ausgedrückt das Dämpfungsdekrement,
also
das Verhältnis zweier aufeinanderfolgender Amplituden) in Abhängigkeit von
aufgetragen. R1 entspricht dem Widerstand R, in Fig. q.. Z ist gegeben durch den
Ausdruck
wobei C die Leitungskapazität und L die Induktivität in der Gleich- oder in der
Wechselrichterstation darstellt. Es ist dabei angenommen, daß in Fig. q. L, gleich
L. gleich I_ ist. Die mathematischen Untersuchungen zeigen, daß sich ein günstiger
Verlauf der Dämpfungskurve in Abhängigkeit von
ergibt, wenn man den negativen Widerstand R2 als Funktion von Z bzw. eines Bruchteiles
von Z annimmt. Fig. 5 zeigt nun den Verlauf der Dämpfungskurve für R2 = 0,2 Z, R2
= 0,357Z und R2 = o,67 Z. Interessant ist, daß bei einem Werte R2 = Z die Dämpfungskurve
in einem Punkt zusammenschrumpft, der bei
liegt. Bei größeren Werten von R2 ist keine positive Dämpfung mehr zu erreichen,
welchen Wert auch immer R1 annehmen möge. Sehr gute positive Dämpfung erreicht man
dagegen mit den angegebenen Werten von R2, die wesentlich kleiner als Z sind.
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Die mathematischen Untersuchungen bzw. die Kurven der Fig. 5 zeigen
umgekehrt, daß die günstigen Werte der Dämpfung gemäß Fig. 5 sich nur erreichen
lassen, wenn R2 einen bestimmten Bruchteil des Ausdruckes Z darstellt. Man kann
also für die gewünschte günstige Dämpfung die Bedingungsgleichung
aufstellen. Nach Umformung ergibt sich daraus
Daraus ist zu erkennen, daß die Größe der Glättungsinduktivität L mit dem Quadrat
von R2 bei sonst gleichen günstigen Dämpfungsverhältnissen steigen muß. Auch im
allgemeinen Falle, wo die Glättungsinduktivität in der Gleich- und Wechselrichterstation
verschieden ist, gilt die quadratische Abhängigkeit von notwendiger Glättungsinduktivität
und vorhandenem Wechselrichterwiderstand R2.
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Bei einer derartigen Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom mittels
Wechselrichter, insbesondere bei einer derartigen Gleichstromübertragung, wird man
in der Wechselrichterstation die Zahl der parallel geschalteten Wechselrichtereinheiten
ändern je nach der Größe der umzuformenden Leistung. Man wird also je nach der Belastung
Wechselrichtereinheften zu- oder abschalten. Es ist ohne weiteres einleuchtend,
daß der negative Widerstand R2 der Wechselrichterstation beim Zuschalten einer zweiten
gleich großen Wechselrichtereinheit zu einer bereits vorhandenen auf die Hälfte
zurückgeht, da für gleich großen Gesamtstrom Igi in Fig. 3 die Kurve c an der einzelnen
Wechselrichtereinheit ihre Neigung bei steigendem Strom auf die Hälfte reduziert.
Wenn man also in Fig. 5 für zwei parallel geschaltete Wechselrichtereinheiten beispielsweise
den günstigen Verlauf der Dämpfung gemäß R2 = 0,375 Z erzielt, so wird man beim
Abschalten einer Einheit nur noch einen Verlauf der Dämpfung erreichen, der R2 =
0,75 Z entspricht und der noch unterhalb der Dämpfungskurve R2 = o,67
Z liegt. Die Dämpfung wird also infolge dieser Abschaltung verhältnismäßig ungünstig.
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Die Erfindung betrifft nun eine Anordnung, mittels der man annähernd
gleich günstige Dämpfungsverhältnisse erzielen kann, gleichgültig ob viele Wechselrichtereinheiten
in Parallelschaltung arbeiten oder nur einzelne. Erfindungsgemäß wird beim Zuschalten
von Wechselrichtereinheiten (bzw. beire Abschalten) der Induktivitätswert der Glättungsinduktivitäten
vergrößert (bzw. verkleinert). Dadurch läßt sich, wie aus den obigen Gleichungen
hervorgeht, erreichen, daß in jedem Falle der negative Widerstand der in Betrieb
befindlichen Wechselrichter einen bestimmten Bruchteil des Ausdruckes Z darstellt;
denn bei der Vergrößerung dieses negativen Widerstandes infolge Abschaltens von
Wechselrichtereinheiten wird durch Vergrößerung des Induktivitätswertes von L der
Ausdruck Z vergrößert, und zwar zweckmäßig derart, daß auch nach der Umschaltung
R2 denselben Bruchteil von Z darstellt wie vor der Umschaltung. Dementsprechend
ist der Verlauf der Dämpfung vor und nach der Umschaltung gleich günstig und beispielsweise
durch eine der oberen Kurven von Fig. 5 dargestellt.
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Ändert man die Induktivität beim Parallelschalten von n Einheiten,
so daß L z/n2-mal größer wird; so bleibt das Verhältnis höchster vorkommender
Ausschwingstrom zum jeweiligen Nennstrom konstant. Unter dem Ausschwingstrom ist
dabei der anfängliche maximale Wert des bei einem Kurzschluß auf der Wechselstromseite
auftretenden Überstromes zu verstehen. Dieser Strom klingt dann auf den Dauerkurzschlußstrom
ab.
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Aus der Gleichung 2 geht bereits hervor, daß für gleichbleibendes
k, also für gleichbleibendes Verhältnis zwischen R, und Z, der Wert von L mit dem
Quadrat von R2 ansteigen muß. Man muß also bei einer Verdopplung von R2 den Wert
von L vervierfachen. Dies kann man beispielsweise dadurch erreichen, daß man beim
Zuschalten einer zweiten Wechselrichtereinheit zu einer bereits vorhandenen gleich
großen zwei in Reihe geschaltete Glättungsdrosselspulen nunmehr parallel schaltet
bzw. umgekehrt beim Abschalten der einen Wechselrichtereinheit.
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Da also bei gleicher Dämpfung L quadratisch mit R2 zu verändern ist,
so steigt bei einer Verdopplung von R2 bzw. bei einer Halbierung der parallel arbeitenden
Wecbselrichtereinheiten L auf das Vierfache: Da aber nunmehr die halbe Wechselrichteranzahl
denselben Betriebsstrom wie vorher führen muß, der Nennstrom In für den Wechselrichter
also verdoppelt wurde, so bleibt der Ausdruck
gleich. Dieser Ausdruck stellt aber den Energieinhalt der Glättungsinduktivität
bei Nennstrom dar. Andererseits stellt der Ausdruck
den kapazitiven Energieinhalt der Gleichstromleitung bzw. des Gleichstromkabels
der Fernübertragung dar. Man sieht, daß bei der Anordnung der Erfindung die Abänderung
der Größe der Glättungsinduktivität beim Zu- und Abschalten
von
Wechselriehtereinheiten zweckmäßig derart vorgenommen wird, daß zwischen dem kapazitiven
Energieinhalt der Gleichstromleitung und dem induktiven Energieinhalt der Glättungsinduktivität
ein festes Verhältnis eingehalten wird. Wenn man in Fig.4 die Glättungsinduktivität
auf der Gleichrichterseite L, = 0 setzt, was den Fortfall einer Glättungsdrossel
auf der Gleichrichterseite bedeutet, und wenn man dementsprechend Z = L",,IC definiert,
so wird
Für k ergibt sich in diesem Falle eine einfache Bemessungsregel, nämlich
z. B. d U = 40 °/o, k = 13/4o "' 0,33.
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Die Erfindung ist bisher nur an Hand gittergesteuerter Entladungsgefäße
geschildert, sie läßt sich jedoch sinngemäß auch bei gesteuerten Kontaktumformern
für die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom anwenden, da hier annähernd dieselben
Probleme vorliegen bezüglich der maximalen Aussteuerung des Kontaktumformers.