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Anordnung zum Betrieb eines Wechselrichters Die Erfindung bezieht
sich auf Stromrichter zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom bzw. Drehstrom,
d. h. auf Umformeranordnungen, die mit steuerbaren Lichtbogenventilen, insbesondere
gittergesteuerten Quecksilberdampfentladungsstrecken, arbeiten. Die Erfindung betrifft
eine Steuerungsanordnung für einen solchen Wechselrichter, der die Aufgabe zugrunde
liegt, die Wirkleistungsübertragung des Wechselrichters zu regeln. Die neue Regeleinrichtung
hat die Eigenschaft, daß sie weitgehend den verschiedenen Betriebszuständen des
Wechselrichters gerecht wird. Es wird dafür gesorgt, daß der Wechselrichter im Alleinbetrieb
die Frequenz des Netzes bestimmen kann und daß im Parallelbetrieb die Belastung
leistungsgerecht aufgeteilt bzw. ein Betrieb mit Grundlast ermöglicht wird. Gemäß
der Erfindung wird die vorstehend gekennzeichnete Aufgabe der Regelung eines Wechselrichters
dadurch erreicht, daß der Steuerkreis des Wechselrichters von einem besonderen,
mit konstanter Drehzahl betriebenen Steuergenerator gespeist wird, der seinerseits
über eine Induktivität dem zu speisenden Wechselstromnetz parallel geschaltet ist.
Zweckmäßig wird ferner der Antrieb des Steuergenerators vom Belastungsstrom des
Wechselrichters derart beeinflußt, daß seine Drehzahl mit steigender Wechselrichterbelastung
etwas abfällt.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnisse und die Wirkungsweise
der Erfindung sollen im folgenden näher erläutert werden. Es wird dabei im allgemeinen
von einer Energieübertragung zwischen einer Gleichstromübertragungsleiteng
und
einem Drehstromnetz als Verbrauchernetz die Rede sein; es sei jedoch darauf hingewiesen,
däß die Erfindung für alle Wechselrichter zur Speisung irgendeines ein- oder mehrphasigen
Wechselstromverbrauchers angewendet werden kann.
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Je nach Art des Wechselstromverbrauchers und entsprechend dem Anteil
des Wechselrichters an der Gesamtversorgung des zu speisenden Wechselstromnetzes
sind folgende drei Betriebsarten voneinander zu unterscheiden: i. Der Wechselrichter
speist allein das Drehstromnetz. Das bedeutet, daß andere vorhandene Stromerzeuger
lediglich die Blindleistung und die zum Betrieb des Wechselrichters erforderliche
Kommutierungsspannung liefern.
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2. Der Wechselrichter speist mit anderen Stromerzeugern ähnlicher
Leistung zusammen das Drehstromnetz. Das bedeutet, daß weder der Wechselrichter
noch die übrigen Stromrichter allein in der Lage sind, den gesamten Leistungsbedarf
des Drehstromnetzes allein zu decken. Es wird dabei angestrebt, die Last im Verhältnis
der Nennleistung der einzelnen Netzversorger aufzuteilen.
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3. Der Wechselrichter speist ein Drehstromnetz, das zum überwiegenden
Teil von anderen Stromerzeugern versorgt wird. In diesem Fall kann der Wechselrichter
nach irgendeinem Fahrplan, z. B. auch mit Grundlast, betrieben werden, während die
übrigen Stromerzeuger alle Spitzenlasten übernehmen. Es besteht aber auch hier vielfach
der Wunsch nach einer leistungsgerechten Lastaufteilung.
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In einem Drehstromnetz sind zwei Größen kennzeichnend für das betriebliche
Verhalten desselben, die Frequenz und die Spannung. Beide sind in der Regel mit
Rücksicht auf die zahlreichen parallel betriebenen und verschiedenartigen Verbraucher
möglichst konstant zu halten.
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Die Frequenz des Netzes ist bestimmt durch die Drehzahl aller vorhandenen
Synchronmaschinen. Ihr entspricht eine bestimmte lebendige Energie der im Netz betriebenen
Schwungmassen. Soll also die Netzfrequenz konstant gehalten werden, so muß die im
Netz enthaltene mechanische Energie aufrechterhalten bleiben. Werden weitere Verbraucher
zugeschaltet, so muß deren Leistungsverbrauch voll und ganz in Form von Wirkleistung
von den Stromerzeugern aufgebracht werden. Reicht die Leistungszufuhr durch die
Stromerzeuger nicht aus, um den erhöhten Verbrauch zu decken, so wird notgedrungen
die im Netz enthaltene mechanische Energie dazu verwendet, um den erhöhten Leistungsverbrauch
zu decken, wobei die Drehzahl der Maschinen und damit die Netzfrequenz absinkt.
Im umgekehrten Fall, d. h. bei sinkendem Verbrauch, wird die überschüssige Leistung
der Stromerzeuger in Beschleunigung der Maschinen umgesetzt. Die mechanische Energie
der im Netz betriebenen Schwungmassen nimmt zu, ihre Drehzahl und damit die Netzfrequenz
steigt. Die Frage der Frequenzkonstanthaltung ist daher eine Frage der Wirkleistungsregelung
der Stromerzeuger. Nur ' wenn in jedem Augenblick die von den Stromerzeugern zugeführte
Leistung mit dem Leistungsverbrauch des Netzes übereinstimmt, bleibt die Frequenz
konstant.
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Die Spannung des Netzes ist bestimmt durch die elektrischen und magnetischen
Felder desselben. Die Aufrechterhaltung derselben erfordert Erregerströme, d. h.
Blindleistung. Bei unverändertem Netzbild ist nun die vom Netz aufgenommene Blindleistung
eine Funktion der Netzspannung und filmgekehrt. Der Blindleistungsverbraüch muß
von den im Netz angeordneten Blindleistungserzeugern (Synchrongeneratoren, übererregte
Synchronmotoren, asynchrone Blindleistungsmaschinen, Kondensatoren) gedeckt werden.
Steigt nun infolge Zuschaltens eines induktiven Verbrauchers der Blindleistungsbedarf
des Netzes an und kann dieser erhöhte Bedarf von den Blindleistungserzeugern nicht
gedeckt werden, so muß notgedrungen die Netzspannung absinken. Umgekehrt wird bei
sinkendem Blindleistungsbedärf des Netzes und nicht entsprechend verminderter Blindleistungszufuhr
die Netzspannung ansteigen. Die Spannungshaltung des Netzes ist daher eine Frage
der Regelung der Blindleistungszufuhr und damit der Blindleistungserzeuger.
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Der Wechselrichter ist bekanntlich ein Blindleistungsverbraucher und
kann nicht zur Blindleistungslieferung für das Netz herangezogen werden. Er kann
daher auch nicht die Spannungshaltung des Netzes übernehmen.
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Durch die Regeleinrichtung nach der Erfindung gelingt es, die Wirkleistung
des Wechselrichters den vorstehend aufgeführten verschiedenen Betriebszuständen
möglichst weitgehend anzupassen und eine zweckmäßige Wirhleistungsübertragung durch
den Wechselrichter zu sichern. Das Wesentliche bei der Erfindung liegt darin, daß
der Wechselrichter einen eigenen Steuergenerator erhält, welcher die Drehstromspannung
bzw. Wechselspannung, die der Steuerungseinrichtung zugeführt wird, in der richtigen
Größe und Frequenz erzeugt. Dieser Steuergenerator erhält eine Verbindung mit dem
Drehstromnetz über eine dreiphasige Induktivität, wodurch auf der einen Seite Frequenzgleichheit
mit dem Drehstromnetz gesichert wird, auf der anderen Seite aber eine Elastizität
der Phasenlage erhalten bleibt. Der Steuergenerator kann dabei durch einen auf konstanter
Drehzahl gehaltenen Gleichstrommotor angetrieben werden, der zu diesem Zweck beispielsweise
aus einer Batterie gespeist wird. Zur genauen Drehzahlkonstanthaltung kann ein an
sich bekannter Drehzahlregler, beispielsweise ein Röhrenfeinregler, verwendet werden.
Zweckmäßig erhält der Antrieb des Steuergenerators zusätzlich eine von der Wechselrichterbelastung,
d. h. etwa vom Gleichstrom oder dem diesem proportionalen Wechselstrom des Wechselrichters,
abhängige Kompoundierung, und zwar derart, däß mit zunehmender Belastung des Wechselrichters
die Drehzahl und damit die Frequenz des Steuergenerators etwas absinkt. Entsprechend
sinkt dann auch die Frequenz des vom Wechselrichter erzeugten Drehstromes.
Diese
Frequenzkompoundierung wird zweckmäßig einstellbar gemacht, damit sich die Einrichtung
den veränderlichen Netzverhältnissen (Verhältnis der im Betrieb befindlichen Generatorleistung
zu der Wechselrichterleistung) anpassen läßt.
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In der Zeichnung ist in Fig. i das Schaltbild für einen Wechselrichter
dargestellt, der mit einer Regelanordnung nach der Erfindung ausgerüstet ist. Ein
Gleichstromnetz i speist über einen Wechselrichter 2 mit dem Haupttransformator
3 und den einpolig gezeichneten Entladungsgefäßen q. ein Drehstromnetz 5. Zur Blindstromlieferung
und damit Spannungshaltung im Drehstromnetz 5 ist eine Synchronmaschine 6 vorgesehen,
die leer als Phasenschieber (Betriebsart i) oder zugleich als Wirkleistungserzeuger
(Betriebsfall 2 bzw. 3) betrieben ist. Ein Spannungsregler 7 (Schnellregler) in
deren Erregerkreis sorgt für konstante Netzspannung bei allen Laständerungen. Im
letzteren Fall wird sie von einer Antriebsmaschine 8 angetrieben. Der Steuersatz
9 für den Wechselrichter 2 wird über einen Drehregler io vom Steuergenerator i i
gespeist. Letzterer wird von einem Gleichstrommotor 12 angetrieben, der aus einer
Gleichstromquelle 13 über einen Regler 14 mit zugehörigem Meßorgan 15 gespeist wird.
Der Steuergenerator i i ist über eine dreiphasige Drossel 16 geeigneter Größe und
einen Hilfstransformator 17 mit dem Drehstromnetz 5 parallel geschaltet.
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Zur Erklärung des Regelvorganges wird fürs erste von der Antriebsmaschine
8 abgesehen, es wird also angenommen, daß die Synchronmaschine als Phasenschieber
am Netz 5 mitläuft. Steigt die Belastung des Drehstromnetzes 5 durch Zuschaltung
eines Wirkleistungsverbrauchers 2o an, so kann der zusätzliche Verbrauch im ersten
Augenblick nicht vom Wechselrichter gedeckt werden, da der vorhandene Steuerwinkel,
der durch die Schaltung der Steuerkreise auf einen bestimmten Wert eingestellt ist
und die Leistung des Wechselrichters bestimmt, gleich geblieben ist. Der zusätzliche
Verbrauch muß also aus den Schwungmassen der Synchronmaschine 6 gedeckt werden.
Dieselbe wird verzögert, und entsprechend wird auch die Phasenlage der Drehspannung
des Netzes 5 sich in nacheilendem Sinne verschieben. Dagegen ist die Phasenlage
der EMK des Steuergenerators i i, der mit konstanter Drehzahl angetrieben wird,
unverändert geblieben und eilt nun der Netzspannung 5 voraus. Es fließt nun vom
Steuergenerator i i ein Wirkstrom über die Drossel 16 ins Netz 5, und dieser erzeugt
an der Drossel 16 einen Spannungsabfall. Die Eingangsspannung für den Steuersatz
9, die an den Klemmen des Steuergenerators i i abgenommen ist, wird in voreilendem
Sinne gegenüber der Netzspannung 5 verschoben. Infolgedessen werden die Anoden,
bezogen auf die an ihnen wirkenden Transformatorphasenspannungen, in verfrühtem
Sinne gezündet, und der Wechselrichter liefert dementsprechend mehr Wirkstrom ins
Netz 5. Die Verzögerung der Synchronmaschine 6 hält so lange an, bis der Steuerwinkel
des Wechselrichters sich so weit vergrößert hat, daß die gesamte Zusatzlast des
Netzes 5 vom Wechselrichter geliefert wird. Die Frequenz des Netzes 5 hat sich dabei
nicht geändert, lediglich der Phasenwinkel zwischen Netzspannung und Steuerspannung
hat sich den neuen Belastungsbedingungen entsprechend verstellt.
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Die Schwungmasse der Synchronmaschine 6 kommt bei dieser Regelung
kaum zur Geltung, da ja die Maschine nach einer kurzzeitigen Verzögerung um einige
Winkelgrade bereits wieder aufgefangen wird. Es wird nun zumeist der Wunsch bestehen,
Belastungsstöße mit durch die rotierende Masse der Synchronmaschine aufzunehmen
und so den Wechselrichter kurzzeitig zu entlasten. Zu diesem Zweck ist eine Frequenzkompoundierung
angeordnet und durch den Stromwandler 18 und eine Verbindung (gestrichelt) zum Regler
14 angedeutet. Die Einrichtung ist in Fig. 2 gesondert tierausgezeichnet.
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Der Regler 1q., der hier beispielsweise als Röhrenfeinregler gedacht
ist, enthält im wesentlichen eine Schaltung mit Verstärkerröhren; es ist in der
Figur der Einfachheit halber ein einstufiger Verstärker mit einer Röhre 21 gezeichnet.
Deren Gitter wird die Differenz der Spannung einer konstanten Vergleichsbatterie
22 und der Tachometermaschine 15 zugeführt, und zwar so, daß bei steigender Tachometerspannung
und damit Steuerfrequenz das Gitter positivere Spannung gegen Kathode erhält und
damit das Hochvakuumrohr 21 einen höheren Erregerstrom an den Gleichstrommotor 12
liefert, der die Drehzahl auf den ursprünglichen Wert zurückführt. Die drehzahlabhängige,
von der Tachometermaschine 15 gelieferte Spannung wird an einem Spannungsteiler
23 abgegriffen, mit dessen Hilfe die Drehzahl des Steueraggregates bei Inbetriebnahme
sowie der Leerlaufpunkt im Betrieb eingeregelt werden kann.
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Außerdem enthält der Gitterkreis noch einen veränderlichen Widerstand
2q., der von einem dem Wechselstrom des Wechselrichters proportionalen Gleichstrom
durchflossen ist und dementsprechend ein von der Wechselrichterbelastung abhängiges
Glied in die Frequenzreglung einfügt in dem Sinne, daß eine Belastungszunahme dem
Gitter eine positive Zusatzspannung erteilt und dementsprechend eine Feldverstärkung
im Motor 12 und damit eine Drehzahlverminderung des Steueraggregates bewirkt. Der
Kompoundwiderstand 24 ist veränderlich und gestattet daher eine Regelbarkeit des
Lasteinflusses. Die Erzeugung des wechselstromproportionalen Gleichstromes geschieht
in bekannter Weise mittels eines Hilfswandlers 25 und eines Gleichrichters 26. Der
Wechselrichter erhält mit dieser Einrichtung Leistungsfrequenzkennlinien, wie sie
in Fig. 3 dargestellt sind. Die Neigungsänderung der Kennlinie geschieht mit Hilfe
des Widerstandes 2q., die Verschiebung der Kennlinien, d. h. die Verschiebung des
Leerlaufpunktes, kann mit Hilfe des Spannungsteilers 23 vorgenommen werden.
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Es sei noch erwähnt, daß in ähnlicher Weise noch andere Regelmaßnahmen
ausgeübt werden können.
Es kann beispielsweise die dem Wechselrichter
zugeführte Gleichspannung oder die Spannung des Drehstromnetzes 5 einen solchen
Einfluß auf den Feinregler ausüben, daß eine Erhöhung der Gleichspanneng oder eine
Absenkung der Wechselspanneng eine Drehzahlerniedrigung des Steueraggregates erstrebt
und so die Zündspannung der Steuergitter des Wechselrichters in nacheilendem Sinne
verschiebt.
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Vorteilhaft wird in der Regeleinrichtung noch eine Rückführung vorgesehen.
In Fig. 2 ist zu dem Zweck ein Kondensator 27 an den Steuerkreis des zu dem Feinregler
gehörigen Hochvakuumentladungsgefäßes 2i angeschlossen.
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Es wurde schon erwähnt, daß an Stelle des Feinreglers auch andere
an sich bekannte Regler, z. B. Regler mit mechanischen Gliedern, wie Fliehkraftregler
od. dgl., für die Regelung angewendet werden können. An Stelle der Tachometermaschine
15 kann auch ein auf die Sollfrequenz des Netzes 5 abgestimmter Schwingungskreis
als Meßwertumformer verwendet werden.
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Die Regeleinrichtung nach der Erfindung kann auch für den oben unter
2. aufgeführten Betriebsfall, d. h. beim Parallelbetrieb des Wechselrichters mit
anderen Wirkleistungserzeugern, Verwendung finden. Wesentlich dabei ist die veränderliche
Frequenzkompoundierung, welche die Leistungsfrequenzkennlinie in zweiten Grenzen
den Kennlinien der anderen im Netz arbeitenden Wirkleistungserzeuger anzupassen
gestattet: Je größer der Widerstand 24 in der Schaltung der Fig. 2 eingestellt wird,
desto steiler wird die Leistungsfrequenzkennlinie nach Fig.3 und um so unabhängiger
wird die übertragene Leistung von der Frequenzänderung. Mit Hilfe des Spannungsteilers
23 in Fig. 2 kann die Grundlast des Wechselrichters eingestellt werden.
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Mit Hilfe des gleichen Spannungsteilers kann auch die Wirksamkeit
der frequenzabhängigen Leistungsregelung beliebig begrenzt werden. Dies kann dadurch
geschehen, daß der Spannungsteiler 23 durch einen auf Höchst- oder Mindestleistung
ansprechenden Regler bei Erreichung der eingestellten Leistungsgrenze auf konstante
Leistung des Wechselrichters verstellt wird. Man erhält dann Leistungskennlinien
nach dem Diagramm der Fig. 4, in dem die Wirkleistung R' ,. in Abhängigkeit von
der Frequenz f dargestellt ist.
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Die Regeleinrichtung nach der Erfindung kann auch für den Betriebsfall
3 Verwendung finden und arbeitet in derselben Weise als frequenzabhängiger Leistungsregler
mit oder ohne Leistungsbegrenzung. Ein Übergang zum Grundlastbetrieb ist ebenfalls
möglich. Dies kann während des Betriebes auf folgende Weise geschehen: Der Widerstand
24 in der Schaltung der Fig. 2 wird auf höchsten Ohmwert und der Spannungsteiler
23 in der gleichen Schaltung so eingestellt, daß die gewünschte Leistung übertragen
wird. Alsdann wird der Drehregler io in der zugehörigen Schaltung der Fig. i so
verstellt, daß zu der Drosselspule 16 der geringstmögliche Strom fließt, worauf
diese kurzgeschlossen und der Steuergenerator i i abgetrennt wird. Die Steuerung
wird nunmehr vom Netz 5 über den Hilfstransformator 17 allein gespeist. Der auf
einen Wert einstellbare und z. B. von der Wechselrichterleistung beeinflußte -Regler
i9 verstellt den Drehtransformator io auf konstante Wechselrichterbelastung.