AT702U1 - FREQUENCY CONVERTER - Google Patents
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Description
AT 000 702 Ul 5 Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Umwandlung von 50 Hz-Drehstrom in 16 2/3-Hz Einphasenstrom, insbesondere zur Bahnstromversorgung.AT 000 702 Ul 5 The invention relates to a frequency converter for converting 50 Hz three-phase current into 16 2/3 Hz single-phase current, in particular for supplying traction current.
Elektrische Energieversorgungsnetze weisen oftmals unter-10 schiedliche Frequenzen auf. Um diese Netze miteinander zu verbinden, ist es notwendig, sogenannte Frequenzumrichter einzusetzen. Dieses Problem tritt beispielsweise bei der Versorgung von 16 2/3 Hz-Bahnnetzen auf, die aus dem 50 Hz-Netz versorgt werden sollen. 15Electrical energy supply networks often have different frequencies. To connect these networks with each other, it is necessary to use so-called frequency converters. This problem occurs, for example, when supplying 16 2/3 Hz railway networks that are to be supplied from the 50 Hz network. 15
In der Vergangenheit wurden zur Frequenzumrichtung überwiegend rotierende Maschinen eingesetzt. In jüngerer Zeit werden auch Lösungen mit Stromrichtern, insbesondere für höhere Leistungen, diskutiert und versuchsweise eingesetzt. 20In the past, mainly rotating machines were used for frequency conversion. In recent times, solutions with converters, especially for higher outputs, have been discussed and tried out. 20th
Aus Elektrische Bahnen 89 (1991) 11, Seiten 503 und 504, 7ist beispielsweise ein statischer Umrichter für die Bahnstromversorgung beschrieben, bei dem zunächst aus den 50 Hz über einen Umkehrstromrichter eine Gleichspannung erzeugt wird. 25 Aus der Gleichspannung wird dann wiederum mittels einer Vielzahl von GTO-Wechselrichtern eine vorgegebene Anzahl von TeilSpannungen erzeugt, die mittels der entsprechenden Anzahl von speziellen Transformatoren zu der gewünschten Spannung mit 16 2/3 Hz aufaddiert werden. Eine derartige Anordnung ist 30 seitens der Wechselrichter und der zugehörigen Transformatoren sehr aufwendig und kostspielig, wobei zur Erreichung einer verzerrungsarmen AusgangsSpannung Filter im Zwischenkreis und u. U. zusätzliche Filter auf der Ausgangsseite zur Unterdrückung von Oberschwingungen nötig sind.From Electrical Railways 89 (1991) 11, pages 503 and 504, 7, for example, a static converter for the rail power supply is described, in which a DC voltage is first generated from the 50 Hz via a reversing converter. 25 The DC voltage is then used to generate a predetermined number of partial voltages using a large number of GTO inverters, which are then added to the desired voltage of 16 2/3 Hz using the corresponding number of special transformers. Such an arrangement is very complex and costly on the part of the inverters and the associated transformers, with filters in the intermediate circuit and u. To achieve a low-distortion output voltage. Additional filters on the output side may be necessary to suppress harmonics.
Aus dem Asea Journal 1973, Vol. 46, Nr. 5, Seiten 119 bis 122, ist ein 12pulsiger Direktumrichter bekannt, der zur Ver- 2 35 AT 000 702 Ul sorgung eines 16 2/3 Hz-Bahnnetzes dient. Dieser benötigt jedoch ebenfalls ausgangsseitig aufwendige Filter.From the Asea Journal 1973, Vol. 46, No. 5, pages 119 to 122, a 12-pulse direct converter is known, which is used to supply a 16 2/3 Hz rail network. However, this also requires complex filters on the output side.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzum-richter für Energieverteilungsnetze zur Versorgung eines Bahnnetzes bereitzustellen, der bei einfacher Ausbildung sekundärseitig nur einen geringen oder möglichst keinen Filteraufwand erfordert.The invention is based on the object of providing a frequency converter for energy distribution networks for supplying a rail network which, with a simple design, requires little or no filter effort on the secondary side.
Die Lösung gelingt erfindungsgemäß mit einem Frequenzumrich-ter zur Bahnstromversorgung - wobei jeweils zwei antiparallel geschaltete 6-Puls Ventilbrücken eine von einem 50 Hz-Netz versorgte Grundeinheit bilden, - wobei jeweils zwei Grundeinheiten in Reihe geschaltet sind und eine 12-Puls-Einheit bilden und - die zwei 12-Puls-Einheiten über Koppelglieder parallel geschaltet sind.The solution is achieved according to the invention with a frequency converter for traction power supply - two antiparallel connected 6-pulse valve bridges each form a basic unit supplied by a 50 Hz network, - two basic units are connected in series and form a 12-pulse unit and - The two 12-pulse units are connected in parallel via coupling links.
Direktumrichter in Thyri stortechnik sind bereits schon seit ca. 25 Jahren bekannt. Sie wurden jedoch bisher nur bei Einheiten geringer Leistung und niedriger Pulszahl von den Fachleuten auf dem Sektor der Energieverteilung eingesetzt. Siehe hierzu auch obengenannten Stand der Technik. Zunächst lagen Vorbehalte gegen Halbleiter vor, da großer Wert auf eine betriebssichere Energieversorgung gelegt wurde. Dies gilt insbesondere für den Einsatz bei der Bahnstromversorgung. Zudem kommt, daß Direktumrichter in der Regel Oberschwingungen erzeugen, die aufwendige Filter erfordern, was wiederum mit Kosten und Aufwand verbunden ist.Direct converters in thyristor technology have been known for around 25 years. So far, however, they have only been used by experts in the energy distribution sector for units with low power and low pulse number. See also the above-mentioned prior art. Initially, there were reservations about semiconductors, as great value was placed on a reliable power supply. This applies in particular to use in traction power supply. In addition, direct converters generally produce harmonics that require complex filters, which in turn is associated with costs and effort.
Mit der vorliegenden Erfindung wurden nunmehr die Vorbehalte überwunden und ein Direktumrichter in Thyristortechnik mit hoher Pulszahl (p=24) und hoher Leistung für das spezielle Anwendungsgebiet vorgesehen. Die bevorzugte Anwendung ist die Versorgung von Bahnnetzen. Durch den Einsatz einfacher und sicherer Techniken sowie erprobter Komponenten wird ein Um- 3 AT 000 702 Ul richter hoher Zuverlässigkeit möglich, wobei auch z. B. gegenüber einem Zwischenkreisumrichter nunmehr ein sekundärseitiger Wechselrichter und ein Transformator nicht mehr erforderlich sind.With the present invention, the reservations have now been overcome and a direct converter in thyristor technology with a high number of pulses (p = 24) and high power has been provided for the special field of application. The preferred application is the supply of railway networks. Through the use of simple and safe techniques and proven components, a converter with high reliability is possible. B. compared to an intermediate circuit converter, a secondary-side inverter and a transformer are no longer required.
Die Anordnung kann mit Vorteil Wirk- und Blindleistung in beide Richtungen (50 Hz-» 16 2/3 Hz bzw. 16 2/3 Hz -»50 Hz) austauschen und ins 16 2/3 Hz-Netz induktive und kapazitive Blindleistung liefern. Die positiven Eigenschaften der rotierenden Maschinen für den Obertragungsbetrieb bleiben beim vorgeschlagenen Umrichter erhalten. Da die AusgangsSpannung nur geringe Verzerrungen aufweist, ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand nötig. Darüber hinaus bestehen keine Anforderungen an das 16 2/3 Hz-Netz, wie z.B. eine Mindestkurzschlußleistung oder eine definierte Konstanz der 16 2/3 Hz Netzfreguenz. Für besonders hohe Anforderungen kann am Ausgang ein Filter angeordnet sein. Aufgrund der ohnehin hohen Qualität der Ausgangsspannung ist kein oder nur ein geringer Filteraufwand erforderlich. Das Filter ist mit Vorteil als Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von ca. 800 bis 1 200 Hz ausgebildet.The arrangement can advantageously exchange active and reactive power in both directions (50 Hz- »16 2/3 Hz or 16 2/3 Hz -» 50 Hz) and deliver inductive and capacitive reactive power to the 16 2/3 Hz network. The positive characteristics of the rotating machines for the transmission operation are retained with the proposed converter. Since the output voltage has only little distortion, no or only a little filter effort is necessary. In addition, there are no requirements for the 16 2/3 Hz network, e.g. a minimum short-circuit power or a defined constancy of the 16 2/3 Hz network frequency. A filter can be arranged at the outlet for particularly high requirements. Due to the already high quality of the output voltage, no or only a small filter effort is required. The filter is advantageously designed as a high-pass filter with a cut-off frequency of approximately 800 to 1200 Hz.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.Further advantages of the invention result from the remaining claims. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Die Figur zeigt ein 50 Hz-Netz 1, das über einen Frequenzumrichter 3 mit einem 16 2/3 Hz-Netz 5 verbunden ist. Das 50 Hz-Netz 1 ist bevorzugt ein Energieversorgungsnetz mit beispielsweise 400 kV. Das 16 2/3 Hz-Netz 5 kann beispielsweise ein Bahnversorgungsnetz sein, das in der Praxis 110 kV aufweisen kann. Gegebenenfalls kann das 16 2/3 Hz-Netz 5 gelöscht oder wirksam geerdet betrieben werden. Seine Netzfrequenz ist beliebig vorgebbar.The figure shows a 50 Hz network 1, which is connected to a 16 2/3 Hz network 5 via a frequency converter 3. The 50 Hz network 1 is preferably an energy supply network with, for example, 400 kV. The 16 2/3 Hz network 5 can be, for example, a rail supply network, which in practice can have 110 kV. If necessary, the 16 2/3 Hz network 5 can be deleted or operated effectively grounded. Its network frequency can be specified as desired.
Der Frequenzumrichter 3 ist wie folgt aufgebaut: 4 AT 000 702 UlThe frequency converter 3 is constructed as follows: 4 AT 000 702 Ul
Er weist zunächst vier Grundeinheiten 7aa, 7ab, 7ba und 7bb auf, die jeweils von zwei antiparallel geschalteten 6-Puls-Ventilbrücken 9 gebildet sind. Die Ventilbrücken 9 sind bevorzugt als an sich bekannte 6-Puls Thyristorbrücken ausgestaltet. Es können jedoch auch andere geeignete steuerbare Halbleiter zur Anwendung kommen. Jeweils eine Ventilbrücke 9 bildet dabei die positive Halbwelle und eine weitere Ventilbrücke 9 die negative Halbwelle der zu bildenden Ausgangsspannung .It initially has four basic units 7aa, 7ab, 7ba and 7bb, which are each formed by two 6-pulse valve bridges 9 connected in anti-parallel. The valve bridges 9 are preferably designed as known 6-pulse thyristor bridges. However, other suitable controllable semiconductors can also be used. One valve bridge 9 forms the positive half-wave and another valve bridge 9 the negative half-wave of the output voltage to be formed.
Jeweils zwei Grundeinheiten 7aa und 7ab bzw. 7ba und 7bb sind in Reihe geschaltet und bilden dadurch jeweils eine 12-Puls-Einheit 11a, 11b. Die Grundeinheiten 7aa, 7ab und 7ba, 7bb einer jeden 12-Puls-Einheit 11a bzw. 11b erhalten jeweils eine um 30° phasenverschobene EingangsSpannung, wobei zwischen den beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b eine Phasenverschiebung um 15° besteht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Grundeinheiten 7aa bis 7bb folgende Phasenwinkel auf:In each case two basic units 7aa and 7ab or 7ba and 7bb are connected in series and thereby each form a 12-pulse unit 11a, 11b. The basic units 7aa, 7ab and 7ba, 7bb of each 12-pulse unit 11a or 11b each receive an input voltage that is phase-shifted by 30 °, with a phase shift of 15 ° between the two 12-pulse units 11a, 11b. In the present exemplary embodiment, the basic units 7aa to 7bb have the following phase angles:
Grundeinheit 7aa 0° Grundeinheit 7 ab 30° Grundeinheit 7ba -15° Grundeinheit 7aa 15°Basic unit 7aa 0 ° basic unit 7 from 30 ° basic unit 7ba -15 ° basic unit 7aa 15 °
Die einzelnen Phasenwinkel können ggf. auch anders gewählt werden. Wesentlich ist, daß dadurch eine 24pulsige Ausgangsspannung mit geringen Verzerrungen gebildet ist.If necessary, the individual phase angles can also be selected differently. It is essential that a 24-pulse output voltage is formed with little distortion.
Die Phasenverschiebungen werden vorliegend durch den Einsatz von Transformatoren 13a, 13b erzielt, die jeweils sekundärseitig zwei die Phasenverschiebung bildende Sekundärwicklungen aufweisen. Alternativ können auch beispielsweise die strichliert dargestellten Transformatoren 15a bis 15d oder äquivalent wirkende Bauelemente eingesetzt werden. 5 AT 000 702 UlIn the present case, the phase shifts are achieved by using transformers 13a, 13b, each of which has two secondary windings forming the phase shift on the secondary side. Alternatively, for example, the transformers 15a to 15d shown in dashed lines or equivalent components can be used. 5 AT 000 702 ul
Die beiden 12-Puls-Einheiten 11a, 11b sind ausgangsseitig parallel geschaltet. Um Kreisströme zwischen den 12-Puls-Einheiten 11a, 11b zu verhindern, sind diese mittels Drosseln 17a, 17b, insbesondere Saugdrosseln, voneinander elektrisch 5 entkoppelt. Vorliegend weisen die Drosseln 17a, 17b eine Mittelanzapfung auf, die als Spannungsausgang dient. Andere äquivalent wirkende Entkopplungsschaltungen sind ebenfalls möglich, beispielsweise eine Unterteilung der Drosseln 17a, 17b in Einzeldrosseln oder der Anschluß der 12-Puls-Einheiten 10 11a, 11b an eine speisende Doppelleitung, die erst im Netz 5 galvanisch verbunden ist. Die Induktivität zur Entkopplung ist hierbei durch die Induktivität der Doppelleitung gegeben.The two 12-pulse units 11a, 11b are connected in parallel on the output side. In order to prevent circulating currents between the 12-pulse units 11a, 11b, these are electrically decoupled from one another by means of chokes 17a, 17b, in particular suction chokes. In the present case, the chokes 17a, 17b have a center tap which serves as a voltage output. Other decoupling circuits with an equivalent effect are also possible, for example a subdivision of the chokes 17a, 17b into individual chokes or the connection of the 12-pulse units 10 11a, 11b to a feeding double line which is only electrically connected in the network 5. The inductance for decoupling is given by the inductance of the double line.
Die Mittelanzapfungen der Drosseln 17a, 17b sind zum 16 2/3 15 Hz-Netz 5 geführt. Gegebenenfalls kann für zusätzliche Beeinflussungen der Erdung im 16 2/3 Hz-Netz 5 der zusätzlich gebildete Mittelpunkt des Umrichters für eine Erdverbindung über die Zusatzdrossel 19 (strichlierte Darstellung) herausgeführt werden. Dadurch sind Maßnahmen wie direkte Erdung, 20 wirksame Erdung oder Einsatz von Löschspulen möglich.The center taps of the chokes 17a, 17b lead to the 16 2/3 15 Hz network 5. If necessary, the additional center of the converter for an earth connection can be led out via the additional choke 19 (dashed line) for additional influences on the earthing in the 16 2/3 Hz network 5. This enables measures such as direct earthing, effective earthing or the use of quenching coils.
Der vorgestellte Frequenzumrichter 3 weist ein sehr gutes Oberschwingungsverhalten in seiner AusgangsSpannung auf. Die Verzerrungen sind dabei derart gering, daß gegebenenfalls auf 25 Filter verzichtet werden kann. Bei hohen Anforderungen kann jedoch ein beliebiges geeignetes Filter 21 eingesetzt werden (strichliert dargestellt). Je nach Bedarf kann das Filter 21 auch in üblicher Anordnung zwischen den Phasenanschlüssen und dem Nulleiter angeordnet werden. In diesem Beispiel können 30 charakteristische Oberschwingungen in der Ausgangsspannung im Frequenzbereich von 24 x 50 = 1 200 Hz, deren Vielfachen und deren Seitenbändern erwartet werden. Insbesondere kann bei einem induktiven Verhalten des 16 2/3 Hz-Netzes 5 auf Filter verzichtet werden. Gegebenenfalls reicht es aus, lediglich 35 einen Hochpaß im Bereich der unteren Seitenbänder von 1 200 Hz (ca. bei 800 Hz) einzusetzen. 6 AT 000 702 UlThe frequency converter 3 presented has a very good harmonic behavior in its output voltage. The distortions are so low that 25 filters can be omitted if necessary. For high requirements, however, any suitable filter 21 can be used (shown in broken lines). Depending on requirements, the filter 21 can also be arranged in a conventional arrangement between the phase connections and the neutral conductor. In this example, 30 characteristic harmonics in the output voltage in the frequency range of 24 x 50 = 1 200 Hz, their multiples and their sidebands can be expected. In particular, filters can be dispensed with if the 16 2/3 Hz network 5 behaves inductively. If necessary, it is sufficient to use only 35 a high-pass filter in the area of the lower sidebands of 1200 Hz (approx. At 800 Hz). 6 AT 000 702 Ul
Durch die Kopplung der 12-Puls-Einheiten 11a, 11b über die Drosseln 17a, 17b ist auch ein Teillastbetrieb bei Ausfall einer 12-Puls Einheit 11a, 11b möglich. Die AusgangsSpannung weist in diesem Fall zwar nicht die Qualität auf, es ist je-5 doch ein Notbetrieb möglich.By coupling the 12-pulse units 11a, 11b via the throttles 17a, 17b, partial-load operation is also possible if a 12-pulse unit 11a, 11b fails. In this case, the output voltage is not of the quality, but emergency operation is possible.
Im Hinblick auf eine möglichst verzerrungsfreie Ausgangsspannung wird der als Direktumrichter ausgelegte Frequenzumrichter 3 auf eine sinusförmige AusgangsSpannung mit 16 2/3 Hz 10 ausgesteuert. Bei Tolerierung einer erhöhten Verzerrung der AusgangsSpannung kann, z. B. bei trapezförmiger Aussteuerung der Spannung, die Übertragungsleistung unmittelbar um ca. 10 bis 20 % gesteigert werden. 7 AT 000 702 UlWith regard to an output voltage that is as distortion-free as possible, the frequency converter 3, which is designed as a direct converter, is driven to a sinusoidal output voltage with 16 2/3 Hz 10. If an increased distortion of the output voltage is tolerated, e.g. B. with trapezoidal control of the voltage, the transmission power can be increased by about 10 to 20%. 7 AT 000 702 Ul
Bezugszeichenliste 1 3 5 7aa bis 7bb 9 11a, 11b 13a, 13b 15a bis 15d 17a, 17b 19 50 Hz Netz Frequenz umri chter 16 2/3 Hz Netz Grundeinheit Ventilbrücken 12-Puls Einheit Transformator Transformator Drossel Zusatzdrossel 8LIST OF REFERENCE SIGNS 1 3 5 7aa to 7bb 9 11a, 11b 13a, 13b 15a to 15d 17a, 17b 19 50 Hz network frequency converter 16 2/3 Hz network basic unit valve bridges 12-pulse unit transformer transformer reactor additional reactor 8
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