Verfahren zur Verbesserung des Leistungsfaktors und Verringerung der Stromwelligkeit in gesteuerten Stromrichteranlagen. Die vorliegende Erfindung kann bei An lage mit gesteuerten Stromrichtern jeder Art Verwendung finden, insbesondere bei solchen mit gas- oder dampfgefüllten Stromrichtern mit Gittersteuerung oder Steuerung durch Initialzündung oder bei solchen mit Licht- bogenstromriehtern nach Marx usw.
und be zweckt bei Regelung dieser ,Stromrichter eine Verbesserung des Leistungsfaktors und eine Verringerung der .Stromwelligkeit.
Bekanntlich ist die Regelung eines Strom richters durch Gittersteuerung oder die ent sprechenden Steuerverfahren mit dem grund sätzlichen Nachteil verbunden, dass der Lei stungsfaktor der Stromrichter proportional der Herabregelung der Spannung sinkt. In Fig.l sind die Zusammenhänge dargestellt unter der Annahme eines konstanten Gleich stromes und eines streuungslosen Transfor mators. Abszisse ist der Aussteuerungsgrad in 9o'. Aufgetragen sind in Kurve a der cos 9p und die diesem proportionale Gleich- Spannung E.
Man sieht, dass Leistungsfaktor und Gleichspannung proportional dem Aus steuerungsgrad absinken, das heisst um so kleiner werden, je weiter .Strom bezw. Span nung des Gleichrichters herabgeregelt wer den. Ferner sind eingetragen die Wirklei stung, für die ebenfalls die Kurve a gilt, sowie die Blindleistung in Kurve b.
Diese nimmt mit sinkender Aussteuerung immer mehr zu und erreicht bei der Aussteuerung 0 den Wert von 100 %, das heisst der Gleichrichter nimmt, da ja sein Gleichstrom als konstant angenommen wird, nunmehr 100 % Blindlei stung auf, statt <B>100</B> % Wirkleistung bei vol ler Aussteuerung. Der konstant angenommene Gleichstrom wird dabei dem Gleichrichter praktisch ohne Spannung entnommen. Die Blindleistungsaufnahme wirkt sich nicht nur in den Stromkosten aus, sondern kann auch ein technisches Hindernis sein, zum Beispiel wenn der Stromrichter sehr rasch geregelt wird.
Die dann stark schwankende Blindlast ruft im speisenden Drehstromnetz unange nehme Spannungsschwankungen hervor, die nicht durch Aufstellung einer Blindleistungs- erzeugungsanlage mit Kondensatoren behoben werden können und an den Stromerzeugern nicht ausgeregelt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Verbesserung des Leistungs faktors und zur Verringerung der Oberwellen in gesteuerten Stromrichteranlagen mit meh reren in Reihe geschalteten Gefässen, wobei erfindungsgemäss die Steuerung der Span nung bezw. des Stromes durch Beeinflussung nur eines Teils der in Reihe geschalteten Stromrichter vorgenommen wird.
In Fig. 2 sind 8, und S ., zwei Gleichrieli- ter, die mit ihren Transformatoren T, und T... in Reihe geschaltet sind und auf das Gleich stromnetz G arbeiten. Die Transformatoren sind auf der Oberspannungsseite parallel ge schaltet.
Die Anlage arbeitet wie folgt: Der Gleich richter S, wird zunächst nicht gesteuert und liefert also seine volle Gleichspannung von beispielsweise e, = 50 Volt. Wenn nun der Gleichrichter S., gleichfalls auf volle Gleich spannung (ey = 50 Volt) ausgesteuert wird, so beträgt die Gesamtspannung<I>e =</I> e, -I-- e..
50 -@ 50 = 100 Volt. Regelt man nun den Gleichrichter S. allmählich herunter, so wird bei der Aussteuerung 0 die Gleichspan nung e.. = 0. Die Gesamtspannung ist dann = 50 + 0 = 50 Volt; sie ist also um 50 herabgeregelt.
Betrachtet man nun die Blindlastverhäll- ni.sse, so ist gemäss F'ig. 3 bei e = 100 Volt der cos 99 = 1, da beide Gleichrichter voll ausgesteuert sind. Beie = 50 Volt ist die Blindleistung in S, immer noch Null. da S, voll ausgesteuert ist. Dagegen nimmt S.= jetzt. eine Blindleistung von 50 VA auf, da sein Strom konstant und sein cos rp = 0 geworden ist.
Die Wirkleistung von S, ist bei Strom von 1 Amp. 50 Watt und die von S, = 0, da e#, <I>= 0</I> ist. Es ist also für beide Gleich richter zusammen die Wirklast = 50 M, Taft und die Blindlast = 50 VA, das heisst der cos p = 0,707. Gegenüber einer normal ge- steuerten Gleicbriehteranlage nach Fig. 1 ist also eine Verminderung der Blindleistung von<B>86%</B> auf 50% , eine Verbesserung des cos (p von 0,5 auf 0,707 eingetreten.
Es ist nun auch bei dieser Schaltung mög- l,ali, die Gleichspannung noch weiter her unterzuregeln, wenn man den Zündwinkel noch weiter verzögert, das heisst den Strom richter S.= ,jetzt als Wechselrichter steuert. Ei, gibt dann eine negative Gleichspannung ab, die von der Spannung des immer noch als Gleichrichter mit voller Aussteuerung arbei tenden Gefässes S, zu subtrahieren ist.
@ Im Extremfall erhält man mit e, = -+- 50 Volt und e#,=-50 Volt die Gesamtspannung e=50-50=0 Volt, das heisst. man kann die Gesamtanlage bis auf die Gleichspannung Null regeln.
Betrachtet man wieder die Blindlastver- hältnisse, so ist, die Blindleistung des voll ausgesteuerten Gleichrichters S, = 0, die des voll ausgesteuerten (idealen) Wechselrichters S., ebenfalls 0. Während also beim entspre chenden normal geregelten Gleichrichter die Blindleistung bei der Spannung Null 100 VA beträgt, ist sie bei der Regelung naeb vor liegender Erfindung gleich Null.
Das ist nun besonders wertvoll, zum Beispiel für den Be trieb von Walzwerkmotoren, die beim An lassen bezw. Umsteuern bei der Spannung Null einen besonders hohen Strom aufneh- inen, der bei der bekannten Regelung der Gleichrichter eine hohe Blindleistungsauf.- iiahme ans dem Netz zur Folge hat.
Der Verlauf von cos 9p und Blindleistung bei einer der Erfindung entsprechenden An lage ist nach vorstehendem leicht zu ermit teln und in Fig. 3 eingetragen.
Das beschriebene Verfahren ist nun keine.s- wegs auf den als Beispiel behandelten Fall. wo die Gesamtanlage als Gleichrichter arbeitet, beschränkt. Man kann in sinngemässer Weise auch auf Wechselrichterbetrieb übergehen und eine stetige Regelung von e=e, -I- evon 0 bis --100 Volt Spannung erreichen.
Der Weg hierzu ist klar; man braucht nur einen der beiden Stromrichter, zum Beispiel wieder S'._, , zu regeln, und zwar von e2 = + 50 Volt (Gleichrichter) bis e2 = 50 Volt (Wechsel richter), während Sl konstant als Wechselrich ter mit voller Aussteuerung e2 =-50 Volt arbeitet. Man erhält dann an den Enden des Regelbereiches e = -50 - 50 =-100 Volt bezw. e =-50, -I- 50 = 0 Volt, womit der Anschluss an den Gleichrichterbetrieb gegeben ist.
Der Verlauf von Blindleistung und cos 9a ist ähnlich wie im Gleichrichterbetrieb.
Die Welligkeit des Gleichstromes der vön den beiden in Reihe geschalteten und nach vorstehenden Angaben gesteuerten Strom richter wird gegenüber den bekannten Steuer verfahren gleichfalls beträchtlich vermindert und ermöglicht somit eine entsprechende Ver kleinerung der Glättungsdrosselspulen. Auch auf der Drehstromseite tritt eine Verminde rung der Oberwellen ein, weil die beiden Stromrichter bei der Regulierung in der Phase gegeneinander verschoben werden und infolge der niedrigen Blindleistung der pri märe Netzstrom ohnehin kleiner wird, wenn die Aussteuerung sinkt.
Die beschriebene Reihenschaltung von zwei Stromrichtern hat auch hinsichtlich des Verhaltens bei Störungen eine Reihe von Vor teilen, von denen nur die grosse .Sicherheit gegen Rückströme aus dem Gleichstromnetz erwähnt sei. Bei einem einzigen in bekannter Weise gesteuerten Gefäss ist zum Beispiel jede Rückzündung mit einem Rückstrom aus dem Gleichstromnetz verbunden, wenn dieses eine Gegen-EMg besitzt. Bei der Reihen schaltung kann ein Rückstrom nur auftreten, wenn beide Gefässe gleichzeitig rückzünden, was sehr unwahrscheinlich ist.
Eine Stromrichteranlage gemäss der Er findung hat zwar den Nachteil eines schlech teren Wirkungsgrades, da der doppelte Licht- bogenverlust auftritt. Ein Ausgleich lässt sich aber erzielen, wenn man von der nachstehend beschriebenen Transformatorausführung Ge brauch macht. Bisher war angenommen, dass jeder Stromrichter seinen eigenen Transfor mator besitzt. Dann treten zum Beispiel bei der Herabregelung der Spannung auf Null (e = 50 - 50 = 0) in beiden Transformato- ren die vollen Verluste auf, da primär und sekundär der volle Strom fliesst.
Der aus dem Wechselstromnetz entnommene Strom ist da gegen Null (wenn man von den Verlusten absieht), da der Wechselrichter<B>8,</B> die vom Gleichrichter S, erzeugte Gleichstromleistung wieder gewinnt. Diese Rückgewinnung geht über die parallel geschalteten Primärklemmers der Transformatoren und deren Primärwick lungen vor sich.
Man kann nun die Verluste in. der Primärwicklung vermeiden, wenn man die beiden Stromrichter aus einem gemein samen Transformator speist, der nur eine Primärwicklung hat, mit der die beiden Sekundärwicklungen zur Speisung der Strom richter S1 und S verkettet sind. Die Rück gewinnung der Energie des Gleichrichters k9, durch den Wechselrichter S. geschieht dann unmittelbar über die Sekundärwicklungen, und in der Primärwicklung fliesst nur der Differenzstrom. Dieser nähert sich, wenn die Gleichspannung auf Null geregelt wird, eben falls dem Wert Null.
Die beschriebene Erfindung ist nun keines falls auf die Reihenschaltung von zwei Strom richtern beschränkt. Sie kann sinngemäss auch bei Reihenschaltung mehrerer Gefässe angewendet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung anzuwenden, wenn man bereits aus andern Gründen zwei oder mehr in. Reihe geschaltete Gefässe anwenden muss, zum Beispiel bei der Gleichstrom-Hochspannungs-graftüber- tragung.
F'ig. 4 zeigt eine derartige Anlage, bei der jede Phase des Drehstromnetzes BST einen ein- bezw. zweiphasigen Gleichrichter G, bis G, speist. Zu diesem Zweck sind die Primär wicklungen der Transformatoren T1 bis Tr, an die drei Phasen des Drehstromnetzes RST an geschlossen und die Sekundärwicklungen je weils an die Minusleitung bezw. an die Kathode des vorangehenden Gleichrichter gefässes einerseits und an die Anoden des nachfolgenden Gefässes anderseits.
Die Gleich richter G1 bis G3 bilden die Gruppe I, die Gleichrichter G4 bis G6 die Gruppe 1I. Die beiden Gruppen werden in Reihe geschaltet und gegebenenfalls wird der Mittelpunkt der Anlage zwischen Gefässen G3 und G., geerdet. Man kann nun die beiden Gruppen 1 und 11 entsprechend dem erfindungsgemässen Ver fahren regeln, indem man nur die Gitter der Gefässe G1 bis G, beeinflusst und die Gefässe G., bis GE mit voller Aussteuerung arbeiten lässt.
Falls nur eine Gruppe vorhanden ist. kann man gemäss der Erfindung nur eines oder zwei von den Gefässen beeinflussen und die andern bezw. das dritte mit voller Aus steuerung arbeiten lassen. Dabei entsteht allerdings eine unsymmetrische Belastung des Drehstromnetzes. Sind nun mehrere Gruppen von den in Reihe geschalteten Gefässen unter sich parallel geschaltet, so kann man von jeder Gruppe nur einzelne Gefässe steuern, diese jedoch so auswählen, dass keine ein phasige Last im Drehstromnetz auftritt.