CH674285A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSRPÜCHE Läuferwicklungen (W1, W2) über einen dritten Schalter (S73)

1. Verfahren zum Betrieb eines dem Energieaustausch miteinander verbunden werden, und dass der dritte Teil-zwischen einem Drehstromnetz und einem Einphasen-Bahn- Stromrichter (41) die Einphasen-Synchronmaschine (SYM) netz dienenden Bahnumformers, der zumindest aus einer noch so lange weiterspeist, bis die Asynchronmaschine Einphasen-Synchronmaschine, einer doppelt gespeisten s (ASM) über die zwei anderen Teilstromrichter (42,43) aufAsynchronmaschine mit läuferseitig zuschaltbarem Direkt- magnetisiert ist und die offene Ständerwicklung, an der jetzt Umrichter sowie einem Erregerstromrichter besteht, dadurch Spannung liegt, bei Nulldurchgang über einen vierten gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Arbeitsschritte Schalter (S12) mit dem Drehstromnetz verbunden wird und Anfahren, Ankupplung und Abbremsen gehören, dass zum dass anschliessend der dritte Teilstromrichter (41) auf die Anfahren die Asynchronmaschine (1) ständerseitig kurzge- 10 dritten Läuferwicklungen (Wi, W2) der beiden Wicklungssy-schlossen wird, dass dazu die Einphasen-Synchronmaschine steme (I, II) der Asynchronmaschine (ASM) unter Öffnung (6) im unteren Drehzahlbereich von der vom Direktumrich- des Schalters (S73) und der zusätzlichen Schalter (S711, S721) ter (4) läuferseitig gespeisten Asynchronmaschine (1) bis zu umgeschaltet wird (Fig. 3).

einer Drehzahl beschleunigt wird, bei der das von der Ein- 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch phasen-Synchronmaschine (6) abgebbare Drehmoment 15 gekennzeichnet, dass zum schnellen Abbremsen des Bahnum-

grösser ist als das der Asynchronmaschine (1), dass dann der formers die für Anfahren und Ankupplung benötigten Ver-

Direktumrichter (4) von den Läuferwicklungen (ui... W2) der fahrensschritte in umgekehrter Folge durchlaufen werden,

Wicklungssysteme (I, II) der Asynchronmaschine (1) mit wobei die Ständerwicklung der Asynchronmaschine (1)

Schaltern (S21, S211, S22, S221) abtgetrennt und mit wei- zunächst mittels des vierten Schalters (S12) vom Drehstrom-

teren Schaltern (S71, S711, S72, S721) auf die Ständerwick- 20 netz getrennt wird, dass anschliessend eine Rückspeisung aus lung (61) der Einphasen-Synchronmaschine (6) umgeschaltet der Einphasen-Synchronmaschine (6) über den Direktum-

wird und anschliessend die Asynchronmaschine (1) mit der richter (4) in das Drehstromnetz über die zusätzlichen

über den Direktumrichter (4) gespeisten Einphasen-Syn- Schalter (S71, S72) erfolgt, bis das Bremsmoment der Ein-

chronmaschine (6), die über einen Erregerstromrichter (5) phasen-Synchronmaschine (6) kleiner wird als das der erregt ist, bis zur Nenndrehzahl beschleunigt wird (Fig. 2). 25 Asynchronmaschine (1), dass sodann die Asynchronma-

2. Verfahren zum Betrieb eines zum Energieaustausch schine (1) ständerseitig kurzgeschlossen und der Direktum-zwischen einem Drehstromnetz und einem Einphasen-Bahn- richter (4) von der Ständerwicklung der Einphasen-Syn-netz dienenden Bahnumformers, der zumindest aus einer chronmaschine (6) getrennt und über Schalter (S21, S22) an Einphasen-Synchronmaschine, einer doppelt gespeisten die Läuferwicklungen der Asynchronmaschine (1) zur wei-Asynchronmaschine mit läuferseitig zuschaltbarem Direk- 30 teren Abbremsung bis zum Stillstand gelegt wird.

tumrichter sowie einem Erregerstromrichter besteht, 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Arbeits- zeichnet, dass der Bahnumformer zur Verringerung von schritte Anfahren, Ankupplung und Abbremsen gehören, Umschaltvorgängen ausschliesslich über die Asynchronma-

dass zur Erhöhung des Beschleunigungsmomentes die schine (1) beschleunigt wird unter Verwendung eines Direkt-

Asynchronmaschine (1) als Synchronmaschine anläuft, dass 35 Umrichters (4) für erhöhte Ausgangsfrequenzen, wobei die dazu der Erregerstromrichter (5) der Einphasen-Synchron- Asynchronmaschine (1) asynchron oder synchron betrieben maschine (6) im unteren Drehzahlbereich die Erregung der werden kann.

Asynchronmaschine (1) übernimmt, wobei der Erregerstromrichter (5) durch einen fünften Schalter (S81) an die

Ständerwicklung der Asynchronmaschine (1) angeschlossen 40 und durch einen sechsten Schalter (S82) von der Einphasen-Synchronmaschine (6) abgetrennt wird, dass die Einphasen-

Synchronmaschine (6) von der vom Direktumrichter (4) BESCHREIBUNG

läuferseitig gespeisten Synchronmaschine (1) bis zu einer Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb

Drehzahl beschleunigt wird, bei der das von der Einphasen- 45 eines dem Energieaustausch zwischen einem Drehstromnetz

Synchronmaschine (6) abgebbare Drehmoment grösser ist als und einem Einphasen-Bahnnetz dienenden Bahnumformers das der Asynchronmaschine (1), dass dann der Direktum- gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 oder 2.

richter (4) von den Läuferwicklungen (ui... W2) der Wiek- Bahnumformer sind Anlagen zur 16 %-Hz-Einphasen-

lungssysteme (I, II) der Asynchronmaschine (1) mit Schal- Bahnstromversorgung aus dem 50-Hz-Landesnetz. Da zwi-

tern (S21, S211, S22, S221 ) abgetrennt und mit weiteren so sehen den beiden Netzen kein starres Frequenzverhältnis

Schaltern (S71, S711, S72, S721) auf die Ständerwicklung (61) besteht, ist eine frequenzelastische Netzkupplung erfor-

der Einphasen-Synchronmaschine (6) umgeschaltet und der derlich. Dieses technische Problem wurde in der Vergangen-

Erregerstromrichter (5) wieder zur Erregung der Einphasen- heit mit Hilfe von fünf starr gekuppelten elektrischen

Synchronmaschine (6) herangezogen wird, wobei der sechste Maschinen gelöst, die mit Drehstromkommutatoren und

Schalter (S82) geschlossen und der fünfte Schalter (S81) ss Schleifringen ausgerüstet waren. Derartige Maschinenum-

geöffnet wird und dass anschliessend die Asynchronma- former wurden bis Mitte der siebziger Jahre gebaut (Ingold,

schine (1) mit der über den Direktumrichter (4) gespeisten R. : «Das Umformerwerk Kerzers der Schweizerischen Bun-

Einphasen-Synchronmaschine (6) bis zur Nenndrehzahl desbahnen», «Elektrische Bahnen» 48 (1977) Heft 5, Seiten beschleunigt wird (Fig. 4). 110 ff.). Die ältesten noch in Betrieb befindlichen Anlagen

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- «o sind ca. 40 Jahre alt.

zeichnet, dass zur ausgleichsschwingungsfreien Ankupplung Mit dem Aufkommen der Thyristortechnik wurden schon der Asynchronmaschine (ASM) an das Drehstromnetz, der Mitte der sechziger Jahre Überlegungen angestellt, den auf-

Direktumrichter (4) zunächst mit zwei Teilstromrichtern (42, wendigen Maschinenumformersatz mit Hilfe leistungselek-

43) von der Ständerwicklung (61) der Einphasen-Synchron- tronischer Komponenten zu vereinfachen. Es gelang im maschine (SYM) über je einen ersten und zweiten Schalter 6s Bahnunterwerk «Neu-Ulm», die aufwendige Hinterma-

(S21, S22) an je zwei Läuferwicklungen (ui, vi, 112, W2) der schine und den Maschinen-Frequenzwandler durch einen beiden Wicklungssysteme (I, II) der Asynchronmaschine Direktumrichter zu ersetzen («Asynchroner Netzkupplungs-

(ASM) geschaltet wird, wobei die Anschlüsse der dritten umformer von AEG-Telefunken für die Bahnstromversor-

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gung». Sonderheft «Technische Mitteilungen AEG-Tele- und Spannungsstössen in der Maschine, die besonders bei funken» 63 (1973) Heft 7). solchen mit grossen Leistungen (z. B. 80 MVA) die Wick-

Der vereinfachte Maschinensatz besteht nunmehr aus drei lungs- und Schleifringisolation gefährden können.

Einzelmaschinen, die in der Fig. 1 dargestellt sind. Zum Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Bahnum-

Bahnumformer gehören danach die doppeltgespeiste s former ausgleichsschwingungsfrei mit den beiden Netzen zu

Asynchronmaschine (ASM) 1, die Einphasen-Synchronma- synchronisieren und den Geräteaufwand zu verringern,

schine (SYM) 6, der Dreiphasen-Wellengenerator 8, der Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im

Direktumrichter 4, der Erregerstromrichter 5 sowie ein Kennzeichen des vorliegenden Patentanspruches 1 aufge-

Anlasstransformator 2, ein Anlasswiderstand 3, ein Brems- führten Verfahrensschritte gelöst. Das Verfahren gemäss der gleichrichter 7 und eine Reihe von Schaltgeräten und Trans- io Erfindung wird in den nachstehend beschriebenen Ausfüh-

formatoren 9,10. Der Direktumrichter hat dieselbe Aufgabe rungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es wie die Hintermaschine und der Maschinen-Frequenz- zeigen die Fig. 2,4 und 5 je ein Ausführungsbeispiel, die wandler bei der früheren Ausführungsform des Bahnumfor- Fig. 3 dient zur Erläuterung der «Rücksynchronisation»,

mers. Er soll die Schlupfwirk- und -blindleistung erzeugen d. h. zur ausgleichsschwingungsfreien Ankopplung der ASM

und läuferseitig mit der entsprechenden Schlupffrequenz in is an das Drehstromnetz.

die doppeltgespeiste ASM einspeisen (Schalter S21, S22, S4, Zum Anfahren und Bremsen der Hauptmaschinen (1,6) S12, S2, S61, S62, S3 geschlossen, S63 offen). Auf diese Weise über Umrichter werden, wie Fig. 2 zeigt, an Stelle von Anlasskann der Wirkleistungsfluss zwischen den beiden Netzen transformator, Anlasswiderstand und Bremsgleichrichter und die Blindleistung im 50-Hz-Landesnetz gesteuert zusätzliche anschliessend näher aufgeführte Schaltgeräte einwerfen. Die Blindleistung im Bahnnetz wird von der SYM 20 gesetzt.

geliefert. Beide Blindleistungen können unabhängig vonein- Beim Anfahren des Maschinensatzes gibt es grundsätzlich ander gestellt werden. Bei Ausfall des Wellengenerators 8 zwei Möglichkeiten. Die ASM kann entweder als Kurzkann der Erregerstromrichter 5 der SYM auch direkt aus schlussläufer-ASM (Fig. 2) oder als ständerseitig erregte Syn-dem 50-Hz-Landesnetz versorgt werden. chronmaschine (Fig. 4) betrieben werden. Im ersten Fall

Zum Anlaufen des Maschinensatzes (1,6,8) werden die in 25 wird die ASM vor dem Anfahren mit dem Schalter S6 kurz-

Fig. 1 dargestellten Schalter SI, S12, S20 geschlossen. Die geschlossen. Der Direktumrichter speist nach Schliessen der

Teilspannung des Anlasstransformators 2 wird dabei so Schalter S4, S21 und S22 die ASM läuferseitig. Die Maschi-gewählt, dass die läuferseitig auftretende Spannung die zuläs- nenwelle wird annähernd mit Nennmoment beschleunigt,

sige Schleifringisolationsspannung nicht überschreitet. Mit Bei z. B. 10% der Nenndrehzahl (genaue Werte können nur dem Anlasswiderstand 3 wird etwa Nennstrom eingestellt, 30 bei bekannten Maschinen- und Umrichterdaten angegeben und die Maschinenwelle wird beschleunigt. Kurz vor werden) beginnt der Feldschwächbereich, weil die Ausgangs-Erreichen der Nenndrehzahl wird der Anlasswiderstand 3 im Nennspannung des Direktumrichters erreicht ist. Das

Schnellgang wieder in Maximumstellung gefahren ; die Beschleunigungsmoment nimmt wegen der Feldschwächung

Drehzahl fällt dabei nur geringfügig ab. Dann wird zunächst mit zunehmender Drehzahl hyperbolisch ab.

mit dem Schalter S1 der Sternpunkt des Anlasstransforma- 35 Frühestens bei einer Drehzahl, bei der das von der SYM

tors geöffnet ; nun ist der grössere Teil seiner Wicklung als abgebbare Beschleunigungsmoment grösser ist als das der

Drosselspule wirksam. Nach etwa 0,5 s wird die Teilwicklung ASM, wird der Direktumrichter 4 von der ASM auf die SYM

mit dem Schalter S2 kurzgeschlossen und damit die Ständer- durch Öffnen der Schalter S21, S22 und Schliessen der wicklung der Maschine direkt ans Netz gelegt. Mit dieser Schalter S71 und S72 umgeschaltet. Der Aufbau der Sammel-

«Dreischaltermethode» sollen durch zweistufige Umschal- 40 schiene S5 wird anschliessend mit Hilfe der Fig. 3 näher tung der Teilspannungen die Schaltstösse beim Einschalten erläutert. Durch Parallelbetrieb der drei Teilumrichter 41,

der ASM möglichst gering gehalten werden. 42,43 des Direktumrichters 4 kann die SYM etwa mit Nenn-

Wenn die ASM ans Netz geschaltet ist, wird der Anlass- ström betrieben werden. Bei eingeschalteter Erregung widerstand 3 in seine Minimalstellung gebracht. Danach (Schalter S62, S63 geschlossen) wird nun das Beschleuni-

wird durch Betätigen der Schalter S20, S4, S21 und S22 der 45 gungsmoment von der SYM aufgebracht. Die Umschaltung

Direktumrichter 4 ein- und der Anlass widerstand 3 abge- des Direktumrichter-Ausganges von der ASM auf die SYM

schaltet. Nach der Erregung der SYM (Schalter S61, S62, S63 ist erforderlich, weil die heute verfügbaren Direktumrichter geschlossen) wird die ASM über den Direktumrichter zur nur eine maximale Ausgangsfrequenz von 20 Hz abgeben

Synchronisation der SYM drehzahlgeregelt betrieben. Zum können. Nach der Umschaltung an die Ständerwicklung der

Synchronisieren wird der Schalter S3 bei einer Spannung am so SYM ist die Ausgangsfrequenz des Direktumrichters ausrei-

Schalter gleich Null geschlossen. chend, die Maschinenläufer bis auf Nenndrehzahl zu

Zum beschleunigten Stillsetzen des Maschinensatzes ist beschleunigen, weil die Nennfrequenz der SYM nur Vi der eine Einrichtung zum elektrischen Bremsen vorgesehen Nennfrequenz der ASM beträgt (gilt z. B. bei 50 Hz Netzfre-(Gleichstrombremsung). Dabei wird bei eingeschaltetem quenz und 16 % Hz Bahnfrequenz). Ein frequenzgesteuerter Anlasswiderstand 3 die Ständerwicklung der ASM 1 bis zum ss Anlauf ohne Umschaltung nur mit Hilfe der SYM ist nicht Stillstand mit Gleichstrom aus dem Bremsgleichrichter 7 möglich, da die SYM im Stillstand kein Drehmoment aufgespeist (Schalter S20, S23, S63, S67 geschlossen, Schalter Sl, bringen kann.

S2, S3, S12, S21, S22, S4, S61, S62 geöffnet) und der Läufer- Hat die Maschinenwelle die Nenndrehzahl erreicht,

ström mit dem Anlasswiderstand eingestellt. Durch die werden zwei Teilumrichter zur Erregung der ASM abgekup-

Gleichstromerregung wird bei sich drehendem Läufer in der 60 pelt : in der Fig. 3 sind zur Erläuterung dieses Vorganges zwei

Läuferwicklung eine Spannung induziert, die einen Strom Drehstrom-Läuferwicklungssysteme I, II der ASM und eine durch den Anlasswiderstand treibt. Dieser Strom erzeugt ein Einphasen-Ständerwicklung 61 der SYM dargestellt. Die letz-

Bremsmoment. Dadurch wird die Maschinenwelle bis zum tere wird bei geschlossenen Schaltern S71, S711, S72, S721, S4

Stillstand abgebremst. vor dem Abkuppeln zunächst von den drei parallelgeschal-

Das Anlassen und Abbremsen der Hauptmaschinen (ASM 65 teten Teilumrichtern 41,42,43 gespeist. Zum Abkuppeln der

1, SYM 6) über Anlasstransformator 2, Anlasswiderstand 3 zwei Teilumrichter 42,43 werden die Schalter S71, S72

und Bremsgleichrichter 7 erfordert einen zusätzlichen Gerä- geöffnet und S21, S22, S73 geschlossen. Die zwei Teilum-

teaufwand und führt wegen der Schalthandlungen zu Strom- richter 42,43 speisen bei offenem Schalter S6 (Fig. 2) die

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Drehstromwicklungen I, II in «V-Schaltung». Der dritte Teilumrichter 41 hält den leerlaufenden Maschinensatz auf Nenndrehzahl (Schalter S711, S721 bleiben geschlossen, Schalter S221, S211 sind geöffnet).

Ist die ASM erregt, erfolgt die auch betriebsmässig vorgesehene ausgleichsschwingungsfreie «Rücksynchronisierung» mit dem Drehstromnetz (Schliessen des Schalters S12 bei Schalterspannung gleich Null). Ist die Rücksynchronisierung erfolgt, kann die ASM die Drehzahlregelung übernehmen. Der dritte Teilumrichter wird von den Ständerklemmen der SYM getrennt und steht für seine normale Aufgabe zur Verfügung. Er wird also wieder zur Speisung der ASM-Läuf erwicklungen verwendet und an die Klemmen der dritten Wicklungen (wi, W2) angekuppelt. Dazu werden die Schalter S221, S211 geschlossen und Schalter S73 geöffnet.

Nach Erregung der SYM (S62 geschlossen, S63 offen) kann diese mit dem Bahnnetz synchronisiert werden. Eine Erregung der Synchronmaschine 6 über den Erregergenerator 8 ist dann angebracht, wenn ein Wellengenerator, wie häufig noch bei älteren Anlagen, vorhanden ist. In diesem Fall wird der Schalter 61 geschlossen und die Schalter 62 und S63 werden geöffnet. Damit ist der Hochlaufvorgang beendet.

Beim Bremsvorgang werden alle Betriebszustände in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, wobei die Aufteilung der drei Teilumrichter in zwei Teilumrichter 42,43 für die ASM in «V-Schaltung» und einen Teilumrichter 41 für die SYM entfallen kann. Dabei wird die anfallende Bremsenergie ins Netz zurückgespeist.

Da die ASM bei der Schaltung nach Fig. 2 nicht mit dem Leistungsfaktor cosqj = 1 betrieben werden kann (die Magnetisierungsleistung muss vom Direktumrichter aufgebracht werden), hat das Anlaufdrehmoment nicht seinen maximal möglichen Wert (coscp < 1). Durch Umschalten des Erregerstromrichters 5 an die Ständerklemmen der ASM kann diese schon im Stillstand ständerseitig erregt werden und als SYM mit gesteigertem Moment anlaufen. In Fig. 4 ist dargestellt, wie mit Hilfe der zusätzlichen Schalter S82, S81 der Erregerstromrichter 5 zur ständerseitigen Erregung der ASM umgeschaltet wird. Zur Erregung wird Schalter S82 geöffnet und Schalter 81 geschlossen (die sonstigen Bezugszeichen in der Fig. 4 entsprechen denen in der Fig. 2). Dadurch kann die s Anlaufzeit verkürzt werden. Beim Umschalten des Direktumrichters an die Ständerklemmen der SYM muss dann auch der Erregerstromrichter mit umgeschaltet werden (Schalter S81 geöffnet, Schalter S82 geschlossen).

Bei den heute üblichen Direktumrichterschaltungen in 10 6/12-Puls-Ausführung beträgt die maximale Ausgangsfrequenz Vi der Netzfrequenz. Der Anwendungsbereich dieses einfachen Umrichters kann wesentlich erweitert werden, wenn höhere Ausgangsfrequenzen erreichbar sind. Dazu muss die Schaltung des Direktumrichters modifiziert und der 15 Steueralgorithmus geändert werden.

Um Direktumrichter mit erweitertem Frequenzbereich auch beim Bahnumformer anwenden zu können, wird, wie in Fig. 5 (auch hier sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 20 verwendet) dargestellt, die ASM ständerseitig mit dem Erregerstromrichter 5 erregt, damit die ASM im höheren Frequenzbereich die Umrichterführung übernehmen kann. Für den Umrichter wird dann ein Steuergerät 41 mit geändertem Steueralgorithmus eingesetzt.

25 Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Umschaltung der Ausgangsklemmen des Direktumrichters an die Ständerwicklung der SYM mit den Schaltern S71, S72 nach Fig. 2 entfallen kann. Weiterhin werden dadurch auch die Leistungspulsationen vermieden, die im Anlaufbereich so für kurze Zeit bei der Speisung der Einphasen-S YM über den Direktumrichter im Drehstromnetz auftreten.

Wenn der Erregerstromrichter 5 nicht umgeschaltet .werden soll, kann die ASM mit verringertem Drehmoment , auch asynchron über einen Direktumrichter mit erweitertem 35 Frequenzbereich beschleunigt werden. In diesem Fall ist -.vgl. Fig. 2 - ein Kurzschliesser 6 für die Ständerwicklungen der ASM erforderlich.

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3 Blatt Zeichnungen