DE655752C - Schutzeinrichtung fuer Umrichter mit elektrischen Ventilen - Google Patents

Description

Gemäß dem Hauptpatent 654 703 wird ein Umrichter, der aus einem fremdgesteuerten Ventil besteht und dazu dient, aus einem Wechselstrom einer bestimmten Frequenz einen Wechselstrom einer anderen Frequenz zu machen, durch Relaiseinrichtungen geschützt, die auf dem Vergleich der Ströme mindestens zweier elektrischer Ventile oder Ventilgruppen, die für die verschiedenen Halbwellen des durch die Umrichtung gewonnenen Wechselstromes vorgesehen sind, beruhen.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung gemäß dem Hauptpatent besteht gemäß der Zusatzerfindung darin, daß eine Relaiseinrichtung vorgesehen wird, die dann in Tätigkeit tritt, wenn entsprechende Ströme der einen oder anderen Richtung des durch die Umformung gewonnenen Wechselstromes gemeinsam einen Strom oder eine Spannung • von der Betriebsfrequenz hervorrufen. Solange nämlich die beiden Halbwellen des durch die Umformung gewonnenen Wechselstromes gleich groß sind und die richtige gegenseitige Phasenlage besitzen, erhält man in einer Relaiseinrichtung, auf welche die entstehenden Ströme der einen und der anderen Halbwelle des gewonnenen Wechselstromes einwirken, die Wirkung eines Stromes oder einer Spannung, welche die doppelte Frequenz dieses umgeformten Wechselstromes besitzt, aber keine Komponente von geringerer Frequenz enthält.

Die Erfindung wird durch Figuren erläutert. Von diesen gibt Fig. 1 ein Beispiel für den grundsätzlichen Aufbau der Umrichterschaltung wie im Hauptpatent wieder.

In dieser Figur ist 1 die Primärwicklung eines Transformators, der sekundärseitig mit Hilfe der Wicklungen 2 bis 7 einen sechsphasigen Wechselstrom gleicher Frequenz mit dem Primärstrom hervorruft. Für jede Phase der sekundären Wechselspannung ist ein fremdgesteuertes elektrisches Ventil 20, 30, 40, 50, 60 und 70 vorgesehen. Die Steuergitter sind mit 21, 31, 41, 51, 61 bzw. 71 bezeichnet. Der Verbraucherstromkreis trägt die Kennziffer 80.

Die von den Transformatorwicklungen 2, 3 und 4 ausgehenden Ströme bilden die eine Halbwelle des Wechselstromes im Belastungskreis 80. Von den Wicklungen 5, 6, 7 wird die andere Halbwelle des Stromes im Belastungskreis 80 geliefert. Die von den Wicklungen 2, 3 und 4 ausgehenden Ströme fließen über die Meßstelle 26, 36 und 46 sowie 22, 32 und 42 und ferner über 43, 45, 75 und 74. Die Meßstelle 74 liegt in der Rückleitung 90, die zum Sternpunkt der Phasenwicklungen 2, 3 und 4 führt.

In entsprechender Weise verlaufen die aus den Phasenwicklungen 5, 6 und 7 hervorge-

henden Ströme über die Meßstellen 56, 66, j6 sowie 52, 62, 72 und ferner über 73, 75, 45 und 44. Die Meßstelle 44 liegt in der Rückleitung 100, die zum Sternpunkt der Phasenwicklungen 5, 6 und 7 führt. ?'./

Der Strom im Belastungskreis 80 hat die Frequenz, welche durch die Umrichtung gewonnen wird. Die eine Halbwelle dieses Wechselstromes fließt dabei über die Meßstelle 43, die zweite Halbwelle fließt über die Rückleitung 100, also durch die Meßstelle 44. Faßt man diese beiden Halbwellen des Belastungsstromes an den Meßstellen 43 und 44 derart zusammen, daß beide Halbwellen in gleichem Sinne auf ein gemeinsames Anzeigegerät einwirken, so steht dieses Anzeigegerät unter der Einwirkung eines Stromes, der die doppelte Frequenz des Stromes im Belastungskreis 80 hat. Solange die Steuerung der Ven- tilgruppen 20, 30 und 40 einerseits und 50, 60, 70 anderseits derart ist, daß die Ströme an den Meßstellen 43 und 44 gleich groß sind und sich zeitlich nicht überlappen, dann steht das gemeinsame Meßgerät unter der Einwirkung eines Stromes (oder Spannung), der die doppelte Frequenz des Stromes im Belastungskreis 80, aber keine Komponente von Betriebsfrequenz besitzt.

Dies ändert sich jedoch, sobald die von den beiden elektrischen Ventilgruppen ausgehenden Halbwellen des Belastungsystems nicht die richtige Phasenverschiebung gegeneinander besitzen, so daß also kurzzeitig ein Strom gleichzeitig an der Meßstelle 43 und auch, an der Meßstelle 44 auftritt oder auch, wenn die beiden'Halbwellen ungleich groß sind. Es wirkt dann auf das Anzeigegerät oder Relais auch ein Strom oder eine Spannung mit der Betriebsfrequenz des Belastungskreises 80. Das Auftreten eines Stromes, dessen Frequenz kleiner als die doppelte Betriebsfrequenz ist, zeigt also das Vorhandensein einer Störung an.

Zum Anschluß eines solchen Gerätes kann man den Strom an den Meßstellen 43 und 44 über je einen Widerstand leiten und das Meßgerät so schalten, daß die von den beiden Halbwellen der Ströme in den Widerständen hervorgerufenen Spannungsabfälle gleichsinnig das Meßinstrument oder Relais beeinflussen.

Die beiden Meßstellen 43 und 44 sind

lediglich als Beispiel zu betrachten, denn es ist ohne weiteres einzusehen, daß ζ. B. die Meßstellen 73 und 74 ebensogut zum Anschluß des Relais oder Anzeigegerätes verwendet werden können. Da anderseits der an der Meßstelle 44 fließende Strom bei ordnungsmäßigem Betrieb derselbe ist wie der an der Meßstelle 73 oder 75 fließende Strom und der an der Meßstelle 43 oder 75 fließende Strom auch an den Meßstelle'n 45 und 75 erfaßt werden kann, ist es auch möglich, den Strom an der Meßstelle 43 mit dem Strom an der Meßstelle 73 oder die Ströme an den :.Meßstellen 44 und 74 oder noch andere Zusammenstellungen der Meßstellen zu wählen; es muß dabei nur beachtet werden, daß man den Strom zweier solcher Stellen der Anlage erfaßt, an denen nur die eine Halbwelle oder nur die andere Halbwelle des Wechselstromes auftritt, andernfalls muß man dafür sorgen, wenn man z. B. den Strom an der Meßstelle 45 mit dem Strom an der Stelle 43 vergleichen will, daß man von dem Strom an der Meßstelle 45 nur die eine Halbwelle benutzt, die ordnungsmäßig niemals gleichzeitig mit einem Strom an der Meßstelle 43 auftreten darf. Gegebenenfalls kann man beide Halbwellen des Stromes an der Meßstelle 45 verwenden, muß dann aber die eine Halbwelle für die Überwachungseinrichtung in der Phase umkehren.

Zur Erläuterung der Grundlage der Erfindung sowie einiger Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung dienen die Fig. 2 bis 6. In Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 sind Schaltungsmöglichkeiten für ein Schutzrelais angegeben, welches von den beiden Halbwellen des Stromes im Belastungskreis gleichsinnig beeinflußt wird. Fig. 3 zeigt die physikalischen Zusammenhänge.

Zum Verständnis der Fig. 3 a sei auf Fig. 1 bzw, Fig. 2 verwiesen. An der Meßstelle 43 ist die eine Halbwelle und an der Meßstelle 44 die andere Halbwelle des Stromes im Belastungskreis zu erfassen. Der Strom im Belastungskreis ist insgesamt an der Meßstelle 45 zu erfassen. Die Schaltung des Schutzrelais 8 ist nun derart, daß diejenige Halbwelle des Belastungsstromes, welche an der Meßstelle 43 auftritt, durch ihren Spannungsabfall in einem Widerstand 9 einen Strom in Richtung des kleinen Pfeiles durch den Erregerkreis des Relais 8 schickt. Dabei ist angenommen, daß der Strom von der Meßstelle 43 zum Knotenpunkt 10 hin fließt. Wenn an der Meßstelle 44 ein Strom zum Knotenpunkt 10 hinfließen würde, so würde dieser einen Strom umgekehrter Richtung über den Erregerkreis schicken. Die Große dieses n° Stromes ist durch den Spannungsabfall am Widerstand 11 gegeben. Nun fließt aber der Strom über die Meßstelle 44 nicht zum Knotenpunkt hin, sondern vom Knotenpunkt 10 fort. Infolgedessen rufen die Ströme, die an "5 der Meßstelle 43 und an der Meßstelle 44 auftreten, gleichgerichtete Erregerströme im Relais 8 hervor.

Dies ist in Fig. 3 a bis 3 c dargestellt. Der Strom an der Meßstelle 43 sei beispielsweise durch die stark ausgezogene Sinuskurve 12 dargestellt; der Strom über die Meßstelle 44

dementsprechend durch die gestrichelte Sinuskurve 13. Beide sind positiv gezeichnet. Der Strom, welcher das Relais 8 durchfließt, ist etwa durch die Kurve 14 wiedergegeben. Infolge der Verschleifungen wird die Stromkurve 14 nur eine gewisse Welligkeit besitzen. Ganz bis zum Betrage Null wird der Strom dagegen nicht periodisch absinken. Aber wenn man die Wellenlänge des Erregerstromes des Relais 8 betrachtet, "so ergibt sich, daß hier eine Frequenz auftritt, die doppelt so hoch ist wie die Betriebsfrequenz des Stromes an der Meßstelle 45; denn innerhalb der Zeit T₁ d. i. innerhalb der Zeit einer Periode des Betriebsstromes im Belastungskreis, liegen zwei Perioden des durch die Kurve 14 wiedergegebenen Erregerstromes des Relais 8.

Sobald nun eine Ordnungswidrigkeit auftritt, die beispielsweise darin besteht, daß die beiden Halbwellen des Belastungsstromes ungleich groß sind, tritt in dem Erregerstromkreis des Relais 8 dieselbe Frequenz auf, die auch der Betriebsstrom hat.

Dies wird durch Fig. 3 b erörtert, in der die Kurven 12, 13 und 14 wiederum die gleiche Bedeutung haben wie in Fig. 3 a. Wenn die Amplitude des Stromes an der Meßstelle 44 (Kurve 13) kleiner ist als die Amplitude des Stromes an der Meßstelle 43 (Kurve 12), dann weist die Kurve 14 starke Einsattelungen zu Zeiten der einen Halbwelle des Betriebsstromes auf. Der Abstand dieser Einsattelungen entspricht* der Zeitlänge einer vollen Periode des Betriebsstromes.

Eine Ordnungswidrigkeit würde auch darin bestehen, wenn die Ströme der Ventilgruppen 20, 30, 40 bzw. 70, 60, 50 (Fig. 1) sich zeitweilig überlappen. Dies würde auf eine falsche Einstellung der Steuerungsspannungen der Ventilgruppen hindeuten. Wie aus Fig. 3 c hervorgeht, treten dann ebenfalls Einsattelungen der Kurve 14 auf, welche sich im Abstand einer vollen Periode des Betriebsstromes wiederholen. Die in Fig. 3 b und 3 c erläuterten Fehlererscheinungen können erfaßt werden durch ein Relais, das bei Auftreten der Grundfrequenz im Erregerstromkreis des Relais anspricht.

In Fig. 2 hat deshalb das Relais 8 einen aus einer Drosselspule 15 und einer Kapazität 16 bestehenden Vorschaltwiderstand bekommen, der den Widerstand des Relaiskreises für Ströme der Grundfrequenz klein, für alle anderen Frequenzen dagegen wesentlich größer macht.

Gemäß Fig. 4 ist das Relais 8 über einen Zwischenwandler 17 angeschlossen. Der Relaiskreis kann auf diese Weise auf Erdpotential gebracht werden. Ein Resonanzkreis kann etwa in gleicher Weise wie bei Fig. 2 angewendet werden.

In Fig. 5 ist das Relais 8 ein wattmetrisches Relais. Seine Stromspule kann, wie in Fig. 2 oder in Fig. 4 oder nachher in Fig. 6 dargestellt wird, angeschlossen sein. Die zweite Spule wird von einer Fremdspannung 19 erregt. Diese Fremdspannung besitzt die Frequenz der Betriebsspannung. Sie kann beispielsweise von den Spannungsquellen entnommen werden, die für die Steuerung der Gitterpotentiale der Ventile vorgesehen sind. Das wattmetrische Relais besitzt die Möglichkeit, durch Ausschlag nach rechts oder links bei einem Fehler, wie er in Fig. 3 b dargestellt ist, sofort anzugeben, welche Stromhalbwelle im Belastungsstrom größer ist.

Gemäß Fig. 6 wird das Relais 8 über einen Zwischenwandler mit zwei Primärwicklungen erregt, von denen jede durch eine andere Halbwelle des Betriebswechselstromes erregt wird. Die beiden Halbwellen wirken wie zwei gleichgerichtete Halbwellen eines Gleichstromes auf den Magnetkreis ein, an dessen Sekundärwicklung das Relais liegt. Die Sekundärspannung enthält bei ordnungsmäßigem Betriebe keine Komponente der Grundwelle. Diese Komponente tritt nur bei Ungleichheit in der Größe oder in der Phasenlage der beiden Halbwellen auf.

In Fig. ι ist der Belastungskreis durch einen Widerstand 80 dargestellt, welcher unmittelbar an die Kathode der Ventilgruppen angeschlossen ist. Zweckmäßiger ist es, an Stelle des in Fig. 1 gezeichneten Widerstandes 80 die Primärwicklung eines Transformators zu setzen, an dessen Sekundärseite der Belastungskreis angeschlossen ist. Die Primärwicklung des Transformators erhält zweckmäßig zwei gleich große Teile, und die Rückleitungen 90 und 100 werden vereinigt und too führen zu dem gemeinsamen Sternpunkt der Wicklungen 2, 3, 4 und 5, 6, 7. Es können dann in bequemer Weise die Ströme in den beiden Wicklungshälften der Primärwicklung des Lasttransformators miteinander verglichen werden, d. h. die Schutzrelais werden von den Strömen an den Stellen 44 und 74 erregt. Das Schutzrelais kann dann so ausgeführt werden, daß es zwei Systeme besitzt, von denen das eine durch den Strom in der einen Primärwicklungshälfte des Lasttransformators und der zweite durch den Strom der primären Wicklungshälfte des Lasttransformators erregt wird. Die Feldwicklung der beiden Relaissysteme kann, wie bei Fig. 5, von einer Fremdspannung, die etwa den Steuergeneratoren der Ventile entnommen wird und die Frequenz des Belastungsstromes besitzt, erregt werden. Die Schutzeinrichtung der Gesamtanlage kann noch durch einen momentan wirkenden Widerstandsschutz und einen Überstromschutz mit Zeitverzögerung ergänzt wer-

den. Es ergibt sich dabei insgesamt die Schaltung gemäß Fig. 7. In dieser stellt in die Sekundärseite des Lasttransformators für den durch die Umrichtung gewonnenen Wechselstrom dar. Die Belastung ist durch einen Schalter 112 umschaltbar. Der Transformator in besitzt zwei Primärwicklungshälften 113 und 114. Die Wicklungshälfte 113 liegt in Reihe mit dem fremdgesteuerten Gleich-'10 richterii5. Die Wicklungshälfte 114 liegt mit dem fremdgesteuerten Gleichrichter 116 in Reihe. Von der Verbindungsstelle der beiden Wicklungshälften 113 und 114 führt eine gemeinsame Rückleitung 117 zum Sternpunkt des Primärtransformators 118. Für die Abschaltung des Primärtransformators ist ein Schalter 119 vorgesehen.

Die Schutzeinrichtungen umfassen Spannungsbruchrelais 120 und Minimal impedanzrelais 121. Die Minimalimpedanzrelais 121 können nur ansprechen, wenn wenigstens eines der Spannungsbruchrelais 120 ebenfalls angesprochen hat. Über ein Hilfsrelais 122 wird dann die Auslösung des Schalters 119 und die Auslösung des Schalters 112 unverzüglich bewirkt. Außer der Impodanzschutzeinrichtung 120, 121 ist noch ein Schutzrelais 123 vorgesehen, welches bei Fehlern der in Fig. 3 b und 3 c dargestellten Art anspricht. Dieses Schutzrelais besitzt zwei bewegliche Systeme, von denen eines an einen Widerstand 124 und das andere an einen Wider-• stand 125 angeschlossen ist, so daß jedes von ihnen von einer anderen Halbwelle des Erregerstromes des Lasttransformators 111 erregt wird. Das Relais 123 ist nun ein dynamometrisches Relais, und seine Feldspulen sind an den Generator 126 angeschlossen, der die Steuerspannung für die Gleichrichter 115 und 116 liefert. Die Erregerspannung des Relais 123 besitzt also die Frequenz des Belastungsstromes auf der Sekundärseite des Lasttransformators in. Das Relais vermag also nur dann Kontakt zu geben, wenn ein Strom dieser Frequenz auftritt. Wenn das Relais Kontakt macht, bewirkt es mit Hilfe des bereits genannten Relais 122 die sofortige Abschaltung der Anlage. Zum Schutz gegen Überlastungen ist dann noch ein Überstromzeitrelais 127 vorgesehen. Der Schutzbereich der Widerstandsrelais erstreckt sich bis etwa in die Mitte der Wicklung des Lasttransformators in. Kurzschlüsse innerhalb dieses Be-. reiches sowie Ungleichheiten im Arbeiten der Ventile 115 und 116 führen zur sofortigen Abschaltung der Urnrichteranlage etwa mit 0,1 oder 0,2 Sekunden Zeitverzögerung. Im Belastungskreis liegende Störungsursachen führen zum Ansprechen des Überstromzeitrelais und nur dann zur Abschaltung des Umrichters, wenn nicht der Fehlerstelle näherliegende Leitungsschutzrelais schneller ansprechen als das Überstromzeitrelais der Umrichteranlage.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für zwei wechselweise arbeitende gleiche Gruppen von fremdgesteuerte Gas- oder Dampfentladungsgefäße enthaltenden Umrichtern nachPatent 654703, gekennzeichnet durch eine Relaisanordnung, auf welche einander entsprechende Ströme der einen und der anderen Halbwelle des mit Hilfe der Ventile gebildeten Wechselstromes gemeinsam die Wirkung eines Stromes oder einer Spannung, welche normalerweise keine Komponente von geringerer als der doppelten Betriebsfrequenz dieses Stromes enthält, ausüben.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Schutzrelais die beiden Halbwellen des mit Hilfe der Ventile gewonnenen Wechselstromes in gleichem Sinne einwirken.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbwellen des gewonnenen Wechselstromes über einen Zwischenwandler auf das Schutzrelais einwirken.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine aus einer Induktivität und einer Kapazität bestehenden Schaltung, welche den Widerstand des Relaisstromkreises für eine in diesem auftretende Stromkomponente von der Betriebsfrequenz des gewonnenen Wechselstromes kleiner macht als für andere Frequenzen.

5. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrelais ein wattmetrisches Instrument ist, das durch einen fremden Strom von der Betriebsfrequenz des gewonnenen Wechselstromes erregt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais von einem Strom erregt wird, der einer Steuermaschine der Ventile entnommen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Differentialrelais im Sekundärkreis eines Zwischenwandlers mit zwei von je einer anderen Halbwelle des gemeinsamen Wechselstromes erregten Primärwicklungen. ■

Hierzu 1 Blatt' Zeichnungen