RUNNING-UP METHOD AND APPARATUS FOR STARTING A ROTATIVE FREQUENCE CONVERTER

Abstract: Rotating frequency converters are used for the transmission of electrical power in the band from 8 MW - 90 MW from a grid system (1) at 50 Hz or 60 Hz into a railway network (2) at 162 DIVIDED 3 Hz or 25 Hz and vice versa. The starting device for the synchronous machine (5) of a frequency converter group (3, 7, 5) allows the starting of the synchronous machine (5) from 0 Hz up to the rated speed, corresponding to a rated frequency, within 8 - 10 minutes, in 3 steps, by means of a direct converter (4) without a special starter transformer and without a starter resistor, i.e. with reduced equipment complexity. At the same time, high rotor voltages when stationary and on switching, and switch-on surges on switching-over and switching the frequency converter group to the two AC networks (1, 2), are reduced. Initially, the direct converter (4) is connected to rotor windings of an asynchronous machine (3), while the stator windings of the asynchronous machine (3) are short-circuited. The adjustable frequency (fX) at the output (A) of the direct converter (4) is increased from 0 Hz to above 20 Hz. As a consequence of the rigid coupling (7) of the rotor of the asynchronous machine (3) to the rotor of the synchronous machine (5), its stator frequency increases to about 40% of the rated speed. The direct converter is then switched over to supply the stator winding of the DC-excited (6) synchronous machine (5), and the frequency (fX) at the output (A) of the direct converter (4) is increased from 40% to 104% of the rated speed. Thereafter, the direct converter (4) is switched over onto the rotor winding of the asynchronous machine (3) again, the latter is synchronised to the grid system three-phase network (1) at the outlet, and is connected thereto by means of a switch (S1). Thereafter, the synchronous machine (5) is synchronised by means of slip regulation and is connected to the railway network (2). <IMAGE>

Description: Verfahren und Hochlaufeinrichtung zum Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2. Die Erfindung betrifft auch eine Hochlaufeinrichtung zum Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers. Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik von Verfahren zum Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers, wie er in Techn. Mitt. AEG-Telefunken 63 (1973) 7, S. 249 - 253 beschrieben ist. Der Hochlauf der Frequenzumformergruppe 50/162/3 Hz erfolgt mit Hilfe einer Dreiphasen-Asynchronmaschine mit reduzierter Spannung mittels eines Anlasstransformators. Im Läuferkreis des Rotors ist dabei ein Flüssigkeitsanlasser eingeschaltet, dessen Regelung den Anfahrstrom im Ständer der Maschine auf etwa Nennstrom konstant hält. Die Anlaufzeit beträgt etwa 100 s. Nach Erreichen der Nenndrehzahl erfolgt die Einspeisung des Läuferkreises der Asynchronmaschine durch einen Steuerumrichter, der Strom und Spannung mit Schlupffrequenz erzeugt und damit die Drehzahl der Asynchronmaschine reguliert. Nach Zu schaltung der Erregung auf die Einphasen-Synchronmaschine, kann diese mit dem Netz synchronisiert werden. Dieses Hochlaufverfahren erfordert - einen grossen Aufwand an Starkstrom-Hilfseinrichtungen, - viele Schalthandlungen im Starkstromteil beim Hoch lauf, - hohe Rotorspannungsfestigkeit beim Schalten, - eine Auslegung der Umformergruppe für Einschaltstrom stösse beim Umschalten und Zuschalten ans Netz. Die Erfindung, wie sie in den Patentansprpüchen 1, 2 und 9 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine Hochlaufeinrichtung zum Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers anzugeben, die ein Hochfahren eines rotierenden Frequenzumformers mit einem geringeren Aufwand an Apparaten und Einrichtungen ermöglichen. Gleichzeitig sollen hohe Rotorspannungen im Stillstand und beim Schalten sowie Einschaltstösse beim Umschalten und Zuschalten der Frequenzumformergruppe an die beiden Wechselstromnetze reduziert werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Anlasstransformator, der Anlasswiderstand sowie zugehörige Schalter eingespart werden können, so dass eine erhebliche Verbilligung der Frequenzumformergruppe resultiert. Der ohnedies vorhandene Direktumrichter kann als Speisequelle für den Hochlauf verwendet werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung zum Hochfahren eines rotieren den Frequenzumformers mit einem Gleichspannungs erreger für die Synchronmaschine und Fig. 2 eine Schaltung gemäss Fig. 1 ohne Gleichspan nungserreger. In Fig. 1 ist mit 1 ein dreiphasiges Wechselstromnetz bzw. ein Drehstromnetz mit einer Wechselspannung von U1 = 12,5 kV und einer Netzfrequenz fl = 50 Hz bezeichnet und mit 2 ein einphasiges Wechselstromnetz mit einer Wechselspannung von U = 12 kV und einer Netz frequenz von f2 = 162/3 Hz, wie es für Eisenbahnbetrieb üblich ist. Das Drehstromnetz 1 ist über einen Schalter S1 mit den Statorwicklungen einer Asynchronmaschine 3 verbunden. Andererseits sind die Statorwicklungen der Asynchronmaschine 3 über einen Schalter S3 kurzschliessbar. Die Rotorwicklungen der Asynchronmaschine 3 stehen über einen Schalter S2 mit einem Frequenzausgang A eines Umrichters bzw. Direktumrichters 4 in Verbindung, an dem eine einstellbare Frequenz f zwischen 0 Hz und 25 Hz x abgreifbar ist. Ein 3 x 3phasiger Eingang E des Direktumrichters 4 ist über einen Transformator 8, der 3 x 3 Phasen aufweist, an das Drehstromnetz 1 angeschlossen. Wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, können auch die Statorwicklungen der Asynchronmaschine 3 über einen Schalter S2' mit dem Ausgang A des Umrichters 4 verbunden sein; in diesem Fall müssen die Rotorwicklungen der Asynchronmaschine 3 über einen Schalter S3' kurzgeschlossen werden. Der Rotor der Asynchronmaschine 3 ist über eine Kupplungswelle 7 mit dem Rotor einer Einphasen-Synchronmaschine 5 starr gekuppelt. n bezeichnet die Drehzahl der Kupplungswelle 7. Die Statorwicklung der Synchronmaschine 5 ist über einen Schalter S4 mit dem einphasigen Wechselstromnetz 2 und über einen weiteren Schalter S5 mit dem Ausgang A des Umrichters 4 verbunden. Die Rotorwicklung der Synchronmaschine 5 ist von einem Gleichspannungserreger 6 gespeist, der eingangsseitig über einen Transformator 9 an das Drehstromnetz 1 angeschlossen ist. Der Hochlauf der Synchronmaschine 5 erfolgt in 3 Stufen mit variabler Frequenz am Ausgang A des Umrichters 4 von 0 Hz bis ca. 20 Hz. Die Nenndrehzahl der Umformergruppe beträgt 500 U/min (U = Umdrehungen). 1. Stufe: Die Schalter S1, S4 und 55 sind offen, die Schalter S2 bzw. S2' und 53 bzw. S3' geschlossen. Die einstellbare Frequenz f am Ausgang A des x Umrichters 4 wird von 0 Hz bis über 20 Hz er höht, wodurch sich die Frequenz an den Stator wicklungen der Asynchronmaschine 3 ebenfalls von 0 Hz auf über 20 Hz erhöht und die Dreh zahl n der Kupplungswelle 7 beispielsweise von 0 U/min auf 200 U/min, entsprechend 40 S der Nenndrehzahl, ansteigt. 2. Stufe: Umschaltung des Umrichters auf die mit dem Wechselstromnetz zusammenwirkende Wicklung der erregten Einphasenmaschine 5 und Hochlauf mit 20/3 = 6,66 Hz f 17,33 Hz (20 Hz), x wobei der Umrichter einphasig angeschlossen ist. Die Schalter S1, S2 bzw. S2', S3 bzw. S3' und S4 sind offen, während der Schalter S5 geschlossen ist. Die Drehzahl n der Kupplungs welle 7 erhöht sich von 200 U/min auf 520 (600) U/min, entsprechend 104 S (120 Ó) der Nenn drehzahl. 3. Stufe: Umschalten des Ausgangs A des Umrichters 4 von der Synchronmaschine 5 auf die Rotorwick lungen der Asynchronmaschine 3 (als Erregung) mit offenen Statorwicklungen der Asynchronma schine 3. Ausgangslage: Die Schalter S1, S3 bzw. S3' und 52', falls vorhanden, S4 und S5 sind offen, während der Schalter S2 geschlossen ist. Danach erfolgt die Synchronisation der Asyn chronmaschine 3 mit dem Drehstromnetz 1 im natürlichen, reibungsbedingten Auslauf, d.h., bei n = 520 U/min ... 480 U/min, entsprechend 104 ... 96 > der Nenndrehzahl, über den Um richter 4 in über-/untersynchroner Kaskaden schaltung. Dabei erfolgt die Erregung der Asyn chronmaschine 3 so, dass die Wechselspannung am Ausgang der Statorwicklungen der Asynchron maschin 3 gleich der Wechselspannung U1 des Drehstromnetzes 1 wird. Dann wird der Schalter S1 im geeigneten Moment (phasensynchron) ge schlossen, so dass die Asynchronmaschine 3 stossfrei an das Drehstromnetz 1 angeschlossen wird. Im synchronisierten Zustand sind die Schalter S3, S4 und S5 offen und die Schalter S1 und S2 geschlossen. Anschliessend erfolgt die Synchronisation der Einphasen Synchronmaschine 5 mit dem Bahn- bzw. Wechselstromnetz 2 in bekannter Weise. Mittels des Umrichters 4 wird den Rotorwicklungen der Asynchronmaschine 3 ein schlupffrequenter Strom im Bereich von etwa -2,5 Hz bis +2,5 Hz eingeprägt und dadurch die Drehzahl variiert, bis die Synchronisation der entsprechend erregten Synchronmaschine 5 erreicht ist. Danach wird der Schalter 54 geschlossen, und die Umformergruppe ist zur Leistungsübertragung zwischen dem 50-Hz- und dem 162/3-Hz-Netz bereit. Anstelle der oben beschriebenen 2. Kochlaufstufe kann auch folgende Variante angewandt werden: Die mit ca. 1/3 der Nenndrehzahl drehende Einphasen-Synchronmaschine 5 wird mittels des Schalters S4 an das Wechselstromnetz 2 geschaltet und ohne Gleichstromerregung asynchron hochgefahren, dann erregt und am Wechselstromnetz 2 belassen. Dabei ist die Synchronmaschine 5 zusätzlich zur Gleichstromerregerwicklung mit einer Dämpferwicklung (Kurzschlusswicklung) ausgestattet und wird als Einphasen Kurzschlussläufermaschine betrieben. Es kann auch die Gleichstromerregerwicklung kurzgeschlossen werden. Bei der Schaltung gemäss Fig. 2 ist im Unterschied zu der Schaltung von Fig. 1 beim Hochlauf für die Synchronmaschine 5 kein Gleichstromerreger 6 erforderlich, dafür ist zum Kurzschluss der mit dem Wechselstromnetz 2 zusammenwirkenden Wicklung der Synchronmaschine 5 ein Schalter 56 vorgesehen, der im geschlossenen Zustand diese Wicklung kurzschliesst. Der Ausgang des Umformers 4 ist über den Schalter S5 mit der Rotorwicklung der Synchronmaschine 5 verbunden. Gemäss einer anderen, gestrichelt angedeuteten Ausführung wird die Statorwicklung der Synchronmaschine 5 über den Schalter S5 vom Umrichter 4 gespeist, während die Rotorwicklung der Synchronmaschine 5 über einen Schalter S6' kurzgeschlossen ist. Erfindungsgemässe Frequenzumformergruppen werden hauptsächlich für die Uebertragung elektrischer Energie im Bereich von 8 MW - 90 MW von einem Landesnetz mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz in ein Bahnnetz mit einer anderen Frequenz von üblicherweise 162/3 Hz verwendet. Es kann aber auch Energie von dem Bahnnetz in das Landesnetz übertragen werden. Die Schalter S3 und S5 können für vergleichsweise kleine Schaltströme ausgelegt sein, da sie praktisch leistungslos geschaltet werden. Anstelle der Einphasen-Synchronmaschine 5 ist selbstverständlich eine Mehrphasen-Synchronmaschine vorzusehen, wenn das Wechselstromnetz 2 mehrphasig ist.

Claims: Method for starting a rotating frequency converter comprising a subsynchronous/oversynchronous static converter cascade a) with an asynchronous machine (3), b) which is effectively connected to a first alternating-current system (1) having a 1st system frequency (f₁) when this 1st system frequency is reached, c) which is controlled by an AC converter (4) and d) is rigidly coupled to a synchronous machine (5), e) which synchronous machine can be effectively connected to a 2nd alternating-current system (2) having a 2nd system frequency (f₂) which differs from the 1st system frequency, characterised in that f) at the beginning of the starting, the AC converter (4) is connected to the stator of the asynchronous machine (3) in a 1st starting stage, g) that essentially at the same time as the AC converter (4) is connected to the stator of the asynchronous machine (3), the rotor of this asynchronous machine is shortcircuited, h) that after a speed of the asynchronous machine (3) corresponding to a frequency of at least 10 % of the nominal frequency (f₁) of the 1st alternating-current system (1) has been reached, the feeding of the asynchronous machine (3) and the shortcircuit of the rotor of the asynchronous machine is interrupted, i) that the AC converter (4) is switched from feeding the asynchronous machine (3) to feeding the winding of the synchronous machine (5) operating in conjunction with the alternating-current system, j) that the stator/rotor of the synchronous machine (5) is thereafter fed by the AC converter (4) during a 2nd starting stage, and k) remains in this switched state during the 2nd starting stage until at least the nominal speed of the synchronous machine corresponding to the 2nd system frequency (f₂) of the 2nd alternating-current system (2) is reached, l) whilst, at the same time, the rotor/stator of the synchronous machine is shortcircuited, m) that the asynchronous machine (3) is synchronized to the 1st alternating-current system (1) during a 3rd starting stage, and n) that the stator of the asynchronous machine (3) is thereafter connected to the alternating-current system (1). Method for starting a rotating frequency converter comprising a subsynchronous/oversynchronous static converter cascade a) with an asynchronous machine (3) b) which is effectively connected to a 1st alternating-current system (1) having a 1st system frequency (f₁) when this 1st system frequency is reached, c) which is controlled by an AC converter (4) and d) is rigidly coupled to a synchronous machine (5), e) which synchronous machine can be effectively connected to a 2nd alternating-current system (2) having a 2nd system frequency (f₂) which differs from the 1st system frequency, f) the AC converter (4) being connected to the rotor of the asynchronous machine (3) in a 1st starting stage at the beginning of the starting, characterised in that g) essentially at the same time as the AC converter (4) is connected to the rotor of the asynchronous machine (3), the stator of this asynchronous machine is shortcircuited, h) that after a speed of the asynchronous machine (3) corresponding to a frequency of at least 10 % of the nominal frequency (f₁) of the 1st alternating-current system (1) has been reached, the feeding of the asynchronous machine (3) and the shortcircuit of the stator of the asynchronous machine is interrupted, i) that the AC converter (4) is switched from feeding the asynchronous machine (3) to feeding the winding of the synchronous machine (5) operating in conjunction with the alternating-current system, j) that the stator/rotor of the synchronous machine (5) is thereafter fed by the AC converter (4) during a 2nd starting stage, and k) remains in this switched state during the 2nd starting stage until at least the nominal speed of the synchronous machine corresponding to the 2nd system frequency (f₂) of the 2nd alternating-current system (2) is reached, l) whilst, at the same time, the rotor/stator of the synchronous machine is shortcircuited, m) that the asynchronous machine (3) is synchronised to the 1st alternating-current system (1) during a 3rd starting stage, and n) that the stator of the asynchronous machine (3) is thereafter connected to the alternating-current system (1). Method according to Claim 1 or 2, characterised in that after a frequency within the range of 40 % - 50 % of the nominal frequency (f₁) of the first alternating-current system (1) has been reached, the feeding of the asynchronous machine (3) and the shortcircuit of the rotor/stator of the asynchronous machine is interrupted. Method according to one of Claims 1 to 3, characterised in that the synchronous machine (5) is DC-excited during the 2nd starting stage. Method according to one of Claims 1 to 3, characterised in that a) the stator of the synchronous machine (5) is connected to the 2nd alternating-current system (2) at the beginning of the 2nd starting stage, and b) the synchronous machine (5) is asynchronously started by means of the AC converter (4), without DC excitation. Method according to one of Claims 1 to 5, characterised in that the AC converter (4) is connected to the rotor of the asynchronous machine (3) at the end of the 2nd starting stage, the stator of the asynchronous machine (3) being open. Method according to one of Claims 1 to 4, characterised in that a) the synchronous machine (5) is synchronised to the 2nd alternating-current system (2) by means of the AC converter (4) via the asynchronous machine (3) and a coupling shaft (7) after the asynchronous machine (3) has been connected to the 1st alternating-current system (1), and b) that the winding of the synchronous machine (5) operating in conjunction with the 2nd alternating-current system (2) is thereafter connected to the 2nd alternating-current system (2). Method according to Claim 7, characterised in that the AC converter (4) is connected to the rotor of the asynchronous machine (3) at the end of the 2nd starting stage, the stator of the asynchronous machine (3) being open. Starting device for starting a rotating frequency converter comprising a subsynchronous/oversynchronous static converter cascade a) with an asynchronous machine (3), b) the stator windings of which are effectively connected to a 1st alternating-current system (1) having a 1st system frequency (f₁) via at least one 1st switch (S1), c) the rotor windings of which are effectively connected to the frequency output (A) of an AC converter (4) via at least one 2nd switch (S2), and d) the rotor of which is rigidly coupled to the rotor of a synchronous machine (5), e) the synchronous machine (5) being effectively connected to a 2nd alternating-current system (2) having a 2nd system frequency (f₂) via a 4th switch (S4), f) in which arrangement the stator windings of the asynchronous machine (3), which are connected to the 1st switch (S1), can be shortcircuited via a 3rd switch (S3), characterised in that g) the AC converter (4) is effectively connected to a winding of the synchronous machine (5) via a 5th switch (S5), and h) that the winding of the synchronous machine (5), which is connected to the 4th switch (S4), can be shortcircuited via a 6th switch (S6').

Inventors: BRUGGISSER, WALTER LEO, KNAFFL, BERISLAV, SCHAEFER, RENE, Schäfer, René
Applicants: BBC BROWN BOVERI AG
Application year: 1985
Main classification: H02J3
IPC codes: H02J3, H02P9