Symmetrierumrichter

Summarize Fact Check

Die Versorgung einphasiger Verbraucher aus öffentlichen Drehstromnetzen führt zu unzulässigen Schieflasten, also einer ungleichen Belastung der drei Außenleiter, welche im Grenzfall und vor allem bei einzelnen größeren Verbrauchern wie Bahnstromversorgungen ohne Kompensation zu Schäden im Versorgungsnetz führen können. Zur Sicherstellung der Symmetrie aus Sicht des Versorgungsnetzes muss die elektrische Last innerhalb bestimmter Toleranzen auf alle drei Außenleiter gleichmäßig aufgeteilt werden. Asymmetrische Drehstromsysteme lassen sich mit der Theorie der symmetrischen Komponenten als Summe von drei symmetrischen Komponenten, dem Mitsystem, dem Gegensystem und dem Nullsystem, aufteilen.^[2] Umgekehrt kann ein einzelner asymmetrischer Verbraucher, welcher durch das Mitsystem beschrieben wird, durch ein entsprechendes geregeltes Gegensystem und Nullsystem zu einem in Summe symmetrischen Drehstromsystem ergänzt werden. Diese regeltechnische Ergänzung, die von der momentanen Lastsituation des einphasigen Verbrauchers bestimmt wird, stellt die wesentliche Funktion eines Symmetrierumrichters dar.^[2][1]

Symmetrierumrichter können dort zum Einsatz kommen, wo größere, einphasige Verbraucher wie bei elektrischen Bahnen vorhanden sind und welche nicht mit vertretbarem Aufwand auf eine direkte dreiphasige Versorgung, bestimmt durch die einpolige Oberleitung, umgestellt werden können. Ein solche Anlage besteht, wie auch in nebenstehender vereinfachter Schema dargestellt, aus einer dreiphasigen Anspeisung aus dem Mittelspannungsnetz, üblich sind Spannungen von 10 kV oder 20 kV, einem Drehstrom-Leistungstransformator, welcher als Dreiwicklungstransformator ausgeführt ist, dem eigentlichen Symmetrierumrichter mit Gleichspannungskreis (DC) zur Energiespeicherung und für den Leistungsausgleich zwischen den Außenleitern, sowie in der Skizze nicht dargestellt verschiedenartige Strommessungs-, Schutz-, Steuerungs- und Filtereinrichtungen.^[3] Die einphasige Anspeisung des Verbrauchers über ein kurzes Stück Oberleitung, dies stellt beispielsweise eine Ladeleitung für einen Akkumulatortriebwagen dar, erfolgt in diesem Aufbau in Sternschaltung, um den Leistungsbedarf des Symmetrierumrichters kleiner zu halten. Die ausgangsseitigen Wicklungen werden so dimensioniert, dass sich die bei Bahnstromverbrauchern üblichen 15 kV oder 25 kV ergeben. Bei Bedarf können auch mehrere, elektrisch voneinander isolierte, Ladeabschnitte in verschiedenen Gleisbereichen realisiert werden, welche auf die unterschiedlichen Außenleiter aufgeteilt werden. Da ein Symmetrierumrichter nicht die Netzfrequenz verändern kann, müssen die Verbraucher auf Bahnseite auf die Versorgung mit 50 Hz, bzw. 60 Hz ausgelegt sein.

In dem beschriebenen Versuchsaufbau ist der Symmetrierumrichter über eigene Niederspannungswicklungen mit dem Dreiwickelttransformator verbunden. Niederspannung, also eine Betriebsspannung unter 1 kV, wird deswegen gewählt, weil damit der bei Hochspannung hohe Sicherungsaufwand vermieden werden kann und die Leistungen in der Größenordnung von einigen wenigen Megawatt aufgrund der kurzen Leiterführungen mit Spannungen unter 1 kV technisch handhabbar sind.^[3]

Neben der Schieflastkompensation kann der Symmetrierumrichter durch Parametrierung in gewissem Umfang auch Blindleistung aufnehmen bzw. abgeben. Zusätzliche Filtereinrichtungen im Bereich der Bahnversorgung dienen der Begrenzung von Netzrückwirkungen in das Drehstromnetz. Die Auslegung erfolgt entsprechend den Anforderungen der VDE-AR-N 4110.^[1]

Im Unterschied zu Vollumrichtern, wie sie z. B. bei Bahnstromumrichterwerken eingesetzt werden und die auch eine Anpassung an die im Bahnstromnetz im deutschen Sprachraum üblichen 16,7 Hz erlauben, erfolgt die Leistungsübertragung nicht vollständig über den Symmetrierumrichter, womit der Bereich der Leistungselektronik kleiner und kostengünstiger als bei Vollumrichtern ausgelegt werden kann. Bei einem Symmetrierumrichter erfolgt der Hauptteil der Leistungsübertragung zum Bahnverbraucher direkt über den Dreiphasentransformator, die benötigte Leistung des Symmetrierumrichters richtet sich nach dem Bedarf zum Ausgleich der maximalen Schieflast.^[1]

Ein dokumentiertes Anwendungsbeispiel ist ein transportables Ladeunterwerk für Akkumulatortriebzüge, das von der Rail Power Systems GmbH und F&S Prozessautomation GmbH entwickelt wurde.^[1] Die Anlage wurde zunächst im Alstom-Werk Salzgitter erprobt. Die wissenschaftliche Begleitung der Versuche erfolgte durch die Technische Universität Dresden.^[1]

Bereits während der Projektphase war vorgesehen, das Ladeunterwerk anschließend am Bahnhof Annaberg-Buchholz Süd einzusetzen. Nach Abschluss der Erprobung wurde die Anlage dorthin umgesetzt und als Bestandteil einer Ladestation für Akkumulatortriebzüge eingesetzt.^[4]