AT501511A1

AT501511A1 - Verfahren und vorrichtung zur zuschaltung von mit blindanteil behafteten lasten an das energieversorgungsnetz

Info

Publication number: AT501511A1
Application number: AT3922005A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-15
Also published as: AT501511B8; AT501511B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zuschaltung von mit Blindanteil behafteten Lasten an das Energieversorgungsnetz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschalten einer mit Blindanteil behafteten Last an das Netz und weiters eine Vorrichtung aufbauend auf dieses Verfahren. Schaltet man eine Last an das Netz, so kommt es meist zu einem Einschwingvorgang, der einen erhöhten Strom und eine abklingende Gleichkomponente mit sich bringt. Die überlagerte Gleichkomponente kann zusätzlich Sättigung der induktiven Bauelemente, wie Trafo, Maschinenwicklung und damit deutliche Überströme verursachen. Das führt letztlich zu Störungen der Netzspannung. Selbst beim Zuschalten von Heizwiderständen kommt es, verursacht von induktiven Anteilen in der Last und auch der Netzimpedanz, zu störenden Transienten.

Es gibt Schalter, die bei Spannungsnulldurchgang schalten; diese verursachen bei einem idealen Netz und rein ohmscher Last keine Transienten. Untersucht man den Stromverlauf einer ohmsch-induktiven Last, so ergibt sich beim Anschalten ein Stromverlauf gemäss i(t) =
V
V Ü . f ( a*A) n [theta])L -<(>[pound]<><> ylR<t>+ aP-L<2>
si .n [omega]-t-arctan -
\R
+[upsilon] n
R<2>+ QPL<2>e wobei in L bzw. R alle induktiven und ohmschen Komponenten des Gesamtkreises subsummiert sind.

Schaltet man beim in der stationären Lösung auftretenden Phasenwinkel, also bei der Spannung, bei der der Strom durch null geht, ein, dann befindet sich das System direkt im eingeschwungenen Zustand und Störungen und Überströme werden vermieden.
Es wird nun vorgeschlagen, die Impedanz des Kreises, der sich nach dem Schliessen des Schalters aufbaut, zu messen und daraus den erforderlichen Einschaltzeitpunkt in Bezug auf den Spannungsnulldurchgang zu bestimmen. Dazu wird vor dem Schliessen des eigentlichen Schalters der Stromkreis über eine (hochohmige) Impedanz geschlossen und daraus der erforderliche Zündwinkel bestimmt.
Eine mögliche Methode besteht nun darin, parallel zum Hauptschalter zwei Hilfsschalter, denen jeweils in Serie ein unterschiedlicher Widerstand (Impedanz) geschaltet ist, zu schalten.

Man schliesst den Stromkreis über den ersten, dann über den zweiten Hilfsschalter und misst den sich einstellenden Strom (typischerweise den Effektivwert), nachdem der hier auftretende Einschwingvorgang vorbei ist. Mit der Netzspannung U, den Strommesswerten Im, IH2, der Kreisfrequenz [omega] = 2[pi]- f und den verwendeten Widerständen R^ R2(darin sind auch der Einfügungswiderstand der Messung) ergeben sich die Unbekannten zu
1 2 ¯ ¯ 1[Gamma] ¯<K>1<+ K>2
2-(R -R2)
<L=>[tau][iota]<¯(R>'<+Rf>
Aus diesen Daten ergibt sich die zu erwartende Phasenverschiebung im eingeschwungenen Zustand von
(o[Lambda][Lambda] ss> = arctan -
und der erforderliche Zeitversatz zum Nulldurchgang der Spannung für das Schalten des Hauptschalters S zu
P68/fh/2,3.05 ' [phi] 1 ( coL
[Gamma] = - = - arctan - .

[omega] [omega] R )
Man kann natürlich statt Widerständen auch Kapazitäten in den Kreis schalten. Dadurch kommt es zu keinem Energieverbrauch, man muss aber die Messung und Auswertung entsprechend anpassen. Es soll auch angemerkt werden, dass es auch möglich ist, zuerst den Strom nach Einschalten des ersten Hilfsschalters zu messen und dann den zweiten Hilfsschalter ebenfalls einzuschalten. Der sich einstellende Strom ist dann von der Parallelschaltung der beiden Impedanzen bestimmt und R2 in obiger Formel wäre dann die Parallelschaltung beider Hilfswiderstände. Um das Ausschalten der Hilfsschalter zu erleichtern, können dann beide Schalter erst nach dem Schliessen des Hauptschalters geöffnet werden. Dabei ist die Spannung bei der abgeschaltet wird nahezu null. Die Hilfskontakte sind wohl am einfachsten durch Relaiskontakte oder durch elektronische Schalter (z.B.

MOSFET in einer Diodenbrücke) zu realisieren.
Diese Beschreibung wurde für das Anschalten einer Last mit induktivem Anteil erstellt. Das sind auch die meisten Fälle, denn selbst ohmsche Lasten wie Heizwiderstände haben einen induktiven Anteil, der in Zusammenhang mit der Netzinduktivität zu einer Stromverschiebung führt. Für kapazitive Lasten lassen sich ähnliche Formeln entwickeln. Das Zuschalten von Kapazitäten ist bei Blindleistungskompensatoren von Interesse.
Die Bestimmung des Nulldurchgangs der Spannung ist eine bei netzgeführten Schaltungen bekannte Aufgabenstellung und wird hier nicht näher erläutert.
Es soll angemerkt werden, dass es prinzipiell möglich ist, die Auswertung aus dem dynamischen Vorgang durchzuführen.

Das erfordert einen höheren Aufwand bei der Stromerfassung und einen wesentlich komplexeren Rechenalgorithmus, reduziert dafür aber die Zeit, die für die Messung erforderlich ist.
Ebenfalls sei angemerkt, dass es für das dargestellte Verfahren keine Einschränkung in der Phasenzahl gibt. Jede Schaltvorrichtung in den einzelnen Phasen wird entsprechend dem auftretenden Phasenversatz angesteuert.
Die Auswertung kann mit einem Mikrocontroller erfolgen, die Stromerfassung über einen Shunt oder potentialgetrennt über einen Transformator. Die Erfassung des Messsignals kann mit einem fertigen Chip für billige Messgeräte erfolgen. Hohe Präzision ist dabei nicht erforderlich.
Der eigentliche Schaltvorgang erfolgt mit einem Solid-State Relais, das ist eine meist aus Thyristoren oder Triacs bestehende Schaltung, oder mit einem Hybridschalter.

Der elektronische Schalter ermöglicht das präzise Schalten, der ihn dann überbrückende mechanische Kontakt ermöglicht geringe Verluste. Für die Realisierung des elektronischen Schalters ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Er kann aus Thyristoren oder durch einen Triac aufgebaut sein oder als spannungsbidirektionaler Schalter, der mit MOSFETs, IGBTs, MCTs als aktive Schalter und Dioden als passive Schalter aufgebaut ist, realisiert werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich beim Zuschalten grösserer Lasten oder von Leitungssträngen im Netz, beispielsweise in einem Umspannwerk. Hier sind die Netzimpedanzen der speisenden Seite hinlänglich bekannt, die der Lastseite aber nicht. Es muss nun nicht der Vorgang der Ermittlung der Phasenlage wie oben beschrieben mit der eigentlichen Betriebsspannung durchgeführt werden, sondern mit einer anderen Spannung.

So kann z.B. statt 10 KV die Messung mit Niederspannung 400 V ausgeführt werden, deren Netzimpedanz bekannt ist. Man bestimmt dann nur die zu erwartende Impedanz des zuzuschaltenden Zweiges durch die beschriebene Messung. Da die Netzseite auch für die
P6S7h/2.3.05 höhere Spannung bekannt ist, kann der erforderliche Phasenversatz des Einschaltens berechnet werden und die Schalthandlung entsprechend störungsfrei durchgeführt werden.
Die Vorrichtung zum Anschalten mit Blindanteil behafteter Lasten an das Netz kann eine Eingabevorrichtung aufweisen, über die bekannte erforderliche Daten des Netzes eingegeben werden können. Ebenso lässt sich eine Einbindung in ein grösseres System durch Einbau einer Datenschnittstelle oder einen Feldbuskoppler erreichen.
P68fh/2.3.05

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Anschalten einer mit Blindanteil behafteten Last an das Netz dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Kreises, die nach dem Anschalten entsteht, bestimmt wird und der Stromkreis entsprechend der im eingeschwungenen Zustand im Strom auftretenden Phasenlage gegenüber dem Spannungsnulldurchgang versetzt geschlossen wird.

1. Verfahren zum Anschalten einer mit Blindanteil behafteten Last an das Netz dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz des Kreises, die nach dem Anschalten entsteht, bestimmt wird und der Stromkreis entsprechend der im eingeschwungenen Zustand im Strom auftretenden Phasenlage gegenüber der Spannung um den Spannungsnulldurchgang versetzt geschlossen wird.

2. Vorrichtung zum Anschalten mit Blindanteil behafteter Lasten an das Wechselnetz, bestehend aus einer Schaltvorrichtung zum Schliessen des Stromkreises und einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Kreisimpedanz dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Schaltvorrichtung zwei Hilfsschalter, diese können Relaiskontakte oder elektronische Schalter sein, mit je in Serie geschalteten Impedanzen, wobei der Strom nach dem Schliessen der Hilfsschalter, es kann dabei jeweils nur ein Schalter geschlossen und dann wieder geöffnet werden oder zuerst der erste und dann der zweite dazugeschaltet werden,

gemessen und aus einer Messung der Quellspannung und Kenntnis der Frequenz die erforderliche Phasenverschiebung des Einschaltzeitpunkts zum Nulldurchgang des Netzes mit einer Rechenvorrichtung bestimmt und nach oder vor dem Abschalten beider Hilfsschalter um diese Phasenverschiebung versetzt durch die Schaltvorrichtung der eigentliche Stromkreis geschlossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzen die in Serie der Hilfsschalter geschalten sind, als ohmsche Widerstände ausgeführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzen in Serie der Hilfsschalter ohmsche Widerstände sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch ein Solid-State Relais realisiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvoirichtung durch Thyristoren oder IGBTs oder ähnliche aktive Halbleiterschalter und Dioden realisiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch Thyristoren oder IGBTs oder ähnlichen aktiven Halbleiterschaltern und Dioden realisiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch einen Hybridschalter realisiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bestimmung der Zeitverschiebung des Schaltzeitpunktes gegenüber dem Nulldurchgang der Spannung mit einem Mikrocontroller realisiert ist.

P68fh/2.3.05 oc er ec o (c) c o[beta]

Patentansprüche

P68VfiV23.2.06