AT501511B1 - Verfahren und vorrichtung zur zuschaltung von mit blindanteil behafteten lasten an das energieversorgungsnetz - Google Patents

Description

2 AT 501 511 B1

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

wobei in L bzw. R alle induktiven und ohmschen Komponenten des Gesamtkreises subsum-miert 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. US 5 654 625 A (FRAUENHOFER GESELLSCHAFT) zeigt eine Schaltvorrichtung zur Blindleistungskompensation mit synchronisiertem Ein- und Ausschalten.

Blindleistungskompensatoren zur Kompensation von induktiver Blindleistung benötigen Kondensatoren. Diese müssen je nachdem ob mehr oder weniger Blindleistung kompensiert werden muss zu oder wieder weg geschaltet werden. Durch eine Mess- und Überwachungseinheit wird nun vor dem Zuschalten der Kondensatoren die Spannung an diesen erfasst und die Zuschaltung erfolgt nur, wenn die Spannungen gleich sind. Damit ist ein vorheriges Laden oder Entladen der Kondensatoren, wie es zur Vermeidung von zu hohen Kondensatorströmen üblich ist, vermieden.

Bei dem in der gegenständlichen Patentanmeldung beschriebenen Verfahren und Vorrichtung geht es jedoch um Zuschaltung einer induktivitätsbehafteten Last. Hier ist keine Spannung vorher vorhanden und um ein transientenfreies Zuschalten zu erzielen muss, die Gesamtimpedanz, die nach der Schalthandlung auftritt, bestimmt werden und daraus der Einschaltzeitpunkt in Bezug auf den Netzspannungsnulldurchgang berechnet werden. CH 664 049 A1 (BBC BROWN BOVERI AG) zeigt einen Blindleistungskompensator. Dabei wird eine Spule zwischen Phase und Nullleiter mit Hilfe einer Antiparallelschaltung von GTOs geschaltet. Wenn man z.B. beim Spannungsnulldurchgang einschaltet und im Spannungsmaximum ausschaltet (und das ebenso in der negativen Halbschwingung durchführt), entsteht ein kapazitiver Strom in der Grundschwingung, schaltet man im Spannungsmaximum ein und im Nulldurchgang der Spannung aus, entsteht ein induktiver.

Durch die Wahl des Abschaltzeitpunkts kann die Amplitude verändert werden. Als nachteilig ist die Entstehung zusätzlicher Stromoberschwingungen und daher die Erhöhung der Verzerrungsblindleistung und die Spannungsbegrenzerschaltung parallel zur Induktivität zu nennen. 3 AT 501 511 B1 EP 0 168 147 A1 (DIEL GMBH &CO) zeigt eine Schaltvorrichtung für eine induktive Last. Diese Last ist der Transformator in einem Mikrowellenkochgerät. In Serie zur Last befindet sich ein Schaltkontakt eines Relais dem ein Triac parallel geschaltet ist. Durch diese Kombination ist ein Hybridschalter realisiert, der ein zeitgenaues Einschalten zu einem Zeitpunkt, bei dem keine oder nur geringe Transienten zu erwarten sind, ermöglicht.

Da die Vorrichtung in einem Mikrowellenherd verwendet wird, daher die Last im Wesentlichen bekannt ist, wird keine Messung der Impedanz wie in der gegenständlichen Erfindung zur Bestimmung des Einschaltzeit durchgeführt. Es sei angemerkt, dass dadurch die Netzimpedanz, die ja sehr unterschiedlich sein kann nicht berücksichtigt wird und daher doch deutliche transiente Vorgänge hervorgerufen werden können. EP 0 275 960 A2 (ARTHUR TREVER WILLIAMS LIMITED) behandelt einen Power Factor Controller für das Netz. Es wird dabei der Leistungsfaktor des Netzes gemessen und zwecks Kompensation desselben über Schaltvorrichtungen entsprechend reaktive Bauelemente zu-oder abgeschaltet.

Es geht dabei nicht um die Vermeidung von Transienten und damit zur Vermeidung von Netzstörungen wie in der gegenständlichen Erfindung, sondern um die Vermeidung von Blindleistung. Der Leistungsfaktor ist ja der Kosinus des Phasenwinkels der Grundharmonischen der Netzspannung und des Netzstroms.

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 lHi, Ih2. der Kreisfrequenz ω = 2π·ί und den verwendeten Widerständen R^ R2 (darin ist auch der Einfügungswiderstand der Messung) ergeben sich die Unbekannten zu L= 1 uj_w K,! -(R,+R)2

Aus diesen Daten ergibt sich die zu erwartende Phasenverschiebung im eingeschwungenen Zustand von φ = arctan und der erforderliche Zeitversatz zum Nulldurchgang der Spannung für das Schalten des Hauptschalters S zu

. φ 1 t ( t = — = — arctan — ω ω y 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 4 AT 501 511 B1 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 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.

Claims (7)

1. 5 AT 501 511 B1 Zum besseren Verständnis der Vorrichtung sei noch ein Prinzipbild angefügt. Das Netz ist durch die Spannungsquelle U und den Widerstand RN und die Induktivität LN symbolisiert, die anzuschaltende Last durch den Widerstand RL und die Induktivität Ll, die Leistungsschaltvorrichtung durch den Schalter S. Parallel zur Leistungsschaltvorrichtung S sind die zwei Hilfszweige, be-5 stehend aus je einem Hilfsschalter (Hilfskontakt SHi und SH2) und je einer Impedanz (ZHi und Zh2) in Serie angeordnet. Im symbolischen Block 10 sind die Messvorrichtungen für die erforderlichen Spannungen inklusive der Pegelanpassung, die Auswertevorrichtung zur Berechnung der erforderlichen Zeitverzögerung und die Ablaufsteuerung untergebracht. Die Leitungen 1 und 2 dienen zur Erfassung der Eingangsspannung, die Signalleitungen 3 und 4 liefern in Bezug auf io die Leitung 1 die Messspannungen, die sich an den Impedanzen ZH1 und ZH2 aufbauen. 6, 7 bzw. 8 symbolisieren die Ansteuerung der Hilfsschalter SHi und SH2 bzw. die Ansteuerung für den Hauptschalter S. Die Eigenbedarfsversorgung ist mit 9 angedeutet. Bezugszeichen Aufstellung 15 U Eingangsspannung Rn Netzwiderstand Ln Netzinduktivität Rl Lastwiderstand 20 Ll Lastinduktivität ZHi Impedanz ZH2 Impedanz S Leistungsschaltvorrichtung SHi Hilfsschalter (Hilfskontakt) 25 SH2 Hilfsschalter (Hilfskontakt) (1) Signalleitung für Eingangsspannung (2) Signalleitung für Eingangsspannung (3) Signalleitung für Messspannung (4) Signalleitung für Messspannung 30 (5) Ansteuerung für Hilfsschalter (6) Ansteuerung für Hilfsschalter (7) Ansteuerung für Leistungsschaltvorrichtung (8) Signalleitung für Ausgangsspannung (9) Eigenbedarfsversorgung 35 (10) Messvorrichtung, Berechnung der erforderlichen Signale und Ablaufsteuerung Patentansprüche: 1. Verfahren zum Anschalten einer mit Blindanteil behafteten Last an das Netz dadurch ge kennzeichnet, 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. 45
2. 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 so Schalter sein, mit je in Serie geschalteten Impedanzen, wobei der Strom nach dem Schlie ßen 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 55 einer Rechenvorrichtung bestimmt und nach oder vor dem Abschalten beider Hilfsschalter 6 AT501511B1 um diese Phasenverschiebung versetzt durch die Schaltvorrichtung der eigentliche Stromkreis geschlossen wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzen die in Serie der Hilfsschalter geschalten sind, als ohmsche Widerstände ausgeführt sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch ein Solid-State Relais realisiert wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch Thyristoren oder IGBTs oder ähnliche aktive Halbleiterschalter und Dioden realisiert wird.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die eigentliche Schaltvorrichtung durch einen Hybridschalter realisiert ist.
7. 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. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen