CH304530A - Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei Wechselrichtern zur Speisung von Verbrauchern, die einen wenigstens angenähert sinusförmigen Strom benötigen. - Google Patents

Description

  Anordnung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei Wechselrichtern     zur    Speisung     von,     Verbrauchern, die einen wenigstens angenähert     sinusförmigen    Strom benötigen.    Bei einphasigen Wechselrichtern wird die  Gleichspannung im     Rhythmus    der Frequenz  dauernd umgepolt, wobei sich eine weitgehend       rechteekförmige        Spannungskurve    ergibt.

   Bei  der Speisung von     Leuchtstofflampen    bildet  sieh ein Wechselstrom von fast     sinusförmi-          ger        Kurvenform,    der durch die Einwirkung  der     Vorschaltdrosseln    für die Leuchtstoff  lampen gegen die     Spannung    erheblich nach  eilt. Das Maximum des Stromes fällt dabei  zeitlich mit der     Umpolung    bzw. Ablösung  der Kontakte zusammen.

   Bei einem Wechsel  richter mit Flüssigkeitsstrahl,     insbesondere     Quecksilber, in     Schutzgasatmosphäre    tritt  hierbei keine Schädigung des Gerätes ein,  doch vermindert sich der     Wirkiuigsgrad    durch  die     Lichtbogenbildung.    Ausserdem wird die  Kontaktstelle im ersten Teil der     Kontaktzeit     nur minimal, gegen Ende der Kontaktzeit  dagegen sehr stark belastet. Der     Effektivwert     steigt hierdurch auf etwa die doppelte Grösse  des Mittelwertes. Da die Verluste mit dem  Quadrat der Stromstärke ansteigen, tritt  durch diesen Umstand im Transformator und  an den Kontaktstellen etwa ein Verlust auf,  der gegenüber rechteckigem Strom etwa vier  mal so gross ist.  



  Gemäss vorliegender Erfindung wird zur  Verbesserung des     Leistungsfaktors    bei Wech  selrichtern, insbesondere mit flüssigem Kon  taktmaterial, zur Speisung von Verbrauchern,    die einen angenähert     sinusförmigen    Strom  benötigen, auf der     Wechselstromseite    -ausser  der     Strombegrenzungsdrossel    mindestens eine  Reihendrossel und mindestens ein Kondensa  tor vorgesehen, die derart bemessen sind, dass  der     Leistungsfaktor    mindestens 85 % beträgt.  



  In der Zeichnung sind einige Aus  führungsforznen der     Erfindung    beispiels  weise veranschaulicht, und zwar zeigt     Fig.    1  eine Schaltung mit einer     Leuchtstoffröhre-    L  als Verbraucher. Ausserdem werden die  Drosseln     D,    und D2     sowie    der Kondensator C  von der     Wechselspannung   <I>UV</I> des Wechsel  richters gespeist. Die beiden Drosseln können  in ihrer     Induktivität    gleich oder -verschie  den     sein.    An die Mitte (U') der beiden Dros  seln und an den andern Pol V ist ein Konden  sator C angeschlossen.

   Die     Leuchtstofflampe          wird    zur     Zündiuig    schliesslich noch durch  die Zündröhre Z in bekannter Weise über  brückt. Der Kondensator C wird so abge  stimmt, dass der     Oberwellenstrom    bzw. die       Oberwellenspannung    (3. Oberwelle) über den  Kondensator C abgeführt wird, so dass die  Spannung an der     Leuchtstofflampe        und     Drossel D2 annähernd     sinusförmig    wird.

   Der  Strom     in    der Netzleitung wird alsdann annä  hernd     rechteckförmig    und fällt zeitlich mit  der     Spannungskurve    des Wechselrichters zu  sammen. Infolgedessen wird der Wechselrich  ter sehr günstig belastet, und die Verluste      werden ein Minimum.

       Wenn    es auch durch  diese .Schaltung gelungen ist, eine einheitliche  Montage der     Leuchtstofflampen    zu erzielen  und den     Wirkungsgrad    des Wechselrichters       auf        85        bis        90        %        zu        steigern,        so        darf        man        nicht     ausser acht lassen, dass im Gegensatz zur nor  malen Schaltung statt einer     Vorschaltdrossel     zwei benötigt werden,

   wodurch an sich die  Verluste im Lampenkreis steigen. Die Dros  seln lassen sich jedoch so auslegen, dass ihre  Verluste zusammen kaum     nennenswert    grösser  sind als bei einer Drossel für normalen Netz  betrieb. Ausserdem sind die Ströme in der  Drossel     Dl    durch die Verbesserung des Lei  stungsfaktors wesentlich kleiner und können  in der     Grössenordnung    von 50 bis 60 % des  Lampenstromes liegen. Da die     Ohmschen    Ver  luste mit dem Quadrat der .Stromstärke stei  gen, sind die Verluste in der Drossel     Dl    in  folge des     kleineren    Stromes bei gleicher     Type          wesentlich    kleiner als in der Drossel D2.  



  Die Eigenfrequenz des     Drosselkondensator-          kreises        muss        etwa        50        %        höher        liegen        als        die          Wechselrichterfrequenz,    um einen günstigen  Leistungsfaktor auf der     Wechselrichterseite     zu erzielen, das heisst, das Verhältnis des vom  Wechselrichter aufgenommenen Stromes zum  Lampenstrom erreicht dann ein Minimum.

    Die     SehwingLmgskreise    sind wenig gedämpft,  was mit Rücksicht auf die     Verminderung    der  Verluste erwünscht ist. Man wird bei der  Abstimmung auf die     1;5fache        Netzfrequenz     wegen der Eigenfrequenz  
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    versuchen, den Faktor der     Induktivität    so       klein    wie möglich zu machen     und    den Faktor  des     Kondensators    grösser zu wählen, da die  Kondensatoren gegenüber den     Drosseln        ver-          schwindend    kleine Verluste     aufweisen.     



  In     Fig.2    ist eine andere Anordnung ge  zeigt, bei der ein     Kondensator   <B>C</B> parallel zur  Drossel     Dl    liegt, mit welcher in der Haupt  sache die dritte Oberwelle der     Spannung    aus  dem Stromkreis der Lampe ferngehalten     wird.     Meist ist ausserdem noch der gestrichelte     Kon-          densatorkreis    mit ::dem Kondensator C erfor-         derlich,    um den Leistungsfaktor günstig zu  beeinflussen.

   Eine weitere     Anordnung    zeigt  die     F'ig.    3, bei welcher drei Drosseln     Do,    DL  und     Do    erforderlich sind, die zwar einen gut  kompensierten rechteckigen Wechselstrom am  Wechselrichter ergibt, jedoch wegen der Ver  luste in den drei     Vorschaltdrosseln    etwas um  günstiger arbeitet.     Fig.        -1    stellt die gleiche  Schaltung dar, die dritte Drossel     Do    ist jedoch  als gemeinsames.     Vorschaltglied    fortgelassen.

    Die     Kompensation    ist hier nicht so vollständig  wie nach der Schaltung nach     Fig.    3, auch ist  der rechteckige Wechselstrom mit einem tiefen  Satteleinschnitt versehen, doch sind die Ge  samtverluste kleiner. Eine weitere Anordnung  zeigt die     Fig.    5, bei der der     Drosselkondensa-          torkreis    mit     D,    und C parallel zur Drossel  DL gelegt ist, die also mit der     Fig.3    eine  gewisse Ähnlichkeit hat. Auch hierbei ergibt  sich wieder ein annähernd rechteckiger, gut  kompensierter Wechselstrom, doch sind die  Verluste der drei Drosseln etwas störend.  



  An Hand der vorgenannten Beispiele ist.  gezeigt, dass man die Kompensationsschaltun  gen sehr verschieden ausführen kann. Es gibt  noch weitere Anordnungen dieser Art, die  jedoch alle annähernd dasselbe bewirken.  



  Noch einmal zusammengefasst, ergeben sieh  bei der Schaltung nach     Fig.    1 etwa folgende  Strom- und Spannungskurven:  An den Klemmen U, V,     Spannungskurve     rechteckig.  



  An den Klemmen U', V, Spannungskurve       sinusförmig.     



  An der     Leuchtstofflampe,        Spannungskurve     entsprechend der     Entladecharakteristik     der     Leuchtstofflampe.     



  Strom in der Drossel Dl, angenähert recht  eckig.  



  Strom in der Drossel D2, angenähert     sinus-          förmig.     



  Strom im     Kondensatorkreis    C setzt sich  aus Bruchstücken von     'Sinuskurven    der       1,5fachen    Netzfrequenz zusammen, wie  in     Fig.    6 gezeigt.  



  Während üblicherweise bei     Zerhackern        im          Wechselrichterkreis    ein voreilender     Konden-          satorstrom    angestrebt wird, um den Strom im      Augenblick der Kontaktöffnung Null werden  zu lassen, ist dies beim Wechselrichter mit  Quecksilberstrahl nicht erforderlich. Es     kann     der volle Strom i unterbrochen werden.  



  Es ist aber     dann    notwendig, Parallelkon  densatoren auf der Gleichstromseite zu den  Kontakten oder auf der     Weehselstromseite     parallel zu den Anschlüssen vorzusehen, die  nur in der Umschaltpause besonders wirksam  sind. Sie liefern als Augenblicksreserve die  treibende Spannung in der Kontaktpause.

    Diese     Kondensatorengruppe    muss möglichst  so abgeglichen werden, dass sie       a)    die Kontaktspannung bei der     Öffnung     zwischen     Queckstrahl    und Elektrode so  klein hält, dass keine     Rückzündung    statt  findet und  b) mit den im     Stromkreis    vorhandenen     In-          duktivitäten    so abgestimmt ist, dass bei  Schliessen des nächsten Kontaktes keine  wesentliche Spannungsdifferenz auftritt.  



  Die Kontaktpause muss ebenfalls diesen Be  dingungen genügen.  



  Diese Bedingungen, die für die Kontakt  pause gelten, ändern sich mit der Belastung.  Es empfiehlt sich deshalb, zu jeder Schaltung  noch einen kleinen     Parallelkondensator    unter  Umständen zum     Wechselrichternetz    zu schal  ten.  



  Benutzt man bei mehreren Verbrauchern  vor jedem eine Anordnung gemäss den     Fig.    1  bis 5, so werden, wie oben schon gesagt, durch  die grosse Anzahl     Siebdrosseln    zusätzliche  Verluste hervorgerufen, und ausserdem ver  teuert sich die Anlage. Gemäss einer weiteren  Ausführungsform der     Erfindung    soll deshalb  für eine grössere Zahl von Stromverbrauchern  eine gemeinsame 'Siebdrossel grösserer Typen  leistung verwendet werden.  



  Ein Beispiel hierfür ist in     Fig.    7 der Zeich  nung     veranschaulicht.    Wieder     sind   <I>U,</I>     p    die       Anschlussklemmen    an dem Ausgangstransfor  mator des Wechselrichters. Ein kleiner Kon  densator     C,    dient zur     Kompensation    der  Stromspannung des 'Transformators T. Der  gesamte erzeugte     Sekundärstrom    fliesst durch  die Siebdrossel Dl.

   Vor der Drossel Dl ist die    Spannungskurve annähernd rechteckig, hinter  der Drossel Dl     sinusförmig.    An die Vertei  lungsleitung sind eine Reihe von     Leuchtstoff-          lampen    angeschlossen, die einzeln abgeschaltet  werden     können.    Jede Lampe L mit einem Zün  der Z ist durch die Drossel D2 im Strom auf  den normalen Wert     begrenzt.    Vor jeder Dros  sel D2 liegt ein Kondensator     C2,    der mit der  Drossel     D,    den Siebkreis bildet. Die Konden  satoren C2 kompensieren den Leistungsfaktor  jedes     Lampenkreises    zu     cos        (p    = 1.

     Mit einem Schalter     S    kann jeder Lampen  kreis für sich zu- oder abgeschaltet werden.  Der     Oberwellen-Siebkreis    arbeitet     in    fol  gender Weise  Die annähernd rechteckige Wechselspan  nung auf der     :Sekundärseite    des Transforma  tors, also auch am Kondensator Cl, enthält  ausser der     sinusförmigen    Grundwelle in der  Hauptsache eine 3fache Oberwelle. Bezeichnet  man die Wechselspannung an     D,    mit     U1,    an  C2 mit U2, so ist         U2/Ul    = L -     C/cu2.     



  Ist zum Beispiel das Verhältnis von U2 zu     Ui     für die Grundwelle 2, so     beträgt    dieses für die  3. Oberwelle     '2/,9    = 0,22, das heisst die 3. Ober  welle beträgt rund den 10. Teil der Grund  welle. Die Amplitude der 3. Oberwelle ist am  Transformator etwa nur     1/3    so gross     wie    die  Grundwelle, so dass sie am Kondensator C2  nur noch rund     1/3o    der Grundwelle ausmacht.  Die folgende 5. Oberwelle und die andern sind  in ihrer Wirkung noch stärker verringert,  weshalb am Kondensator C2 eine fast     sinus-          förmigeSpannung    entsteht.  



       Fig.    8 stellt das     Vektordiagramm    der  Schaltung nach     Fig.    7 für die Grundwelle dar;  worin bedeuten:       UT    Sekundärspannung am Transformator,       UD    Wechselspannung an der Drossel     Di,          Uo        Wechselspannung    am Kondensator C2,       JT        Transformatorenstrom,          JL    Sekundärstrom sämtlicher angeschlos  sener     Leuchtstofflampen,          JO        Kondensatorenstrom    sämtlicher Konden  satoren C2.

        Das Diagramm wurde mit     einem    Vektor  m-esser     unter    Ausschaltung der 3. Oberwelle  aufgenommen. Um die leistungsmässig inter  essierenden Summen der Kondensator- und  der Lampenströme zu erhalten, brauchte nur  in einem Lampenkreis gemessen zu werden.  Da die Ströme in den verschiedenen Lampen  kreisen phasengleich fliessen, ergibt sich die  Länge der Vektoren     JC    und     JL    einfach durch       Multiplikation    der betreffenden     Messwerte     mit der Anzahl der angeschlossenen Lampen.

    Der Lampenstrom     JL    eilt der     Verbraucher-          spannung        LTc    um etwa 60  nach, der     Kon-          densatorstrom        JC    um     9J0     vor.

   Beide ergeben  den     Transformatorenstrom        JT,    der mit der       Transformatorenspannung        Lrr    fast, phasen  gleich ist.     -3littels    der     Kondensatoren    kann  der Scheinstrom der Lampen somit auf       cos        cp_    = 1     kompensiert    werden. Der Blind  spannungsabfall an der Drossel     D1,        Ztp    ist  etwa halb so gross wie die Spannung     trc.     



  Die 3. Oberwelle wird nur an der  Drossel     D1    praktisch wirksam und ruft  hier     zusätzliche    Eisenverluste hervor, die  jedoch bei richtiger Auslegung nur geringe       Bedeutung    haben.  



  Infolge des höheren induktiven Wider  standes wird die 3. Oberwelle in der Drossel       D.    bedeutend vermindert. Der Strom im  Lampenkreis ist deshalb auch annähernd       sinusförmig,    obwohl die Lampenspannung in  folge der     Lampenstromspannungskennlinie          trapezförmig    ist.  



  Die Schaltung gemäss den     Fig.    1 bis 5 hat  auch noch den Nachteil, dass sich bei Durch  brennen einer     Leuchtstofflampe    der Strom  kreis aus Drossel     D,    und Kondensator C fast  in Reihenresonanz befindet und der Strom  deshalb auf unzulässig hohe -Werte -in     D1    an  steigt. Im Gegensatz hierzu entstehen bei Stö  rungen bei der Schaltung nach     Fig.    7 keine  unzulässigen Belastungen durch den alsdann  ohne Lampenbelastung angeschlossenen Kon  densator     C2.     



  Die Schaltung nach     Fig.    7 kann auch noch  durch weitere zusätzliche Siebkreise     ergänzt     werden, zum Beispiel durch     Hinzuschaltung     einer 2. Drossel     Dj,        und    eines entsprechenden         Summenkondensators    im Verbindungspunkt  der beiden Drosseln.  



  Ferner können zur besseren Ausnutzung  der     Strombegrenzungsdrossel        D.    zwei Lam  pen in Reihe geschaltet sein zusammen mit  nur einer Drossel.  



  Gemäss einem andern     Ausführungsbeispiel     der     Erfindung    spaltet man die Verbraucher       in    zwei Gruppen auf, von denen die eine  Gruppe     Vorschaltdrosseln,    die andere Reihen  kondensatoren enthält; es tritt so zu Beginn  jeder Periodenhälfte ein Stossladestrom der  Kondensatoren auf, der bei richtiger Aus  legung über die Drosseln und     Leuchtstoff-          la.mpengruppe    schwingungsfrei abklingt. Es  entsteht also eine voreilende, schnell anstei  gende und allmählich abfallende Stromkurve,  welche mit dem nacheilenden Strom der an  dern Gruppe eine weitgehend     reehteckförmige     Stromkurve ergibt.

   Infolge dieser Massnah  men gehen die Effektivwerte im Transforma  tor und auch auf der Gleichstromseite auf die  Grösse der Mittelwerte zurück, das heisst der  Leistungsfaktor nähert sich dem Wert     7..     Bei einem     -Wechselrichter    mit gasgefüllter  Quecksilberturbine konnte durch diese Mass  nahme der     -Wirkungsgrad    von 70 auf 85  /o  gesteigert. werden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Anordnung zur Verbesserung des Lei stungsfaktors bei -Wechselrichtern, insbeson dere mit flüssigem Kontaktmaterial zur 'Spei sung von Verbrauchern, die einen wenigstens angenähert sinusförmigen Strom benötigen, da durch gekennzeichnet, dass auf der Wechsel.- stromseite ausser den Strombegrenzungsdr os- seln mindestens eine Reihendrossel und min destens ein Kondensator vorgesehen ist, die derart bemessen sind, dass der Leistungsfak tor mindestens 85 % beträgt. UNTERANSPRÜCHE: 1.

   Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass auf der Wechsel stromseite ausser den Strombegrenzungsdros- seln mindestens eine Reihendrossel und min destens ein Reihenkondensator vorgesehen ist, die derart bemessen sind, dass der Leistungs- faktor mindestens 85 % beträgt. 2.

   Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass auf der Wechsel- stromseite ausser den Stroinbegrenzungsdros- seln mindestens eine Reihendrossel und min- Bestens ein Parallelkondensator vorgesehen ist, die derart bemessen sind, dass der Leistungs faktor mindestens 8 & 5 /o beträgt. 3.

   Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass auf der Wechsel stromseite ausser den Strombegr enzungsdros- seln mindestens eine Reihendrossel und min destens ein Reihen- und mindestens ein Par allelkondensator vorgesehen sind, die derart bemessen sind, dass der Leistungsfaktor min- clestens 85 % beträgt. 4. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass Kondensatoren und Drosseln so auf die gesamten Verbrau cher verteilt sind, dass eine weitgehend recht- eckförmige Stromkurve entsteht. 5.

   Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass zwei Drosseln in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet sind, deren Mitte über einen Kondensator mit dem andern Pol des Speisenetzes derart ver bunden ist, dass auf der Netzseite sich ein angenähert rechteckiger Wechselstrom bei gutem Leistungsfaktor bildet, dass der Effek tivstrom des Speisenetzes zum Verbraucher strom ein Minimum erreicht und dass der Ladestrom des Kondensators sieh aus Teil stücken von angenäherten Sinuskurven mit ge ringer Dämpfung von etwa der 1,5fachen Frequenz zusammensetzt. 6.

   Anordnung nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Produkt L # C des Resonanzkreises für die 1;5fache Wechselrichterfrequenz der Faktor C grösser zwecks Verminderung der Verluste ist. 7. Anordnung nach .

   Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass drei Drosseln vor gesehen sind, und zwar eine gemeinsame Vor drossel, eine Strombegrenzungsdrossel für die Leuchtstofflampe und eine Drossel für den Kondensatorkreis (Fig.3). Anordnung nach, Patentanspruch, da= durch gekennzeichnet, dass zwei parallel ge schaltete Drosseln vorgesehen sind (Fig.4). 9.

   Einordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass eine Vordrossel und eine Strombegrenzimgsdrossel mit par allel geschaltetem Reihendrosselkondensator- kreis vorhanden sind (Fug. 5). 10. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass Parallelkondensa toren so auf die Kontakte bei mechanischen Wechselrichtern einwirken, dass die Abschalt- spannung und Einschaltspannung des Kon taktes in der Nähe des Nullwertes liegt. 11.

   Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass allen Verbrau chern gemeinsam nur eine Siebdrossel, ins besondere für die dritte Oberwelle, vorgeschal tet ist, so dass sich am Verbraucherkreis mit parallel geschaltetem Kondensator oder Kon densatoren eine wenigstens angenähert sinus- förmige Spannung ergibt. 12. Anordnung nach Patentanspruch und Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei vielen einzelnen Stromverbrauchern die gesamte notwendige Kapazität in entspre chend viele einzelne Kondensatoren aufgeteilt ist, die mit jedem einzelnen Verbraucher par allel zu- und abgeschaltet und proportional der Blindleistung der einzelnen Kreise be messen werden. 13.

   Anordnung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 11 und 12, dadurch Bekenn zeichnet, dass die einzelnen Belastungskreise aus einzelnen Leuchtstofflampen mit je davor geschalteter Strombegrenzungsdrossel beste hen. 14. Anordnung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 11 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass je ein Belastungskreis aus zwei in Reihe geschalteten Leuchtstofflampen mit einer Strombegrenzungsdrossel besteht (Tan- dem-Schaltüng). 15.

   Anordnung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 11 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass eine zweite oder mehrere Sieb- drosseln sowie eine entsprechende Zahl von Oberwellenglättungs - Kondensatoren verwen det werden. 16. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass ein Teil der Ver braucher über Reihendrosseln., ein anderer Teil über Reihenkondensatoren gespeist wird.

   1'7. AnordnLug nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass ein Teil der Ver braucher über Reihendrosseln, ein anderer Teil über Reihendrosseln und Reihenkonden satoren gespeist wird.