BESCHREIBUNG
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Kompensation von Blindleistung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und von einem Blindleistungskompensator nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 2 und 3.
Mit diesen Oberbegriffen nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Verfahren zur Kompensation von Blindleistung und von Blindleistungskompensatoren Bezug, wie er aus: IEEE Transactions on Industry and General Applications, Band IGA-4, Nr.4, Juli/August 1968, New York (US), S. 441 bis 455, bekannt ist.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 3 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben und einen Blindleistungskompensator so auszubilden, dass eine Blindleistungskompensation mit einem geringeren Oberschwingungsgehalt des Wechselstromes möglich ist.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die durch die Abschaltung des Stromes einer Drosselspule entstehende Überspannung in ihrer Amplitude begrenzt und die entsprechende Energie in das zu kompensierende Stromversorgungsnetz zurückgespeist werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Blindleistungskompensators,
Fig. 2 und 3 Signaldiagramme von Wechselstrom und Wechselspannung in Abhängigkeit von der Zeit mit nacheilendem bzw. voreilendem Wechselstrom zur Erläuterung der Wirkungsweise des Blindleistungskompensators gemäss Fig. 1,
Fig. 4 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der Phasenbeziehung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung mit Bezug auf die Signaldiagramme der Fig. 2 und 3,
Fig. 5 ein Signaldiagramm entsprechend den Fig. 2 und 3 mit mehreren Stromimpulsen je Halbperiode der Wechselspannungsgrundschwingung und
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Blindleistungskompensators.
Gemäss Fig. list zwischen einem Phasenleiter 1 eines Stromversorgungsnetzes und einem Potentialleiter bzw. Erdleiter 6 eine Drosselspule 2 in Reihe mit einem Wechselstromschalter 3 geschaltet. Der Wechselstromschalter 3 besteht aus zwei antiparallel geschalteten abschaltbaren Thyristoren, sogenannten GTO-Thyristoren (gate turn-off), die anodenseitig gesteuert sind. Diese abschaltbaren Thyristoren lassen sich durch Steuerimpulse ein- und abschalten.
Eine Überspannungsschutzvorrichtung 4 ist eingangsseitig parallel zur Drosselspule 2 geschaltet und ausgangsseitig über einen Wechselrichter 5 einerseits mit dem Phasenleiter 1 und andererseits mit dem Erdleiter 6 verbunden. Die Überspannungsschutzvorrichtung 4 sorgt dafür, dass beim Abschalten des Wechselstromes durch die Drosselspule an dieser keine unzulässig hohe Überspannung auftritt. Die in der Drosselspule 2 gespeicherte Energie kann über den Wechselrichter 5 in das Stromversorgungsnetz zurückgespeist oder zu anderen Zwecken verwendet werden.
Mit dem Wechselstromschalter 3 kann der Wechselstrom durch die Drosselspule 2 beliebig ein- und abgeschaltet werden, wie es an einem Beispiel in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In den Fig. 2 und 3 ist auf der Ordinate die Wechselspannung u und der Wechselstrom i in willkürlichen Einheiten aufgetragen und auf der Abszisse die Zeit in Einheiten des Zeitwinkels ot, wobei o die Kreisfrequenz und t die Zeit bedeuten. Gemäss Fig.
2 wurde der Wechselstrom i beim Nulldurchgang der Wechselspannung u eingeschaltet und gemäss Fig. 3 beim Spannungsmaximum und Spannungsminimum. In beiden Fällen beträgt die Stromleitdauer 1/4 der Periodendauer.
Fig. 4 zeigt die Phasenlage von Wechselstrom und Wechselspannung bezüglich der Fig. 2 und 3. Der mit (2) bezeichnete Zustand entspricht einer kapazitiven Belastung des Stromversorgungsnetzes, bei der die Wechselstromgrundschwingung I der Wechselspannungsgrundschwingung U1 um einen Winkel - ZPI voreilt. Der mit (3) bezeichnete Zustand entspricht einer induktiven Belastung des Stromversorgungsnetzes, bei der die Wechselstromgrundschwingung II der Wechselspannungsgrundschwingung U1 um einen Winkel (Pl nacheilt.
Mit einer Einschaltung der Drosselspule gemäss Fig. 2 kann eine induktive Belastung des Stromversorgungsnetzes kompensiert werden, mit einer Einschaltung gemäss Fig. 3 eine kapazitive Belastung. Je nach Vorgabe der Ein- und Abschaltimpulse für die abschaltbaren Thyristoren kann man das Stromversorgungsnetz sowohl kapazitiv als auch induktiv kompensieren, ohne dass zusätzliche Kondensatoren notwendig sind.
Werden die Thyristoren mehrmals pro Halbperiode der Wechselspannungsgrundschwingung ein- und abgeschaltet, so kann der Oberschwingungsgehalt des Wechselstromes verringert werden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 5 dargestellt. Auf der Ordinate ist der Wechselstrom i in Ampere und auf der Abszisse die Zeit t in ms dargestellt. Der Wechselspannungsverlauf u ist puntiert eingezeichnet.
Wie Fig. 6 zeigt, können gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Überspannungsschutzvorrichtung 4 und der Wechselrichter 5 gemäss Fig. 1 eingespart werden.
Die Drosselspule 2 ist dabei je über zwei antiparallel geschaltete Dioden einerseits mit dem Phasenleiter 1 und andererseits mit dem Wechselstromschalter 3 verbunden. Dabei ist ein Ende der Drosselspule mit den Kathoden zweier hintereinandergeschalteter Dioden verbunden und das andere Ende mit den Anoden zweier hintereinandergeschalteter Dioden. Der Strom durch die Drosselspule ändert seine Richtung beim Nulldurchgang der Wechselspannung.
Die Erfindung ist auf das in den Zeichnungen Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So können anstelle von abschaltbaren Thyristoren mit anodenseitiger Steuerung auch solche mit kathodenseitiger Steuerung verwendet werden. Es können auch konventionelle Thyristoren mit einem Löschkreis verwendet werden oder Transistoren für kleinere Ströme und Spannungen. Wichtig ist, dass der Wechselstromschalter 3 zu beliebig vorgebbaren Zeiten ein- und ausschaltbar ist. Statt der Drosselspule 2 könnte auch ein Kondensator verwendet werden.
Selbstverständlich kann die Erfindung in mehrphasigen Wechselstromnetzen verwendet werden. Die Fig. 1 und 6 zeigen nur eine Phase eines mehrphasigen Kompensators.
DESCRIPTION
The invention is based on a method for compensating reactive power according to the preamble of patent claim 1 and on a reactive power compensator according to the preamble of patent claims 2 and 3.
With these preambles, the invention relates to a prior art of methods for compensating reactive power and of reactive power compensators, as described in: IEEE Transactions on Industry and General Applications, Volume IGA-4, No. 4, July / August 1968, New York (US), pp. 441 to 455.
The invention, as defined in claims 1 to 3, solves the problem of specifying a method and designing a reactive power compensator so that reactive power compensation with a lower harmonic content of the alternating current is possible.
One advantage of the invention is that the amplitude of the overvoltage resulting from the switching off of the current of a choke coil can be limited and the corresponding energy can be fed back into the power supply network to be compensated.
The invention is explained below using two exemplary embodiments. Show it:
1 is a basic circuit diagram of a reactive power compensator,
2 and 3 signal diagrams of alternating current and alternating voltage as a function of time with lagging or leading alternating current to explain the mode of operation of the reactive power compensator according to FIG. 1,
4 shows a vector diagram to illustrate the phase relationship between alternating current and alternating voltage with reference to the signal diagrams of FIGS. 2 and 3,
5 shows a signal diagram corresponding to FIGS. 2 and 3 with a plurality of current pulses per half period of the AC fundamental and
6 shows a basic circuit diagram of a second embodiment of a reactive power compensator.
According to FIG. 1, a choke coil 2 is connected in series with an AC switch 3 between a phase conductor 1 of a power supply network and a potential conductor or ground conductor 6. The AC switch 3 consists of two antiparallel switchable thyristors, so-called GTO thyristors (gate turn-off), which are controlled on the anode side. These thyristors, which can be switched off, can be switched on and off by control pulses.
An overvoltage protection device 4 is connected on the input side parallel to the choke coil 2 and on the output side via an inverter 5 on the one hand to the phase conductor 1 and on the other hand to the earth conductor 6. The overvoltage protection device 4 ensures that when the alternating current is switched off by the inductor, there is no impermissibly high overvoltage. The energy stored in the choke coil 2 can be fed back into the power supply network via the inverter 5 or used for other purposes.
With the alternating current switch 3, the alternating current through the choke coil 2 can be switched on and off as desired, as shown in an example in FIGS. 2 and 3, the alternating voltage u and the alternating current i are plotted in arbitrary units on the ordinate and the time in units of the time angle ot on the abscissa, where o is the angular frequency and t is time. According to Fig.
2, the alternating current i was switched on at the zero crossing of the alternating voltage u and, according to FIG. 3, at the voltage maximum and voltage minimum. In both cases, the current conducting time is 1/4 of the period.
4 shows the phase relationship of alternating current and alternating voltage with reference to FIGS. 2 and 3. The state denoted by (2) corresponds to a capacitive load on the power supply network in which the alternating current fundamental oscillation I leads the alternating voltage fundamental oscillation U1 by an angle ZPI. The state denoted by (3) corresponds to an inductive load on the power supply network, in which the AC fundamental oscillation II lags the AC fundamental oscillation U1 by an angle (Pl.
An inductive load on the power supply network can be compensated for by switching on the inductor according to FIG. 2, and a capacitive load when switching on according to FIG. 3. Depending on the specification of the switch-on and switch-off pulses for the switchable thyristors, the power supply network can be compensated both capacitively and inductively without the need for additional capacitors.
If the thyristors are switched on and off several times per half period of the AC voltage fundamental oscillation, the harmonic content of the AC current can be reduced. An example of this is shown in FIG. 5. The alternating current i in amperes is shown on the ordinate and the time t in ms on the abscissa. The AC voltage profile u is shown dotted.
As shown in FIG. 6, according to another embodiment of the invention, the overvoltage protection device 4 and the inverter 5 according to FIG. 1 can be saved.
The inductor 2 is connected to the phase conductor 1 on the one hand and to the AC switch 3 on the other hand via two diodes connected in anti-parallel. One end of the choke coil is connected to the cathodes of two diodes connected in series and the other end to the anodes of two diodes connected in series. The current through the inductor changes direction when the AC voltage crosses zero.
The invention is of course not limited to what is shown in the drawings. So instead of thyristors with anode-side control that can be switched off, those with cathode-side control can also be used. Conventional thyristors with a quenching circuit or transistors for smaller currents and voltages can also be used. It is important that the AC switch 3 can be switched on and off at any predetermined times. Instead of the choke coil 2, a capacitor could also be used.
Of course, the invention can be used in multi-phase AC networks. 1 and 6 show only one phase of a multi-phase compensator.