CH703830A2 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mit reaktiver Charakteristik. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mit reaktiver Charakteristik an einer Wechselspannungs-Versorgung. Ziel der Erfindung ist es, eine möglichst optimale Blindleistungskompensation zu ermöglichen, d.h. es wird eine Schaltungsanordnung beschrieben, die es ermöglicht, nahe an einem cos von 1 zu arbeiten, um die Gesamteffizienz der Anordnung zu erhöhen bzw. eine optimale Stromeinsparung zu erreichen. Um einen kritischen Betriebszustand zu beherrschen ist erfindungsgemäss eine Rückkopplungskette vorgesehen, die einen Steuerstrom einem weiteren reaktiven Schaltungselement zuführt. Dieses weitere Schaltungselement ist parallel zur Last bzw. zum Kompensationskondensator angeordnet, und wird, mit einem Steuerstrom derart beaufschlagt, dass dieser Steuerstrom einer Veränderung des reaktiven Anteils der Last entgegenwirkt. Der Steuerstrom wird als eine dem Laststrom proportionale Grösse aus dem Laststrom abgeleitet. Auf diese Weise wird ein Reaktor zur elektromagnetischen Verbrauchsoptimierung geschaffen.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mit reaktiver Charakteristik an einer Wechselspannungs-Versorgung. Es ist allgemein bekannt, dass bei solchen Lasten eine Blindleistungskompensation mittels parallel zur Last geschalteter reaktiver Elemente möglich ist. Im Falle von induktiv wirkenden Lasten sind als Gegenstück ein oder mehrere Kondensatoren zur Kompensation anzuordnen und im Falle von kapazitiv wirkenden Lasten wären dementsprechend induktive Elemente vorzusehen.

[0002] Grundgedanke der Blindleistungskompensation ist bekanntlich, dass der von der Last benötigte Blindleistungsanteil nicht durch den Netzversorger zur Verfügung gestellt werden muss - was die Netzleitungen höher belasten würde - sondern dass diese Blindleistung zwischen Last und reaktivem Kompensationselement praktisch nur auf der Verbraucherseite hin und her pendelt.

[0003] Nachteil bekannter Anordnungen zur Blindleistungskompensation ist, dass diese nicht oder nur unzureichend in der Lage sind auf Änderungen des Blindleistungsbedarfs der Last zu reagieren. Mit anderen Worten, die Kompensation der Blindleistung wird nur für einen stationären Betriebszustand der Last ausgelegt, die Kompensation an sich ist somit statisch. Üblicherweise wird hierbei ein cos, von 0,85 bis 0,95 angestrebt.

[0004] Ziel der Erfindung ist es, eine möglichst optimale Blindleistungskompensation zu ermöglichen und die Gesamteffizienz der Anordnung zu erhöhen bzw. eine optimale Stromeinsparung zu erreichen. Last und Kompensationselement sollen in Resonanz zueinander oder möglichst nahe an der Resonanz betrieben werden. Um diesen an sich kritischen Betriebszustand zu beherrschen ist erfindungsgemäss eine Rückkopplungskette vorgesehen, die einen Steuerstrom einem weiteren reaktiven Schaltungselement zuführt. Hierdurch ist es ausserdem möglich die Stromaufnahme der Last aus dem Versorgungsnetz zu reduzieren, insbesondere zu regulieren.

[0005] Somit weist eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäss ein weiteres Schaltungselement mit reaktiver Charakteristik auf, welches parallel zur Last bzw. zum Kompensationskondensator angeordnet ist, welches mit einem Steuerstrom derart beaufschlagt ist, dass dieser Steuerstrom einer Veränderung des reaktiven Anteils der Last entgegenwirkt, und dass der Steuerstrom als eine dem Laststrom proportionale Grösse aus dem Laststrom abgleitet wird. Auf diese Weise wird ein Reaktor zur elektromagnetischen Verbrauchsoptimierung geschaffen.

[0006] Um die zuvor angesprochen optimale Blindleistungskompensation zu erreichen ist bei konstanter Frequenz der Versorgungsspannung bevorzugt die Grösse des Blindwiderstandes des Kompensationskondensators gleich gross oder nahezu gleich gross, wie die Grösse des Blindwiderstandes der Last, wobei bei lastbedingten Änderungen des Scheinwiderstandes der Last der Steuerstrom derart auf das weitere Schaltungselement wirkt, dass die Parallelschalung aus Last und weiterem Schaltungselement einen Blindwiderstand aufweist, der hinsichtlich seines Betrages dem Kompensationskondensator entspricht.

[0007] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient ein Stromtransformator der Auskopplung des Steuerstroms. Dieser Stromtransformator ist im Lastkreis angeordnet. Hierbei ist wesentlich, dass der Stromtransformator so auszulegen ist, dass ein linearer und phasenrichtiger Zusammenhang zwischen dem primärseitig fliesenden Strom und der durch diesen primärseitigen Strom induzierte Spannung auf der Sekundärseite gegeben ist. Bei der Auslegung des Stromtransformators ist darauf zu achten, dass der magnetische Kern durch den vorgesehenen primärseitigen Nennstrom nicht in die Sättigung gelangt.

[0008] Das weitere Schaltungselement ist beispielsweise ein Drossel mit auf einem gemeinsamen magnetischen Kern gegensinnig angeordneten Spulen, wobei die primäre Spule parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist und die sekundäre Spule mit dem Steuerstrom beaufschlagt ist.

[0009] In einer besonders effizienten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Schaltungselement durch zwei Drosseln gebildet, deren primäre Spulen zueinander in Serie geschaltet sind. Die Serienschaltung der primären Spule sind wiederum parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet. Auch die sekundäre Spulen sind in Serie geschaltet und werden damit vom selben Steuerstrom durchflossen. Um mehr magnetische Energie speichern zu können, weisen die Kerne der Drosseln bevorzugt einen Luftspalt auf.

[0010] Um die angesprochene Effizienz noch weiter zu steigern kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Anordnung der sekundären Spulen an der Drossel so gewählt sein, dass die durch den Steuerstrom in den sekundären Spulen induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie dem Stromfluss in der primären Spule der Drossel entgegen wirkt.

[0011] Beide zuvor genannten Massnahmen führen dazu, dass die durch das weitere Schaltungselement verbrauchte Verlustleistung minimiert wird, weil der Stromfluss in der bzw. in den primären Spulen möglichst klein gehalten wird.

[0012] Ausgangsseitig kann an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, angeschlossen werden, der. wiederum ausgangsseitig mit einem Stellwiderstand verbunden ist. Über diesen Stellwiderstand wird die gleichgerichtete, pulsierende Ausgangsspannung der sekundären Spule der wenigstens einen Drossel zugeführt. Damit dient der Stellwiderstand der Anpassung und Stabilisierung des Arbeitspunktes der Kompensation.

[0013] Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist geeignet für eine Last, die aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung gebildet ist, mit wenigstens einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen Gerät zur Umwandlung der elektrischen in mechanische Wirkleistung oder zur Erzeugung von Wärme. Bevorzugt wird ein Leistungstransformator verwendet, der im Eisenkreis einen Luftspalt aufweist. Ausserdem kann die Sekundärwicklung des Leistungstransformators eine Anzapfung aufweisen, die mit dem Gleichrichter verbunden ist. Alternativ kann die Last - mit und Zwischenschaltung eines Leistungstransformators - durch eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine gebildet sein.

[0014] Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die angeschlossene Last nicht mit ihrer Nennleistung betrieben wird, sondern mit deutlich geringeren Werten. Insbesondere bei Verwendung eines Leistungstransformator hat sich gezeigt, dass die Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die Leerlaufleistung bei etwa 10% der Nennleistung liegt. Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass gegenüber der Stromaufnahme aus dem Netz ein betragsmässig zehnfach erhöhter Strom zwischen Kompensationskondensator und Last, also innerhalb des Reaktors, fliesst. Ferner haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass eine Steigerung der Effizienz der Gesamtanordnung dadurch erreicht werden kann, wenn zwischen einer der Eingangsklemmen der Schaltungsanordnung und einem der Anschlüsse des Kompensationskondensators eine weitere Induktivität derart angeschlossen ist, dass die weitere Induktivität in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet ist. Diese weitere Induktivität kann durch eine Drossel, eine Spule, einen Transformator oder durch einen Elektromotor gebildet sein. Bei den Versuchen des Anmelders war die weitere Induktivität in einer besonders effizienten Ausführungsform gebildet aus einem Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklungen, wobei die Primärwicklung in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet ist und die Sekundärwicklung mit einem RC-Glied, also mit einem ohmschen Widerstand und einer Kapazität, belastet war.

[0015] Es sei ausserdem noch darauf hingewiesen, dass alle in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung verwendeten Transformatoren als Spartransformatoren ausgeführt sein können.

[0016] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in der Abbildung gezeigt ist, erläutert.

[0017] Die Abbildung zeigt eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung. Diese wird mit den Eingangsklemmen an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen und mit einer Eingangswechselspannung UE versorgt. Parallel zu den Eingangsklemmen ist ein Kompensationskondensator C geschaltet, der somit mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist. Wiederum parallel zum Kompensationskondensator C liegt die Primärwicklung W1eines Leistungstransformators LTr, welche von einem Strom I2 durchflossen wird. Die Sekundärwicklung W2 des Leistungstransformators LTr weist ein Anzapfung auf, welche eine Wicklungsabschnitt W2 ́bildet. Die Wicklung W2 und der Wicklungsabschnitt W2 stellen einen Spartransformator dar. Der Leistungstransformator hat in seinem Eisen- oder Ferritkern einen Luftspalt.

[0018] Die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung W2 des Leistungstransformators LTr sind mit der eigentlichen Last Z verbunden. An den Ausgangsklemmen des Leistungstransformators LTr liegt somit die Ausgangswechselspannung UA an. Im Ausgangskreis des Leistungstransformators, welcher aus der Sekundärwicklung W2 und der eigentlichen Last gebildet ist, befindest sich weiteres ein Stromtransformator StTr, dessen Primärwicklung vom Laststrom IL durchflossen wird.

[0019] Dieser Strom IL induziert in der Sekundärwicklung des Stromtransformators StTr eine Spannung, welche zusammen mit der Spannung, welche am Wicklungsabschnitt W2 ́des Leistungstransformators LTr abgegriffen wird, die Eingangsspannung für den Gleichrichter GL bildet. Der Gleichrichter GL, welcher als Brückengleichrichter ausgeführt ist und somit eine pulsierende Gleichspannung liefert, ist über einen Stellwiderstand R mit sekundären Spulen S12, S22 zweier Drosseln Dr1 und Dr2 verbunden. Diese sekundären Spulen S12, S22 der Drosseln Dr1 und Dr2 werden von einem Steuerstrom Ist durchflossen.

[0020] Die primären Spulen S11, S21 der beiden Drosseln Dr1 und Dr2 sind zueinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung dieser beiden Drosseln Dr1 und Dr2 wiederum parallel zum Kompensationskondensator C und zur Primärwicklung W1 des Leistungstransformators LTr geschaltet ist. In diesen beiden primären Spulen S11, S21 der Drosseln Dr1 und Dr2 fliesst der Strom I1. Beide Drosseln Dr1 und Dr2 haben zwei Spulen S11, S12; S21, S22, welche jeweils auf einem gemeinsamen magnetischen Kern aus Eisen- oder Ferrit angeordnet sind. Um die magnetische Energie gut speichern zu können und zu verhindern, dass die Drosseln Dr1 und Dr2 in Sättigung kommen, weisen die Kerne jeweils einen Luftspalt auf.

[0021] Wichtig ist nun, dass die sekundären Spulen S12, S22einen Wicklungssinn aufweisen, der dazu führt, dass das durch den pulsierenden Gleichstrom induzierte magnetische Feld dem magnetischen Feld, welches durch den Strom I1 in den primären Spulen S11, S21verursachten wird, entgegenwirkt. Hierbei ist dies für die Drossel Dr2 dann der Fall, wenn die primäre Spule S21von einem Strom durchflossen ist, der sich als negative Halbwelle darstellen lässt, oder anders ausgedrückt, wenn dessen Stromrichtung entgegen der Pfeilrichtung von I1gerichtet ist. Die Spule S22 ist so angeschlossen, dass der Steuerstrom Ist eine Spannung in der Spule S21 induziert, welche dem über dieser Spule anliegenden Netzspannungsanteil während eines Halbwellenpulses entgegenwirkt. Während der positiven Halbwelle des Stromes I1 tritt dieser regelnde Effekt in der Drossel Dr1 auf. Somit ist eine Regelstrecke bzw. eine Rückkopplungskette geschaffen, die dafür sorgt, dass über die primären Spulen S11, S21 immer ein Strom in einer Grösse fliesst, dass dieser der Verstimmung des aus Last Z in Verbindung mit dem Leistungstransformator LTr und Kompensationskondensator C gebildeten Parallelschwingkreis infolge von Laständerungen entgegenwirkt.

[0022] Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Last Z über den Leistungstransformator LTr an das Versorgungnetz angeschlossen. Sofern die Last induktive Komponenten enthält, kann diese auch ohne Zwischenschaltung eines Leistungstransformators angeschlossen werden. Dies ist insbesondere bei Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen der Fall. Festzuhalten ist noch, dass im Leerlauffalle der Leistungstransformator LTr aufgrund seines Luftspaltes in der Lage ist, als eine Art Speicherdrossel zu fungieren. Er bildet damit im Leerlauf den induktiven Teil des Resonanzkreises.

Claims (16)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mit reaktiver Charakteristik an einer Wechselspannungs-Versorgung, wobei parallel zur Last wenigstens ein Kompensationskondensator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiteres Schaltungselement mit reaktiver Charakteristik parallel zur Last bzw. zum Kompensationskondensator angeordnet ist, dass ein dem Laststrom proportionaler Steuerstrom aus dem Laststrom abgeleitet wird, wobei der Steuerstrom derart mit dem weiteren Schaltungselement verkoppelt ist, dass er einer Veränderung des reaktiven Anteils der Last entgegenwirkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Frequenz der Versorgungsspannung die Grösse des Blindwiderstandes des Kompensationskondensators gleich gross oder nahezu gleich gross ist, wie die Grösse des Blindwiderstandes der Last, wobei bei lastbedingten Änderungen des Scheinwiderstandes der Last der Steuerstrom derart auf das weitere Schaltungselement wirkt, dass die Parallelschalung aus Last und weiterem Schaltungselement einen Blindwiderstand aufweist, der dem Kompensationskondensator entspricht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auskopplung des Steuerstroms ein Stromtransformator im Lastkreis angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Schaltungselement eine Drossel mit auf einem gemeinsamen magnetischen Kern gegensinnig angeordneten Spulen ist, wobei die primäre Spule parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist und die sekundäre Spule mit dem Steuerstrom beaufschlagt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichneten dass das weitere Schaltungselement durch zwei Drosseln gebildet ist, deren primäre Spule zueinander in Serie geschaltet sind, wobei die Serienschaltung der primären Spulen parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist, und dass die sekundären Spulen in Serie geschaltet und mit dem Steuerstrom beaufschlagt sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Steuerstrom in der sekundären Spule induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie dem Strom in der primären Spule der Drossel entgegen wirkt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln einen Luftspalt im magnetischen Kern aufweisen.

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, angeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters über einen Stellwiderstand den sekundären Spulen der Drosseln zugeführt werden.

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Last gebildet ist aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und ein an die Sekundärwicklung angeschlossenes Gerät zur Umwandlung der elektrischen in mechanische Wirkleistung oder zur Erzeugung von Wärme angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator im Eisenkreis einen Luftspalt aufweist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung des Leistungstransformators eine Anzapfung aufweist, die mit dem Gleichrichter verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Last aus einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine gebildet ist.

14. Schaltungsanordnung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer der Eingangsklemmen der Schaltungsanordnung und einem der Anschlüsse des Kompensationskondensators eine weitere Induktivität derart angeschlossen ist, dass die weitere Induktivität in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Induktivität durch eine Drossel, eine Spule, eine Transformator oder ein Elektromotor gebildet ist.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Induktivität durch ein Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklungen gebildet ist, wobei die Primärwicklung in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet ist und die Sekundärwicklung mit einem RC-Glied belastet ist.