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Verfahren zur Kompensation der Blindleistung eines Verbrauchers und
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Kompensation der induktiven bzw. kapazitiven Blindleistung eines an
ein Netz angeschlossenen Verbrauchers durch Zu- bzw. Abschalten von Kapazitäten
bzw. Induktivitäten an das Netz.
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Eine solche Kompensation ist beispielsweise erforderlich, wenn das
Netz mit einer Induktionsofenanlage als Verbraucher belastet wird.
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Zum Zweck einer solchen Kompensation ist es bekannt, die Blindleistung
zu messen und aus dem Meßergebnis Zu- und Abschaltimpulse abzuleiten, mit denen
ein Stufenschaltwerk gesteuert werden kann, das dann seinerseits über Schritt- oder
Nockenschalter Schütze zum Zu- bzw. Abschalten von Kapazitäten bzw. Induktivitäten
betätigt. Zur Messung der genannten Blindleistung wird vorzugsweise ein sogenanntes
Ferraris-System verwendet.
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Die Vorrichtungen, die zur Durchführung der bekannten Verfahren verwendet
werden, weisen stets eine Vielzahl bewegter Teile, unter anderem Kontaktstücke,
auf. Dadurch leiden die bekannten Verfahren an einer gewissen Störanfälligkeit.
Ferner ist die Ansprechempfindlichkeit gegenüber geringen PhasendifEerenzänderungen
bei den bekannten Verfahren relativ gering. Außerdem muß durch eine Kunstschaltung
zunächst eine 90°-Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom in einer Drehspule
herbeigeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet,
daß aus der Netzspannung und einer dem Netzstrom entsprechenden, jedoch um 180°
gegenüber dem Netzstrom versetzten Spannung zwei Impulsfolgen mit einer der Netzfrequenz
entsprechenden Folgefrequenz abgeleitet werden, deren Impulsdauer-Pausendauer-Verhältnis
der durch die Verbraucherblindleistung hervorgerufenen Phasenverschiebung zwischen
Netzspannung und Netzstrom entspricht, und daß aus der einen Folge oder der anderen
Folge, wenn deren Gleichspannungsmittelwert eine vorbestimmte Grenze übersteigt,
jeweils eine ihr zugeordnete Steuerimpulsfolge zur Steuerung der Zu- bzw. Abschaltung
der Kapazitäten bzw. Induktivitäten abgeleitet wird.
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Im Grunde genommen handelt es sich also bei der Erfindung um die Umsetzung
des Analogwertes der Phasendifferenz zwischen Netzspannung und Netzstrom in Digitalwerte,
die als Impulse zur Zuschaltung oder Abschaltung der Kapazitäten oder Induktivitäten
auftreten oder entsprechend der Einstellung der genannten Gleichspannungsmittelwerte
überhaupt nicht auftreten, so daß also gewisse geringe Änderungen der Phasendifferenz
zwischen Strom und Spannung (gewissermaßen innerhalb einer Tot-Zone) toleriert werden,
ohne daß die bereits bestehende Kompensation (zu der auch die Kompensation Null
gehört) geändert wird.
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Bevorzugt werden die Steuerimpulsfolgen in gewissen Zeitabständen
auf ihr Vorhandensein oder Nichtvorhandensein mittels Taktimpulsen abgetastet und
je nach dem Abtastergebnis die Zu- bzw. Abschaltung der Kapazitäten bzw. Induktivitäten
vorgenommen. Hierdurch erreicht man, daß nicht eine fortwährende Zu- bzw. Abschaltung
vorgenommen wird, wenn kurze Phasendifferenzschwankungen auftreten. Die Folgefrequenz
der Taktimpulse wird dementsprechend klein zur Netzfrequenz gewählt. Entsprechend
dem Abtastergebnis wird zweckmäßig ein Schrittschaltwerk um einen Schritt vor- oder
zurückgeschaltet, das entsprechende Relais zur Zu- bzw. Abschaltung der Kapazitäten
bzw. Induktivitäten betätigt.
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Der Aufbau der Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
einschließlich des Aufbaues des Schrittschaltwerkes erfolgt zweckmäßig unter möglichst
ausschließlicher Verwendung von Halbleiterelementen. Dabei können fertige handelsübliche
elektronische Bausteine benutzt werden. Bewegbare mechanische Teile, zu denen auch
die Kontaktstücke zu rechnen sind, werden mit Ausnahme der genannten Relais (oder
Schütze) nicht benötigt. Um einen uneingeschränkt vollelektronischen Aufbau zu erreichen,
können an Stelle der Relais
(Schütze) auch elektronisch steuerbare
Halbleiter, z. B. Siliziumzellen, verwendet werden. Eine erfindungsgemäß aufgebaute
Anlage besitzt eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer und eine äußerst geringe Störanfälligkeit.
Auf Grund der praktisch trägheitslosen Arbeitsweise der elektronischen Bauelemente,
insbesondere der Halbleiterbauelemente, kann die Ansprechempfindlichkeit (die durch
die genannten Gleichspannungsmittelwerte einstellbar ist) in einem sehr weiten Bereich
variiert und nach Bedarf eingestellt werden.
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Durch entsprechende Variation des Schaltungsaufbaues können vielerlei
Sonderanforderungen berücksichtigt werden. Die Erfindung gestattet einen einfachen
und übersichtlichen Schaltungsaufbau unter Verwendung serienmäßig vorgefertigter
und vorgeprüfter elektronischer Bausteine und damit eine relativ einfache Herstellung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung.
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Der Eingangsbaustein der erfindungsgemäßen Schaltung ist ein bistabiler
Multivibrator, dessen einer Eingang über die Leitung 1 an einer der Netzspannung
entsprechenden Spannung liegt und dessen anderer Eingang über die Leitung 2 an einer
dem Netzstrom entsprechenden, jedoch gegenüber der Phase des Netzstromes um 180°
versetzten Spannung liegt. Von den beiden Ausgängen des bistabilen Multivibrators
3 werden die beiden oben erörterten Impulsfolgen abgegriffen. Selbstverständlich
wird dafür gesorgt, daß die Amplituden der Spannungen, die an den beiden Leitungen
1 und 2 liegen, untereinander möglichst gleich sind. Gegenüber den
bekannten Ausführungen von Phasenverschiebungen messenden bistabilen Multivibratoren
zeichnet sich der bistabile Multivibrator 3 dadurch aus, daß er nicht nur wie die
bekannten Ausführungen durch Impulse gesteuert werden kann, wozu Begrenzungs- und
Impulsformerstufen benötigt werden, sondern daß er auch direkt galvanisch mit den
beiden Spannungen, deren Phasendifferenz zu messen ist, gesteuert werden kann.
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An jedem Ausgang des bistabilen Multivibrators 3 ist ein Schmitt-Trigger
5, 5' über je einen Integrator 4, 4' - vorzugsweise einstellbarer Zeitkonstanteangeschlossen.
Gegebenenfalls sind vor den Integratoren noch Gleichrichterschaltungen zur Gleichrichtung
der Impulsfolgen vorgesehen, die von dem bistabilen Multivibrator 3 geliefert werden.
Durch Einstellung der Zeitkonstanten der Integratoren 4, 4'
sind die Gleichspannungsmittelwerte
einzustellen, bei denen die Schmitt-Trigger ansprechen, und somit ist die oben erörterte
Ansprechempfindlichkeit einstellbar, wohlgemerkt gesondert für jede der beiden Impulsfolgen,
die der bistabile Multivibrator 3 abgibt, so daß beide Grenzen der obenerwähnten
Tot-Zone unabhängig voneinander einstellbar sind. Das Ergebnis ist, daß entweder
der Schmitt-Trigger 5 angesteuert wird oder der Schmitt-Trigger 5' oder keiner der
Schmitt-Trigger.
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Gegebenenfalls kann durch Einkopplung einer der Stromstärke proportionalen,
gleichgerichteten Spannung in den Integrator eine I - sin-c7-Abhängigkeit der am
Schmitt-Trigger anstehenden Spannung erreicht werden, so daß der Regler nicht nur
cos-ip-abhängig, sondern auch blindstromabhängig arbeiten kann.
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Mit einem über die Widerstands-Kondensator-Schaltung an die Ausgänge
der Eingangsstufe geschalteten Mikroamperemeter kann der cos c7 gemessen werden.
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Zwischen die Ausgänge der Schmitt-Trigger 5, 5' kann ein optisches
Anzeigegerät oder ein Meßgerät' geschaltet sein, an dem man ablesen kann, welcher
der Schmitt-Trigger angesteuert ist, wenn überhaupt einer der Schmitt-Trigger angesteuert
ist. Somit kann man ablesen, ob etwa im Netz die Spannungsphase der Stromphase voreilt,
oder umgekehrt.
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Die Ausgänge der beiden Schmitt-Trigger 5, 5' sind nun gegebenenfalls
über Inverter 7 (eine Doppelumkehrstufe oder zwei Inverter) mit je einem
Eingang von UND-Gattern 8 verbunden, deren zweiter Eingang mit dem Ausgang
eines Taktimpulsgebers 9, 10 verbunden ist, der Impulsfolgen mit einer im Verhältnis
zur Netzfrequenz niedrigen Folgefrequenz liefert. Für die UND-Gatter 8 wird zweckmäßig
eine Doppeltorstufe mit Verstärker verwendet.
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Der Taktimpulsgeber 9, 10 ist aus einem astabilen Multivibrator
9 einstellbarer Frequenz und einem monostabilen Multivibrator 10 gebildet; die Zeitkonstante
des ersteren ist groß gegenüber der Zeit einer Periode der Netzspannung. Der astabile
Multivibrar tor liefert Taktimpulse niedriger Frequenz. Der monostabile Multivibrator
wird mit den steilen Flanken der obengenannten Impulse gekippt und gibt Impulse
gleicher Frequenz, jedoch mit einer genast definierten Impulsbreite weiter.
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Der Ausgang des einen UND-Gatters ist mit der Vorschaltleitung 20
und der Ausgang des anderen UND-Gatters mit der Rückschaltleitung 21 eines
Schrittschaltsatzes 11, 12, 17 verbunden. Der Schrittschaltsatz ist durch Torschaltungen
111, 112, 113;
114 gebildet, die an die Vorschaltleitung
20 angeschlossen sind und durch Torschaltungen 171, 172,
173, 174,
die an die Rückschaltleitung 21 angeschlossen sind. Die Ausgänge je einer
an der Vorschaltleitung 20 und einer an der Rückschaltleitung 21 angeschlossenen
Torschaltung 111, 171, 112, 172 usw. sind mit je einem Eingang eines bistabilen
Multivibrators 121, 122, 123, 124 verbunden. Der eine Ausgang eines jeden Multivibrators,
z. B. des Multivibrators 122, ist jeweils mit dem Steuereingang einer benachbarten,
an der Vorschaltleitung liegenden Torschaltung, z. B. der Torschaltung 111, und
der andere Ausgang mit dem Steuereingang einer andererseits benachbarten, an der
Rückschaltleitung liegenden Toischaltung, z. B. 173, verbunden und überdie9
mit einem zu einem Relais 141 bis 144, z. B. zum Relais 141, führenden
Verstärker 131, 132, 133, 134,
beispielsweise mit dem Verstärker
131.
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Je nachdem, welcher der Schmitt-Trigger 5, 5' angesteuert ist, kommt
durch das ihm zugeordnete UND.
Gatter bei Abtastung durch den Taktimpulsgeber
9,
10 ein Zuschaltimpuls auf die Vorschaltleitung 20
oder ein
Abschaltimpuls auf die Rückschaltleitung 21. Der Schrittschaltsatz aus den
Bausteinen 11, 12
und 17 wird dementsprechend um eine Stufe vorgeschaltet
oder um eine Stufe zurückgeschaltet. Dementsprechend wird einer der Relaiskontakte
151, 152,
153, 154 geschlossen oder geöffnet und dadurch einer der
Kondensatoren 161, 162, 163, 164 zugeschaltet oder abgeschaltet. Dabei erfolgt
der Zuschalt- oder Abschaltvorgang jeweils an dem letzten Kondensator in der Reihe
161, 162, 163, 164.
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Durch Zwischenschaltung von weiteren Toren (UND- und ODER-Gattern)
in die Leitungen zu den Relaisverstärkern 131, 132, 133, 134 ist es möglich,
beliebige
Schaltprogramme zu kombinieren, z. B. Pilgerschritt-Schaltung:
| Stufe Relais |
| 141 @ 142 I 143 1 144 |
| 1 x |
| 2 X |
| 3 x x |
| 4 x x |
| 5 x x x |
| 6 x x x |
| 7 x ( x x I x |
Es ist auch möglich, den Regler mit je einem Relais für Zu- und Abschaltung auszurüsten
und mit diesem Relais einen Schaltsatz herkömmlicher mechanischer Bauweise zu betreiben,
was aber nur in Sonderfällen in Frage kommen wird.
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Wenn in dem Ausführungsbeispiel auch nur vier Schaltstufen des Schrittschaltsatzes
dargestellt sind und auch erörtert wurden, so ist doch diese Anzahl beliebig und
kann den Verhältnissen entsprechend gewählt werden. Die Relais 141, 142 usw.
sind zur Anpassung an den jeweils vorgesehenen Verwendungszweck zweckmäßig steckbar
ausgebildet.
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Erfindungsgemäß aufgebaute Kompensationsschaltungen arbeiten äußert
zuverlässig. Besonders vorteilhaft ist, daß bei ihnen beide Grenzen der erörterten
Tot-Zone unabhängig voneinander einstellbar sind.