DE1513934C3 - Anordnung zur Konstanthaltung der Spannung von Netzen geringer KurzschluBleistung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Anordnung zur Konstanthaltung der Spannung von Netzen geringer Kurzschlußleistung, an die Verbraucher mit stoßweise auftretendem großem Blindstrombedarf angeschlossen sind, mit einer an das Netz ferner angeschlossenen Einrichtung zur Blindstromaufnahme, deren Strom selbsttätig derart gesteuert ist, daß die Netzspannung bei Belastungsstößen der Verbraucher angenähert konstant bleibt.

Derartige Verhältnisse treten z. B. bei polumschaltbaren Käfigläufermotoren auf. die beispielsweise von den Bordnetzen auf Schiffen oder Flugzeugen gespeist werden oder die an Netzausläufer angeschlossen sind.

Es ist bekannt, daß besonders durch Blindstrom an Reaktanzen Spannungsabfälle auftreten, während Wirkstrom im wesentlichen nur eine Phasendrehung der Spannung zur Folge hat. Bei schwachen Netzen, d. h. Netzen mit großer Kurzschlußspannung (Großreaktanzen) tritt infolgedessen beim plötzlichen Zuschalten von induktiver Last ein großer Spannungsabfall auf. Dieser ist in der Regel unerwünscht. /.. T. mit Rucksicht auf weitere angeschlossene Verbraucher unzulässig.

Das bekannte Mittel, die Netzspannung durch Leistungskondensatoren zustutzen, versagt in ilen Fällen. in denen die Blindlast plötzlich anfällt und wieder verschwindet, da Kondensatoren nicht schnell an die Blindlast angepaßt werden können. Legt man vorübergehend zu viele Kondensatoren an das Netz, so treten sogar nachteiligerweise Spannungscrhöhungen auf. die tue Betriebssicherheit iicl'ülirden können.

Es ist bereits eine Anordnung bzw. ein Verfahren als Spannungsstelleinrichtung zur Verwendung für ein elektrisches Mehrphasenversorgungsnetz beschrieben, das eine veränderbare Belastung, z. B. einen elektrischen Lichtbogenofen speist, bestehend aus einer Anzahl Transduktoren, die an die Stromquelle derart angeschlossen sind, daß die Einstellung der Speisespannung durch geeignete Änderung der Reaktanzen der Transduktoren (deutsche Auslegeschrift

ίο 1 IW 561) bewirkt werden kann.

Eine derartige Anordnung erfordert aber einen großen Aufwand, insbesondere an Material und Raum.

Es ist des weiteren eine Einrichtung zur Zwangskommutierung von Stromrichtern bekannt, bei der der Belastungsstrom von der abgelösten Anode zunächst durch Zünden eines mit dem vorgeladenen Kommutierungskondensator in Reihe geschalteten Löschventils auf den Kommutierungskondensator und dann von diesem auf die ablösende Anode übergeht. Eine derartige Anordnung, bei der auf der Gleichstromseite eine Induktivität vorgesehen ist, ermöglicht es, eine Wirk- und Blindleistung in das angeschlossene Drehstromnetz zu speisen (deutsche Patentschrift 903 249).

Denkbar wäre es nun. bei der weiter oben beschriebenen Anordnung (deutsche Auslegeschrift 1 190 561) die Transduktoren durch den in der vorstehenden Veröffentlichung beschriebenen zwangskommutierten Wechselrichter zu ersetzen. Dabei ist jedoch zu erkennen, daß Anordnungen zur Blindstromlicferung. die sich durch die Art ihres Speichers auf der Gleichstromseite wie im vorliegenden Fall unterscheiden - Induktivität einerseits und Speicherkondensator andererseits —. unterschiedlich arbeiten. Bei einer Anordnung mit einer Induktivität als Speicher ist der Gleichstromanteil auf der Gleichstromseite ungleich Null, hingegen ist die Gleichspannung gleich Null. Im Gegensatz dazu ist bei einer Anordnung mit einem Kondensator als Speicher auf der Gleichstromseitc der Gleichstromanteil gleich Null, und es ist die Gleichspannung ungleich Null. Daraus ergeben sich für eine Anordnung mit einem Kondensator auf der Gleichstromseite gegenüber der weiterhin erwähnten Anordnung Vorteile. Erstens brauchen die steuerbaren Ventile des Umrichters nicht in Hinsicht auf die Gefährdung durch Überspannungen überdimensioniert zu werden; zum zweiten kann der Kommutierungsaufwand, beispielsweise die Größe der Kommuticrungskondensatoren. bei einer Anordnung mit einem Speicherkondensator auf der Gleichstromseite wesentlich geringer gehalten werden als bei einer Anordnung mit einem induktiven Speicher. Bei letzterem erfolgt die Zwangskommutierung der steuerbaren Ventile nachteiligerweise immer unter der beeinflussenden Wirkung der Netz- und Transformatorreaklan/en. was im Findergebnis zur Sicherstellung der Leistungsllußimtcrbrechung in den steuerbaren Ventilen zu einer größer dimensionierten Zwangskommulierunuseinrichtung führt.

Der Erfindung lieg! die Aufgabe zugrunde, schwache, stoßartig mil Blindstrom belastete Netze durch eine schnell wirkende Einrichtung zur Blindstmmaufnahme zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten .Art ertiiulungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Blindstromaufnahme ein /waimskommutierler Wechselrichter m'.i einem PuI-

ferkondensator auf der Gleichstromseite ist. Dabei wird Schutz nur für die Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruches begehrt.

Im Gegensatz zu den bekannten Mitteln, Kondensatorbatterien zur Stützung der Spannung an Netzen vorzusehen, vermag sich die vorgenannte auch bereits vorgeschlagene Einrichtung zur Blindstromaufnahme (deutsche Patentschrift 1513 913) auf Grund ihrer elektronischen Steuerungsmöglichkeiten schnell den Laststößen anzupassen und die Spannung beim Anlassen z. B. von polumschaltbaren Motoren durchaus konstant zu halten.

Es lassen sich also schwache, stoßartig mit Blindstrom belastete Netze durch den geregelten Blindstromrichter mit einem Pufferkondensator auf der Gleichstromseite kompensieren. Ein derartiger Wechselrichter hat sehr kleine Zeitkonstanten, da sein Strom nicht durch eine Glättungsdrossel stabilisiert ist, so daß durch Zündzeitpunktverschiebung der Wechselrichterblindstrom fast augenblicklich dem zur Spannungsstabilisierung angepaßten Wert angepaßt μ werden kann. Ebenso kann der Wechselrichterblind- Ψ strom sehr schnell reduziert und sogar von dem Bereich induktiven in den kapazitiven Betriebes umge-■ steuert werden, wenn es das Netz zur Vermeidung von j Spannungsüberhöhungen erfordert.
j An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Die Schaltung der Fig. 1 entspricht z. B. dem Fall eines Bordnetzes auf Schiffen. Es treibt ein Dieselmotor D einen Generator begrenzter Leistung G. Letzterer j speist die Sammelschienen des Netzes. An diese angej schlossen seien zwei über Umschalter S polumschaltbare Motoren M. Mit W sei der erfindungsgemäße j Blindstromwechselrichter bezeichnet, dessen Steu-J erung Si den Steuerwinkel α bestimmt. Auf der ' Gleichstromseite des Blindstromwechselrichters W ist ein Pufferkondensator C_n vorgesehen.

Die Regelung erfolgt durch Abtasten der Sammelschienenspannung oder/und des Generatorstromes derart, daß entweder der Generatorstrom auf reinen Wirkstrom bzw. etwas ins Kapazitive gedrehten . Strom, oder die Sammelschienenspannung konstant { geregelt wird. Steuert man den Blindstromwechsel- _: richter derart, daß er etwas kapazitiven Strom im Generator zur Folge hat, so kann die dabei auftretende kleine Spannungserhöhung dazu benutzt werden, auch die ohmschen Spannungsabfälle bzw. die Wirkstromspannungsabfälle zu kompensieren, so daß die ; Sammelschienenspannung auch bei starken und schnellen Wirk- und Blindstromstößen konstant bleibt.

Parallel zum Pufferkondensator C_n ist eine Batterie U_n vorgesehen, die kurzzeitige Energie liefern kann. Auf diese Weise kann man den Generator und die Kraftmaschine auch von Wirklaststößen entlasten. Es braucht dabei die Batterie zum Abfangen dieser Belastungsspitzen nur eine geringe Kapazität zu haben. In diesem Zusammenhang ergibt sich auch die Möglichkeit, bei Ausfall der Energieversorgung durch den Generator mit Hilfe des zwangskommutierten Wech- ^; selrichters eine Zeitlang die gesamte Wirk- und Blindlast zu liefern. Es wäre also ein kurzzeitiger Notbetrieb gesichert. Dazu ist allerdings unter Umständen ein in der Spannung steuerbarer Wechselrichter, z. B. ein Pulswechselrichter erforderlich.

Die Spannungsoberwellen des Blindstromwechselrichters können durch Drosseln L und Filterkreise F von der Sammelschiene ferngehalten werden. Statt dessen kann man auch die Spannungsoberwellen des Wechselrichters ganz oder zum Teil auf die Sammelschienen geben und den Generator und/oder die Verbraucher durch Drosseln L₀ bzw. L_M vor unzulässigen Oberschwingungsströmen schützen. In diesem Fall würde der Blindstromwechselrichter ohne die in der Fig. 1 dargestellten Drosseln L_w und Filterkreise direkt an das Netz angeschlossen sein. Die Größe jeder

ίο vor einen Verbraucher vorgeschalteten Drossel würde dann nur für die Teilleistung eben dieses Verbrauchers auszulegen sein. Insgesamt ergäbe sich bei einer derartigen Anordnung in der Summe der Teilleistungen der Drossel eine Ersparnis, weil nicht alle Verbraueher in gleicher Weise oberschwingungsempfindlich sind.

Die Anordnung der Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen zwangskommutierten Wechselrichter in dreiphasiger Brückenschaltung. Statt der sechs bei diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Löschkondensatoren sind auch Schaltungen mit gemeinsamem Löschkondensator für mehrere Phasen möglich. Die Drosseln L_w, L_M und L₀ der Fig. 1 können durch parallele Kondensatoren zu Sperrkreisen für eine der Wechselrichteroberschwingungen ausgebildet werden.

Die Erfindung ermöglicht eine wesentlich vorteilhaftere Betriebsweise schwacher Netze mit Stoßlasten.

Der Generator und die Kraftmaschinen können verkleinert werden, so daß sich die Anlage- und Betriebskosten ermäßigen. Die Netzspannung wird in der Weise konstant, daß die volle Leistung der Verbraucher, z. B. der Motoren, ausgenutzt werden kann, daß sich außerdem die einzelnen Verbraucher nicht gegenseitig störend beeinflussen und daß auch in weiterer Folge empfindlichere Geräte, wie Glühlampen, Relais, zuverlässig am Netz arbeiten. Durch Einbau der Drosseln L₀ bzw. durch eine bewußte Vergrößerung der Streureaktanz des Generators wird der Kurzschlußstrom des Netzes verringert, ohne daß die sonst daraus folgenden Nachteile, nämlich z. B. eine schwankende Spannung bei schwankender Last, auftreten. Die Drosseln L_M verringern den Kurzschlußstrom der Verbraucher und mildern bei konstanter Sammelschienenspannung die Anlaufströme der Käfigläufermotoren.

Die Erfindung kann bei Frequenzen von 16²/₃ bis etwa 500 Hertz angewendet werden, und zwar auch bei schwankender Frequenz des Netzes. Man kann vor allem bei wenigen Einzelverbrauchern, die nacheinander arbeiten, den Spannungsstabilisierenden Strom des Wechselrichters auch so regeln, daß man zur Milderung des Einschaltstromes, beispielsweise eines polumschaltbaren Motors, die Spannung des Netzes um ein vorgebbares Maß absinken und darauf nach einem ebenfalls vorgebbaren Zeitprogramm wieder ansteigen läßt.

In besonderen Fällen ist es auch möglich, durch Einspeisen von kapazitivem Strom in ein weiches Netz seine Spannung zu erhöhen und so größere Leistung an den Verbrauchern zur Verfügung zu haben. Damit würde z. B. eine Erhöhung des Kippmomentes von Asynchron- oder Synchronmotoren erzielbar sein.

Mit an sich bekannten Mitteln läßt sich auch der vom Wechselrichter maximal abgebbare Strom durch zusätzliche, schnell wirkende Eingriffe in die Steuerung begrenzen. Im Störungsfall kann der Wechselrichter durch Gittersperrung schnell stromlos gemacht

werden. Der Übergang von der induktiven zur kapazitiven Blindstromlieferung kann selbsttätig durch Änderung des Steuerwinkels des Wechselrichters erfolgen.

Die Anordnung der Fig. 1 läßt sich leicht in der Weise ergänzen, daß eine Batterie zuschaltbarer Kondensatoren zur Unterstützung des Wechselrichters bei induktiver Blindstromlieferung vorgesehen ist, die bei kapazitivem Blindstrombedarf des Netzes selbständig abgeschaltet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Konstanthaltung der Spannung von Netzen geringer Kurzschiulileistung, an die Verbraucher mit stoßweise auftretendem großem Blindstrombedarf angeschlossen sind, mit einer an das Netz ferner angeschlossenen Einrichtung zur Blindstromaufnahme, deren Strom selbsttätig derart gesteuert ist, daß die Netzspannung bei Belastungsstößen der Verbraucher angenähert konstant bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Blindstromaufnahme ein zwangskommutierter Wechselrichter ( W) mit einem Pufferkondensator ( C₁) auf der Gleichstromseite ist.

2. Anordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß dem Pufferkondensator [C₀) eine Gleichstromquelle ( U₈) parallelgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (W) und/oder die Verbraucher und die Hauptstromquelle über Drosseln (L_(;, L_u, L_w) über erhöhte eigene Reaktanzen an die Netzsammelschienen angeschlossen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Netzsammelschienen durch Filterkreise (F) von Oberschwingungen, insbesondere des Wechselrichters, befreit ist.