DE1638425A1 - Anordnung zum Zuschalten von Kondensatoren an eine Wechselspannung - Google Patents

Description

Llcentia Patent-Verwaltunge-GmbH Prankfurt/Main, Theodor-Stera-Kai 1

Lehmann/hd Iaa 80/188 Anordnung gun Zuschalten von Kondensatoren an eine Wechsel-

Bekanntlich werden zur Kompensation induktiver Blindleistung Starkstromkondensatoren oder Übererregte Synchrongeneratoren benutzt. Wenn die induktiv· Blindleistung eines Netzes zeltlich schwankt, muß sich die Größe des von den Kondensatoren oder von den Blindstroag«neratoren gelieferten Blindstromes zeitlich möglichst schnell dem wechselnden Blindstrom der Verbraucher anpassen. Bei Blindstromgeneratoren geschieht dies durch Schnellerregung der Generatoren«. Bel Starkstromkondensatoren erfolgt dl· Anpassung im allgemeinen in Stufen durch Zu- und Abschalten von Kondensatorgruppen mit Hilfe mechanischer Schalter. Dieses Verfahrenilet insofern unbefrledlgend, als das Schalten von Kondensatoren großer Leistung an die Schalter besonders hohe Anforderungen stellt, daß dabei überströme und Oberspannungen entstehen, welche auch die Kondensatoren belasten und gegebenenfalls gefährden, und daß außerdem mechanische Schalter träge einend nicht beliebig cft hintereinander geschaltet werden können. Der Ersatz der mechanischen Schalter durch Halbleiterschalter erscheint auf den ersten Blick nicht möglich, da Halbleiterschalter auf Überströme und Überspannungen besonders empfindlich sind.

Neue Unterlagen (Art 711 Ata. 2 Nr. I &Hx 3 dee XrKttrungsoM. ν. 4. 9

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Die Erfindung betrifft ein« Anordnung zum Zuschalten von Kondensatoren an eine Wechselspannung. Erfindungsgemäß sind vor die Kondensatoren antiparallele Ventile geschaltet, die in dem Augenblick durch einen Steuerimpuls stromdurchlässig gemacht werden, in dem die Spannung an den Ventilen Null ist·

Es werden also Kondensatoren durch elektronische Schalter, und zwar durch antiparallele Ventile geschaltet, wobei der Einschaltaugenblick der Ventile derart synchron zur Wechselspannung bzw. sun Wechselstrom gewählt wird, daß praktisch keine bzw. keine bedenklichen Überströme und Oberspannung auftreten» Letzteres ist dann der Fall, wenn die Ventile in dem Zeitpunkt gezündet werden, in dem die Spannung anJLhnen genau oder angenähert Hull ist.

Anhand einer Zeichnung sei ein schematisohes Ausfuhnuagsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es siB* dabei in den Figuren 1 bis * Sc&altnmgsanordnungan dargestellt, während die Figuren 5 bis 9 schematisch Diagramms des Kondensatorstromes und der Eondensatorspamiung Ln Abhängigkeit vom Schaltaugenblick im Zeitverlauf veransciiaulicb.en.

cd Wenn der Kondensator von Fig· ΐ vor dem ^innehalten 3ganmmgs-

ω los ist, wird entsprechend Fig. 5 die Zündtmg der Ventils in σ

^ dem Zeitpunkt freigegeben, in dem die ΚοηάβηΒΆ^Tapaimaiig ü

κ) gleich O ist. In dieeem Fall treten koLntj gefah?:!«...lan Überspannungen oder überströme auf. Dew normale» naiutr-strom des Konden-

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satore Überlagert sich lediglich eine Stromschwingung mit der Eigenfrequenz des Stromkreises, wobei die Amplitude dieser Eigenfrequenzschwingung höchstens gleich den Scheitelwert des normalen Kondensatorstromes sein kann. Die Steuerung in Fig. 1 ist derart ausgelegt, daß sie Zündimpulse auf die beiden steuerbaren Ventile gibt in dem Zeitpunkt, in dem die Spannung an ihnen RuIl ist·

In Fig. 6 ist angenommen, daß die Spannung des Kondensators vor dem Einschalten nicht gleich Hull ist, sondern den Wert TJ^ hat, wobei TJ₁ kleiner ist als der Scheitelwert der Net «Spannung. In diesem Fall ist die Spannung an den antiparallelen Ventilen in dem Zeitpunkt (t_Q) gleich RuIl, indem der Augenblickswert der Netsspannung gleich der Spannung U_d 1st, Auch in diesem Fall treten keine bedenklichen überströme oder Überspannungen auf, vielmehr lediglich eine Stromschwingung mit der Eigenfrequenz des Stromkreises, deren Amplitude höchstens gleich der Amplitude des normalen Kondensat or stromes im Zeitpunkt t_Q ist, d.h. die Stromschwingung ist in Fig. 6 kleiner als in Fig. 5«

In Fig· 7 1st angenommen, daß vor dem Einschalten des Kondensators seine Spannung U^ gleich dem Scheitairart der Netzspannung ist. In diesem Fall tritt keinerlei Stromschwingung mit der Eigenfrequenz des Hetzes auf» Dies ist also der Idealfall des Einsohaltens. Er läßt sich auf einfache Weise dadurch verwirklichen, daß eines der antiparallelen Van»ils nicht steuerbar gemacht wird, d.h. als einfache Diode eingebaut wird, wie es

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in Pig. 2 angedeutet let. Solange der vorgeschaltete mechanische Trennschalter eingeschaltet ist, liegt bei gesperrtem gesteuerten Ventil Über die Diode, die im Figo 2 angedeutete Polarität der Gleichspannung am Kondensator, und zwar ist diese Spannung gleich dem Scheltelwert der Wechselspannung^ Richtet man jetzt die Steuerung derart ein, daß sie das antiparallele Ventil in dem Zeitpunkt t zündet, in dem die Netzspannung ihren Scheitelwert hat, so ergibt sich der ideale Einschaltvorgang der Big. 7«

Flg. 3 zeigt die Anordnung der Fig. 2 für Drehstrom. Jeder der

drei Kondensatoren wird Über je eine antiparallele Ventilschaltung an je eine verkettet·. Spannung geschaltet. Auf diese Weise spielt eich der Schaltrorgang der einzelnen Kondensatoren in gleicher Weise ab wie bei einphasigem Wechselstrom.

In den Figuren 8 und 9 ist dargestellt, auf welche Weise fine Anordnung entsprechend Fig. 2 in beliebiger seitlicher F>lge zu- und abgeschaltet werden kann. In Fig. 8 ist bis zum Zeitpunkt t^ das steuerbare Ventil gezündet, so daB der Kondensator seinen normalen Strom aus dem Netz aufnimmt« Spätestens im Zeitpunkt t^ wird das steuerbare Ventil gesperrt, so daB kein Strom in positiver Richtung mehr fließen kann. Am Kondensator bleibt die Spannung 9_d liegen. Die antiparallele Diode sorgt dafür, daB auch bei großen zeitlichen Abstand bis sum Wiedereinschalten im

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Zeitpunkt t« die Spannung U^ erhalten bleibt. Vird spätestens im Zeitpunkt t^ das steuerbare Ventil wieder gezündet, so entsteht der normale Kondensatorstrom wieder ohne Schwingung entsprechend 71g. 7. Während der Zeitspanne von t^ bis t_? liegt eine Gleichspannung an Kondensator.

Tig. 9 zeigt zwischen den Zeitpunkten t, und t^ den gleichen Schaltvorgang wie Fig. 8 zwischen den Zeitpunkten t^ und tg» In Fig. 9 ist jedoch eine Anordnung entsprechend Fig. 1 angenommen, d.h. zwei antiparallele steuerbare Ventile. Mit dieser Anordnung ist es möglich, während der Ausschaltiseit von te bis tg eine Spannung U* am Kondensator aufrecht zu erhalten, welche die entgegengesetzte Richtung hat wie die Spannung U^ im ZeIt-Interwall t, bis t^₀ Dazu ist es lediglich erforderlich, statt des rechten Ventile das linke Ventil in Fig. 1 ständig gezündet zu halten·

Sie Anordnung nach der Erfindung kann mit Vorteil angewendet werden, wenn es sich um die Aufgabe handelt, zeitlich schnell schwankende induktive Ströme eines Netzes zu kompensieren» Sine derartige Anordnung zeigt beispielsweise Fig. 4, in der an einem Drehstronnetz ein Asynchronmotor oder mehrere Asynchronmotoren größerer Leistung oft eingeschaltet bzw. reveralert werden. Die Kompensation der BlindlaststöBe dieser Motoren ist tut so genauer möglich, Je mehr Kondeneatoranordnungen entsprechend Flg. 3 benutzt werden, d.h. je feiner dar der erforderlichen Blindleistung unterteilt wird· In Fig,

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ist eine dreifache Unterteilung angenommen, wobei die drei einst Inen Kondensatorgruppen nicht von gleicher Größe zu sein brauchen, sondern so abgestuft sein können, daß beim Schalten möglichst kleine Stufen entstehen«

Jede der drei Kondensatorgruppen a, b und c wird von ja einer Steuerung St_a, St^ und St_Q entsprechend dem zu Fig. 3 Erläutertem gesteuerte Bin übergeordneter Begier sorgt dafür, daß das Zuschalten der einzelnen Gruppen derart erfolgt, daß der jeweilige Blindstrom der Verbraucher in jedem Zeitpunkt möglichst gut kompensiert ist· Dazu ist in der Zuleitung ein cos ψ -Erfasser vorgesehen, welcher dem Regler den jeweiligen Istwert des cos <p zuführt» Der im Regler durchgeführte Vergleich mit dem gewünschten Sollwert des cosf>(s«Bt cos φ ~ 1) liefert die Zündbefehle an die drei Steuerungen St_ft bis St_c.

Wie schon erläutert, läßt sich die Kompensation um so genauer durchführen, je mehr Kondensatorgruppen verwendet werden. Bei großer Leistung ergibt sieh von selbst eine große Anzahl von Kondensatorgruppen, wenn man auf die Parallelschaltung von gle.'c sinnigen Ventilen verzichtet. Verwendet man eis Ventile Thyristoren, so kann eine Hndensatorgruppe beim heutigen Stand der Thyrietortechnik Ströme von der Größenordnung 500 A schalten * Verwendet man keine Reihenschaltung, so lassen sich mit derartigen Thyristoren verkettete Spannungen Ton etwa 1000 V b »herrschen· ixt den Ventilen treten Spannungen von doppeltem Scheitelwert der verketteten Spannung auf.

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Bei einer verketteten Spannung von 1000 V werden die Ventile also mit Spannungen von etwa 3000 V beansprucht, und zwar treten diese Spannungen in dem Fall, daß entsprechend Fig. 2 ein ungesteuertes Ventil antiparallel zn einem gesteuerten verwendet wird, en dem gesteuerten Ventil nur in Durchlaßrichtung auf; an dem ungesteuerten Ventil dagegen nur in Sperrrichtung. Gesteuerte und ungesteuerte Ealbleiterventile sind heute mit zulässiger Spannungsbeonspruchung von mehreren 1000 V erhältlich, so daß mit einem einsigen gesteuerten und einem einzigen ungesteuerten Ventil Leistungen von etwa 500 A.1000 V - 0,5 Mvar geschaltet werden können- Da der Spannungsabfall von Halbleiterventilen mit Sperrspannungen von beispielsweise 1000 V von der Größenordnung 3 V ist, treten in den Ventilen nur Verluste von der Größenordnung 3 Promill auf. Wenn diese Verluste eingespart werden sollen, kann man in don Fällen, in denen eine Kondeneatorgruppe längere Zeit eingeschaltet bleibt, die antiparallelen Ventile durch mechanische Schaltung überbrücken, wie sie in den Figuren 1 und 2 angedeutet sind. Die Betätigung dieser Schalter erfolgt zweckmäßig von der Steuerung St her, und zwar derart, daß sie erst nach dem Zünden dor Ventile geschlossen und vor dem Sperren der Ventile wieder geöffnet werden. In diesem Fall arbeiten die Schalter S praktisch strom- und span-

Q nungsfrei.
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σ Da nach den Figuren 3 und 4 die Kondensatoren an den «injßelnen ° verketteten Spannungen durch antiparalle'JLe Ventile getrennt ο, voneinander geschaltet werden können, .losnou sich mit Hilfe der Erfindung auch unsymmetrieehe Blindstranbölaat-ungen kompeneie·

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ren, wenn die Steuerung und der Reglsr entsprechend ausgelegt sind« Dies ist dann von Interesse, wenn durch die Kondensatoren im wesentlichen nicht der cos f auf vorgegebene Wert© gehalten werden, sondern wenn die Spannung U möglichst konstant geregelt werden soll. Durch die Belastung des Netzes mit schwankendem Blindstrom und in gewissem Umfange auch mit Wirkstrom treten an den stets vorhandenen Reaktanzen Lq und Widerständen Rq der Zuleitung (z.B. Zwischentraneformatoren) Spannungsabfälle auf, so daß bei konstanter Spannung TTq die Spannung U schwankt. Dies kann durch zweckmäßiges Zu- und Abschalten und Kondensatorgruppen kompenirfert werden, und zwar bei Verwendung der elektronischen Schalter nach der Erfindung auch sehr schnell wirkend und mit großer zulässiger Sc ha It?, oil. Die Zeit, die vergeht vom Auftreten einer Spannirngsänderung bis zur Kompensation durch eine zu- oder abgeschaltete Kondensatorgruppe ist nämlich nur von der Größenordnung einer Period* dor Wechselspannung.

Die Anordnung nach der Erfindung hat den Vorteil, daß die Ventile nur verhältnismäßig wenig elektrisch beansprucht werden. Sie erhalten normalerweise keine Spannringen, die über das Doppelte des Scheitelwertes der Wechselspannung hinausgeben. Sie werden beim Einschalten nicht b««uispxu3ht mit großen Stromsteilheiten, auch die Steilheit &er gonannton. Stromschwingungen mit Eigenfrequenz ist verhältnismäßig klein, da diese Stromschwingungen annähernd im Schsi-fetiiwert des ßchwingstromes einsetzen. Ebenso treten beim Sp»rr«.tj der Ventile keine großen

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Spannungssteilheiten auf· Schließlich, wird an die Freiwerdezeit der gesteuerten Ventile keinerlei Anforderung gestellt. Dies hat zur Folge, daß man bei dar Fertigung dsr Ventile nur auf große Spannungsfestigkeit in Durchlaßrichtung bzw» bei den Dioden in Sperrichtung hinzuarbeiten hat. Vtonn einoß der steuerbaren Ventile ungewollt durchziindet, so bedeutet dies keinen Kurzschluß, sondern lediglich ein ungewolltes Zuschalten der betreffenden Kondensatorgruppej man kann in ™ diesem Fall auch die Ventile der anderen Phasen züüden, so daß die betreffende Kondensatorgruppe dauernd am Netz bleibt, dafür kann eine andere Gruppe durch den Regler abgeschaltet werden« Die Ventile werden lediglich dann strominäßig überlastet, wenn einer der Kondensatoren durchschlägt, Xn diesem Fall muß durch an sich bekannte schnellwirkende Sicherungen oder Schalter der betreffende Strang abgeschaltet werden*

Die Lehre der Erfindung, daß die steuerbaren Ventile in dem { Augenblick zu zünden sind, in dem die Spannung an Ihnen Null ist, kann im Fall der Anordnungen der Figuren 2 bzw. 7 dadurch erfüllt werden, daß Jeweils im Sehe it el wo r'5 der in Frage kommenden SpannungshalbweIlen gezündet wird, Wenn die Netzspannung zeitlich schnell schwankt, kann bsi diesem Torfahren der Fall auftraten, daß U^ größer int als eier Schoitelwert der Netzspannung im Augenblick des Zu&c&alfcens.» Es trotea dann AusgleichsstrÖntc mit der Eigenschwingung des Stroakrsiaee auf, die jedoch lediglich von dieser Dif'fwjnzspan-

getrieben werden. On diese ÄusgleiehsetrSaft klein tu 109830/0328

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halten, ist es zweckmäßig, beim Paralleler böiten mehrerer Kondensatorgruppen wie in Pig. 4 dargestellt vor j^dem Kondensatorzweig kleine Reaktanzen L'anzuordnen. Wenn mm Netz ζ. B. Stromrichter arbeiten« können die Reaktanzen L¹ mib den Kondensatoren zusammen bekannterweise alo Saugkrsis ausgebildet werden.

10 Seiten Beschreibung
7 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnungen mit 9 Figuren

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Claims (4)

4t Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Hain* (Eheodor-Stem-Kai 1 Lehmann/hd Ln 80/188 Patentansprüche

1. Anordnung »um Zuschalten von Kondensatoren an eine Wechselspannung ι dadurch gekennzeichnet, daß vor die Kondensatoren * antiparallele Ventile geschaltet sind, die in dem Augenblick durch einen Steuerimpuls stromdurehläesig genacht werden, in dem die Spannung an den Ventilen Null ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 für häufiges Zu- und Abschalten der Kondensatoren« dadurch gekennzeichnet, daß eines der antiparallelen Ventile dauernd stromdurchlässig ist, so daß bei abgeschaltetem Kondensator dieser auf den Scheitelwert der Wechselspannung aufgeladen bleibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Ventile ohne Steuergitter, d. h. als Diode ausgeführt 1st.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 für Drehetrom, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Kondensatoren über je eine antiparallele Schaltung von Ventilen an je alne verkettete Spannung gelegt sind. Neue Unterlagen

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5« Anordnung nach Anspruch 1 bis 4- sur dynamischen Kompensation des seitlich schwankenden Blindstromes oder zur Eonstanthaltung der Spannung von Wechselstrom- oder Srehstromnetzen, dadurch gekenn·©lehnet, daß je Phase mehrere Kondensatoren mit vorgeschalteten antiparallelen Ventilen vorgesehen sind, welche von Hand oder durch einen Regler automatisch derart nacheinander tu- und abgeschaltet werden, daß eine optimale Blindstromkompensation bsw· Spannungskonstanthaltung erreicht wird·

6· Anordnung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei langer andauernder Einschaltung der Kondensatoren die ge-BÜndeteft antiparallelen Ventile durch mechanische Schalter überbrückt werden« wobei diese Schalter jeweils nach dem Zünden der Ventile eingeschaltet und vor der Sperrung der Ventil· geöffnet werden.

7* Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Ausglelchsschwingungen bei kleinen Abweichungen vom erfindungsgemäfien Einschaltseitpunkt kleine Reaktanzen vor jeden Tel!kondensator geschaltet sind«

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