DE1638444B2

DE1638444B2 - Verfahren zur verzoegerungsfreien regelung der blindleistung in elektrischen netzen

Info

Publication number: DE1638444B2
Application number: DE1968L0058637
Authority: DE
Priority date: 1968-02-21
Filing date: 1968-02-21
Publication date: 1977-10-27
Also published as: FR2002331A1; CH502010A; SE351332B; DE1638444A1; DE1638444C3; GB1250276A

Description

In einigen Betriebsfällen ist erforderlich, eine durch schnell veränderliche Ströme hervorgerufene Änderung der Blindleistung oder des Spannungsabfalles in elektrischen Netzen außergewöhnlich schnell zu kompensieren. Dieses Problem tritt z. B. beim Betrieb von Lichtbogenofen oder Schweißmaschinen an elektrischen Netzen auf, deren Kurzschlußleistung gegenüber dem Verbraucherstrom nicht besonders groß ist. Es stellt sich in diesen Betriebsfällcn eine unerwünschte Schwankung der Spannung des elektrischen Netzes ein, die sich beispielsweise als Flimmern elektrischer Lampen bemerkbar macht. Untersuchungen haben ergeben, daß be^reits eine Spannungsänderung von der Dauer einer Halbschwingung bei Lampen für das Auge sichtbar ist, wenn die Spannungsänderung als Spannungsabsenkung eine Größenordnung von 0,5% der Betriebsspannung überschreitet und sich im Rhythmus einiger Penoden der Wechselspannung wiederholt, wie es bei Lichtbogenofen oder Schweißmaschinen der Fall sein kann.

Bekannt sind bereits ein Verfahren und eine Anordnung zur Blindleistungsregelung in elektrischen Netzen, die stufenlose und verzögerungsfreie Regelung der Blindleistung ohne Stromstöße ermöglichen. Es wird dabei die öffnungsdaue:· von steuerbaren Ventilen durch Stromimpulse, die statische Kondensatoren bis auf eine Spannung nachladen, die höher als die Netzspannung ist, gesteuert. Der Zeitpunkt für die Abgabe der Stromimpulse zum Nachladen der Kondensatoren kann durch den Betriebszustand des Netzes und die erforderliche Blindleistung bestimmt sein. Die Kondensatoren sind über steuerbare antiparallele Ventile an das Netz angeschlossen.

.Ausgehend von der bekannten Möglichkeit der Blindleistuigsregelung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Kompensationsstrom dem Blindanteil eines schnell veränderlichen Laststromes anzupassen und damit die Änderung der Blindleistung oder des Spannungsabfalles in elektrischen Netzen außerge-

wohnlich schnell zu kompensieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Regelung der Blindleistung in elektrischen Netzen gelösi, bei dem Kondensatoren oder Induktivitäten über eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Ventilen an das Netz geschaltet werden und die Öffnungsdauer der steuerbaren Ventile abhängig von dem Betriebszustand des Netzes und der erforderlichen Blindleistung gesteuert wird, wobei erfindungsgemäß der in einen schnell veränderlichen Laststrom /des Netzes enthaltene Blindanteil (I- sin φ) vor einen Zeitpunkt (u) des Laststrom-Anstieges in jeder Laststrom-Halbwelle erfaßt und ein Kompensationsstrom zu dem Zeitpunkt (U) dem Blindanteil (i ■ sin φ) des Laststromes (I) angepaßt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird der Blindstromanteil (I ■ sin φ) über die Bildung des Produkts aus dem Phasenverschiebungswinkel (ψ) des Laststromes (I)gegen die Spannung (U)des Netzes mal dem Anstiegi .-' jdes Laststromes (I)

vor dem Zeitpunkt (u) einer Laststrom-Halbwelle ermittelt.

Anhand einer Zeichnung sei ein jchematisches Ausfüh.ungsbeispiel der Erfindung erläutert. In F i g. 1 ist U die Spannung einer Phase des elektrischen Netzes, /der Laststrom, der durch eine Induktivität L und einen veränderlichen Widerstand R nach Fig. 2 bestimmt ist. Der Verbraucherstrom / eilt der Spannung um den Phasenverschiebungswinkel φ nach. Im Laststrom / ist ein Blindanteil / ■ sin φ enthalten. Bekanntlich ist dieser Blindanteil im wesentlichen verantwortlich für den Spannungsabfall an dem inneren induktiven Widerstand Ln des elektrischen Netzes (Längsspannungsabfall). Der Spannungsabfall des Blindanteiles am ohmschen Widerstand R\ des elektrischen Netzes ist in erster Annäherung zu vernachlässigen (Querspannungsabfall). Das gleiche gilt in erster Annäherung auch für den Spannungsabfall des Wirkanteiles des Laststromes an dem induktiven Widerstand Lm Dagegen ruft der Wirkanteil des Laststromes am ohmschen Widerstand Rn einen gewissen Spannungsabfall hervor, der im allgemeinen wesentlich kleiner ist als der Spannungsabfall des Blindanteiles am induktiven Widerstand Ln, aber gegebenenfalls berücksichtigt werden muß.

Da sich der Blindanteil / · sin φ von Halbwelle zu Halbwelle stark ändern kann, wird der diesen Blindanteil kompensierende Kondensatorstrom Ik zu Beginn jeder Halbwelle dem Blindanteil des Laststromes neu angepaßt, und zwar dadurch, daß der Laststrom / vor dem Zeitpunkt u auf Blindanteil abgefragt wird. Beispielsweise läßt sich aus dem Phasenverschiebungswinkel φ und aus dem Anstieg di/dt des Laststromes / der Blindstromanteil / ■ sin φ des Laststromes errechnen. Dad//di= I 2 ω/ist, ergibt sich:

/ ■ sin ι, =

d/ df ■ sin

()o Der Phasenverschiebungswinkel φ läßt sich als zeitlicher Abstand f2 — f2 der Nulldurchgänge der Spannung t/und des Laststromes /ermitteln, z. B. durch Sättigungsdrosseln, die im Nulldurchgang der Spannung und des Stromes Spannungsimpulse abgeben, deren zeitlicher Abstand digital gezählt werden kann (Steuerungsglied φ*,-, in Fig. 2). Der Anstieg di/dt läßt sich durch eine Gegeninduktivität M im Sekundärkreis des Stromwandlers W erfassen. Im Steuerungsglied M_s<

wird das Produkt sin q> ■ d//df gebildet. Zur Kompensation des Blindanteils / ■ sin φ stehen /. B. drei Konden-Sdtorgruppen Ci bis C\ zur Verfügung, die im Verhältnis 1:2:4 abgestuft sein können. Durch iünden der anliparallelen Thyristoren dieser KonHensatorgruppen lassen sich dann sieben Kondensatorströme Ik einstellen, so daß der kompensierende Kondensatorstrom Ik im ungünstigsten Fall nur um '/u vom SlindstOm / · sin φ abweicht. Dazu ist erforderlich, daß in bestimmter Kombination die Tnyristoren der Kondensatorgruppen Ci bis C₁ zu Beginn jeder Halbwelle gezündet werden. Dies geschieht durch das Steuerungsglied St, dem in der beschriebenen Weise das Produkt sin φ · dildt zugeführt wird.

Statt des Anstieges di/dt kann auch ein Augenblickswert des Laststromes / in einem Zeitpunkt f_t kurz vor dem Zeitpunkt U₁ in dem die Thyristoren zünden, verwendet werden, da ein solcher Augenbl'ckswert ein Maß für den mittleren Anstieg des Laststromes zwischen den Zeitpunkten t₂ und ts ist; dies hat den Vorteil, daß sich Oberschwingungen im Laststrom / weniger bemerkbar machen. Noch weniger empfindlich auf Oberschwingungen würde die Stromfläche F zwischen den Zeitpunkten f₂ und f j sein, die ebenfalls in bestimmtem mathematischen Zusammenhang mit dem Anstieg d;7df steht, und daher auch anstelle von dildt zur Bestimmung des kompensierenden Kondensatorstromes Ik verwendet werden kann. Die modernen, insbesondere digitalen Steuerungsverfahren bieten die Möglichkeit, die hier erwähnten, für die Bestimmung von für den Kondensatorstrom Ik maßgebenden Größen genau und schnell zu erfassen und zu verarbeiten, so daß auch bei verhältnismäßig großem Phasenverschiebungswinkel ψ der zeitliche Abstand I₁ - ii groß genug für diese Verarbeitung bleibt.

!n manchen Fallen ist erforderlich, auch noch den Spannungsabfall des Wirkanteils des Laststromes / am ohmschen Widerstand Rn des Netzes zu kompensieren.

Dies kann dadurch geschehen, daß der kompensierende Kondensatorstrom Ik etwas größer gewählt wird, als es der Kompensation des Blindanteils / · sin φ entspricht, z. B. um einen Faktor (1 +λ) größer. Da der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand R\ wesentlich kleiner ist, genügt es, den Faktor (1 +λ) fest zu wählen; statt dessen kann man ihn auch je nach der Größe des Laststromes /oder seines Wirkanteils / ■ cos φ einstellbar machen.

In manchen Fällen ist zweckmäßig, den zeitlich schwankenden Blindanteil / ■ sin q* nicht durch einen im Vorzeichen entgegengesetzten Kondensatorstrom Ik zu kompensieren, sondern ihn zu einem zeitlich konstanten Blindanteil zu ergänzen. Auch in diesem Fall verschwindet die unerwünscht schwankende Spannung des elektrischen Netzes. Es sind dann nicht Kondensatorgruppen, sondern Gruppen von Induktivitäten erforderlich, die ebenso wie Kondensatorgruppen mit Hilfe von anliparallelen Thyristoren synchron der Netzspannung zugeschaltet werden können, und zwar vorzugsweise im Scheitelwert der Netzspannung U. Bei kleinen Abweichungen von diesem Schaltzeitpunkt treten Gleichstromanteile auf, die gegebenenfalls zur Kompensation bzw. zur Ergänzung des Blindanteils zu einem zeitlich unveränderlichen Festwert herangezogen werden können. Die Verwendung von Induktivitäten hat gegenüber Kapazitäten beispielsweise den Vorteil, daß sie sich in jeder Halbwelle schalten lassen, während Kondensatoren mit Rücksicht auf die an ihnen verbleibenden Restladungen nur jede zweite Halbwelle geschaltet werden können, falls nicht Gegenmaßnahmen vorgesehen sind. Außerdem haben Induktivitäten den Vorteil, daß sie bei einem Kurzschluß des Netzes nicht wie Kondensatoren Überströme abgeben. Sie neigen auch nicht wie Kondensatoren zur Anregung von Oberschwingungen, insbesondere bei Parallelarbeit mit Lichtbogenofen.

Hierzu 1 Blau Zcichnunnen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur verzögerungsfreien Regelung der Blindleistung in elektrischen Netzen, bei dem Kondensatoren oder Induktivitäten über eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Ventilen an das Netz geschaltet werden und die Öffnungsdauer der steuerbaren Ventile abhängig von dem Betriebszustand des Netzes und von der erforderlichen Blindleistung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem schnell veränderlichen Laststrom (I)des Netzes enthaltene Blindanteil (7 · sin φ) vor einem Zeitpunkt (V₁) des Laststrom-Anstieges in jeder Laststrom-Halbwelle erfaßt und ein Koinpensationsstrom zu dem Zeitpunkt (U) dem Blindanteil (I ■ sin φ) des Laststromes (I) angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindanteil (I · sin φ) über die Bildung des Produkts aus dem Phasenverschiebungswinkel (φ) des Laststromes (I) gegen die Spannung (U) des Netzes mal dem Anstiegt τ Jdes

Laststromes (I) vor dem Zeitpunkt (u) einer Laststrom-Halbwelle ermittelt wird.