DE1638444C3

DE1638444C3 - Verfahren zur verzögerungsfreien Regelung der Blindleistung in elektrischen Netzen

Info

Publication number: DE1638444C3
Application number: DE1638444A
Authority: DE
Inventors: Floris Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Koppelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1968-02-21
Filing date: 1968-02-21
Publication date: 1981-11-12
Also published as: DE1638444B2; GB1250276A; SE351332B; CH502010A; FR2002331A1; DE1638444A1

Description

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

Ein Verfahren zur verzögerungsfreien Regelung der Blindleistung in elektrischen Netzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist bekannt aus der Patentschrift CH 4 31 705. Es ermöglicht eine stufenlose Regelung der Blindleistung ohne Stromstöße. Die Öffnungsdauer der steuerbaren Ventile wird dabei durch Stromimpulse, die die Kondensatoren bis zu einer 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. Der in der vorgesehenen Anordnung vorhandene Steuergenerator weist jedoch keine Einrichtungen auf, die einen Ausgleich noch in einer und derselben Halbwelle bewirken könnten.

Ausgehend von einem Verfahren zur verzögerungsfreien Regelung der Blindleistung der eingangs genannten Art 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 innerhalb

einer Halbwelle der Netzspannung zu kompensieren.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst
Aus der Zeitschrift »Journal of Metals« April 1967, Seiten 63 — 66, ist eine Einrichtung zur Regelung der Blindleistung bekannt, bei der nach der Messung der Spannung während einer Halbwelle der Netzspannung und dem Vergleich dieses Meßwertes mit den 10 bis 50 vorangegangenen Perioden Kondensatoren an das zu

ίο kompensierende Netz geschaltet werden. Eine Meßgenauigkeit, die mit der aus der Messung des im Laststrom enthaltenen Blindanteils in einer einzigen Halbwelle über die Bildung des Produkts aus dem Phasenverschiebungswinkel des Laststromes gegen die

•5 Spannung mal dem A stieg des Laststromes erhalten wird, ist damit nicht erreichbar.

Nach der Erfindung wird der Blindanteil (/ ■ sin φ) des Laststromes über die Bildung des Produkts aus dem Phasenverschiebungswinkel (φ) des Laststromes (I) gegen die Spannung (U) des Netzes mal dem Anstieg /d/\
(— J des Laststromes (I) vor dem Zeitpunkt (u) einer

Laststrom-Halbwelle ermittelt
Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert In Fig. 1 ist i/die Spannung einer Phase des elektrischen Netzes, /der Laststrom, der durch eine Induktivität Lund einen veränderlichen Widerstand R nach F i g. 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 Lh/ des elektrischen Netzes (Längsspannungsabfall). Der Spannungsabfall des Blindanteiles am ohmschen Widerstand Rn des elektrischen Netzes ist in erster Annäherung zu vernachlässigen (Qucrspannungsabfall). Das gleiche gilt in erster Annäherung auch für den Spannungsabfall des Wirkanteiles des Laststromes an dem induktiven Widerstand Ln. 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 ψ 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. Es läßt sich aus dem Phasenverschiebungswinkel ψ und aus dem Anstieg d/7di des Laststromes / der Blindstromanteil / · sin φ des Laststromes errech-

nen. Dad/7df= \[2 ω/ist, ergibt sich:

/ · sin f/ =

■ di/dr · sin ψ

D_er Phasenverschiebungswinkel φ läßt sich als zeitlicher Abstand h—1\ der Nulldurchgänge der Spannung i/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 q»st in Fig. 2). Der Anstieg d//df läßt sich Weh eine Gegeninduktivität M im Sekundärkreis des Stromwandlers W erfassen. Im Steueruneselied Mq,

wird das Produkt sin φ · dür'df gebildet Zur Kompensation des Blindanteils / · sin φ stehen z. B. drei Kondensatorgruppen C\ bis C3 zur Verfugung, die im Verhältnis 1:2:4 abgestuft sein können. Durch Zünden der antiparallelen Thyristoren dieser Kondensatorgruppen lassen sich dann sieben Kondensatorströme Ik einstellen, so daß der kompensierende Kondensatorstrom Ik im ungünstigsten Fall nur um Vh vorn Blindstrom / - sin φ abweicht Dazu ist erforderlich, daß in bestimmter Kombination die Thyristoren der Kondensatorgruppen Q bis C₃ zu Beginn jeder Halbwelle gezündet wfjfden. Dies geschieht durch das Steuerungsglied St, dem in der beschriebenen Weise: das Produkt sing; · di/dt zugeführt wird.

Statt des Anstieges di/dt kann auch ein Augenblickswert des Laststromes / in einem Zeitpunkt /3 kurz vor dem Zeitpunkt U, in dem die Thyristoren zünden, verwendet werden, da ein solcher Augenblickswert ein Maß für den mittleren Anstieg des Laststromes zwischen den Zeitpunkten fe und fc ist; dies hat den Vorteil, daß sich Oberschwingungen im i^aststrom / weniger bemerkbar machen. Noch weniger empfindlich auf Oberschwingungen würde die Stromfläche F zwischen den Zeitpunkten ti und t₃ jein, diie ebenfalls in bestimmtem mathematischen Zusammenhang mit dem Anstieg d/7d (steht, und daher auch anstelle von d/Vd t 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 φ der zeitliche Abstand h — U groß genug für diese Verarbeitung bleibt.

In manchen Fällen ist erforderlich, auch noch den Spannungsabfall des Wirkanteils des Laststromes / am ohmschen Widerstand R_n 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 +«) größen Da der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand Rn wesentlich kleiner ist genügt es, den Faktor (1 +«) 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 zeit'ich schwankenden Blindanteil / ■ sin φ 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 antiparallelen 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 Pestladungen 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 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur verzögerungsfreien Regelung der Blindleistung in elektrischen Netzen, bei dem Biindwiderstände über eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Ventilen an ein 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 zu Beginn einer jeden Halbwelle des Laststromes (I)der Kompensationsstrom (Ik) an den Blindanteil (/ · sin φ) des Laststromes neu angepaßt wird, indem jeweils der Phasenverschiebungswinkel (ψ) und der Anstieg i-p) des Laststromes (I) erfaßt und das Produkt aus dem Sinus des Phasenverschiebungswinkels (φ) und dem Anstieg f-i J des Laststromes (I) gebildet wird.