DE1932272A1 - Anordnung zum stufenlosen Steuern der Blindleistung von Kondensatoren in Wechselstromanlagen mit gesteuerten Stromrichtern - Google Patents

Description

• Anordnung zum stufenlosen Steuern der Blindleistung von Kondensatoren in Wechseistromanlagen mit gesteuerten Stromrichtern Es ist bekannt, daß man die Blindleistung von Kondensatoren durch gesteuerte Stromrichter (Thyristoren) mit Zwangsatromwendung stetig steuern kann, dagegen ist dies mit netzgefUhrten Stromrichtern nicht möglich. Hierbei können die Kondensatoren nur mit ihrer vollen Blindleistung zu- und abgeschaltet werden (vgl. L. Abraham und M. Häusler: Blindstromkompensation über Halbleiterschalter oder Umrichter VDE Fachtagung Elektronik Hannover 1969, Seiten 100/114). Bei Anschnittsteuerung wUrde sich die der vollen Netzspannung entsprechende Ladung der Kondensatoren kurzechlußartig über die Stromrichter und das Netz ausgleichen und aie- für diesen Strom nicht bemessenen Halbleiter zerstören. Mit Zwangsstromwendung könnte zwar die Blindleistung der Kondensatoren stetig gesteuert werden, doch wäre dafUr ein unwirtschaftlich großer Aufwand erforderliche Dagegen kann man nacheilende (induktive) Blindleistung mit netzgeftihrten Stromrichtern ohne unwirtschaftlichen Aufwand stetig steuern, doch ist der Anwendungsbereich solcher Anordnungen sehr klein, da in den meisten Pällen voreilende (kapazitive) Blindleistung stetig gesteuert werden soll. Hier zeigt nun die vorliegende Erfindung, wie man auch mit netzgsführten Stromrichtern eine vollkommen stetige Steuerung erreichen kann, ohne daß die oben genannten Nachteile (stoßartige Entladung der Kondensatorenj-in Kauf genommen werden müssen. Man erreicht dies dadurch, daß man die bekannten netzgeführten Anordnungen zur stetigen Steuerung nacheilender Bffindleistung einem dauernd mit dem Netz bzw. dem Verbraucher verbundenen Kondensator konstanter Kapazität parallel schaltet, der für die größte benötigte voreilende Blindleistung bemessen ist.- Wenn der Stromrichter gesperrt ist, liefert der Kondensator seine volle Blindleistung in das Netz, je mehr man aber den Stromrichter aussteuert, desto mehr nimmt er BEndleistung auf, bis er schließlich die volle Kondensatorleistung verbraucht, so daß keine B dleistung mehr ins Netz bzw0 an den Verbraucher geliefert wird. Da der Kondensator hierbei stets mit der vollen Netzspannung und seiner vollen Ladung beaufschlagt wird, entfällt aede Möglichkeit fUr stromstromartige Ausgleichvorgänge, wie dies bei der Anschnittsteuerung der Fall wäre. Lediglich bei Netzkurzschlllssen macht sich der Kurzschlußstrom des Kondensators bemerkbar, doch belastet dieser Strom nicht den parallel geschalteten Stromrichter, der außerdem sofort gesperrt werden kann. Die Anordnung erfordert zudem nicht einmal einen zusätzlichen Aufwand gegenüber-der Anordnung mit Reihenschaltung von Kondensator und Stromrichter und mit Anschnitt steuerung, denn beide müssen in beiden Fällen fUr die volle Spannung und tUr den vollen Strom bemessen werden Schaltet man den Kondensator ab, so kann der Blindstromrichter das Netz mit nacheilender Blindleistung bis zum vollen Nennwert belasten. In besonderem Maße eignet sich die Anordnung auch dazu, unsymmetrische oder einphasige Belastungen gleichmäßig auf das Drehstromnetz zu verteilen.
• Einige Ausflihrungsbeispiele lassen den Erfindungsgedanken besser erkennen. In Fig. 1 bezeichnet 1 ein Drehstromnetz, an das der Kon clrnsator 2 angeschlossen ist. Parallel am Netz liegt in DrehstrombrUckenschaltung der gesteuerte Stromrichter 3, der beispielsweise als Stromrichter des sogenannten Typs B, mit Stromwendung auf der Gleichstromseite ausgeführt ist. Jede Wechselstromphase ist hierbei an den Wechseletromanschluß einer TeilbrUcke gefUhrt, in der zwei, fUr die Gleichstromseite in Reihe geschalteten Diodenwzwei Thyristoren gegenparallel geschaltet sind. Die Gleichstromklemmen sind durch einen-Kondensator 4 abgeschlossen. Für die Stromwendung auf der Gleiehstromseite sind noch die Drosselspulen 5 zwischen Netz und Stromrichter erforderlich, die den Unterschied zwischen der sinusförmigen Netzspannung und der rechteckförmigen Spannung an den W«chselstromklemmen des Stromrichters aufnehmen. Diese Drossel spulen verhindern auch eine stoßartige Entladung des Kondensators 4, der bei Leerlauf (keine Blindleistungsaufnahme des Blindstromrichters) volle Spannung aufweist und voll geladen ist und bei voller Blindleistungsaufnahme nahezu spannungslos ist. Er stellt dann lediglich einen Kurzschluß für die Stromoberschwingungen dar-, die sich über den Gleictstromausgang schließen. Zwischen Leerlauf und Vollast kann man je nach der Aussteuerung stufenlos jeden Zwischenwert einstellen und erreicht dadurch, daß in das Netz voreilende Blindleistungen von der vollen Kondensatorleistung bis zur Leistung Null geliefert werden.
• In Figo 2 ist gezeigt, wie man eine einphasige Wirklast nach Steinmetz gleichmäßig auf ein Drehstromnetz verteilt, Figo 2a zeigt die grundsätzliche Anordnung. Zwischen den Phasen R und T liegt der Wirkwiderstand 6, mit dem Widerstandswert R zwischen den Phasen R und S, die Drosselspule 7 und zwischen den Phasen S und T der Kondensator 8. Wenn die Drosselspule 7 mit der Induktivität L und der Kondensator 8 mit der Kapazität C jeweils so gesteuert werden, daß W L = zu . R = 1/#C, d.h. daß die Blindleistungen der Drossel und des Kondensators je das i/-'fache der Leistung im Widerstand 6 betragen, dann verteilt sich die Wirkleistung dieses Widerstandes gleichmäßig und bei cos q) = 1 auf das Drehstromnetz.
• Fig. 2b zeigt nun, wie man die stufenlose Anpassung von Drosselspule 7 und Kondensator 8 an die wechselnden Werte des der einphasigen Wirklast entsprechenden veränderlichen Widerstandes 6 bewirkt. Die Drossel-spule 7 wird durch den Stromrichter 9, den Kondensator 10 und die Drosselspule 11 dargestellt, wobei der Stromrichter 9 ebenso wie der Stromrichter 3 in Fig. 1 je Wechselstromanschluß eine aus zwei Thyristoren bestehende Teilbrücke aufweist, der eine aus zwei Dioden gebildete TeilbrUcke gegenparallel geschaltet ist. Kondensator 10 und Drosselspule 11 entsprechen dem Kondensator 4 und der Drosselspule 5 in Fig.1.
• Die Steuerbarkeit des an sich nicht steuerbaren Kondensators 8.
• wird dadurch erreicht, daß ihm einphasig der Stromrichter 12 mit dem Kondensator 13 und der Drosselspule 14 parallel geschaltet ist. Durch Steuerung der beiden Stromrichter 9 und 12 erreicht man null, daß stets das 1/'V-fache der Wirkleistung im Widerstand 6 als DrosselLeistung bzw. als Kondeneatorleistung frei wird, so daß die einphasige Wirklast gleichmäßig und bei cos z = 1 auf das Netz verteilt ird.
• In Fig. 3 ist eine 3-phasige unsymmetrische Last in Form der drei Widerstände 15, 16, 17 dargestellt, die aber auch mit Induktivität behaftet sein können. Sie sind zwischen die drei Phasen R, -5, T und den Nulleiter Mp geschaltet und können z.B.
• einen Jrehstrornlichtbogenofen darstellen. Parallel zu jedem Widerstand ist je ein KondensatoI 18, 19, 20 geschaltet, der für die größte im jeweiligen Zweig benötigte kapazitive Blindleistung ausreicht. Diesen nicht steuerbaren Kondensatoren liegt je ein induktiver, netzgesteuerter Blindstromrichter 21, 22, 23 mit den zugehörigen Oberschwingungs-Kondensatoren 24, 25, 26 und Vordrosseln im Wechselstromkreis 27, 28, 29 parallel, so daß die Blindleistung der Kondensatoren 18, 19, 20 zwischen dem vollen Wert und Null stetig steuerbar im Stromkreis wirksam werden kann. Die Aufgabe der für die Symmetrierung erforderlichen Drosselspulen, wie z.B. in Fig. 2a die der Drosselspule 7, wird durch entsprechende Steuerung der induktiven Blindstromrichter 21, 22,23 mitdbernommen. Man kann auf diese Weise sowohl die unsymmetrische Wirkbelastung gleichmäßig auf das Drehstromnetz verteilen als auch die ungleichen Blindleistungen in den einzelnen Phasen dem Netz fernhalten bzw. ebenfalls gleichmäßig auf das Netz verteilen.
• Man kann die erfindungsgemäße Anordnung aber auch dazu verwenden, kondensatorerregte Asynchrongeneratoren bei unterschiedlichen Belastungen vollkommen stetig auf konstanter Spannung zu halten. Solche Generatoren sind wegen ihres so einfachen Aufbaus (Käfigläufer) und ihrer völligen Kontaktlosigkeit sehr vorteilhaft, doch war es bisher nicht möglich, auf einfache Weise ihre Spannung bei wechselnden Belastungen konstant zu halten.
• Schaltet man jedoch einem solchen Asynchrongenerator bei Drehstrom nach Fig. 1 einen Kondensator 2 mit konstanter Kapazität und einen steuerbaren induktiven Blindstromrichter 3 mit zugehörigem Kondensator 4 und Vordrosseln 5 parallel, so kann man die Klemmenspannung des Generators bei allen Belastungen konstant halten, wenn der Kondensator 2 fUr die größe benötigte Blindleistung bemessen ist. Diese volle Blindleistung kann der Kondensator 2 an den Generator bzwO das Netz abgeben, wenn der Blindstromrichter 3 gesperrt ist, so daß er keinen induktiven Strom aufnehmen kann. Bei Leerlauf des Generators nimmt er jedoch den Unterschied zwischen der Kondesatorleistung und der vom Generator benötigten Leerlaufblindleistung auf, und nur fUr diese Unterschiedsleistung muß der Stromrichter bemessen werden, so daß sich für ihn sehr wirtschaftliche Verhältnisse ergeben. So beträgt z.B. bei ueblich bemessenen Asynchronmaschinen die bei Vollast behUtigtc, durch Streuung bedingte zusätzliche Blindleistung nur etwa 50 % der Leerlaufblindleistung.
• Bei reiner Wirkbelastung des Generators wird daher der Blzndstromrichter sehr klein. Die Blindleistung der Verbraucher wird zweckmäßig durch zusätzliche Kondensatoren gedeckt, die mit den Verbrauchern zu- und abgeschaltet werden. Da der fUr Vollast oder Uberlast bemessene Kondensator für Leerlauf zu groß ist, kommt der spanr.dngslose Generator beim Anfahren schon vor Erreichen seiner Nenndrehzahl sehr schnell auf seine Nennspannun.
• Fig. 4 zeigt einen derartigen Asynchrongenerator als kontakt lose Drehstromlichtmaschine fUr Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge.
• 30 bedeutet diesen Generator, der dreiphasig über den Gleichrichter 51 den Sammler 32 speist, Der Asynchrongenerator ist einphasig durch den Kondensator 55 erregt, dem der Blindstromrichter 34 parallel geschaltet ist, der zur Verringerung des Aufwandes in Mittelpunktschaltung betrieben wird und aus zwei Thyristoren und zwei Dioden, sowie aus der Vordrossel mit Mittelanzapfung 55 und dem Oberschwingungskondensator36 besteht.
• Je nach der Aussteuerung des Blindstromrichters kann die vom Kondensator 33 an den Generator gelieferte Blindleistung auf dem zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung bei unterschiedlichen Drehzahlen erforderlichen Wert gehalten werden0 Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn mehrere Asynchrongeneratoren,mehrphasig oder einphasig erregt, parallel arbeiten, Da die Erregerkondensatoren für alle gemeinsam sind, kann ein Generator spannungslos hochgefahren und einem bereits lauf enden, belasteten Generator ohne weiteres parallel geschaltet werden.
• Der Blindstromrichter, der bis dahin die Überschußleistung des Erregerkondensators aufgenommen hatte, gibt dann sofort die erforderliche Erregerleistung für den neu zugeschalteten Generator frei, die Wirklastverteilung richtet sich nach der Statik, die die Drehzahlkennlinien der Kraftmaschinen aufweisen0 Der Kondensator 33 muß natürlich auch den etwaigen Blindleistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher decken, Statt eine gemeinsame Erregereinrichtung (Kondensator und Blindstromrichter) für alle Generatoren vorzusehen, kann man auch jedem Generator eine eigene Erregereinrichtung zuordnen Dann muß ein neu in Betrieb genommener Generator vor dem Zuschalten auf Gleichheit von Spannung und Phase verglichen werden0 Ferner kann man die Kondensatoren (2 in Fig. 1-, 8 in FigD 2b usw.) in mehrere kleine Einheiten unterteilen, die stufenweise zu- und abgeschaltet werden. In diesem Fall braucilt der BLirldstromrichter nur für die Blindleistung einer Stufe bemessen zu werden, wodurch sich für manc-he Anwendungsfälle eine besonders wirtschaftliche Lösung ergibt. Um hierbei eine stetige Steuerung der Gesamtkondensatorleistung zu erreichen, muß beim Zuschalten einer Kondensatorstufe der Blindstromriehter so gesteuert werden, daß er zunächst die Leistung dieser Stufe aufnimmt, worauf dann seine Leistung bis zum Zuschalten der nächsten Stufe verringert ird. Beim Abschalten der einzelnen Kondensatorstufen läuft der Steuervorgang in umgekehrter Folge ab.
• 12 Ansprüche 4 Figuren

Claims (1)

1. Patentanssrüche 1. AnordnunE zum stufenlosen Steuern der Blindleistung von Kondensatoren in Wechselstromanlagen mit gesteuerten Stromrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß einem nicht steuerbaren Kondensator (2) konstanter Kapazität ein netzgeführter induktiver Blindstromrichter (3,4,5) bekannter Bauart parallel geschaltet ist, der die in der Wechselstromanlage nicht benötigte kapazitive Blindleistung aufnimmt.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (23 abschaltbar ist, so daß die Wedhselstromanlage auch mit steuerbarer induktiver Blindleistung belastet werden kann0 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) in Stufen schaltbar ist und der Blindstromrichter (3,4,5) nur für die Leistung einer Kondensatorstufe bemessen und so gesteuert wird, daß er beim Zuschalten einer Kondensatorstufe zunächst deren Leistung aufnimmt und sie stetig verringert, bis die nächste Stufe zugeschaltet wird und in umgekehrter Steuerfolge beim Abschalten eines Stufenkondensators.

   40 Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 zur gleichmäßigen Verteilung einpha-siger Wirklast auf das Dreh stromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden, der Wirklastphase benachbarten Phasen je ein netzgefUhrter, induktiver Blindetromrichter (9,10, 11;12,13,14) vorhanden ist, von denen dem einen (12,12,14) ein Kondensator (8) konstanter Kapazität parallel geschaltet ist, wobei die beiden Blindstromríchter (9,10,11;12,13,1') so gesteuert werden, daß in der einen Nechbarphase das i/Y-fache der einphasigen Wirkleistung als induktiv und in der anderen Nachbarphase das 1/ < -fache als kapazitive Blindleistung auftreten0 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 zur gleichmäßigen Verteilung ungleicher Drehatrombelastung auf das Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Phase (R,S,T) jedem Wirk- oder Scheinstromverbraucher (15,16,17) ein Kondensator (18,19,20) konstanter Kapazität und ein netzgeführter, induktiver Blindstromrichter (21,24,27;,22,25,28;23,26,29) parallel geschaltet ist, und daß die Blindstromrichter (21,24,27b,22,25,28;23,26,29) so gesteuert werden, daß die unterschiedliche Belastung der drei Phasen (R,3 gleichmäßig auf das Netz zurückwirkt, 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 zum Betreiben eines kondensatorerregten Asynchrongenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator konstanter Kapazität so bemessen ist, daß er die vom Asynchrongenerator, gegebenenfalls auch von den Verbrauchern, im ungünstigsten Fall benötigte kapazitive Blindleistung liefert, während bei kleineren Belastungen und Leerlauf der netzgefUhrte induktive Blindstromrichter die überschüssige Blindleistung aufnimmt, so daß der Generator bei allen Betriebszuständen mit konstanter Spannung arbeitet.

   7. Anordnung nach Anspruch 6 zum Parallelbetrieb mehrerer Asynchrongeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Generator ein Kondensator und ein netzgefUhrter induktiver Blindstromrichter zugeordnet sind, und daß ein neu in Betrieb genommener Generator bei Spannungs- und Phasengleichheit auf das von den anderen Generatoren gespeiste Netz geschaltet wird.

   8. Anordnung nach Anspruch 6 zum Parallelbetrieb mehrerer Asynchrongeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß allen Generatoren ein Kondensator und ein Blindetromrichter gemeinsam zugeordnet sind, und daß ein neu in Betrieb genommener Generator spannungelos hochgefahren und auf das von den anderen Generatoren gespeiste Netz geschaltet wird0 9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einem dreiphasigen Asynchrongenerator nur einphasig ein Kondensator (33) und ein Blindstromrichter (34,35,36) parallel geschaltet sind.

   10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der BlindstromricEite-r (34,35,36) in Mittelpunktschaltung zwischen zwei Drehstromklemmen und dem Sternpunkt der Generatorständer wicklung angeschlossen ist.

   11. Anordnung nach Anspruch 6 bis 10 zur Bordstromversorgung von Fahrzeugen, schiffen und Flugzeugen mit Gleichstrombordnetz, dadurch gekennzeichnet, daß die mit veränderlichen Drehzahlen betriebenen Generatoren über Gleichrichter das Gleichstrombordnetz und gegebenenfalls einen dazu parallel geschalteten Sammler speisen.

   12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß GleicLric1ter und Brregereinrichtung (Kondensator und Blindstromrichter) mit unterschiedlichen Generatorspannungen gespeist werden.