DE19500127A1

DE19500127A1 - Mehrstufen-Wandler

Info

Publication number: DE19500127A1
Application number: DE19500127A
Authority: DE
Inventors: John Desmond Ainsworth; David Reginald Trainer
Original assignee: GEC Alsthom Ltd
Current assignee: UK Grid Solutions Ltd
Priority date: 1994-01-08
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 1995-07-13
Also published as: SE9404480D0; SE516375C2; GB2285523A; GB2285523B; SE9404480L; US5532575A; GB9400285D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrstufen-Wandler für den An schluß an ein Wechselstromsystem, insbesondere einen Mehr stufen-Wandler für einen statischen Blindleistungs-Kompen sator.

Mehrstufen-Wandler dienen den verschiedensten Zwecken, bei spielsweise der Belastung eines Wechselstromsystems, mit dem sie verbunden sind, mit einer einstellbaren induktiven oder kapazitiven Blindleistung. Diese Maßnahme kann dazu dienen, einen Betriebsparameter des Wechselstromsystems, z. B. die Amplitude der Wechselspannung in dem Wechselstrom system, zu stabilisieren. In Fig. 1 ist eine Ausführungs form eines Mehrstufen-Wandlers 10 dargestellt. Er dient als statischer Blindleistungs-Kompensator und enthält eine Gruppe 20 von in Reihe geschalteten Kondensatoren 21 bis 24 sowie eine Gruppe 30 von ebenfalls in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen, die als Abschaltthyristoren 31 bis 38 mit antiparallel geschalteten Dioden 31A bis 38A ausgebil det seien. Die Abschaltthyristor-Gruppe 30 ist zu der Kon densator-Gruppe 20 parallel geschaltet, wobei die Verbin dungs- bzw. Abgriffpunkte der Abschaltthyristoren über eine Dioden-Gruppe 40 aus Dioden 41 bis 46 mit jeweils einem Verbindungs- bzw. Abgriffpunkt E, F und G der Kondensator- Gruppe verbunden sind. Der Wandler 10 ist über einen Drei phasen-Transformator 48 mit einem Dreiphasen-Wechsel stromsystem 50 verbunden. Das Wechselstromsystem 50 ist in vereinfachter Form als Dreiphasen-Ersatzspannungsquelle 51 mit einer Dreiphasen-Impedanz 52 dargestellt, durch die Dreiphasen-Sammelschienen 53 gespeist werden. Zur Anpassung an die drei Phasen sind neben der Abschaltthyristor-Gruppe 30 zwei weitere Abschaltthyristor-Gruppen 30′ und 30′′ vor gesehen, deren Abgriffpunkte über nicht dargestellte Di odengruppen, die der Diodengruppe 40 entsprechen, jeweils mit den Abgriffpunkten der Kondensator-Gruppe 20 verbunden sind. Ein und dieselbe Kondensator-Gruppe 20 ist daher für alle drei Phasen vorgesehen.

Die für die Abschaltthyristor-Gruppen 30, 30′ und 30′′ er forderlichen Steuersignale werden durch eine Regeleinrich tung 60, die im Normalbetrieb mit der Frequenz des Wechsel stromsystems synchronisiert ist, über Leitungen 61 zuge führt. Während des Betriebs schaltet die Regeleinrichtung 60 die Abschaltthyristor-Gruppen 30, 30′ und 30′′ in einer vorbestimmten Reihenfolge ein und aus, so daß alle Sekun däranschlüsse des Transformators 48 der Reihe nach mit den Verbindungs- bzw. Knotenpunkten D bis H der Kondensator- Gruppe 20 verbunden werden. Es sei angenommen, daß die Kon densatoren 21 bis 24 zu Beginn des Betriebs alle auf eine vorbestimmte Gleichspannung aufgeladen sind. Wenn daher die Abschaltthyristoren in der richtigen Reihenfolge geschaltet werden, wird eine annähernd sinusförmige Spannung, deren Kurvenverlauf aus mehreren Stufen besteht, in diesem Falle aus fünf, dem Wechselstromsystem 50 über den Transformator 48 aufgezwungen wird. Die Regeleinrichtung 60 ist so ausge bildet, daß im Normalbetrieb die an jedem der Knotenpunkte A, B und C der drei Phasen auftretende Mehrstufen-Spannung mit der Spannung des Wechselstromsystems in Phase ist, wo bei die Amplitude der Mehrstufen-Spannung von der Höhe der Ladung der Kondensatoren in der Kondensator-Gruppe 20 ab hängig ist. Da der den Wandler 10 mit dem Wechselstromsy stem 50 verbindende Transformator als Streuinduktivität er scheint, sind die Ströme i_A, i_B und i_C Blindströme, so daß der Wandler für das Wechselstromsystem entweder wie eine kapazitive Blindleistungsquelle oder wie eine induktive Blindleistungsquelle erscheint, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Mehrstufenspannung an den Knotenpunkten A, B und C eine höhere oder eine niedrigere Amplitude als die Spannung des Wechselstromsystems an den Sammelschienen 53 hat. Dies kann dazu benutzt werden, die Spannung an den Sammelschienen 53 zu erhöhen oder zu verringern oder kon stant zu halten, indem Wirk- und Blindstromänderungen in (nicht dargestellten) Verbrauchern, die an den Sammelschie nen angeschlossen sind, kompensiert werden.

Die Wellenform bzw. der Kurvenverlauf der verschiedenen Spannungen und Ströme in der Mehrstufen-Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Periode der sinusförmig angenomme nen Spannung des Wechselstromsystems ist in acht Abschnitte bei dem in Fig. 1 dargestellten 5-Stufen-Wandler unter teilt. Die Abschaltthyristoren werden durch die Regelein richtung 60 so gesteuert, daß sie in den Zeiten t₁-t₂, t₂-t₃, usw. leitend sind, so daß in allen aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten die Knotenpunkte D-H der Kondensator-Gruppe 20 nacheinander mit dem Knotenpunkt A, bei der ersten Pha se, und den Knotenpunkten B und C, jeweils in der zweiten und dritten Phase, verbunden sind. Die Schaltreihenfolge ist in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt.

Diese Reihenfolge wiederholt sich in allen aufeinanderfol genden Perioden der Spannung des Wechselstromsystems und gilt für einen Betrieb entweder im stationären Zustand, z. B. bei konstanter Sammelschienen-Spannung, oder bei sich ändernden Bedingungen.

Der augenblicklich durch einen leitenden Abschaltthyristor 31-38 oder eine Diode 31A-38A oder 41-46 fließende Strom ist der Phasenstrom i_A, der in Abhängigkeit von den Be triebsbedingungen des Blindleistungs-Kompensators positiv oder negativ sein kann. Betrachtet man beispielsweise die Zeitspanne t₁-t₂, dann fließt der Phasenstrom i_A, wenn er positiv ist (d. h. in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeils fließt), durch die Abschaltthyristoren 35 und 36 und die Diode 44. Wenn er negativ ist, fließt er durch die Di ode 43 und die Abschaltthyristoren 33 und 34. In beiden Fällen entspricht die Phasenspannung v_A im wesentlichen der Spannung am Knotenpunkt F, wie es in der obigen Tabelle dargestellt ist, wenn man die kleinen Spannungsabfälle in den leitenden Abschaltthyristoren und Dioden vernachläs sigt. In den anderen Zeitspannen wird die Phasenspannung in ähnlicher Weise auf die des Knotenpunkts E, D, G oder H festgelegt. In Fig. 2 bezieht sich die Phasenspannung v_A auf den Knotenpunkt F, bei dem es sich um einen rein fiktiven neutralen Verbindungspunkt handeln kann.

Der Verlauf der Phasenspannung v_A hat in diesem Falle fünf Spannungsstufen, die den fünf Knotenpunkten der Kondensa tor-Gruppe 20 entspricht, so daß der Wandler nach Fig. 1 als Fünfstufen-Wandler zu bezeichnen wäre. Die Abstufung der Wellenform ist normalerweise soweit wie möglich an eine Sinusform angenähert, um die Belastung des Wechselstromsy stems mit Oberwellen möglichst gering zu halten bzw. zu mi nimieren. Der resultierende Phasenstrom i_A wird daher als weitgehend sinusförmig angenommen, wie es in Fig. 2 darge stellt ist, und ist eine Funktion der Differenz zwischen der (nicht dargestellten) Sammelschienen-Wechselspannung, der Phasenspannung v_A und der Streureaktanz des Transforma tors 48.

Der gleiche grundsätzliche Betrieb gilt für die beiden an deren Phasen B und C, so daß ihre Phasen-Ströme und Phasen spannungen einen ähnlichen Kurvenverlauf haben, jedoch ge genüber denen der Phase A um 120° bzw. 240° phasenverscho ben sind.

Die verschiedenen Spannungen und Ströme, die in der Konden sator-Gruppe 20 auftreten, sind in Fig. 3 dargestellt. Die Ströme sind unterteilt in erstens "Kondensator-Abgriff ströme" i_D-i_H, bei denen es sich um die in die oder aus den Abgriffpunkten (Knotenpunkten) der Kondensator-Gruppe 20 fließenden Ströme handelt, und zweitens die Reihenströme i₂₁-i₂₄, bei denen es sich um die der Reihe nach durch jeden Kondensator 21 bis 24 fließenden Ströme handelt. Die Gleichspannungen an den Kondensatoren 21 bis 24 sind je weils mit V₂₁-V₂₄ bezeichnet. Der Abschaltthyristor ist durch einen äquivalenten Mehrweg-Schalter 39 symbolisiert, als Phasenspannung sei die Spannung zwischen dem gemeinsa men Anschluß des Schalters 39 ("A") und dem "neutralen" Mittelpunkt oder Nullpunkt N der Kondensator-Gruppe ange nommen.

Der Verlauf der Kondensator-Abgriffströme i_D-i_F und der Kon densator-Reihenströme i₂₁-i₂₄ ist in Fig. 2 dargestellt. Der Strom i_D ist der in der Zeitspanne t₃-t₄ in den Knotenpunkt D fließende Abgriffstrom, i_E ist der während der Zeitspanne t₂-t₃ und t₄-t₅ in den Knotenpunkt E fließende Abgriffstrom, undsoweiter. Der Reihenstrom i₂₁ ist der gleiche wie der Ab griffstrom i_D, der Reihenstrom i₂₂ gleich der Summe der Ab griffströme i_D und i_E, undsoweiter. Der Mittelwert der Span nung an jedem Kondensator ist die Gleichspannung, die an den Kondensatoren zu Beginn des Betriebs auftritt, was bei spielsweise dadurch bewirkt wird, daß die Regeleinrichtung 60 die Abschaltthyristoren so schaltet, daß die Kondensato ren sich auf einen Anfangs-Gleichspannungswert aus dem Wechselstromsystem aufladen, wenn der Blindleistungs- Kompensator zum ersten Mal eingeschaltet wird. Da im sta tionären Zustand kein mittlerer Strom durch einen Kondensa tor fließen kann, sondern nur ein "Verschiebungsstrom", ist der Verlauf der Ströme i_D-i_H und i₂₁-i₂₄ so dargestellt, daß sein Mittelwert null ist. Die Kondensatorspannungen V₂₁-V₂₄ sind natürlich nicht völlig unveränderlich, selbst nicht im stationären Zustand. Da die Ströme i₂₁-i₂₄ durch sie hin durchfließen, ist der Mittelwert der Spannung an jedem Kon densator gleich dem, auf den er anfänglich aufgeladen wur de.

Es sei jetzt angenommen, daß der Blindleistungs-Kompensator so ausgebildet ist, daß er beispielsweise die Spannung des Wechselstromsystems weitgehend konstant hält. Dann reagiert die Regeleinrichtung 60 auf irgendeine Änderung der Span nung in dem Sinne, daß sie die Schaltfrequenz der Abschalt thyristoren entweder erhöht oder verringert, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Spannung des Wechselstromsystems abgefallen oder angestiegen ist. Eine solche Änderung der Schaltfrequenz bewirkt eine Phasenverschiebung der Phasen spannung v_A (und v_B und v_C) gegenüber der Phasenlage der Spannung des Wechselstromsystems und die Erzeugung einer Wirkkomponente im entsprechenden Phasenstrom. Diese Wirk stromkomponente bewirkt einen temporären Wirkleistungsfluß fallweise in den oder aus den Wandler, der eine entspre chende Zunahme oder Abnahme der mittleren Ladung der Kon densatoren bewirkt. Dies bewirkt eine entsprechende Zunahme oder Verringerung der Phasenspannung, so daß die ursprüng liche Störung der Spannung des Wechselstromsystems ausge glichen wird. Danach befindet sich die Phasenspannung wie der mit der Spannung des Wechselstroms in Phase. Man sieht daher, daß der Synchronismus, der normalerweise zwischen der Phasenspannung und der Spannung des Wechselstromsystems herrscht, kurzzeitig gestört wird, wenn sich letztere än dert, um diese Änderung zu korrigieren, jedoch sofort wie der hergestellt wird, sobald die Korrektur ausgeführt ist.

Ein Mehrstufen-Wandler mit den generellen Merkmalen des in Fig. 1 dargestellten Mehrstufen-Wandlers ist in der US-PS 4 270 163 beschrieben, obwohl die Verwendung von Kondensa toren als Gleichspannungsquellen nicht offenbart und die Einrichtung nur zur Verwendung als Wechselrichter angegeben ist.

Die EP-PS 0 101 629 beschreibt eine ähnliche Einrichtung, in der Kondensatoren als Gleichstromquellen verwendet wer den.

In der Praxis hat sich bei der beschriebenen Art von Mehr stufen-Wandleranordnung ein Nachteil herausgestellt, näm lich eine Art innerer Instabilität, bei der die relativen Gleichspannungen an den Kondensatoren voneinander abwei chen, so daß sie im stationären Zustand Werte annehmen, die erheblich von den idealen Nennwerten abweichen. Derart starke Abweichungen können spontan oder aufgrund großer Übergänge (Einschwingvorgängen mit großer Amplitude) auf treten, z. B. während der Übergangszeit nach dem Verschwin den eines kurzzeitigen Kurzschlusses im Wechselstromsy stem. Die Folge ist, daß die Phasenspannungen v_A, v_B und v_C, zusammen mit den entsprechenden Phasenströmen, verzerrt werden und eine übermäßige Oberwellenverzerrung im Wechsel stromsystem bewirkt wird. Da ferner die Spitzenspannungen an den Abschaltthyristoren und Dioden von den Spannungen an den Kondensatoren abhängen, können diese Halbleiter- Bauelemente - und auch die Kondensatoren selbst - Überspan nungen ausgesetzt werden, die zu einem Ausfall der Bauele mente führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrstufen- Wandler, einen statischen Blindleistungs-Kompensator mit einem derartigen Mehrstufen-Wandler, eine Wechselstrom- Wechselstrom-Kopplungsanordnung mit zwei Mehrstufen-Wand lern und einer Mehrstufen-Wandleranordnung mit mehreren Mehrstufen-Wandlern anzugeben, bei denen die Nachteile der bekannten Mehrstufen-Wandler vermieden sind.

Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung ist bei einem Mehrstufenwandler mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Kondensatoren, die auf eine Anfangs-Gleichspannung auflad bar sind, und einer mit den Kondensatoren verbundenen Schalteinrichtung dafür gesorgt, daß die Schalteinrichtung so ausgebildet ist, daß sie jeden Knotenpunkt der Vielzahl von Kondensatoren über ein induktives Mittel der Reihe nach mit einem Wechselstromsystem verbindet, und daß der Wandler eine Regeleinrichtung mit einer Haupt-Regelkreisanordnung zur Regelung der Zeitpunkte, in denen jeder Knotenpunkt der Vielzahl von Kondensatoren der Reihe nach mit dem Wechsel stromsystem verbunden wird, und einer Hilfsregelkreisanord nung zur Ausbildung eines vorbestimmten Verhältnisses zwi schen den Mittelwerten der Gleichspannungen an der Vielzahl von Kondensatoren aufweist, wobei die Hilfsregelkreisanord nung so ausgebildet ist, daß sie den Mittelwerten der Gleichspannungen an den Kondensatoren proportionale erste Signale mit zweiten Signalen verknüpft, die Abgriffströmen proportional sind, die in die Knotenpunkte (Verbindungs punkte) der Vielzahl von Kondensatoren strömen, und die Zeitpunkte, in denen die Kondensator-Knotenpunkte mit dem Wechselstromsystem verbunden werden, über die Haupt-Regel kreisanordnung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Verknüpfung des ersten und zweiten Signals so moduliert, daß das vorbe stimmte Verhältnis der Kondensator-Spannungen ausgebildet wird.

Die Verwendung einer Hilfsregelkreisanordnung hat den Vor teil, daß, wenn die Spannungen an den einzelnen Kondensato ren von ihren Sollwerten "weglaufen" bzw. abweichen, so daß häufig erhebliche Fehler bzw. Abweichungen in dieser Hin sicht auftreten, z. B. aufgrund eines kurzzeitigen Kurz schlusses in dem Wechselstromsystem, eine derartige Regel kreisanordnung die richtige Spannung an den betreffenden Kondensatoren wieder herstellen, aber die bereits korri gierten Spannungen an den anderen Kondensatoren unbeein flußt lassen kann.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Hilfsregelkreisan ordnung eine Vielzahl von Hilfsregelkreisen aufweist, die jeweils ein erstes Verknüpfungsglied mit einem ersten Ein gang zur Aufnahme eines ersten Signals, das der Differenz zwischen der mittleren Gleichspannung an jeweils einem Kon densator und einer weiteren Gleichspannung proportional ist, und einem zweiten Eingang zur Aufnahme eines zweiten Signals, das einem Abgriffstrom, der in einen mit dem je weiligen Kondensator verbundenen Knotenpunkt fließt, pro portional ist, aufweisen.

Eine Weiterbildung kann darin bestehen, daß das erste Ver knüpfungsglied ein erster Multiplizierer ist und der Hilfs regelkreis einen Subtrahierer mit einem ersten Eingang zur Aufnahme der mittleren Gleichspannung an dem jeweiligen Kondensator und einem zweiten Eingang zur Aufnahme der wei teren Gleichspannung aufweist, und daß ein Ausgang des Sub trahierers mit dem ersten Eingang des ersten Multiplizie rers verbunden ist.

Hierbei kann eine Ausgestaltung darin bestehen, daß dem zweiten Eingang des Subtrahierers eine weitere Gleichspan nung als Bezugsspannung zuführbar ist und der Hilfsregel kreis dadurch so ausgebildet ist, daß er einen vorbestimm ten absoluten Bezugsmittelwert der Gleichspannung an dem jeweiligen Kondensator ausbildet. Alternativ kann dafür ge sorgt sein, daß dem zweiten Eingang des Subrahierers eine weitere Gleichspannung zuführbar ist, die dem Mittelwert der Gleichspannung an einem anderen Kondensator proportio nal ist, wobei der erwähnte jeweilige Kondensator und der erwähnte andere Kondensator ein Kondensator-Paar bilden, daß dem zweiten Eingang des ersten Multiplizierers ein zweites Signal zuführbar ist, das Abgriffströmen proportio nal ist, die in Knotenpunkte fließen, die mit dem erwähnten Kondensator-Paar verbunden sind, wodurch der Hilfsregelkreis so ausgebildet ist, daß er ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen den Mittelwerten der Gleichspannungen an dem er wähnten Kondensator-Paar ausbildet. Eine dritte Alternative kann darin bestehen, daß dem zweiten Eingang des Subtrahie rers eine weitere Gleichspannung zuführbar ist, die propor tional dem Mittelwert der Spannungen an allen Kondensatoren ist.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Hilfsregelkreis ein zweites Verknüpfungsglied aufweist, das einen mit dem zwei ten Eingang des ersten Multiplizierers verbundenen Ausgang sowie einen ersten und einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten Signals aufweist, die Ab griffströmen proportional sind, die in die jeweiligen Kno tenpunkte strömen, die mit dem erwähnten Kondensator-Paar verbunden sind.

Der Hilfsregelkreis kann ein Gewichtungsmittel in dem einen Eingang oder beiden Eingängen des zweiten Verknüpfungsglie des aufweisen. Hierbei kann dafür gesorgt sein, daß das zweite Verknüpfungsglied und das Gewichtungsmittel so aus gebildet sind, daß, wenn der Wandler in Betrieb ist, das Ausgangssignal des zweiten Verknüpfungsgliedes die Diffe renz zwischen dem einen der ersten und zweiten Signale, die proportional den Abgriffströmen sind, und im wesentlichen dem Zweifachen des anderen darstellt.

Sodann kann eine Weiterbildung darin bestehen, daß die zweiten Signale, die den Abgriffströmen proportional sind, durch eine Meßeinrichtung abgeleitet werden, die den durch das induktive Mittel fließenden Strom mißt, und daß die Hilfsregelkreise jeweils einen Taktgeber aufweisen, der den in der Meßeinrichtung gemessenen Strom zur nachgeschalteten Schaltungsanordnung als das zweite Signal, das den Konden sator-Abgriffströmen proportional ist, in denjenigen Zeiten durchläßt, in denen der durch das induktive Mittel fließen de Strom den Kondensator-Abgriffströmen entspricht, die zu dem jeweiligen Kondensator oder Kondensator-Paar gehören. Hierbei kann die Meßeinrichtung ein Stromtransformator sein.

Eine Weiterbildung des Mehrstufen-Wandlers kann darin be stehen, daß die Regeleinrichtung ein drittes Verknüpfungs glied, einen spannungsgesteuerten Oszillator, dem das Aus gangssignal des dritten Verknüpfungsgliedes zugeführt wird, und ein Reihenfolgesteuermittel aufweist, dem das Ausgangs signal des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt wird und das die Schalteinrichtung steuert, wobei das dritte Verknüpfungsglied einen ersten Eingang zur Aufnahme eines Signals, das einen zu regelnden Parameter darstellt, einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines Bezugssignals, das einen Sollwert des zu regelnden Parameters darstellt, und einen dritten Eingang zur Aufnahme eines Signals zur Ausbildung des vorbestimmten Verhältnisses zwischen den Mittelwerten der Gleichspannungen an der Vielzahl von Kondensatoren auf weist.

Diese Weiterbildung kann in der Weise ausgestaltet sein, daß die Regeleinrichtung einen Addierer zum Summieren der Ausgangssignale des ersten Verknüpfungsgliedes in den ver schiedenen Hilfsregelkreisen aufweist und der Ausgang des Addierers mit dem dritten Eingang des dritten Verknüpfungs gliedes verbunden ist.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das Reihenfolgesteuer mittel einen Binärzähler mit einem Takteingang, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators zuge führt wird, und einer Vielzahl binärer Ausgänge, sowie ei nen Festwertspeicher mit einer Vielzahl von Adresseneingän gen, die jeweils mit Binärausgängen des Zählers verbunden sind, einer Vielzahl von Speicherplätzen und einer Vielzahl von Datenausgängen, durch die die Schalteinrichtung in Ab hängigkeit von einem Muster von Daten, die in den adres sierten Speicherplätzen gespeichert sind, schaltbar ist, aufweist.

Die Schalteinrichtung kann mehrere in Reihe geschaltete er ste Schaltmittel und eine gleiche Vielzahl in Reihe geschal teter zweiter Schaltmittel, wobei die Vielzahl erster Schaltmittel mit der Vielzahl zweiter Schaltmittel an den am weitesten außen liegenden Knotenpunkten der Vielzahl von Kondensatoren in Reihe geschaltet ist, und eine Vielzahl erster Dioden und eine gleiche Vielzahl zweiter Dioden auf weisen, wobei die Vielzahl erster Schaltmittel Abgriffpunk te aufweist, die durch jeweils eine der ersten Dioden mit jeweils einem der Abgriffpunkte der Vielzahl von Kondensa toren verbunden sind, und die Vielzahl zweiter Schaltmittel Abgriffpunkte aufweist, die durch jeweils eine der zweiten Dioden mit jeweils den gleichen Abgriffpunkten der Vielzahl von Kondensatoren verbunden sind, die zweiten Dioden gegen sinnig zu den ersten Dioden geschaltet sind und das induk tive Mittel durch die Streureaktanz eines Spannungstrans formators gebildet ist, der den Wandler mit dem Wechsel stromsystem verbindet.

Die Anzahl der Kondensatoren kann gleich n, die Anzahl der ersten und zweiten Dioden gleich n-1 und die Anzahl der Spannungsstufen der dem Wechselstromsystem zugeführten Spannung gleich n+1 sein.

Der Transformator kann ein Einphasen-Transformator, n eine gerade Zahl und eine Sekundärwicklung des Transformators an ihrem einen Ende mit dem Verbindungspunkt der Vielzahl er ster und zweiter Schaltmittel und an ihrem anderen Ende mit dem Mittelabgriff der Vielzahl von Kondensatoren verbunden sein.

Alternativ kann der Transformator ein Einphasen-Transfor mator sein und der Wandler eine Vielzahl dritter Schaltmit tel und eine gleiche Vielzahl vierter Schaltmittel aufwei sen, wobei das dritte und vierte Schaltmittel in der glei chen Weise wie das erste und zweite Schaltmittel angeordnet und jeweils mit den gleichen Kondensator-Abgriffpunkten je weils über eine Vielzahl dritter und vierter Dioden verbun den sind, eine Sekundärwicklung des Transformators an ihrem einen Ende mit dem Verbindungspunkt der Vielzahl erster und zweiter Schaltmittel und an ihrem anderen Ende mit dem Ver bindungspunkt der Vielzahl dritter und vierter Schaltmittel verbunden ist und das Reihenfolgesteuermittel so ausgebil det ist, daß es das dritte und vierte Schaltmittel gegen phasig zu dem ersten und zweiten Schaltmittel schaltet.

Als weitere Alternative kann der Transformator ein Dreipha sen-Transformator sein und der Wandler eine Vielzahl drit ter Schaltmittel und eine gleiche Vielzahl vierter, fünfter und sechster Schaltmittel aufweisen, wobei das dritte und vierte Schaltmittel und das fünfte und sechste Schaltmittel in gleicher Weise wie das erste und zweite Schaltmittel konfiguriert und jeweils mit den gleichen Kondensator- Abgriffpunkten über jeweils die Vielzahl dritter, vierter, fünfter und sechster Dioden verbunden ist, der Transforma tor eine erste, zweite und dritte Sekundärphasenwicklung aufweist, die jeweils mit der Verbindung der Vielzahl er ster und zweiter Schaltmittel, der Verbindung der Vielzahl dritter und vierter Schaltmittel und der Verbindung der Vielzahl fünfter und sechster Schaltmittel verbunden sind, wobei die Regeleinrichtung dreifach vorhanden ist, um das Schalten der ersten und zweiten, der dritten und vierten sowie der fünften und sechsten Schaltmittel unabhängig von einander zu steuern.

Die erste, zweite und dritte Sekundärphasenwicklung können in Stern oder Dreieck geschaltet sein, wobei die verkette ten Spannungen der Stern- oder Dreieckschaltung jeweils mit Verbindungen der Vielzahl erster und zweiter Schaltmittel, der Vielzahl dritter und vierter Schaltmittel und der Viel zahl dritter und sechster Schaltmittel verbunden sind.

Die Schaltmittel können Abschaltthyristoren oder Zweirich tungs-Transistoren, Feldeffekt-Transistoren, MOS-gesteuerte Thyristoren oder Isolierschicht-Zweirichtungs-Transistoren sein. Wenn das Anwendungsgebiet auf dem Gebiet der Hoch spannung liegt, sind Abschaltthyristoren am geeignetsten.

Die Regeleinrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie die Spannung des Wechselstromsystems, den durch das induktive Mittel fließende Strom oder die Admittanz (den Scheinleit wert) des Mehrstufen-Wandlers, von dem Wechselstromsystem aus gesehen, regelt.

Eine zweite erfindungsgemäße Lösung besteht in einem stati schen Blindleistungs-Kondensator, der einen Mehrstufen- Wandler aufweist, wie er oben definiert ist, und der so ausgebildet ist, daß er dem Wechselstromsystem eine ein stellbare kapazitive oder induktive Blindleistung entzieht.

Eine dritte erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Wech selstrom-Wechselstrom-Kopplungsanordnung, die zwei Mehrstu fen-Wandler der oben definierten Art aufweist, die gegen sinnig (back-to-back) verbunden sind, so daß sie gemeinsam eine Kondensator-Gruppe benutzen. Die Wandler können mit verschiedenen Wechselstromsystemen verbunden sein, so daß sie Leistung zwischen diesen Systemen übertragen, oder sie können mit demselben Wechselstromsystem verbunden sein, wo bei der eine Wandler zu dem System parallel und der andere mit dem System und einem Verbraucher in Reihe geschaltet ist. Letztere Anordnung bildet einen Spartransformator.

Eine vierte erfindungsgemäße Lösung besteht in einer Mehr stufen-Wandleranordnung, die eine Vielzahl von Mehrstufen- Wandlern der oben definierten Art aufweist, wobei die Mehr stufen-Wandler zur Verbindung mit einem Wechselstromsystem parallel geschaltet und die Schaltmittel der jeweiligen Wandler so angeordnet sind, daß sie zu verschiedenen Zeit punkten zu schalten sind, so daß sich eine Ersatzschaltung eines einzigen Mehrstufen-Wandlers mit einer Anzahl von Stufen ergibt, die etwa gleich der Summe der Stufen des einzelnen Wandlers ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bevor zugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines als statischer Blindleistungs-Kompensator ausgebildeten Mehrstufen-Wand lers,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme in dem Mehrstufen-Wandler nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer Phase des Mehrstufen- Wandlers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Regeleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mehrstufen-Wand lers,

Fig. 5 ein Schaltbild zur Darstellung der Korrekturen, die erforderlich sind, um Unterschiede der Spannungen an den Kondensatoren in einem erfindungsgemäßen Wandler auszuglei chen,

Fig. 6 ein Wellenform-Diagramm, das die Zeiteinstellungen darstellt, die erforderlich sind, um die in Fig. 5 darge stellten Korrekturen zu bewirken,

Fig. 7 ein Blockschaltbild, das die Steuerung eines span nungsgesteuerten Oszillators einer Regeleinrichtung in ei nem erfindungsgemäßen Wandler durch ein Modulationssignal darstellt,

Fig. 8 die Ableitung des Modulationssignals nach Fig. 7,

Fig. 9 die Verwendung eines Taktsignals zur Ableitung des Modulationssignals nach Fig. 8,

Fig. 10 ein schematisches Schaltbild zweier erfindungsgemä ßer Wandler, die gegensinnig zwischen zwei Wechselstromsy stemen verbunden sind, und

Fig. 11 ein schematisches Schaltbild, das die Grundform der gegensinnigen Schaltung nach Fig. 10 zur Bildung einer Spartransformator-Anordnung darstellt.

Nach Fig. 4 sind in einer Ausführungsform der Regeleinrich tung 60 in einem erfindungsgemäßen Mehrstufen-Wandler Mit tel zur Stabilisierung der an einer der Wechselstromsystem- Sammelschienen 53 auftretenden Spannung vorgesehen. Es ver steht sich, daß ähnliche Regelkreise auch für die anderen Phasen vorgesehen sind. Alle drei Regelkreise der drei Pha sen arbeiten mit der Mehrstufen-Wandleranordnung zusammen, deren grundsätzlicher Aufbau in Fig. 1 dargestellt ist. Nach Fig. 4 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator 61 vor gesehen, der einen Binärzähler 62 steuert. Der Binärzähler 62 steuert seinerseits die Adresseneingänge eines ROM (Festwertspeichers) 63, dessen Datenausgänge 64 mit den To ren bzw. Steueranschlüssen von Abschaltthyristoren 30 ver bunden sind, die in der Hauptschaltung des Wandlers (siehe Fig. 1) verwendet werden. Der spannungsgesteuerte Oszilla tor 61 wird mit einer relativ zur Frequenz des Wechsel stromsystems 50 hohen Frequenz betrieben und bewirkt, indem er den Zähler 62 durch seine verschiedenen binären Zustände weiterschaltet, daß zwangsläufig verschiedene logische Zu stände pro Taktperiode an den ROM-Datenausgängen 64 die Ab schaltthyristoren in einer vorbestimmten Reihenfolge schal ten. Die Reihenfolge ist in den Speicherplätzen des ROM 63 gespeichert und entspricht der in Tabelle 1 dargestellten. Bei normalen Betriebsbedingungen, d. h. konstanter Spannung des Wechselstromsystems, beträgt die Frequenz des span nungsgesteuerten Oszillators 61 ein Vielfaches der Frequenz des Wechselstromsystems, die beispielsweise 50 Hz betragen kann.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 61 wird an seinem Ein gang 65 durch die Fehlerspannung gesteuert. Die Fehlerspan nung ist die Differenz zwischen der Spannung des Wechsel stromsystems und einer Bezugsspannung. Die Differenz wird durch ein erstes Verknüpfungsglied 66 in Form eines Diffe renzbildungsmittels ermittelt, dessen beiden Eingängen 67, 68 jeweils ein die Spannung des Wechselstromsystems dar stellendes Signal V_S und eine Bezugsspannung V_REF zugeführt werden und an dessen Ausgang die Fehlerspannung V_e1 abgenom men wird. Ein weiterer Eingang 69 des Verknüpfungsglieds erhält ein Signal V_m, das später erläutert wird.

Das die Spannung des Wechselstromsystems darstellende Sig nal wird durch eine Quadratsummenbildungsanordnung 70 er zeugt, die aus drei Multiplizierern 71, 72, 73 und einem Summierer 74 besteht. Den beiden Eingängen jedes Multipli zierers 71, 72, 73 werden die an den jeweiligen Sammel schienen 53 auftretenden Spannungen zugeführt, und die Aus gangssignale der Multiplizierer werden den drei Eingängen des Summierers 74 zugeführt. Das Ausgangssignal des Summie rers 74 stellt daher die Summe der Quadrate der Spannungen des Zweiphasen-Wechselstromsystems dar und ist das Signal V_S. Bei vollständigem Abgleich der drei Phasen, d. h. glei chen Spannungen an allen drei Sammelschienen 53 und genau 120° Phasenverschiebung zwischen ihnen, ist das Signal V_S eine Gleichspannung, die der Spannung des Wechselstromsy stems proportional ist.

Die Quadratsummenbildungsanordnung 70 ist allen drei Phasen gemeinsam, wobei das Ausgangssignal des Summierers 74 nicht nur dem einen Eingang des Verknüpfungsglieds 66 der Phase A, sondern auch dem einen Eingang der (nicht dargestellten) Verknüpfungsglieder der Phasen B und C zugeführt wird, wie es in Fig. 4 angedeutet ist. Die Bauelemente 61 bis 69 sind jedoch nicht allen drei Phasen gemeinsam, sondern dreifach jeweils für eine der drei Phasen vorgesehen.

Es sei jetzt angenommen, daß eine Abweichung zwischen den an zwei Kondensatoren der Kondensator-Gruppe 20 auftreten den Spannungen vorliegt. Bezugnehmend auf Fig. 3 sei ange nommen, daß die Spannung am Kondensator 21 im Vergleich zur richtigen Spannung zu niedrig und die Spannung am Kondensa tor 22 im Vergleich zur richtigen Spannung zu hoch ist. Fig. 5 stellt eine Verteilung von zusätzlich zu den norma len Strömen auftretenden Strömen dar, die nur in die Kno tenpunkte D, E und F fließen und eine Korrektur der Span nungen an den Kondensatoren 21 und 22 bewirken, die Span nungen an den anderen Kondensatoren jedoch unverändert las sen.

Erfindungsgemäß werden diese Korrekturströme dadurch einge führt, daß dafür gesorgt wird, daß der Phasenspannungspunkt A (siehe Fig. 1) später als normal an die Spannung des Kno tenpunktes E angeschaltet (angeklemmt) und an die Spannung des Knotenpunkts D früher als normal angeschaltet (angeklemmt) bzw. auf diese begrenzt wird. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, die zeigt, daß die Zeitpunkte t₂ und t₅ von fg nach f′g′ bzw. von jk nach j′k′ verzögert und die Zeit punkte t₃ und t₄ von ab nach a′b′ bzw. von de nach d′e′ vor verschoben sind. Hierbei sind offensichtlich Flächen unter den I/t-Kurven, die die Ladung der Kondensatoren 21 und 22 darstellen, insgesamt positiv bzw. negativ, so daß die Spannungen an diesen Kondensatoren jeweils ansteigen bzw. abnehmen. Durch geeignete Wahl des Betrags der jeweiligen zeitlichen Änderungen bzw. Phasenverschiebungen können der Betrag und die Richtung der mittleren Ladung der Kondensa toren 21 und 22 so geändert werden, wie es nach Fig. 5 er forderlich ist, so daß die Kondensatorspannungen V₂₁ und V₂₂ die richtigen Werte annehmen, ohne daß die Werte der Span nungen an den anderen Kondensatoren gestört bzw. geändert werden.

Die Regelung für den erforderlichen Ausgleich oder Abgleich wird durch Hilfsregelkreise bewirkt, die nachstehend be schrieben werden. Der Hauptregelkreis enthält das Verknüp fungsglied 66, das bezüglich der seinem Eingang 68 zuge führten Bezugsspannung V_REF und des seinem Eingang 67 zuge führten Signals, das die Spannung des Wechselstromsystems darstellt, als Vergleicher oder Differenzbildner bzw. Sub trahierer wirkt.

Ein Teil eines derartigen Hilfsregelkreises ist in Fig. 7 dargestellt. Nach Fig. 7 werden einem Vergleicher oder Subrahierer 81 Signale zugeführt, die den Spannungen an den Kondensatoren 21 und 22 proportional sind. Es sei angenom men, daß diese Kondensatoren und die anderen Kondensatoren in der Kondensator-Gruppe 20 die gleichen Kapazitäten haben und die Mittelwerte der Spannungen an diesen Kondensatoren gleich sind und bleiben sollen, obwohl sich diese Spannun gen in Abhängigkeit von dem Gesamtverhalten des Blindlei stungs-Wandlers gegenüber dem Wechselstromsystem natürlich ändern.

Der Ausgang 82 des Subtrahierers 81 ist mit dem einen Ein gang eines zweiten Verknüpfungsglieds 83 verbunden, bei dem es sich um einen Multiplizierer handelt. Dem anderen Ein gang des Verknüpfungsglieds 83 wird ein Signal V′_m zuge führt, das später erläutert wird. Der Ausgang 84 des Multi plizierers 83 ist mit dem einen Eingang eines Summierers 85 verbunden, der an seinem Ausgang das Signal V_m bildet, das dem Eingang 69 des Differenzbildungsmittels bzw. Verknüp fungsglieds 66 in Fig. 4 zugeführt wird. An einen zweiten Eingang 86 des Summierers 85 sind die nachstehend noch er läuterten weiteren Hilfsregelkreise angeschlossen.

Das Signal V′_m ist ein modulierendes Signal, das das Zeit verhalten bzw. den Takt des Hauptregelkreises so moduliert bzw. ändert, daß die gewünschten Änderungen der Zündzeit punkte t_2-t₅ in dem Sinne bewirkt werden, daß sich die rela tiven Kondensatorspannungen V₂₁ und V₂₂ nur in Richtung auf gleiche Werte ändern, während der Hilfsregelkreis in den stationären Zustand bzw. in Richtung auf die Regelabwei chung bzw. den Fehler null übergeht.

Die Spannungen an den Eingängen des Subtrahierers 81 werden durch einen herkömmlichen Spannungsteiler gebildet, der zu jeweils einem der Kondensatoren parallel geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannungen des Spannungsteilers zunächst einem Puffer oder Trennverstärker zugeführt werden, bevor sie zum Subtrahierer 81 weitergeleitet werden.

Es sei angenommen, daß die Haupt-Regeleinrichtung ein I- Verhalten (ein integrales Verhalten) hat, d. h. daß die Än derung der Abschaltthyristor-Zündzeit, beispielsweise der Zeit t₂, das Integral des Fehlers (der Regelabeichung) im Haupt-Regelkreis (V_e1 in Fig. 4) über den vorherigen Zeitab schnitt t₁-t₂ ist, und in ähnlicher Weise bei allen anderen Zeitabschnitten t₃ bis t₈. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung einer Regeleinrichtung mit indirekt phasen starr geregeltem Oszillator erreicht, d. h. einer solchen, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, bei der die Phasenlage des spannungsgesteuerten Oszillators über den Haupt-Regel kreis verriegelt, d. h. festgehalten, wird und den gesamten Haupt-Kreis und das Wechselstromsystem enthält. Bei einer solchen indirekt phasenstarren Regeleinrichtung bewirkt die Abweichung der Eingangsspannung V_e1 des spannungsgesteuerten Oszillators von null eine proportionale Änderung der Fre quenz des Oszillators. Bei anderen Arten von Haupt-Regel einrichtungen mit P-Verhalten (proportionalem Verhalten) anstelle eines 1-Verhaltens kann die gleiche Wirkung da durch erreicht werden, daß in den Hilfsregelkreis, in den Weg des Signals V_m ein im wesentlichen integrales Verhalten eingefügt wird.

Eine geeignete (idealisierte) Form einer Modulationssignal funktion V′_m ist in Fig. 6 dargestellt. Sie enthält Recht eckimpulse, z. B. wie die Impulse lmnp und pqrs. Die Änderun gen der Zeitpunkte, in denen die Enden (Rückflanken) jedes Impulses auftreten, sind dann dem zeitlichen Integral die ser Impulse proportional. Ein derartiges Modulationssignal mit fester Amplitude läßt sich leicht mittels elektroni scher Logik-Bauelemente erzeugen, die durch Ausgangssignale von Sonderausgängen des ROM 63 in Fig. 4 zeitlich gesteuert werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß, wenn der Wandler beispielsweise als Blindleistungs-Wandler verwendet wird, ein solches festes Modulationssignal nur unter einer Bedin gung geeignet ist, z. B. im Betrieb mit voreilendem Wechsel strom (wobei der Blindleistungs-Wandler als kapazitive Blindleistungsquelle wirkt). Wenn der Betrieb des Blindlei stungs-Wandlers dann in einen solchen mit nacheilendem Wechselstrom geändert werden soll (wobei der Blindlei stungs-Wandler als induktive Blindleistungsquelle wirkt), muß die Polarität des Modulationssignals umgekehrt werden, da andernfalls der geschlossene Hilfsregelkreis eine posi tive Kreisverstärkung hat und instabil wird.

Es hat sich gezeigt, daß, wenn das Modulationssignal V′_m aus einer Messung der Ströme in den relevanten Kondensatorab griffen bei der betreffenden Phase abgeleitet wird, dieses Problem vermieden wird. Wenn sich nämlich der Verlauf des Wechselstroms beim Übergang von einem voreilenden Strom über den Strom null zu einem nacheilenden Strom umkehrt, und umgekehrt, beispielsweise aufgrund normaler Änderungen im Wechselstromsystem, dann kehrt sich auch die Polarität des Modulationssignals automatisch um, und infolgedessen kann die Kreisverstärkung im Hilfskreis stets negativ ge halten werden, was zu einem stabilen Betrieb führt.

Der Verlauf eines derartigen abgeleiteten Modulations signals V′_m ist ganz unten in Fig. 6 dargestellt. In einer Periode der Grundschwingung weist dieser Verlauf vier Im pulse P₁, P₂, P₃ und P₄ auf. Die Impulse P₁ und P₄ werden aus dem Strom i_F im Kondensator-Knotenpunkt F und die Impulse P₂ und P₃ aus dem Strom i_E im Knotenpunkt E (siehe Fig. 2) je weils in geeigneten Proportionen abgeleitet.

Fig. 8 zeigt, wie die beiden Signale i_E und i_F verknüpft bzw. überlagert werden, um die Kondensatorspannungen V₂₁ und V₂₂ auszugleichen bzw. einander anzugleichen. Den Ab griffströmen I_E und i_F proportionale Signale werden jeweils mit einem Gewichtungs- bzw. Übertragungsfaktor +2 und -1 in Gewichtungs- bzw. Übertragungsgliedern 91 und 92 multipli ziert und dann in einem Summierer 93 summiert, um die Modu lationsspannung V′_m zu bilden, die dem Multiplizierer 83 in Fig. 7 zugeführt wird. Die Gewichtungsfaktoren sind die gleichen wie in Fig. 5 für die jeweiligen Abgriffströme, d. h. -2I und +I, abgesehen von einer Vorzeichenumkehr bei beiden. Der Verlauf eines solchen Modulationssignals weicht im einzelnen erheblich von dem "idealen" Modulationssignal ab, das in Fig. 6 dargestellt ist. Da jedoch angenommen ist, daß die Haupt-Regeleinrichtung I-Verhalten aufweist, sind nur die Flächen unter den Impulsen, nicht jedoch die Form der Impulse selbst relevant.

Die Abgriffströme werden mittels eines herkömmlichen Strom transformators gemessen. Um zu vermeiden, daß für jeden Kondensator-Knotenpunkt ein eigener Transformator verwendet werden muß, wird in der Praxis nur ein Stromtransformator verwendet, der in der gemeinsamen Phasenstromleitung I_A an geordnet ist (entsprechende Stromtransformatoren werden auch in den Leitungen i_B und i_C der beiden anderen Phasen verwendet) . Da sich dieser Phasenstrom aus allen Ab griffströmen zusammensetzt, die nacheinander an den Knoten punkt A angeschaltet werden, werden die Stromanteile nur von den Abgriffpunkten E und F durch ein Taktverfahren ab geleitet. Dies ist in Fig. 9 dargestellt, wonach ein Multi plizierer 94 an seinem einen Eingang über einen Stromtrans formator 95 in der Haupt-Phasenleitung ein Signal, das dem Strom i_A proportional ist, und an seinem anderen Eingang ein Taktsignal erhält, das in der Praxis aus den Ausgangssigna len des ROM 63 abgeleitet wird. Dieses Taktsignal tastet den Multiplizierer 94 nur während der Zeitabschnitte t₂-t₃ und t₄-t₅ auf, so daß der Stromanteil i_E zum Ausgang 96 des Multiplizierers 94 durchgelassen wird. Eine ähnliche Anord nung ist für die Ableitung des Stroms i_F vorgesehen; in die sem Falle wird der entsprechende Multiplizierer über seinen Takteingang während der Zeitabschnitte t₁-t₂ und t₅-t₆ aufge tastet.

In Fig. 7 ist zwar nur ein Hilfsregelkreis für den Aus gleich der Spannungen an den beiden Kondensatoren 21 und 22 der Kondensator-Gruppe 20 dargestellt, doch sind in der Praxis insgesamt drei derartige Regelkreise erforderlich. Die Ausgangssignale der Multiplizierer der anderen beiden Hilfsregelkreise, die dem am Ausgang 84 des dargestellten Hilfsregelkreises auftretenden Signal entsprechen, werden im Summierer 85 summiert, wobei diese beiden Regelkreise ebenfalls so ausgebildet sind, daß sie die Spannungen an den Kondensatorpaaren 22 und 23 bzw. 23 und 24 ausgleichen. Während des Betriebs werden daher die Spannungen an allen Kondensatoren der Kondensator-Gruppe 20 auf dem gleichen Wert konstant gehalten. Das Modulationssignal V′_m der beiden anderen Hilfsregelkreise wird von den entsprechenden Kon densator-Abgriffpunkten abgeleitet.

Bei einem zweiten (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein oder mehr Hilfsregelkreise vorgese hen und so ausgebildet, daß sie ungleiche Kondensatorspan nungen erzeugen, beispielsweise um eine nahezu sinusförmige Phasenspannung zu bilden. Dies wird durch Einfügung eines Gewichtungsgliedes in den einen Eingangskreis oder beide Eingangskreise des Subtrahierers 81 erreicht. Die Fehler spannung V_e2 wird dann weiterhin null, doch haben dann die Spannungen V₂₁ und V₂₂ (und/oder andere Kondensator-Span nungen in weiteren Ausgleichkreisen) ein Verhältnis zuein ander, das durch die Gewichtungs- oder Übertragungsfaktoren bestimmt wird.

Bei einem dritten (nicht dargestellten) Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Hilfsregelkreise so ausgebildet, daß sie die absoluten Werte oder Beträge der Spannungen an je dem der vier Kondensatoren getrennt regeln. Dies wird da durch bewirkt, daß V₂₂ in Fig. 7 durch eine konstante Be zugsspannung ersetzt wird, wobei die Spannung V₂₁ dann so geregelt wird, daß sie gleich der Bezugsspannung ist. Durch Einfügung eines Gewichtsfaktors (Übertragungsfaktors) in den V₂₁-Eingang des Summierers 81 kann dafür gesorgt werden, daß V₂₁ ein bestimmtes Vielfaches (oder einen Bruchteil) der Bezugsspannung annimmt. Die Spannungen an den anderen Kon densatoren können in ihren Hilfsregelkreisen auf die glei che Bezugsspannung konstant geregelt werden.

Bei einem weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsbei spiel der Erfindung wird anstelle der Bezugsspannung V₂₂ in Fig. 7 (und anstelle der Bezugsspannungen an den entspre chenden Eingängen der entsprechenden Subtrahierer in den anderen Hilfsregelkreisen) eine veränderbare Bezugsspan nung aus dem Fehlersignal im Haupt-Regelkreis abgeleitet. Auf diese Weise ändern sich alle Kondensator-Spannungen ge meinsam in Abhängigkeit von einer Änderung der zu überwa chenden Haupt-Regelgröße, beispielsweise der Sammelschie nen-Wechselspannung. Dies ist eine "Regelkreis-im-Regel kreis"-Anordnung, die als solche den Nachteil hat, daß sie eine relativ größere Ansprechzeit und ein schlechteres Sta bilitätsverhalten hat, obwohl sie unter speziellen Bedin gungen brauchbar ist, z. B. dann, wenn die Spannung manuell geregelt werden soll.

Obwohl der erfindungsgemäße Mehrstufen-Wandler anhand eines statischen Blindleistungs-Kompensators beschrieben wurde, kann er auch für andere Zwecke verwendet werden. Beispiels weise kann er als Gleichspannungswandler verwendet werden, der eine Wirkleistung zwischen einem Wechselstromsystem und einem Gleichstromsystem überträgt, z. B. bei einem Hoch- Gleichspannungs-Übertragungssystem. Grundsätzlich entzieht der Wandler dann ebenfalls dem Wechselstromsystem eine re gelbare Blindleistung.

Der einfachste (nicht dargestellte) Anwendungsfall ist der, daß ein Gleichspannungsverbraucher oder eine Gleichspan nungsquelle mit zwei Anschlüssen mit den am weitesten außen liegenden Knotenpunkten (D und H) der Kondensator-Gruppe 20 in Fig. 1 verbunden ist. Obwohl die Mittelwerte der in den jeweiligen Verbindungen zwischen dem Wandler und diesen Knotenpunkten fließenden Gleichströme nicht null sind, im Gegensatz zu denen in den Kondensator-Abgriffpunkten E, F und G, muß eine "Verzerrung" entweder der relativen Konden satorspannungen (die die Größe der Phasenspannungen be stimmt) und/oder der relativen Zündzeitpunkte im Vergleich zu dem Fall zugelassen werden, in dem alle Strommittelwerte null sind. Die sich dadurch ergebende Verzerrung der Ober wellen ändert sich dann in Abhängigkeit von den Betriebsbe dingungen. Beispielsweise kann sie so gewählt sein, daß sie beim Nenn-Gleichstrom minimal ist, bei niedrigeren Gleich strömen dann aber zunimmt. Durch die erfindungsgemäßen Hilfsregelkreise kann dieser Effekt nicht vollständig ver mieden werden, doch kann dadurch ein Kompromiß erzielt wer den.

Der erfindungsgemäße Wandler kann auch in einer Schaltungs anordnung verwendet werden, bei dem zwei Wechselstromsyste me gegensinnig verbunden sind (siehe Fig. 10). Bei dieser Anordnung speist ein Wechselstromsystem 50 einen Transfor mator 48, der mit einem erfindungsgemäßen Wandler 10 ver bunden ist, wobei der Wandler 10 und ein zweiter Wandler 100 dieselbe Kondensator-Gruppe 20 benutzen. Der zweite Wandler 100 ist dann mit einem zweiten Wechselstromsystem 500 über einen zweiten Transformator 480 verbunden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Hilfsregelkreisen in jedem Wandler nimmt das System einen Zustand an, in dem der Gesamtgleichstrom in jedem Kondensator-Knotenpunkt null ist, so daß die Kondensator-Spannungen bei allen prakti schen Wirk- und Blindleistungs-Verbrauchern an den beiden Wandlern auf verhältnismäßig idealen Werten gehalten werden können, was ein gutes Oberwellenverhalten bei sicherem Be trieb von Abschaltthyristoren und anderen Bauelementen er gibt. Eine solche Gegeneinanderschaltung kann zur Übertra gung von Leistung zwischen zwei Wechselstromsystemen unab hängig von ihrer relativen Phasenlage oder Frequenz verwen det werden, d. h. ihre Kopplung ist "asynchron". Beispiels weise kann sie verwendet werden, wenn das eine "Wechsel stromsystem" entweder ein Wechselstromgenerator oder ein Wechselstrommotor ist.

Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Wandler in einer Spartransformator-Anordnung zu verwenden, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist. Diese Schaltungsanordnung ist prinzipi ell die gleiche wie die in Fig. 10 dargestellte, nur daß die Sekundärwicklung des zweiten Transformators 84 in der Verbraucherleitung des ersten Wechselstromsystems 50 liegt. Durch Verwendung geeigneter Haupt-Regelkreise kann die Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 480 so geregelt werden, daß sie eine beliebige Phasenlage relativ zur Eingangsstromquelle 50 und eine beliebige Amplitude bis zum Nennwert des Wandlers aufweist. Die Ge samtschaltungsanordnung kann daher so ausgebildet sein, daß sie als Transformator mit veränderbarem Übersetzungsver hältnis (ähnlich wie ein Transformator mit verstellbarem Abgriff) oder als veränderbarer Phasenschieber mit einem begrenzten Bereich oder als Kombination dieser beiden be trieben werden kann.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung kann eine An zahl erfindungsgemäßer Wandler parallel an die Wechsel strom-Sammelschienen angeschlossen werden. Die jeweiligen Abschaltthyristoren der Wandler können entweder gleichzei tig zur Bildung eines Blindleistungs-Wandlers mit relativ hoher Nennleistung oder zu geringfügig unterschiedlichen Zeitpunkten mit verschiedenen Schaltmustern geschaltet wer den, so daß der Gesamtstrom im Wechselstromsystem aufgrund aller Wandler gleich dem eines einzigen Wandlers mit einer größeren Anzahl von Stufen, etwa gleich der Summe der An zahl der Stufen jedes Wandlers ist. Wenn separate Gruppen von Gleichspannungs-Kondensatoren in jedem Wandler verwen det werden, können separate erfindungsgemäße Hilfskreise verwendet werden. Wenn alternativ eine Kondensator-Gruppe gemeinsam benutzt wird, können in ähnlicher Weise Hilfsre gelkreise vorgesehen sein, jedoch mit Modulationsfunktio nen, die aus den relevanten separaten Stromanteilen, die jedem Kondensatorabgriff zugeführt werden, abgeleitet wer den.

Bei dieser Beschreibung von Ausführungsbeispielen des er findungsgemäßen Wandlers ist die Verwendung analoger Bau elemente angenommen worden, z. B. von Rechenverstärkern, ausgenommen im Falle des Binärzählers und ROM, die in Fig. 4 dargestellt sind. Die Regeleinrichtung kann jedoch auch digital statt analog ausgebildet sein, und zwar entweder durch Verwendung fest verdrahteter oder programmierbarer digitaler elektronischer Bauelemente. Wenn digitale Ein richtungen zur Ausführung der Erfindung verwendet werden, stellen die verschiedenen Signale in der Regeleinrichtung nur Zahlen in digitalen Registern dar, wobei diese Zahlen relativ häufig durch digitale Berechnungen aktualisiert werden, die entsprechend erfindungsgemäßer Funktionen aus geführt werden.

Claims

1. Mehrstufen-Wandler mit einer Vielzahl in Reihe ge schalteter Kondensatoren (21-24), die so angeordnet sind, daß sie auf eine Anfangs-Gleichspannung aufladbar sind, und mit einer Schalteinrichtung, die mit den Kon densatoren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (30) so ausgebildet ist, daß sie jeden Knotenpunkt (D, E, F, G, H) der Vielzahl von Kondensato ren über ein induktives Mittel (48) der Reihe nach mit einem Wechselstromsystem (50) verbindet, und daß der Wandler eine Regeleinrichtung (60) mit einer Haupt- Regelkreisanordnung zur Regelung der Zeitpunkte, in denen jeder Knotenpunkt der Vielzahl von Kondensatoren der Rei he nach mit dem Wechselstromsystem verbunden wird, und einer Hilfsregelkreisanordnung zur Ausbildung eines vor bestimmten Verhältnisses zwischen den Mittelwerten der Gleichspannungen an der Vielzahl von Kondensatoren auf weist, wobei die Hilfsregelkreisanordnung so ausgebildet ist, daß sie den Mittelwerten der Gleichspannungen an den Kondensatoren proportionale erste Signale (V₂₁, V₂₂ . . . ) mit zweiten Signalen (V′_m) verknüpft, die Abgriffströmen (I_D, I_E . . . ) proportional sind, die in die Knotenpunkte (Verbindungspunkte) der Vielzahl von Kondensatoren strö men, und die Zeitpunkte, in denen die Kondensator- Knotenpunkte mit dem Wechselstromsystem verbunden werden, über die Haupt-Regelkreisanordnung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Verknüpfung des ersten und zweiten Signals so moduliert, daß das vorbestimmte Verhältnis der Konden sator-Spannungen ausgebildet wird.

2. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hilfsregelkreisanordnung eine Vielzahl von Hilfsregelkreisen aufweist, die jeweils ein erstes Verknüpfungsglied (83) mit einem ersten Eingang zur Auf nahme eines ersten Signals (V_e2), das der Differenz zwi schen der mittleren Gleichspannung an jeweils einem Kon densator und einer weiteren Gleichspannung proportional ist, und einem zweiten Eingang zur Aufnahme eines zweiten Signals (V′_m), das einem Abgriffstrom, der in einen mit dem jeweiligen Kondensator verbundenen Knotenpunkt fließt, proportional ist, aufweisen.

3. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das erste Verknüpfungsglied ein erster Mul tiplizierer (83) ist und der Hilfsregelkreis einen Sub trahierer (81) mit einem ersten Eingang zur Aufnahme der mittleren Gleichspannung an dem jeweiligen Kondensator und einem zweiten Eingang zur Aufnahme der weiteren Gleichspannung aufweist, und daß ein Ausgang (82) des Subtrahierers mit dem ersten Eingang des ersten Multipli zierers (83) verbunden ist.

4. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß dem zweiten Eingang des Subtrahierers eine weitere Gleichspannung als Bezugsspannung zuführbar ist und der Hilfsregelkreis dadurch so ausgebildet ist, daß er einen vorbestimmten absoluten Bezugsmittelwert der Gleichspannung an dem jeweiligen Kondensator ausbildet.

5. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß dem zweiten Eingang des Subtrahierers eine weitere Gleichspannung zuführbar ist, die dem Mittelwert der Gleichspannung an einem anderen Kondensator propor tional ist, wobei der erwähnte jeweilige Kondensator und der erwähnte andere Kondensator ein Kondensator-Paar (21, 22) bilden, daß dem zweiten Eingang des ersten Multipli zierers ein zweites Signal zuführbar ist, das Ab griffströmen proportional ist, die in Knotenpunkte flie ßen, die mit dem erwähnten Kondensator-Paar verbunden sind, wodurch der Hilfsregelkreis so ausgebildet ist, daß er ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen den Mittelwerten der Gleichspannungen an dem erwähnten Kondensator-Paar (21, 22) ausbildet.

6. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hilfsregelkreis ein zweites Verknüp fungsglied (93) aufweist, das einen mit dem zweiten Ein gang des ersten Multiplizierers (83) verbundenen Ausgang sowie einen ersten und einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines ersten und eines zweiten Signals aufweist, die Ab griffströmen (I_E, I_F) proportional sind, die in die jewei ligen Knotenpunkte strömen, die mit dem erwähnten Konden sator-Paar verbunden sind.

7. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hilfsregelkreis ein Gewichtungsmittel (91, 92) in dem einen Eingang oder beiden Eingängen des zweiten Verknüpfungsgliedes (93) aufweist.

8. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das zweite Verknüpfungsglied (93) und das Gewichtungsmittel (91, 92) so ausgebildet sind, daß, wenn der Wandler in Betrieb ist, das Ausgangssignal des zwei ten Verknüpfungsgliedes (93) die Differenz zwischen dem einen der ersten und zweiten Signale, die proportional den Abgriffströmen sind, und im wesentlichen dem Zweifa chen des anderen darstellt.

9. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß dem zweiten Eingang des Subtrahierers (81) eine weitere Gleichspannung zuführbar ist, die proportio nal dem Mittelwert der Spannungen an allen Kondensatoren ist.

10. Mehrstufen-Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Signale, die den Abgriffströmen proportional sind, durch eine Meßeinrich tung (95) abgeleitet werden, die den durch das induktive Mittel (48) fließenden Strom mißt, und daß die Hilfsre gelkreise jeweils einen Taktgeber (94) aufweisen, der den in der Meßeinrichtung gemessenen Strom (I_A) zur nachge schalteten Schaltungsanordnung als das zweite Signal, das den Kondensator-Abgriffströmen proportional ist, in den jenigen Zeiten (t₂-t₃, t₄-t₅) durchläßt, in denen der durch das induktive Mittel fließende Strom den Kondensator- Abgriffströmen entspricht, die zu dem jeweiligen Konden sator oder Kondensator-Paar gehören.

11. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Maßeinrichtung (95) ein Stromtransfor mator ist.

12. Mehrstufen-Wandler nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (60) ein drittes Verknüpfungsglied (66), einen spannungs gesteuerten Oszillator (61), dem das Ausgangssignal des dritten Verknüpfungsgliedes (66) zugeführt wird, und ein Reihenfolgesteuermittel (62, 63) aufweist, dem das Aus gangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators zuge führt wird und das die Schalteinrichtung steuert, wobei das dritte Verknüpfungsglied (66) einen ersten Eingang (67) zur Aufnahme eines Signals, das einen zu regelnden Parameter darstellt, einen zweiten Eingang (68) zur Auf nahme eines Bezugssignals, das einen Sollwert des zu re gelnden Parameters darstellt, und einen dritten Eingang (69) zur Aufnahme eines Signals (V_m) zur Ausbildung des vorbestimmten Verhältnisses zwischen den Mittelwerten der Gleichspannungen an der Vielzahl von Kondensatoren auf weist.

13. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Regeleinrichtung einen Addierer (85) zum Summieren der Ausgangssignale des ersten Verknüp fungsgliedes (83) in den verschiedenen Hilfsregelkreisen aufweist und der Ausgang des Addierers mit dem dritten Eingang des dritten Verknüpfungsgliedes (66) verbunden ist.

14. Mehrstufen-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß das Reihenfolgesteuermittel einen Binärzäh ler (62) mit einem Takteingang, dem das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (61) zugeführt wird, und einer Vielzahl binärer Ausgänge, sowie einen Fest wertspeicher (63) mit einer Vielzahl von Adresseneingän gen, die jeweils mit Binärausgängen des Zählers verbunden sind, einer Vielzahl von Speicherplätzen und einer Viel zahl von Datenausgängen (64), durch die die Schaltein richtung (30) in Abhängigkeit von einem Muster von Daten, die in den adressierten Speicherplätzen gespeichert sind, schaltbar ist, aufweist.

15. Statischer Blindleistungskompensator, dadurch gekenn zeichnet, daß er einen Mehrstufen-Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, der so ausgebildet ist, daß er dem Wechselstromsystem eine einstellbare kapaziti ve oder induktive Blindleistung entzieht.

16. Wechselstrom-Wechselstrom-Koppeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Mehrstufen-Wandler (10, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, die gegensin nig hintereinander geschaltet sind, so daß sie dieselbe Kondensator-Gruppe (20) gemeinsam benutzen.

17. Mehrstufen-Wandleranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Mehrstufen-Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, und die Mehrstufen- Wandler für den Anschluß an ein Wechselstromsystem paral lel geschaltet sind und daß die jeweiligen Schalteinrich tungen der Wandler so angeordnet sind, daß sie zu ver schiedenen Zeiten geschaltet werden und das Äquivalent eines einzelnen Mehrstufen-Wandlers mit einer Anzahl von Stufen bilden, die etwa gleich der Summe der Stufen der einzelnen Wandler ist.