DE19815672A1 - Leistungselektronische Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße leistungselektronische Schaltungsanordnung dient der stromstoßarmen Zuschaltung von mindestens einem Kompensationskondensator an ein induktiv belastetes Wechsel- oder Drehstromnetz, um durch Induktion hervorgerufene Blindleistung zu kompensieren. Zu dem Zweck enthält die Schaltungsanordnung mindestens einen elektronischen Schalter, der den Kompensationskondensator nur dann an das Netz schaltet, wenn die Spannung über dem elektronischen Schalter selbst bei Null liegt, wodurch auch die Höhe der Restladung auf dem Kompensationskondensator belanglos ist. DOLLAR A Ohne zusätzliche stromstoßdämpfende Mittel kann der Kompensationskondensator innerhalb von zwei Perioden spannungssynchron eingeschaltet und zu jedem beliebigen Zeitpunkt wieder abgeschaltet werden, wodurch die Schaltungsanordnung auch vorteilhaft für Steuer- und Regeleinrichtungen zur Anwendung kommen kann, die der Phasenkompensation dienen. DOLLAR A Durch die Art der Anschaltung wird eine hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitig geringster Freisetzung von Störimpulsen und Wärme erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Schaltungsanordnung zur stromstoßarmen Zuschaltung mindestens eines Phasenkompensationskondensators an ein induktiv belastetes Energieversorgungsnetz oder an einen Verbraucher mit induktivem Anteil. Auf diese Weise werden durch Induktion in einem elektrischen Stromkreis entstehende Blindleistungen kompensiert.

Bekanntlich werden zur Kompensation induktiver Blindleistungen Phasenschieberkondensatoren mit mechanischen Schaltern ein- und ausgeschaltet, deren Trägheit einen definierten Einschaltzeitpunkt zur Momentanspannung des Netzes nicht zuläßt. Dadurch kann eine stromstoßfreie und spannungssynchrone Kondensatorzuschaltung nicht sichergestellt werden. In einem ungünstigen Fall kann ein entladener Kondensator bei maximaler Momentanspannung des Netzes zugeschaltet werden; noch problematischer ist das Zuschalten eines zur Momentanspannung gegenpolig geladenen Kondensators. In beiden Fällen fließen erhebliche Ausgleichströme, die die eingesetzten Bauteile stark belasten, und somit deren Lebensdauer und Betriebszuverlässigkeit stark beeinträchtigen. Durch eine Überdimensionierung aller stromleitenden Bauteile werden diese verteuert. Beim Schaltvorgang entstehende Oberwellen können erhebliche nachteilige Folgen für das speisende Netz und daran angeschlossene Verbraucher haben (elektromagnetische Verträglichkeit). Verbraucher mit fest eingebauten Kompensationskondensatoren zeigen ein ähnliches Verhalten, deshalb wird aus Gründen der Zuverlässigkeit oft auf eine dezentrale Kompensation der Blindleistung zugunsten einer zentralen Kompensation verzichtet. In diesem Falle müssen die Blindströme mit übertragen werden, was zu einer größeren Auslegung der Leiterquerschnitte und der zugehörigen Elektroarmaturen zwingt. Die auftretenden Energieverluste sowie der erhöhte Materialeinsatz haben volkswirtschaftliche Dimensionen. Werden stromstoßdämpfende Hilfsbauteile bei der Zuschaltung von Kompensationskondensatoren eingesetzt, so wird dadurch die Ökonomie der Kompensation durch Wirkleistungsverluste bei gleichzeitiger Wärmefreisetzung verringert. Die wiederholte An- und Abschaltung eines Kompensationskondensators kann nicht sehr schnell erfolgen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine leistungselektronische Schaltungsanordnung zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und es ermöglicht, den oder die Kompensationskondensatoren stromstoßarm und spannungssynchron bei gleichzeitig hoher Betriebszuverlässigkeit und geringer Bauteilebelastung an das Netz anzuschalten. Gleichzeitig soll eine hohe Wiederholungsrate des Schaltvorgangs erzielbar sein, wie es beim Einsatz in Steuer- und Regeleinrichtungen erforderlich ist. Durch starke Reduzierung der freigesetzten parasitären Energie im Schaltmoment soll auch das bei jedem Schaltvorgang entstehende Störspektrum auf einen Wert reduziert werden, der in hohem Maße elektromagnetisch verträglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die Anordnung stellt somit einen elektronischen Schalter dar, der mittels einer Synchronisationseinrichtung nur dann einschaltbar ist, wenn die Spannungsdifferenz zwischen seinen Schaltanschlüssen Null oder nahe Null ist bzw. wenn die auf dem Kompensationskondensator gespeicherte Spannung der Momentanspannung der anstehenden Netzphase (R, S oder T) zumindest nahezu gleich ist. Die Größe der auf dem Kondensator stehenden Spannung ist somit belanglos, solange sichergestellt ist, daß diese nicht höher als die Netzspitzenspannung ist. Ist dies der Fall, so erfolgt solange keine Zuschaltung des Kompensationskondensators/ der Kompensationskondensatoren, bis diese Bedingung hergestellt ist.

Der elektronische Schalter besteht aus:
mindestens einer synchronisierten Schaltstufe, die unmittelbar in der Lage ist, Wechselstrom zu schalten, oder
mindestens einer synchronisierten Schaltstufe im Gleichstromzweig einer Graetz-Gleichrichterbrücke, die für beide Halbwellen des Verschiebestromes wirksam ist, oder
zwei synchronisierten Schaltstufen, deren Stromflußrichtungen jeweils durch eine Diode vorgegeben sind, so daß für jede Verschiebestromhalbwelle eine zugeordnete synchronisierte Schaltstufe wirkt.

Sind die Stromflußrichtungen durch zwei Dioden festgelegt, so sind die gegensinnig wirkenden Schaltstufen vorteilhaft komplementär zueinander ausgelegt, so daß sich günstige Potentialverhältnisse im elektronischen Schalter ergeben.

Die synchronisierten Schaltstufen können vorteilhaft durch eine elektronische Überstromsicherung ergänzt werden. Diese Sicherung bewirkt im Ansprechfall durch ihre momentane Wirkung die Auslösung (Triggerung) eines regenerativen Prozesses in der synchronisierten Schaltstufe, der zur Abschaltung dieser Schaltstufe führt.

Eine konventionelle Schaltstufe in diesem Sinne besteht aus einem oder mehreren Bauteilen (insbesondere Transistoren und Widerständen), die im Zusammenwirken mindestens drei äußere Anschlüsse aufweisen und als Schalter wirken können. Einer der Anschlüsse ist der Steueranschluß. Er muß nicht elektrisch, sondern kann z. B. auch optisch realisiert werden. Mittels eines von außen angelegten, vorzugsweise diskreten Steuersignals (ein/aus) soll nahezu zeitgleich die Leitfähigkeit zwischen zwei Schaltanschlüssen vom nichtleitenden in den leitenden Zustand und umgekehrt veränderbar sein, wobei Zwischenzustände in möglichst kurzer Zeit zu durchlaufen sind. Für die Realisierung einer derartigen Schaltstufe besteht eine Vielzahl von an sich bekannten Varianten.

Jeder dieser konventionellen Schaltstufen ist eine oben genannte Synchronisationseinrichtung zugeordnet, wodurch sie zur erfindungsgemäß synchronisierten Schaltstufe wird. Werden mehrere Schaltstufen der gleichen Verschiebestromeinrichtung zur Erhöhung der schaltbaren Ströme zusammengeschaltet, so muß nicht jeder Schaltstufe eine eigene Synchronisationseinrichtung zugeordnet sein; u. U. kann für alle Schaltstufen eine Synchronisationseinrichtung genügen. Die Synchronisation der Schaltstufe(n) erfolgt durch direkte oder indirekte Rückkopplung der Spannung des gegen das Bezugspotential der synchronisierten Schaltstufe potentialmäßig höherliegenden und als Kontakt genutzten Schaltanschlusses (bspw. Kollektor) zum Steueranschluß der Schaltstufe. Ein Hauptmerkmal der Anordnung ist ein in die Rückkopplungsschleife eingefügtes nichtlineares Glied, durch das die Rückkopplung verzögert wirksam wird, und zwar erst wenn der Schwellwert des nichtlinearen Gliedes überschritten wird. Als nichtlineares Glied innerhalb der als Mitkopplung wirkenden Rückkopplungsschleife wird hierbei ein Bauteil oder eine komplexe Anordnung verstanden, bei dem/der ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Strom und Spannung besteht, sofern es sich um einen Zweipol handelt (z. B. Z-Diode). Wirkt das Bauteil bzw. die Anordnung als Vierpol, dann kann eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen seinem Eingang und Ausgang genutzt werden. Dabei kann sowohl der Eingang als auch der Ausgang für Strom oder Spannung oder eine Kombination beider möglich sein. Die Phasenlage der Rückkopplung zum Steuereingang ist dergestalt, daß bei einsetzender Rückkopplungswirkung die zugehörige Schaltstufe in Form einer Mitkopplung sehr schnell und progressiv ausgeschaltet (hochohmig) wird, falls sie es nicht bereits schon war. Ist diese Funktion bauelementebedingt nicht direkt möglich, dann ist in die Rückkopplungsschleife ein Inverter bzw. eine Phasendrehstufe einzufügen.

Weiterhin können Maßnahmen zur Pegelanpassung innerhalb der Rückkopplungsschleife getroffen werden.

Die synchronisierte Schaltstufe läßt sich nur dann einschalten, wenn die Spannung über den Schaltanschlüssen kleiner als die wirksam werdende Schwellspannung des nichtlinearen Gliedes innerhalb der Rückkopplungsschleife ist. Dieses gilt auch sinngemäß, wenn die Spannung am potentialhöheren Schaltanschluß der eingeschalteten Schaltstufe über den wirksamen Schwellwert des Rückkopplungseinsatzes ansteigt. Dabei erfolgt eine regenerativ wirkende Abschaltung der synchronisierten Schaltstufe, die erst beim nächsten Nulldurchgang der Spannung über den Schaltanschlüssen der Stufe wieder wirkungslos wird. Dieses Verhalten kann für eine konstruktiv einfache Überstromabschaltung genutzt werden, wenn der zulässige Spannungsabfall am den Verschiebestrom unmittelbar schaltenden Bauteil es zuläßt. Ist das unzulässig, dann kann ein Serienwiderstand zwischen dem genannten Bauteil und einem der beiden Schaltanschlüsse den erforderlichen Spannungsabfall erzeugen.

Für größere Schaltstufen kann eine Überstromsicherung günstig sein, die an einem Strommeßwiderstand im Verschiebestromkreis der Schaltstufe(n) eine dem Momentanwert des Verschiebestromes entsprechende Spannung erzeugt. Diese Spannung kann dann einem weiteren spannungsabhängigen nichtlinearen Glied zugeführt werden, welches auf geeignete Weise direkt oder indirekt auf die Rückkopplung oder auf die Ansteuerung der Schaltstufe so einwirkt, daß die Leitfähigkeit zwischen den Schaltanschlüssen bei gleichzeitiger Zunahme des Spannungsabfalls über der Schaltstufe soweit verringert wird, bis die regenerative Wirkung der synchronisierenden Rückkopplung zur schnellen Abschaltung der Schaltstufe führt. Hier ist der Einsatz eines schnellen Komparators günstig, damit der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand nicht so große Werte annehmen muß, wie dies bei Verwendung eines bipolaren Transistors als schwellwertempfindliches Bauelement erforderlich ist. Der Widerstand ist dabei sinnvoll zwischen dem Bezugspotential der Schaltstufe und deren dem Bezugspotential näher liegenden Schaltanschluß einzufügen (z. B. Emitter). Der Einsatz eines bipolaren Transistors zum Zwecke der Überstromabschaltung ist nur bei kleinen zu schaltenden Strömen von Vorteil. Bei der Zusammenschaltung mehrerer, den Verschiebestrom unmittelbar schaltender Bauelemente zum Zwecke der Erhöhung der Schaltleistung können diese von nur einer Synchroneinrichtung angesteuert werden. Es ist aber aus Sicht der Zuverlässigkeit und der Bauteiltoleranzen günstiger, wenn mehrere komplette Schaltstufen mit ihren jeweiligen Überwachungsschaltungen zu Schaltergruppen vereinigt werden.

Die Anordnung kann komplett oder in wesentlichen Teilen integriert gestaltet sein.

Es ist belanglos, wie hoch die auf dem Kompensationskondensator noch gespeicherte Spannung ist, wenn nur gewährleistet ist, daß der Kompensationskondensator bei nach Richtung und Betrag zumindest nahezu gleicher Momentanspannung des Netzes angeschaltet wird. Ein der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung von außen zugeführtes Eingangssignal bewirkt nur den Start des in dieser Schaltungsanordnung ablaufenden Synchronisierungsprozesses, nicht aber die unmittelbare Einschaltung des elektronischen Schalters, weil die Synchronität Priorität hat. Ist keine externe Steuermöglichkeit vorgesehen, dann erfolgt die Anschaltung des Phasenkompensationskondensators im nächsten Synchronmoment autonom. Das innere Einschaltkriterium für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist der Spannungsnulldurchgang über dem elektronischen Schalter. Die Spannung über den verschiebestromschaltenden Schaltanschlüssen des elektronischen Schalters bewirkt also selbst die Festlegung des Zeitpunktes der Zuschaltung des Kompensationskondensators und damit der Synchronität. Diese Zuschaltung erfolgt bei beliebig hoher Restladung innerhalb von zwei Perioden der an den zunächst noch ausgeschalteten Schaltanschlüssen liegenden Spannung. Bedingung ist dabei, daß der elektronische Schalter durch Zuschaltung seiner Betriebsspannung und, falls vorgesehen, durch ein externes Steuersignal aktiviert wurde. Die Schaltungsanordnung überwacht die Spannung über dem und den Strom durch den elektronischen Schalter unter besonderer Berücksichtigung der zugehörigen Grenzwerte, die durch die wirksam werdenden Schwellwert der zugeordneten nichtlinearen Glieder festgelegt sind. Da hierbei verschiedene Grenzwerte für einen gemeinsamen Teil (Schaltstufe) der Anordnung verarbeitet werden, der Bestandteil der Mitkopplungsschleife ist, wird bei jeder Grenzwertverletzung ein regenerativer Prozeß eingeleitet, der zur temporären Abschaltung der entsprechenden synchronisierten Schaltstufe innerhalb des elektronischen Schalters führt. Somit stellt die entsprechende synchronisierte Schaltstufe einen Zwischenspeicher dar, der erst nach der Beseitigung der Ursache der Grenzwertverletzung im darauf folgenden Nulldurchgang der Spannung über dem elektronischen Schalter wieder in seinen Normalbetrieb übergeht. Bei einem Überstrom bedeutet das, daß der elektronische Schalter zwar nach jedem Nulldurchgang der Spannung über ihm ständig zugeschaltet wird, bei Grenzwertüberschreitung aber sofort wieder abschaltet, wenn nicht besondere Maßnahmen zum Zwecke einer ständigen Abschaltung getroffen worden sind. Über die Externsteuerung ist dies sehr einfach realisierbar, wenn bspw. nach zwanzig hintereinander erfolgenden Überstromabschaltungen ein Kompensationskondensatordefekt naheliegt. Dieser Schaltzustand kann auch angezeigt werden. Als Kriterium der Bewertung ist unter anderem das Ausgangssignal der Überstromabschaltung im elektronischen Schalter nutzbar, welches auf geeignete Weise extern weiterzuverarbeiten ist. Wird der elektronische Schalter durch eine synchronisierte Schaltstufe im Gleichstromzweig einer Graetz-Gleichrichter-Brücke realisiert, so legt letztere die Stromrichtung durch die synchronisierte Schaltstufe fest. Sollen jedoch zusätzliche Steuerfunktionen von außen auf die Schaltungsanordnung ausgeübt werden oder sollen mehrere elektronische Schalter gleichzeitig von einer Betriebsspannungsquelle versorgt werden, so treten bei Anwendung einer Graetz-Gleichrichter-Brücke im elektronischen Schalter Potentialprobleme auf. Zu deren Vermeidung kann es vorteilhaft sein, im elektronischen Schalter eine stromrichtungsgebundene Aufteilung des Verschiebestroms, vorzugsweise in Form von zwei entgegengesetzt geschalteten Gleichrichtern bzw. Dioden vorzunehmen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist dann eine Aufteilung in zwei Gleichstrompfade auf, die je eine synchronisierte Schaltstufe sowie steuernd auf diese einwirkende Funktionselemente enthalten. Somit ist jeder Diode eine Teilschaltung nachgeordnet, die zur der der anderen Diode nachgeordneten Teilschaltung komplementär oder nicht komplementär (spiegelbildlich) ist. Wird die komplementäre Zusammenschaltung als günstig angesehen, so ergibt sich für beide Verschiebestromzweige innerhalb des elektronischen Schalters ein gemeinsames Bezugspotential mit seinen Vorzügen.

Das einer synchronisierten Schaltstufe zugeordnete nichtlineare Glied kann ein Transistor, eine integrierte Schaltung (evtl. mit Außenbeschaltung) oder eine andere Schaltungskonfiguration sein, sofern damit ein Schwellwert realisierbar ist. Dies gilt für den Grenzwert der maximalen Einschaltspannung der synchronisierten Schaltstufe innerhalb der Rückkopplungsschleife ebenso wie für den Grenzwert der Überstromabschaltung, falls dieser getrennt realisiert wird. Das eigentliche, den Verschiebestrom schaltende Bauelement innerhalb einer synchronisierten Schaltstufe ist vorzugsweise ein Transistor (V-MOS, IGBT, bipolarer Transistor usw.). Ein oder mehrere erfindungsgemäße elektronische Schalter können vorteilhaft in Steuer- und Regeleinrichtungen zur Phasenkompensation angewendet werden, wobei jedem verwendeten elektronischen Schalter, der bei derartiger Anwendung mit einem externen Steuereingang versehen ist, ein Kompensationskondensator zugeordnet ist. Entsprechend ihrem Eingangssteuersignal können die elektronischen Schalter die zugeordneten Kompensationskondensatoren sehr schnell und sicher sowie ohne zusätzliche stromstoßdämpfende Maßnahmen ein- und ausschalten. Sind darüber hinaus die Kompensationskondensatoren hinsichtlich ihrer Kapazitätswerte binär gestaffelt, dann ist bei geeigneter Ansteuerung der elektronischen Schalter trotz relativ geringer Gesamtkapazität der Kompensationskondensatoren ein großer Einstellbereich der wirksamen Kompensationskapazität bei kleiner Stufung möglich. Eine auf diese Art aufgebaute Regelung muß mit einem Regler ausgestattet sein, der diskrete (ein/aus) Steuersignale an die elektronischen Schalter abgibt, wobei dem Regler der Istwert des Phasenwinkels zwischen Verbraucherstrom und Netzspannung von einem Phasenwinkelmeßgerät zugführt wird. Da der Sollwert des Phasenwinkels günstigerweise bei Null Grad liegt, kann er im Regler fest eingestellt sein.

Eine derart ausgestattete Schaltungsanordnung ist besonders für Kleinverbraucher von Bedeutung. Die in Einrichtungen zur Phasenkompensation mittels Steuerung oder Regelung anwendbare erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann zumindest teilweise als integrierte Schaltung aufgebaut sein.

Die erforderliche Leistung zum Betreiben des elektronischen Schalters sowie der steuernd auf diesen Schalter einwirkenden Funktionselemente kann sehr gering gehalten werden; in Abhängigkeit vom Verwendungszweck und vom Aufbau des elektronischen Schalters sind unterschiedliche Methoden zur Gewinnung seiner Betriebsspannung(en) möglich. Wird der elektronische Schalter für sich, ohne externe Ansteuerung betrieben, so ist eine Spannungsversorgung direkt aus dem Netz über einen Vorschaltwiderstand oder einen Vorschaltkondensator mit nachfolgender Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung bzw. Spannungsbegrenzung möglich. Dies gilt besonders bei kleinen geschalteten Verschiebeströmen und beim Einsatz von Feldeffekt- Bauelementen als Schalter. Werden mehrere elektronische Schalter gleichzeitig betrieben, dann ist eine Spannungsversorgung über einen Trafo günstig, besonders wenn elektronische Schalter mit komplementären synchronisierten Schaltstufen zum Einsatz kommen. In diesem Fall genügen für beliebig viele elektronische Schalter zwei kleine Gleichspannungen gegen das gemeinsame Bezugspotential aller verwendeten elektronischen Schalter.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von elf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltungsanordnung zur Kompensation der Blindleistung eines einzelnen Verbrauchers,

Fig. 2 die wesentlichen Teile einer derartigen Schaltungsanordnung mit zwei gepolten synchronisierten Schaltstufen,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der sich eine synchronisierte Schaltstufe im Gleichstromzweig einer Graetz-Gleichrichterbrücke befindet,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung mit Graetz-Gleichrichter und Überstromschutzschaltung,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung mit Halbwellenzuordnung durch zwei Dioden,

Fig. 6 eine synchronisierte Schaltstufe für die positive Halbwelle,

Fig. 7 eine synchronisierte Schaltstufe für die negative Halbwelle mit einem Komparator, der die Synchronisation und den Überstromschutz gleichzeitig bewirkt,

Fig. 8 eine mit Komparatoren ausgelegte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zwei synchronisierten Schaltstufen,

Fig. 9 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der Synchronisation und Überstromschutz getrennt erfolgen,

Fig. 10 eine Kombination von erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen mit Mitteln zur geregelten Phasenkompensation und

Fig. 11 eine Kombination von erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen mit Mitteln zur Phasenkompensation durch Steuerung.

An Hand der Fig. 1 wird das Grundprinzip einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Schaltungsanordnung in Analogie zu einer Relaisschaltung erläutert. Diese Schaltungsanordnung 10 ist mit einem elektronischen Schalter 11, einem Strommeßwiderstand 13 und einer Synchronisationseinrichtung 12 dargestellt, die ihrerseits aus einem spannungsabhängigen nichtlinearen Glied 14 und einem Wirkglied (Anker, Relais) 15 besteht. Nach außen wirkende Schaltanschlüsse der Schaltungsanordnung 10 sind mit 16 und 17 bezeichnet; über sie ist ein Kompensationskondensator 18 an einen komplexen Verbraucher 19 angeschaltet. Der Verbraucher 19 wird mit Hilfe eines Netzschalters 20 in Netzanschlußpunkten 21, 22 an ein Wechselspannungsnetz 23 geschaltet. Der Verbraucher 19 hat einen ohmschen Realteil 24 und einen induktiven Blindteil 25, von denen der Einfluß des letzteren kompensiert wird.

Die Synchronisationseinrichtung 12 bewirkt nicht nur die spannungssynchrone Zuschaltung des Kompensationskondensators 18 an den Verbraucher 19, sondern übernimmt auch die Überstromabsicherung innerhalb einer die Synchronisationseinrichtung 12, den Schalter 11 und den Strommeßwiderstand 13 umfassenden Rückkopplungsschleife 26.

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sollen nun folgende Voraussetzungen gelten:

• 1. Das Relais 11, 15 hat keine Anzugs- und Abfallverzögerung;
• 2. die Anzugs- und Abfallspannung des Relaisankers 15 ist Null;
• 3. die auf dem Kompensationskondensator 18 gespeicherte Spannung ist Null;
• 4. die an den Anschlüssen 21, 22 anliegende Wechselspannung weist im Einschaltmoment des Netzschalters 20 den Spitzenspannungswert als Momentanspannung auf;
• 5. der Widerstand 13 hat einen dem Verschiebestrom angemessenen kleinen Wert, der beim Nennverschiebestrom einen Spannungsabfall erzeugt, der kleiner ist als der Spannungsschwellwert des nichtlinearen Gliedes 14, wodurch die Rückkopplungsschleife 26 im normalen Verschiebestrombereich stromlos ist;
• 6. die Schwellspannung des nichtlinearen Gliedes 14 beträgt in beiden Stromrichtungen etwa 1 Volt. Oberhalb dieser Spannung ist das nichtlineare Glied 14 leitend, unterhalb dieser Spannung ist es nichtleitend und unterbricht somit eine Mitkopplung.

Wird der Verbraucher 19 durch Betätigung des Schalters 20 an das Netz 23 angeschlossen, so fließt über den Kompensationskondensator 18 ein hoher Ausgleichstrom, der im wesentlichen nur durch den Widerstand 13 beschränkt wird. Die Spannung an den Schaltanschlüssen 16, 17 wird demzufolge gleich der Netzspannung, wodurch das nichtlineare Glied 14 sofort leitend wird und der Anker 15 den Kontakt sofort öffnet; die erfindungsgemäße Anordnung wirkt also als Überstromsicherung in einem Spezialfall, der beim normalen Schalterbetrieb nicht vorkommt, wie untenstehend noch beschrieben wird. Gleichzeitig hat die Anordnung Speichereigenschaften, wodurch der Kontakt 11 offen bleibt bis die Spannung an den Schaltanschlüssen 16, 17 den Schwellwert des nichtlinearen Gliedes 14 unterschreitet, wodurch eine Mitkopplung 26 unwirksam wird. Daraufhin fällt der Anker 15 ab, und der Kompensationskondensator 18 wird durch den geschlossenen Kontakt 11 mit dem Netz 23 verbunden. Der Zuschaltmoment des Kompensationskondensators 18 muß dabei nicht mit dem Nulldurchgang der Netzwechselspannung zusammenfallen, sondern es besteht nur die Forderung nach einer zumindest annähernden Gleichheit der Momentanspannung des Netzes 23 mit der Spannung auf dem Kondensator 18; in diesem Augenblick besteht Synchronität zwischen beiden Spannungen und der Augenblick der Synchronität wird hier als Synchronmoment bezeichnet. Nur im Synchronmoment fließt beim Zuschalten des Schalters 11 kein nennenswerter Ausgleichstrom über die Schalterkontakte, weil auch die Spannung über den Schalterkontakten zumindest nahezu Null ist.

Es ist zu beachten, daß beim Einsatz elektronischer Schalter eine asynchrone Zuschaltung des Kompensationskondensators 18 einen Störfall (z. B. bei Netzhavarien) darstellt, der durch den Schalter dann abgefangen werden kann, wenn die Anstiegsflanke beim Aufbau des Einschaltstromes weniger steil ist als die Abschaltflanke der Überstromsicherung des elektronischen Schalters. Ist dies nicht möglich, kann eine nacheilende Zuschaltung der Betriebsspannung des elektronischen Schalters mit geringer Anstiegsflanke ebenfalls ein sicheres Einschalten des Kompensationskondensators 18 bewirken. Dieser Zustand ergibt sich von selbst, wenn das nicht dargestellte Netzteil zur Betriebsspannungsversorgung der Schaltungsanordnung 10 auch aus dem zu kompensierenden Netz 23 gespeist wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß mit nur einem nichtlinearen Glied 14 zwei verschiedene schwellwertbezogene Vorgänge beeinflußbar sind. Der Schalter 11 ist also nur einschaltbar, wenn die Schaltspannung und der Schaltstrom einen vorgegebenen Höchstwert nicht überschreiten.

In Fig. 2 ist ein elektronischer Schalter 27 mit zwei gepolten Schaltstufen 28 und 29 zur Realisierung dieses Schalters für Wechselstrom dargestellt. Zwei entgegengesetzt angeordnete Dioden 30 und 31 ordnen jeder synchronisierten Schaltstufe 28, 29 eine Halbwelle des zu schaltendenden Verschiebestromes über einen Kompensationskondensator 18 zu, der mit Hilfe von Schaltkontakten 16, 17 an Anschlußpunkten 21, 22 an ein zu kompensierendes Netz bzw. an einen eine Induktivität enthaltenden Verbraucher anschaltbar ist.

Abweichend von Fig. 2 ist in Fig. 3 ein elektronischer Schalter 32 mit nur einer synchronisierten Schaltstufe 28 dargestellt, die sich im Gleichstromzweig eines Graetz-Gleichrichters 34 befindet, der vier Dioden 35, 36, 37, 38 aufweist. Dadurch ist nur eine erfindungsgemäße Schaltstufe 28 (gegenüber zwei Schaltstufen 28 oder 29 in Fig. 2) erforderlich. Im übrigen erfolgt die Kompensation der Blindleistung in einem an Anschlüssen 21, 22 anliegenden Netz durch spannungssynchrones Einschalten eines Kompensationskondensators 18 über die Schaltanschlüsse 16, 17 des Schalters 32, infolge der Wirkung der synchronisierten Schaltstufe 28. Diese schaltet nur dann den Kompensationskondensator 18 zu, wenn kein unzulässig hoher Ausgleichstrom über ihre Kontakte fließt.

Die Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 39 in Verbindung mit einem Kompensationskondensator 18 und einem zu kompensierenden Verbraucher 19, bestehend aus einem Realteil 40 und einem induktiven Anteil 41. Der Verbraucher 19 ist über einen Schalter 20 und Anschlüsse 19, 20 an ein Netz 23 angeschlossen, wird von diesem gespeist. Die für den Kompensationskondensator 18 wirksamen Schaltkontakte der Schaltungsanordnung 39 sind wieder mit 16, 17 bezeichnet. Ein Anschluß 42 der Schaltungsanordnung 39 dient einer externen Abschaltmöglichkeit, ein weiterer Anschluß 43 der Ausgabe eines Statussignals einer Überstromabschaltung 44. Die Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem Graetz-Gleichrichter 34 und einer synchronisierten Schaltstufe 28 in dessen Gleichstromzweig. Dabei umfaßt die synchronisierte Schaltstufe 28 eine Schaltstufe 46, eine Synchronisationseinrichtung 45 und die Überstromschutzschaltung 44, die unter bestimmten Bedingungen entfallen kann.

Über den Anschluß 43 kann der Status der Überstromschutzschaltung 44 nach außen gegeben werden, um mit Hilfe nicht dargestellter externer Mittel bspw. folgende Wirkungen zu erzielen:

• 1. Treten mehrere Überstromabschaltungen in Folge auf, dann kann durch eine solche externe Vorrichtung (bspw. Rechner) nach einer bestimmten Anzahl von Überstromabschaltungen dieser Zustand als Kondensatordefekt bewertet werden und zur Stillegung des defekten Kondensators 18 über den Anschluß 42 eingewirkt werden.
• 2. Es können Prognosen über die Qualität des Kompensationskondensators 18 erstellt werden, die sich auf geringfügige spontane Durchschläge im letzteren stützen.
• 3. Die ausgegebenen Impulse der Überstromschutzschaltung 44 können zur Abgabe von Signalen benutzt werden.

Um die genannten Wirkungen auch zu erreichen, wenn die Überstromüberwachung 44 entfällt, kann dazu das unmittelbar auf eine konventionelle Schaltstufe 46 wirkende Steuersignal über den Anschluß 43 der Schaltungsanordnung 39 herausgeführt werden.

Die Überstromabschaltung 44 kann durch zwei Grundprinzipien realisiert werden:

• 1. Es besteht die Möglichkeit, den Spannungsabfall an einem Widerstand, der vom Verschiebestrom durchflossen wird, mittels eines separaten nichtlinearen Gliedes (z. B. Komparator, bipolarer Transistor) als schwellwertbestimmendes Funktionselement zu nutzen, die Schaltstufe 46 bzw. die synchronisierte Schaltstufe 28 bei einem Überstrom durch die Überstromüberwachung (Überstromabschaltung) 44 abzuschalten. Dies kann dadurch geschehen, daß auf beliebige Weise die Ansteuerung der Schaltstufe 46 durch die Überstromüberwachung 44 verringert wird, bis der Spannungsabfall über der Schaltstufe 46 so weit erhöht ist, daß der Schwellwert der Synchroneinrichtung 45 erreicht wird. Von da an wird die eingeleitete (getriggerte) Abschaltung nur noch von der Synchroneinrichtung 45 bestimmt und kann von der Überstromüberwachung 44 nicht mehr abgebrochen werden. Da demnach die Überstromabschaltung 44 auf die Mitkopplung einwirkt, wird auch bei einem Überstrom ein regenerativer Abschaltvorgang mit einem zeitweiligen Speichereffekt erreicht. 2. Eine andere Realisierungsmöglichkeit für die Überstromabschaltung 44 besteht darin, die Synchroneinrichtung 45, bzw. deren nichtlineares Glied, für die Überstromabschaltung mitzubenutzen, wodurch die Überstromabschaltung 44 entfällt. Dabei bewertet die Synchroneinrichtung 45 die Spannung über der Schaltstufe 46, in die erforderlichenfalls ein Serienwiderstand einzubringen ist, der vom Verschiebestrom mit durchflossen wird. Die Synchroneinrichtung 45 überwacht somit zwei verschiedene Ursachen für eine Spannung über der Schaltstufe 46. Zum einen überwacht sie die Spannung über der abgeschalteten Schaltstufe 46, um den Zeitpunkt des Nulldurchganges der Spannungsdifferenz von Netzspannung und Kompensationskondensatorspannung, also den Synchronmoment zu ermitteln. Zum anderen überwacht sie den stromabhängigen Spannungsabfall über der eingeschalteten Schaltstufe 46, der sich aus der Summe der Spannungsabfälle hier nicht dargestellter Bauteile, wie eines Schaltstufentransistors und, falls eingefügt, eines Serienwiderstandes ergibt. In beiden Überwachungsfällen bewirkt die Überschreitung des Spannungsschwellwertes der Synchroneinrichtung 45 die regenerative Abschaltung der Schaltstufe 46 bzw. der synchronisierten Schaltstufe 28 mit temporärer Zwischenspeicherung.

Da die beiden Möglichkeiten der Überstromabschaltung direkt oder indirekt auf einen Teil der Mitkopplungsschleife einwirken, ist auch das Ergebnis der Wirkung beider Überstromabschaltungsvarianten prinzipiell gleich. Der Speicherzustand der Abschaltung wird erst im nächsten Nulldurchgang der Spannung über der Schaltstufe 46 bzw. der synchronisierten Schaltstufe 28 wieder aufgehoben.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung 47, die aus einem Halbwellenzuordner 48 mit zwei Gleichrichtern und zwei gegensinnig gepolten synchronisierten Schaltstufen 28 und 29 für jeweils eine Halbwelle des Verschiebestromes besteht. Jede synchronisierte Schaltstufe 28 bzw. 29 enthält einen Überstromabschalter 44 bzw. 44', eine Synchroneinrichtung 45 bzw. 45' und eine konventionelle Schaltstufe 46 bzw. 46'. Die synchronisierte Schaltstufe 28 für positive Halbwellen des Verschiebestroms wurde im Detail bereits in Fig. 4 beschrieben. Die synchronisierte Schaltstufe 29 für negative Halbwellen ist hier komplementär zur Schaltstufe 28 gestaltet, wodurch ein gemeinsames Bezugspotential am Schaltanschluß 17 des elektronischen Schalters 47 ermöglicht wird. Dies ist vorteilhaft für die hier nicht dargestellte Betriebsspannungsversorgung der Schaltungsanordnung (des elektronischen Schalters) 47. Die komplementäre synchronisierte Schaltstufe 29 wirkt unter Berücksichtigung der inversen Potentialverhältnisse und Leitfähigkeitstypen der Halbleiterbauelemente wie die bereits beschriebene Schaltstufe 28. Die einzige Abweichung besteht in der externen Steuermöglichkeit am Anschluß 42' und in der Abgabemöglichkeit für das Statussignal der Überstromüberwachung am Anschluß 43' des elektronischen Schalters 47.

Im übrigen ist diese Schaltungsanordnung 47 an den für den Kompensationskondensator 18 wirksamen Kontakten 16, 17 funktionsgleich der Schaltungsanordnung 39 in Fig. 4, der elektronisch Schalter 47 schaltet also den Kompensationskondensator erst dann ein, wenn die in ihm gespeicherte Spannung der momentanen Netzspannung wenigstens nahezu gleich ist. Die beiden synchronisierten Schaltstufen legen den Zeitpunkt des Einschaltens fest und bewirken die Einschaltung des Kompensationskondensators 18.

In Fig. 6 ist eine der o. g. synchronisierten Schaltstufen, bspw. die Schaltstufe 28, für die positive Halbwelle des Verschiebestromes (Wechselstromes) mit Schaltanschlüssen 49, 50 detailliert dargestellt, von denen der Anschluß 49 das Bezugspotential beinhaltet. Eine Diode 51 leitet den Sperrstrom von einer nicht dargestellten, externen Diode ab und vermeidet somit eine unzulässig hohe Inversspannung, durch die die Schaltstufe 28 selbst gefährdet wäre. Die Zuführung der positiven Betriebsspannung für einen Sourcefolger mit einem selbstsperrenden V- MOS-Transistor 33 erfolgt über einen Anschluß 53. Ein Spannungsteiler 54, 55 wirkt als Sourcewiderstand und als Basisspannungsteiler für einen bipolaren Schalttransistor 56. Im Normalzustand ist der Schalttransistor 56 leitend, und der über ihn fließende Verschiebestrom erzeugt an ihm und an einem Strommeßwiderstand 57 einen stromabhängigen Spannungsabfall, der kleiner ist als der eingestellte Schwellwert eines als spannungsabhängiges nichtlineares Glied eingesetzten bipolaren Transistors 58 innerhalb einer Mitkopplungsschleife, die die Transistoren 58, 33 und 56 enthält. Die Summe der Spannungen über dem Schalttransistor 56 und dem Widerstand 57 wird über einen aus Widerständen 59, 60 bestehenden Spannungsteiler der Basis des Synchronisationstransistors 56 zugeführt. Wird die geteilte Spannung an der Basis des Transistors 58 größer als die Basisemitterspannung, dann wird dieser zunehmend leitend, der Spannungsabfall über seinem Arbeitswiderstand 61 vergrößert sich, so daß der Sourcefolger mit dem Transistor 33 und dem Sourcespannungsteiler 54, 55 die Basis des Schalttransistors 56 weniger ansteuert. Dadurch entsteht eine Mitkopplung, die die synchronisierte Schaltstufe 28 progressiv abschaltet, wenn die Spannung am Anschluß 50 der synchronisierten Schaltstufe 28 den wirksamen Schwellwert des nichtlinearen Gliedes mit dem Transistor 58 übersteigt. Dabei ist es belanglos, ob diese Spannung durch einen Überstrom oder durch Zuschalten einer zu hohen Spannung an die Hauptanschlüsse 49, 50 entsteht. In jedem Fall wird die Schaltstufe 28 regenerativ abgeschaltet.

Wird der Schwellwert nur kurzzeitig überschritten, dann beginnt der Transistor 56 zu sperren, wodurch ein Spannungsanstieg am Anschluß 50 der synchronisierten Schaltstufe 28 bedingt ist; dadurch wird der weitere Abschaltvorgang progressiv unterstützt bis die Schaltstufe 28 vollständig abgeschaltet ist.

Der Abschaltzustand bleibt so lange erhalten, bis der im wesentlichen durch die Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 58 eingestellte Schwellwert wieder unterschritten wird. Da zwei Funktionen auf einen Schwellwert bezogen werden, können die Grenzwerte für die maximale Einschaltspannung und damit die Synchronisation in geringem Maße am Spannungsteiler 59, 60 und für den Abschaltstrom mit dem Widerstand 57 festgelegt werden. Die synchronisierte Schaltstufe 28 gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß die Synchronisation und die Überstromabschaltung auf einfachste Weise vereinigt sind. Der Betriebszustand kann über einen Anschluß 62 der synchronisierten Schaltstufe 28 zur externen Bearbeitung übergeben werden.

In Fig. 7 wird bspw. die synchronisierte Schaltstufe 29 für die negative Halbwelle des Verschiebestromes gezeigt, der über die Schaltanschlüsse 49, 50 geschaltet wird, wobei der Anschluß 49 wieder als Bezugspotential dient. Der Ableitung des Sperrstromes von der hier ebenfalls nicht gezeigten externen Diode zur Stromrichtungszuordnung dient eine Diode 63. Ein Komparator 64 ist ohne seine Betriebsspannungszuführung dargestellt. Liegt am Gate eines selbstsperrenden MOS-P-Kanal-Transistors 52 eine negative Spannung an, dann ist die Schaltstufe 29 eingeschaltet. Die stromabhängige Summe der Spannungsabfälle über dem Kanal des Transistors 52 und einem Widerstand 65 wird als Kriterium für die Überstromabschaltung benutzt. Dabei kann der Widerstand 65 entfallen, wenn keine Überstromabschaltung erfolgen soll oder wenn der zulässige Spannungsabfall über dem eingeschalteten Transistor 52 dazu ausreicht. Wesentlich ist die Rückkopplung der Spannung am Anschluß 50 über das als Komparator 64 ausgebildete nichtlineare Glied innerhalb einer Mitkopplungsschleife, die im wesentlichen den die Synchronisation ermöglichenden Komparator 64 und den Transistor 52 umfaßt. Solange die durch Widerstände 66, 67 geteilte Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 64 nicht den in einem Anschluß 68 vorgegebenen Schwellwert übersteigt, erhält das Gate des Transistors 52 eine negative Spannung, der Transistor 52 ist eingeschaltet, die Mitkopplung ist nicht wirksam.

Wird am Anschluß 50 eine negative Spannung wirksam, die den am Komparator 64 eingestellten Schwellwert übersteigt, setzt sofort eine regenerative Abschaltung der Schaltstufe 29 derart ein, daß sich die Gatespannung des Transistors 52 verringert, wodurch dieser in den Sperrzustand übergeht. Dadurch steigt die Spannung am Anschluß 50 weiter an, wodurch die Mitkopplungswirkung solange unterstützt wird, bis die Schaltstufe 29 vollständig abgeschaltet ist. Diesen Zustand behält die Schaltstufe 29 bei, bis die Spannung über dem Anschluß 50 wieder unter den eingestellten Schwellwert sinkt. Dann verläuft der geschilderte Vorgang umgekehrt. Die Einschaltung des Transistors 52 hat ein schnelles Absinken der Spannung am Anschluß 50 zur Folge, so daß in Form einer Mitkopplung der Einschaltvorgang des Transistors 52 beschleunigt wird.

Die am Anschluß 50 anliegende Schwellenspannung ist durch die Wahl des Teilerverhältnisses der Widerstände 66, 67 und durch die am Anschluß 68 angelegte negative Referenzspannung, vorzugsweise auf 0,5 bis 1,0 Volt, festgelegt.

An einem weiteren Anschluß 69 wird der Schaltzustand der synchronisierten Schaltstufe 29 zur externen Weiterverarbeitung ausgegeben.

Fig. 8 beinhaltet eine insbesondere für Kleinverbraucher geeignete Schaltungsanordnung 70, die zwei synchronisierte Schaltstufen 28 und 29 aufweist.

Mit 16 und 17 sind die Schalteranschlüsse für einen außerhalb der Schaltungsanordnung 70 befindlichen, nicht dargestellten Kompensationskondensator bezeichnet. Die Schaltungsanordnung 70 hat keine Möglichkeit der Einflußnahme von außen, sie arbeitet also autonom, wie dies beispielsweise in Kühlschränken, Waschmaschinen u. ä. Kleinverbrauchern sinnvoll ist, bei denen der Kompensationskondensator erst kurze Zeit nach dem Einschalten der Netzspannung automatisch zugeschaltet werden soll.

Zwei Komparatoren 71, 72 sind ohne ihre Betriebsspannungsversorgungen dargestellt.

Die zueinander komplementär aufgebauten Schaltstufen 28, 29 sind über Dioden 73, 74 jeweils einer Halbwelle des Verschiebestromes zugeordnet, deren Sperrströme mit entsprechenden Dioden 75, 76 abgeleitet werden. Den beiden synchronisierten Schaltstufen 28, 29 sind unter Berücksichtigung der Polaritäten und der Kanaldotierung Transistoren 77, 78 in ihrer Funktion vergleichbar. Jedem der beiden Schalttransistoren 77, 78 ist einer der Komparatoren 71, 72 zugeordnet, der hier als nichtlineares spannungsabhängiges Bauteil innerhalb einer Rückkopplungsschleife 79 bzw. 80 wirkt und mit seinem vorzugsweise bipolaren Ausgangssignal direkt den Transistor 77 bzw. 78 ansteuert und somit als Synchroneinrichtung wirkt. Dazu wird die Summe der Spannungsabfälle über dem Schalttransistor 77 und einem Widerstand 81 über die Spannungsrückführung 79 einem Widerstandsteiler 82, 83 zugeführt, der die geteilte Spannung zum Synchronisationsvergleich am Komparator 71 bereitstellt. Sinngemäß das Gleiche erfolgt mit der Summenspannung über dem Transistor 78 und einem Widerstand 84, die über die Spannungsrückführung 80, einen Widerstandsteiler 85, 86 zugeführt wird, dessen Teilspannung am Komparator 72 der Synchronisation dient. Hierzu wird die jeweilige geteilte Spannung an den invertierenden Eingängen der Komparatoren 71 und 72 mit jeweils einer Referenzspannung aus Spannungsquellen 87, 88 an den nicht invertierenden Eingängen der Komparatoren 71, 72 verglichen.

Somit ist der elektronische Schalter 70 nicht einschaltbar, wenn eine der zurückgeführten Spannungen an den invertierenden Eingängen der Komparatoren 71, 72 größer ist als die am entsprechenden nicht invertierenden Eingang vorgegebene Referenzspannung, wobei der jeweils wirksame Schalttransistor 77 bzw. 78 dann nicht angesteuert bzw. leitend ist.

Ohne Bedeutung ist dabei, wodurch die Spannung am jeweiligen invertierenden Eingang der Komparatoren 71, 72 entstanden ist. Die Abschaltung innerhalb der dann wirksamen Mitkopplung 79, 80 erfolgt auf jeden Fall. Es liegt eine Kombination von Synchronisation und Überstromabschaltung vor. Somit ist ein spannungssynchrones Zuschalten des nicht dargestellten Kompensationkondensators über die Anschlüsse 16, 17 sichergestellt. Der Spannungsbereich für eine zulässige Anschaltung des Kompensationskondensators kann durch die Wahl der Spannungsteilerverhältnisse der Widerstände 82, 83 bzw. 85, 86 oder durch die Höhe der jeweiligen Referenzspannung der Spannungsquellen 87, 88 eingestellt werden. Die Grenzwerte für die Überstromabschaltung in den beiden Verschiebestromhalbwellen können ebenso eingestellt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den stromabhängigen Spannungsabfall durch Variieren der Widerstände 81, 84 zu verändern.

In Fig. 9 ist ein Verbraucher 19 mit einem ohmschen Anteil 24 und einem induktiven Anteil 25 über einen Schalter 20 an ein ihn speisendes Wechselspannungsnetz 23 angeschlossen, wobei der ohmsche Anteil 24 für die folgenden Betrachtungen unerheblich ist. Der induktive Anteil 25 soll mit Hilfe eines Kompensationskondensators 18 kompensiert werden. Damit beim Zuschalten des Verbrauchers 19 mittels des Schalters 20 kein hoher Ausgleichstrom über den Kondensator 18 fließt, wird dieser über die Schaltanschlüsse 16, 17 der Schaltungsanordnung 10 in dem Moment an den Verbraucher 19 angeschaltet, in dem die Differenz zwischen der auf dem Kondensator 18 gespeicherten Spannung und der Momentanspannung des Netzes 23 zumindest nahezu Null ist (Synchronmoment).

Dies geschieht durch zwei zu beiden Seiten einer auf den komplementären Aufbau hinweisenden Symmetrielinie 89 liegende Teile 90, 91, die im Moment der Spannungsgleichheit die Schaltanschlüsse 16, 17 miteinander verbinden. Dabei ist der Teil 90 aus einer sychronisierten Schaltstufe für positive Halbwellen 28 und einem Halbwellenzuordner 48 (Fig. 5) entstanden, dessen Funktion eine Diode 92 ausübt. Eine Ausgabemöglichkeit für ein Statussignal (über den Betriebszustand) ist für beide Teile 90, 91 nicht dargestellt.

Der Teil 91 der Schaltungsanordnung 10 ist mit dem Teil 90 unter Berücksichtigung der entgegengesetzten Polaritäten und der Leitfähigkeitstypen der Halbleiterbauelemente funktionsgleich. Der Teil 91 ist dabei aus einer synchronisierten Schaltstufe 29 und dem Halbwellenzuordner 48 (Fig. 5) entstanden, dessen Funktion durch eine Diode 93 ausgeübt wird.

Zwei Dioden 94 und 95 bewirken eine vollständige Ableitung der Sperrströme von den Dioden 92 und 93, wodurch die inverse Spannung an zwei Transistoren 96 und 97 auf jeweils einen Wert begrenzt wird, der die gesamte Anordnung 10 nicht gefährdet. Beide Halbwellen des Verschiebestromes durchfließen einen Widerstand 98, an dem ein stromabhängiger Spannungsabfall entsteht, der für die Überstromabschaltung in beiden komplementären Teilen 90 und 91 der Schaltungsanordnung 10 erforderlich ist. Die Einleitung des Überstrom- Abschaltvorganges erfolgt durch zwei bipolare Transistoren 99 und 100 jeweils in der sie betreffenden Halbwelle, wenn ihre Basis-Emitter- Schwellspannung überschritten wird. Widerstände 101, 102 begrenzen dabei den Basisstrom der Transistoren 99 und 100.

Die Trennung der Funktionen Überstromabschaltung und Synchronisation kann für eine Optimierung der Schaltungsanordnung 10 sinnvoll sein. Eine Überstromabschaltung kann auch dadurch realisiert werden, daß die Transistoren 99 und 100 sowie die zugehörigen Widerstände 101 und 102 weggelassen werden, siehe hierzu auch Fig. 8. An Stelle der Transistoren 99, 100 ist der Einsatz von Komparatoren möglich.

In dem die positive Halbwelle verarbeitenden komplementären Teil 90 erhält der Schaltstufentransistor 96 nur dann eine Einschaltspannung am Gate, wenn die Transistoren 104, 105 und 99 an einem Arbeitswiderstand 106 keinen Spannungsabfall erzeugen. Dies gilt gleichermaßen für den die negative Halbwelle verarbeitenden komplementären Teil 91 mit dem Schaltstufentransistor 97 und den Transistoren 107, 108 und 100 an deren Arbeitswiderstand 109.

In Fig. 9 besteht die Synchronisationsvorrichtung für den links der Symmetrielinie 89 liegenden, die positive Halbwelle verarbeitenden Teil 90 aus einem Begrenzerwiderstand 110, über den die Spannung vom Drain des Schalttransistors 96 an die Basis des Synchronisationstransistors 105 geführt wird, sowie einem gemeinsamen Arbeitswiderstand 106. Für den rechts der Symmetrielinie 89 befindlichen Teil 91, der die negative Halbwelle des Verschiebestromes verarbeitet, wirken der Synchronisationstransistor 108, der Arbeitswiderstand 109 und ein Begrenzerwiderstand 111 sinngemäß. Mit 112 und 113 sind interne Anschlüsse für die positive bzw. negative Betriebsspannung bezeichnet, die bei 10 bis 20 Volt liegen kann. Die zugehörigen Spannungsquellen werden nur sehr wenig belastet, so daß diese Spannungen, evtl. ohne Netztransformator, in an sich bekannter Weise direkt aus dem Netz 23 gewonnen werden können. Ein derartiges Vorgehen ist auch unter dem Aspekt günstig, daß die durch zwei Optokoppler 114, 115 und 116, 117 erfolgende Potentialtrennung zu Externsteueranschlüssen 118, 119 berücksichtigt wird. Eine von einer externen Baugruppe 120 an die Anschlüsse 118, 119 angelegte Spannung bewirkt einen Strom durch die beiden Leuchtdioden 115, 117, einen Begrenzerwiderstand 121 und eine Verpolungsschutzdiode 122. Dabei werden die Fototransistoren 114 und 116 beider Optokoppler leitend und erzeugen einen Spannungsabfall an ihnen zugeordneten Arbeitswiderständen 123, 124, wodurch ein Sperren der beiden Inverter- Transistoren 104, 107 erfolgt. Die angesteuerten Anschlüsse 118, 119 bewirken also eine Einschaltfreigabe, die sich darin ausdrückt, daß am Steueranschluß der jeweiligen Schaltstufe, also an den Gates der Transistoren 96, 97 eine Spannung ansteht, wenn die Synchronisationstransistoren 105, 108 sowie die Überstromschutztransistoren 99, 100 gesperrt sind. Da im Schaltungsteil 90 die Transistoren 104, 105, 99 mit dem Arbeitswiderstand 106 und im komplementären Schaltungsteil 91 die Transistoren 107, 108, 100 mit dem Arbeitswiderstand 111 eine UND-Verknüpfung bewirken, genügt es, wenn nur einer dieser Transistoren leitend wird, um eine Abschaltung der betreffenden Schaltstufe 90 bzw. 91 zu erreichen.

In Fig. 10 erhält ein veränderbarer induktiver Verbraucher 19 seine Betriebswechselspannung über Netzanschlüsse 21, 22 aus einem nicht dargestellten Netz. Um mehrere Kompensationskondensatoren 125, 126, 127, 128 einzeln oder in beliebiger Kombination zum Verbraucher 19 sehr schnell und stromstoßarm an- oder abzuschalten, ist für jeden Kompensationskompensator eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 10 vorgesehen. Zur Bestimmung der tatsächlichen Phasenverschiebung ist ein Phasenwinkelmeßgerät 129 erforderlich, welches den Phasenwinkel zwischen der an den Netzanschlüssen 21, 22 zugeführten Netzspannung und dem aufgenommenen Strom in ein geeignetes Ausgangssignal umsetzt. Ein Regler 130 vergleicht den aus dem Phasenwinkelmeßgerät 129 kommenden Istwert der Phasenlage mit einem in ihm vorteilhaft mit Null vorgegebenen Sollwert. Tritt dabei eine Abweichung auf, dann gibt der Regler 130 ein der Abweichung entsprechendes diskretes Signal (ein/aus) an die Steuereingänge der Gruppe der elektonischen Schaltungsanordnungen 10 weiter. Je nach dem Signalpegel (H/L) am Eingang der jeweiligen Schaltungsanordnung 10 schaltet diese den an ihrem Schaltausgang angeschlossenen Kompensationskondensator 125 bzw. 126 bzw. 127 bzw. 128 ein oder aus.

Vorzugsweise sind die Kapazitätswerte der Kompensationskondensatoren 125 bis 128 binär gestaffelt, so daß mit nur vier Kompensationskondensatoren fünfzehn verschiedene Kapazitätswerte einstellbar sind. Dies setzt eine binäre Codierung des Ausgangssignals am Regler 130 voraus. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, einen weiteren Kompensationskondensator zu verwenden, um einen Mindestwert für eine erforderliche Kompensationskapazität zu realisieren.

Fig. 11 zeigt eine Steuerung zur Kompensation des Phasenwinkels der an Netzanschlüssen 21, 22 eingespeisten Netzspannung bezüglich des Betriebsstroms von angeschlossenen, induktiv behafteten Verbrauchern, die als Motoren 131, 132, 133, 134 ausgebildet sind. In Abhängigkeit von der Stellung von Schaltern 135, 136, 137, 138 gelangt eine Spannung an die Eingänge eines Wandlers 139, der im vorliegenden Fall vorzugsweise als Potentialtrenner gestaltet ist, um ein dem Einschaltzustand der Motoren 131 bis 134 entsprechendes diskretes Signal zu gewinnen. Das Ausgangssignal des Wandlers 139 stellt dann eine einem Datenwort vergleichbare Struktur dar, die den vorliegenden Schaltzustand aller Motoren 131 bis 134 eindeutig beschreibt. Um zugehörige Kompensationskondensatoren 125, 126, 127, 128 den Erfordernissen entsprechend ein- oder auszuschalten, sind erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen 140, 141, 142, 143 vorgesehen, deren Steuereingänge von einem Zuordner bzw. einem Umcodierer 144 angesteuert werden. Im Zuordner 144 wird aus der vom Wandler 139 bereitgestellten Signalstruktur eine Signalstruktur erzeugt, die geeignet ist, die Kompensationskondensatoren 125 bis 128 so anzuschalten, daß in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Motoren 131 bis 134 immer ein optimaler Wert für die Kapazität aus der kombinierten Zusammenschaltung der einzelnen Kompensationskondensatoren 125 bis 128 gebildet wird. Dabei kann sich eine vorteilhafte Ausführungsform ergeben, wenn die Kompensationskondensatoren 125 bis 128 binär gestaffelte Kapazitätswerte aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, für die Kompensationskondensatoren Gesamtkapazität einzusparen.

Der Zuordner 144 kann auch als Speicher ausgebildet sein, der durch das Signal des Wandlers 139 adressiert wird, um an seinen Datenausgängen die Steuersignale für die Eingänge der elektronischen Schaltungsanordnungen 140 bis 143 abzugeben. Ebenso kann der Zuordner 144 ein Rechner sein, wodurch eine hohe Flexibilität für Änderungen beim Austausch der Motoren 131 bis 134 möglich ist, wenn dies technologische Veränderungen erfordern. Durch den Rechner kann dabei auch eine Optimierung der erforderlichen Kompensationskapazität automatisch erfolgen, wenn die Motordaten dazu in geeigneter Form übergeben werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Zuordner 144 entfallen; in diesem Fall sind die Eingänge der Schaltungsanordnungen 125 bis 128 in geeigneter Weise direkt mit dem Wandler 139 verbunden. Die zu Fig. 11 beschriebene Steuerung kann bspw. an Werkzeugmaschinen zur Anwendung kommen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10

,

39

,

47

,

70

,

140

,

141

,

142

,

143

Schaltungsanordnungen

11

Relaiskontakt, Öffner

12

,

45

,

45

'Synchronisationseinrichtungen (Synchroneinrichtungen)

13

Strommeßwiderstand

14

nichtlineares Glied

15

Wirkglied

16

,

17

Schaltanschlüsse

18

,

125

,

126

,

127

,

128

Kompensationskondensatoren

19

Verbraucher

20

Netzschalter

21

,

22

Netzanschlüsse

112

,

113

interne Betriebsspannungsanschlüsse

23

Netz, Wechselspannungsnetz

24

,

40

ohmsche Realteile

25

,

41

induktive Blindteile

26

,

79

,

80

Rückkopplungsschleifen

27

,

32

elektronische Schalter

28

,

29

synchronisierte Schaltstufen

30

,

31

,

35

,

36

,

37

,

38

,

51

,

63

,

73

,

74

,

75

,

76

,

92

,

93

,

94

,

95

Gleichrichterdioden

33

,

52

,

56

,

77

,

78

,

96

,

97

,

99

,

100

,

104

,

107

Transistoren

34

Graetz-Gleichrichter

42

,

43

,

49

,

50

,

53

,

62

,

68

,

69

Anschlüsse

44

,

44

'Überstromabschalter

46

,

46

'konventionelle Schaltstufen

48

Halbwellenzuordner

54

,

55

;

59

,

60

;

66

,

67

;

82

,

83

;

85

,

86

Spannungsteiler

57

,

61

,

65

,

84

,

98

,

101

,

102

,

106

,

109

,

110

,

111

,

121

,

123

,

124

Widerstände

58

,

105

,

108

Synchronisationstransistoren

64

,

71

,

72

Komparatoren

87

,

88

Spannungsquellen

89

Symmetrielinie

90

,

91

Teile

114

,

115

;

116

,

117

Optokoppler

114

,

116

Fototransistoren

115

,

117

Leuchtdioden

118

,

119

Externanschlüsse

120

externe Baugruppe

122

Verpolungsschutzdiode

129

Phasenwinkelmeßgerät

130

Regler

131

,

132

,

133

,

134

Motoren

135

,

136

,

137

,

138

Schalter

139

Wandler

144

Zuordner bzw. Umcodierer

Claims (13)

1. Leistungselektronische Schaltungsanordnung zum Zuschalten mindestens eines Kompensationskondensators an ein induktiv belastetes elektrisches Energieversorgungsnetz oder an einen Verbraucher mit induktivem Anteil, gekennzeichnet durch mindestens einen elektronischen Schalter, der den Kompensationskondensator nur dann zuschaltet; wenn die Spannungsdifferenz zwischen seinen Schaltanschlüssen zumindest angenähert Null ist.

2. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter mindestens eine Schaltstufe umfaßt.

3. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Synchronisationseinrichtung, die der mindestens einen Schaltstufe zugeordnet ist, diese synchronisiert und nur dann schaltet, wenn eine vorgegebene Synchronbedingung erfüllt ist.

4. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine elektronische Schalter in einem Wechselstromkreis angeordnet ist.

5. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die synchronisierte Schaltstufe sich im Gleichstromkreis einer Graetz-Gleichrichterbrücke befindet.

6. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter zwei synchronisierte Schaltstufen aufweist, deren Stromflußrichtungen durch jeweils eine Diode vorgegeben sind.

7. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter oder die synchronisierten Schaltstufen zumindest teilweise als integrierte Schaltkreise ausgebildet sind.

8. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter oder die synchronisierten Schaltstufen als diskret realisierte komplexe Schaltungen ausgebildet sind.

9. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Schalter oder den synchronisierten Schaltstufen eine sich selbst entriegelnde Überstromsicherung mit Triggerwirkung zugeordnet ist.

10. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter drei Anschlüsse aufweist, von denen zwei Schaltanschlüsse sind und der dritte der Betriebsspannungsversorgung dient.

11. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter oder die synchronisierten Schaltstufen Transistoren beinhalten.

12. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Einrichtungen verwendet wird, die der Phasenkompensation mittels Regelung oder Steuerung dienen.

13. Leistungselektronische Schaltungsanordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschluß zur Externsteuerung und mindestens ein Anschluß zur Übergabe von Schaltzuständen vorhanden ist.