DE19937069A1 - Elektrisch-elektronisches Bauelement zur Kompensation von induktiven Anteilen in elektrischen Netzen - Google Patents

Abstract

Ein elektrisch-elektronisches Bauelement dient zur Kompensation von induktiven Anteilen in elektrischen Wechselspannungsnetzen und vermeidet gleichzeitig Impulsströme im Einschaltmoment. Weiterhin ermöglicht es die optimale Kompensation von induktiven Anteilen in dezentralen Steuer- und Regelanordnungen. Hierzu besteht das Bauelement aus mindestens einem Kondensator und einem elektronischen Schalter, der den Kondensator nur anschaltet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen seinen Schaltanschlüssen zumindest angenähert gleich Null ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch-elektronisches Bauelement zur Kompensation von induktiven Anteilen in elektrischen Netzen gemäß der Gattung der Patentansprüche, das insbesondere bei schaltbaren bzw. veränderlichen induktiven Verbrauchern in Wechselstromkreisen zur Anwendung kommt.

Bekanntlich werden als Kompensationskondensatoren speziell gestaltete Wickelkondensatoren eingesetzt, die bspw. in zylindrischen Aluminium- oder Plastbechern gefaßt sind. Die Kontaktierung der Belagsanschlüsse dieser Kondensatoren muß für erhebliche Impulsströme ausgelegt sein, weil bei der Anwendung von mechanischen Schaltern zwischen dem Einschaltzeitpunkt des Kompensationskondensators und der Momentanspannung des speisenden Netzes kein zeitlicher Zusammenhang besteht und deshalb beim Einschalten relativ starke Ausgleichsströme fließen können. Damit die Belagskontaktierungen diesen Impulsströmen standhalten, müssen sie entsprechend dimensioniert werden, was eine Vergrößerung und Verteuerung der Kompensationskondensatoren zur Folge hat. Die Betriebezuverlässigkeit der Kompensationskondensatoren und der Anlagen, in denen die Kompensationskondensatoren zweckentsprechend verwendet werden, wird durch die hohen Impulsströme beim Einschaltvorgang negativ beeinflußt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch-elektronisches Bauelement so auszubilden, daß es die induktive Blindleistung bei gleichzeitiger Vermeidung von Impulsströmen im Einschaltmoment kompensiert. Weiterhin soll das genannte Bauelement geeignet sein, eine optimale Kompensation in dezentralen Steuer- und Regelanordnungen zu ermöglichen.

Die Wirtschaftlichkeit vorgeordneter Energieübertragungs- und Schaltanlagen, soll durch die systemübergreifenden Wirkungen des Bauelementes erhöht werden, wobei der Verringerung der Komplexität der dort erfolgenden Schaltvorgänge besondere Bedeutung zukommt.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Der mindestens eine Kondensator und der mindestens eine elektronische Schalter sind auf diese Weise zu einem Hybridbauelement vereinigt. Der elektronische Schalter schaltet den zugeordneten Kondensator und verhindert die Entstehung nennenswerter Impulsströme. Er verringert somit die Anforderungen an die Stromimpulsfestigkeit des Kondensators und erhöht dessen Betriebezuverlässigkeit ebenso wie die Zuverlässigkeit der Anlagen, in denen dieses Hybridbauelement eingesetzt wird.

Da der elektronische Schalter den/die Kondensatoren in schneller Folge und ohne nachteilige Nebeneffekte aus- und einschalten kann, dient er somit auch der Realisierung schneller Regel- und. Steuereinrichtungen zur optimalen Phasenkompensation. Durch die Art der Zuschaltung des Kondensators bzw. der Kondensatoren wird die einspeisungsseitige Komplexität der kompensierten Verbraucher verringert, was sich auf die Sicherheit und Ökonomie vorgeordneter Energieübertragungsanlagen positiv auswirkt. Nachfolgend wird der elektronische Schalter als Synchronschalter und das Hybridbauelement, welches aus einem Synchronschalter und mindestens einem Kondensator besteht, als Synchronkondensator bezeichnet.

Zur Realisierung unterschiedlicher, einzeln zuschaltbarer Kapazitätswerte, wie diese in Steuer- und Regelanordnungen benötigt werden, können mehrere Synchronkondensatoren mit vorzugsweise binär gestaffelten Einzel-Kapazitätswerten räumlich zusammengefaßt werden. Diese besondere Bauform eines elektronisch geschalteten Mehrfachkondensators soll im weiteren als Binärkondensator bezeichnet werden.

Beim Binärkondensator hat demzufolge der durch die Anschlußkennzeichnung oder Lage definierte, nachfolgend höherwertige, zuschaltbare Einzelkondensator den doppelten Kapazitätswert des vorangegangenen Einzelkondensators.

Zur Erzielung der erforderlichen Genauigkeit kann dabei jeder Einzelkondensator durch mehrere aufeinander abgestimmte, vorausgemessene und entsprechend zusammengefügte Teilkondensatoren realisiert sein.

Technologisch kann dies derart erfolgen, daß jeder Kondensator nach dem Wickelvorgang und der Kontaktierung ausgemessen und in einem Magazin separat abgelegt wird; dabei werden dessen Kapazität und Standort elektronisch gespeichert. Bei der späteren Fertigung der Binärkondensatoren, werden die geeigneten Einzelkondensatoren anhand der gespeicherten Werte berechnet, ausgewählt und zusammengefügt. Dabei können entweder alle Einzelkondensatoren für einen Binärkondensator direkt und ohne zusätzliche Abgleichkondensatoren zusammengestellt werden; dies ist möglich, weil die Toleranz der Gesamtkapazität eines Binärkondensators nicht kritisch ist. Oder es wird jeder Einzelkondensator von vornherein aus zwei oder mehreren Teilkondensatoren zusammengesetzt, wobei die Einzelkondensatoren in Abhängigkeit von der Größe des Magazins der Teilkondensatoren mit nahezu ideal kleinen Toleranzen gefertigt werden können. Dies käme auch einer Volumenoptimierung des Kondensatorgehäuses entgegen.

In beiden Fällen sind die erreichbaren Toleranzen für die Einzelkondensatoren kleiner als beim Wickelvorgang. Die Einbeziehung bzw. der Einbau von Steuer- und Regelschaltungen in den Binärkondensator ist leicht möglich. Ein dadurch entstehendes Hybridbauelement soll im weiteren als Phasenregler bezeichnet werden. Ebenso besteht aber auch die Möglichkeit, die gesamte Elektronik außerhalb des Kondensatorengehäuses anzuordnen. Dann besteht der Binärkondensator, als Spezialbauform eines Mehrfachkondensators, nur noch aus den binär gestaffelten Einzelkondensatoren, welche wiederum aus Teilkondensatoren zusammengesetzt sein können.

Bei den Binärkondensatoren wird vorteilhaft jeweils ein Belagsanschluß aller enthaltenen Einzelkondensatoren einem gemeinsamen elektrischen Anschluß zugeordnet, der gleichzeitig Bezugspotential für die elektronischen Teile sein kann.

Die Binärkondensatoren können ebenso wie die Synchronkondensatoren in ein prismatisches oder zylindrisches Metall- oder Plastgehäuse eingebaut und in diesem vergossen sein. Dasselbe trifft für die genannten Phasenregler zu. Die Anschlüsse können bspw. als Kabel herausgeführt sein; eine besonders für die Printmontage geeignete Anschlußform sind Stiftanschlüsse.

Synchronkondensatoren und Binärkondensatoren können so aufgebaut sein, daß der zulässige maximale Impulsstrom nur geringfügig größer ist als der Nennverschiebestrom. Für die Belagskontaktierung kommen alle Verfahren in Betracht, die unter anderem dieser Mindestforderung genügen.

Als Kondensatorfolien können die gebräuchlichen Folien verwendet werden, wie sie auch bei konventionellen Kompensationskondensatoren zur Anwendung gelangen. Durch den Verguß der/des Wickels, vorzugsweise in einem Plastgehäuse (bspw. ABS), ist eine gute Klimasicherheit gepaart mit einer ausreichenden Langzeitstabilität der Kenndaten ebenso erreichbar wie ein wirksamer Berührungsschutz.

Da bei Verwendung von feldgesteuerten Transistoren (im weitesten Sinne Feldeffekttransistoren) im Synchronschalter kaum Wärme freigesetzt wird, ist dieser günstigerweise zusammen mit dem zugehörigen Kondensator in ein gemeinsames Gehäuse eingebaut.

Ein derartig realisierter Synchronkondensator weist u. U. nur zwei Anschlüsse auf, wenn auf eine zusätzliche Steuerung und die Ausgabe eines Statussignales verzichtet wird.

Wird bei der Errichtung einer elektrotechnischen Anlage an Stelle eines bekannten Kompensationskondensators ein erfindungsgemäßer Synchronkondensator verwendet, so wird sich bei geeigneter Wahl der Bauform hinsichtlich des Raumbedarfs und der Schaltungstechnik bei der Montage kein Unterschied ergeben. Für diesen Hybriden sind zwei Bauformen günstig. Eine Bauform besteht aus einem zylindrischen Al-Becher mit Schraubgewinde und Lötösen oder Kabelanschluß. Dabei kann der Al-Becher auch durch einen geeigneten Plaststoff ersetzt werden. Die andere Bauform weist ein prismatisches Gehäuse auf, das bei der Montage Vorteile bieten kann. Eine eventuell erforderliche Kühlfläche kann an der jeweiligen Aufspannfläche des Gehäuses vorgesehen sein. Andere Gehäusebauformen sind möglich.

Für Steuer- und Regelzwecke ist der erfindungsgemäße Binärkondensator besonders geeignet. Beim Binärkondensator kann mit geringem Aufwand auf der Ansteuerseite eine sehr feine und lineare Abstufung des jeweils diskret eingestellten Gesamtkapazitätswertes erreicht werden. Das Volumen dieses speziellen Mehrfachkondensators ist optimal klein. Eine Ansteuerung von außen entfällt, wenn in den Binärkondensator als Hybridbauelement eine Regeleinrichtung mit eingebaut wird, wodurch ein Phasensregler für Kleinverbraucher entsteht. Wird der Istwert dieser Regeleinrichtung, durch eine Messung der Netzstromaufnahme gewonnen, dann ist ein spezieller Regler erforderlich, der nach einem Verfahren arbeitet, das im folgenden als stromabhängige Phasenkompensation bezeichnet wird. Durch Kompensation der induktiven Blindanteile des Verbrauchers wird der aus dem Netz aufgenommene Strom auf seinen Kleinstwert geregelt; dies ist letztendlich das Ziel jeder Phasenkompensation. Dieses Verfahren hat wegen seiner Schmalbandigkeit und wegen seiner Störfestigkeit eine Reihe von Vorteilen.

Der Binärkondensator ist vorteilhaft in ein prismatisches Gehäuse eingebaut, da bei diesem eine großflächige Wärmeableitung über eine möglicherweise erforderliche Kühlfläche sowie ein volumenoptimales automatisches Fügen relativ einfach realisierbar sind. Das Kondensatorgehäuse kann aus Metall hergestellt und mit Kühlrippen versehen sein. Ist eine hinreichende Wärmeableitung gewährleistet, so kann das Kondensatorgehäuse auch aus einem Plast bestehen.

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

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Synchron­ kondensators,

Fig. 2a) eine Seitenansicht und b) eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Synchronkondensators,

Fig. 3 ein Schaltbild zur Anwendung eines Synchronkondensators mit einem Verbraucher,

Fig. 4 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Binärkondensators,

Fig. 5 das geöffnete Gehäuse eines Binärkondensators,

Fig. 6 einen Binärkondensator mit Anschlußstiften,

Fig. 7 die Schaltung eines Phasenreglers,

Fig. 8 einen erfindungsgemäßen stromabhängigen Phasenregler zur Phasenkompensation,

Fig. 9 die Schaltung eines Indikators für einen stromabhängigen Phasenregler und

Fig. 10 die Schaltung eines digitalen Reglers, der in Verbindung mit einem Indikator einen stromabhängigen Phasenregler ermöglicht.

In Fig. 1 umschließt ein Gehäuse 18 einen hybrid realisierten Synchronkondensator 17, einen Kondensator 101, Anschlüsse 28, 29 und einen Synchronschalter 35, welcher wiederum aus einem elektronischen Schalter 19 mit einer ihm zugehörigen Steuereinrichtung 20 besteht. Der Synchronkondensator 17 weist in seiner einfachsten Form nur die beiden Anschlüsse 28 und 29 auf, wodurch er wie ein bekannter Kompensationskondensator eingesetzt werden kann. Wesentlich für die Funktion ist, daß der elektronische Schalter 19 nur dann durch die Steuereinrichtung 20 geschlossen werden kann, wenn die Spannung über den Kontakten des Schalters 19 gleich oder nahezu Null ist. Zur Einhaltung dieser Bedingung spielt die Phasenlage außerhalb des Synchronkondensators 17 keine Rolle, da die Detektion des Schaltmoments am unmittelbaren Wirkungsort, dem Schalter 19 selbst erfolgt. Die für den Synchronschalter 35 erforderliche Betriebsspannungsgewinnung ist nicht dargestellt. Die erforderliche Hilfsenergie wird mit über die Anschlüsse 28, 29 zugeführt, wobei Anschluß 29 das Bezugspotential darstellt. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, über weitere, hier nicht dargestellte Anschlüsse, steuernd auf den Synchronschalter 35 einzuwirken, sowie ein Statussignal über dessen Schaltzustand herauszuführen. Die zusätzlichen Anschlüsse können auch über eine optische Schnittstelle realisiert werden. Zur Funktion des Synchronschalters 35 wird auf die deutsche Patentanmeldung 198 15 672.3 verwiesen.

Fig. 2 zeigt einen Synchronkondensator 10 mit einem zylindrischen Aluminiumbecher 11, einem mit Gewinde 12 versehenen Befestigungszapfen 13 an einer Frontfläche 14 und Lötösen 15 an der gegenüberliegenden Frontfläche zum Anschluß des Synchronkondensators 10 an einen nicht dargestellten elektrischen Stromkreis. Eine Beschriftung 16 gibt Auskunft über Aufbau und Anwendung des Synchronkondensators 10.

Der Netzanschluß des Synchronkondensators 10 kann auch über fest eingegossene Anschlußkabel erfolgen. Anstelle des Al-Bechers 11 ist ein Plastbecher verwendbar, durch den die Probleme der Isolation (Berührungsschutz) und Klimafestigkeit in einfacher Weise mit gelöst werden.

Ein nicht sichtbarer Synchronschalter ist zusammen mit einem ebenfalls nicht sichtbaren Kondensator in den Aluminiumbecher 11 eingebaut. Es kann von Vorteil sein, wenn die Frontfläche 14 mit dem Gewindezapfen 12 gleichzeitig der Verlustwärmeableitung des Synchronschalters dient. Dazu kann die Frontfläche 14 aus einem gut wärmeleitenden Isolierstoff oder einer potentialfreien Metallscheibe bestehen. Bei der Anwendung von Hochspannungs-Feldeffekt- Transistoren im Synchronschalter ist dies sicher kaum nötig.

Die Gehäuseform des Synchronkondensators 10 kann in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet variieren. Ebenso kann der Synchronkondensator 10 mit einer Umpressung versehen sein. Der vorstehend beschriebene Synchronkondensator 10 kann besonders bei einer Ein-Chip-Lösung für den Synchronschalter Bedeutung erlangen.

Fig. 3 zeigt eine typische Anwendung für einen Synchronkondensator 17, der sich mit einem Kondensator 101 und einem Synchronschalter 35 in einem Gehäuse 18 befindet. Zwei Anschlüsse 28, 29 dienen der elektrischen Verbindung mit einem zu kompensierenden Verbraucher 25, der aus einem ohmschen Anteil 26 und einem induktiven Anteil 27 besteht. An Anschlüssen 21 und 22 wird die Netzspannung 23 über einen Netzschalter 24 zugeführt. Durch die Wirkung des Synchronschalters 35 wird der Kondensator 101 nicht gleichzeitig mit der Einschaltung der Netzspannung 23 über den Netzschalter 24 mit dem Verbraucher 25 verbunden.

Der Zeitpunkt des Einschaltens des Kondensators 101 hängt einerseits von der Momentanspannung am Synchronschalter 35 und andererseits von der Verzögerung ab, die durch die nacheilende Bereitstellung der nicht dargestellten, internen Betriebespannungsversorgung des Synchronschalters 35 entsteht. Werden viele Synchronkondensatoren 17 gleichzeitig und parallel betrieben, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Einschaltverzögerungen in den einzelnen Synchronkondensatoren 17, durch spezielle Maßnahmen in diesen selbst, zueinander verschieden groß gestaltet sind. Sinnvoll ist auch die Verwendung eines in Fig. 3 nicht dargestellten Steueranschlusses, der optisch gestaltet sein kann, mit dem ebenfalls die Einschaltverzögerung variiert werden kann. Die Synchronbedingungen der Zuschaltung der einzelnen Synchronkondensatoren 17 werden dadurch nicht betroffen; durch die genannte Maßnahme kann aber ein steilflankiger Phasensprung in nicht dargestellten vorgeordneten Energieverteilungsanlagen vermieden werden.

In Fig. 4 ist in einem Gehäuse 56 ein Binärkondensator 30 mit Anschlüssen 32, 33, 39, 40, 41, 42, Synchronschaltern 35, 36, 37, 38 und Einzelkondensatoren 43, 44, 45, 46 vorgesehen. Über die Anschlüsse 32, 33 wird der Binärkondensator 30 mit einem nicht dargestellten Verbraucher bzw. Wechselstromnetz verbunden, wobei der Anschluß 33 als Bezugspotential gilt. Die im Gehäuse 56 günstigerweise mit untergebrachte nicht dargestellte Betriebsspannungsversorgung erfolgt mit über die Anschlüsse 32, 33. Mit den Anschlüssen 39, 40, 41, 42 sind Steuereingänge der Synchronschalter 35, 36, 37, 38 verbunden, die die Kondensatoren 43, 44, 45, 46, bezogen auf die Anschlüsse 32, 33, ein- und ausschalten können. Die Einzelkondensatoren 43, 44, 45, 46 sind in steigender Reihenfolge binär gestaffelt; ihre Kapazitäten verhalten sich bspw. wie 1 : 2 : 4 : 8 µF. Da an die gestaffelten Einzelkondensatoren 43, 44, 45, 46 sehr hohe Forderungen bezüglich der Toleranz gestellt werden müssen, sind diese ggf. aus hier nicht dargestellten Teilkondensatoren zusammengesetzt. Sind die Steuereingänge der Synchronschalter 35, 36, 37, 38 bspw. mit Optokopplern ausgerüstet, können die Kondensatoren 43, 44, 45, 46 über die Anschlüsse 39, 40, 41, 42 potentialfrei umgeschaltet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Anschlüsse 39, 40, 41, 42 als optische, magnetische oder sonstige sensorische Eingänge (Schnittstellen) auszulegen. Mit dem dargestellten Binärkondensator 30 können sechzehn verschiedene, an den Anschlüssen 32, 33 wirksame Kapazitätswerte eingestellt werden. Ist eine andere Stufenzahl erwünscht, so kann dies durch die Änderung der Anzahl der Synchronschalter und der ihnen zugeordneten Einzelkondensatoren erreicht werden. Schließlich können die Einzelkondensatoren 43, 44, 45, 46, nach einem anderen als dem Dualsystem gestaffelt bzw. gestuft sein. Dadurch soll sich jedoch am Namen des Kondensators 30 nichts ändern. Der Einbau von zusätzlichen elektronischen Komponenten in das gemeinsame Gehäuse 56, die der Regelung oder Steuerung mittels der schaltbaren Einzelkondensatoren 43, 44, 45, 46 dienen, ist möglich.

In Fig. 5 ist ein offenes Gehäuse 56 eines Binärkondensators mit Befestigungslaschen 51 versehen, in denen Bohrungen 52 vorgesehen sind. Mit ihnen kann das Gehäuse 56 und damit der Binärkondensator auf einen ebenen Untergrund aufgespannt werden. Das dargestellte Bauelement besteht aus Teilkondensatoren 57, die günstigerweise als Rundwickel ausgeführt sind. Unter anderem zur Lagestabilisierung dient eine Vergußmasse 59.

Die Darstellung zeigt insgesamt sechzehn Teilkondensatoren 57, von denen beiderseits der Symmetrieachse 58 sieben nennwertgleiche Paare vorliegen und zwei sich genau auf der Symmetrieachse 58 befinden. Die sieben Teilkondensatorpaare und das auf der Symmetrieachse 58 liegende Teilkondensatorpaar bilden parallelgeschaltet, jeweils einen der acht zu schaltenden Einzelkondensatoren. Bei der Herstellung der Kondensatoren entstehen durch statistische Schwankungen innerhalb eines Fertigungsloses in ihrer Kapazitätsabweichung zueinander komplementäre Teilkondensatoren. Diese sind durch geeignete Selektion herauszufinden. Durch Parallelschaltung der paarweise selektierten Teilkondensatoren ist es möglich, Einzelkondensatoren mit doppeltem Nennwert der Kapazität der Teilkondensatoren bei gleichzeitig höchster Genauigkeit und Fertigungsökonomie herzustellen.

Die paarweise Parallelschaltung von Teilkondensatoren 57 führt gegenüber der Verwendung von nur einem Kondensator für jeden schaltbaren Einzelkondensator auch zu einer verbesserten Volumenausnutzung im Gehäuse 56.

Es besteht die Möglichkeit, vom Rundwickel abweichende Kondensatorformen zu verwenden und die Anordnung der Wickel im Gehäuse 56 zu verändern. Jedoch ist die Herstellung von Rundwickelkondensatoren vorteilhaft. Werden nur wenige schaltbare Einzelkondensatoren benötigt (z. B. nur vier), dann ist die Realisierung der Einzelkondensatoren aus parallel geschalteten Teilkondensatoren 57 zur Einhaltung der Toleranzen nicht unbedingt notwendig. Jedoch entstehen Vorteile bei der Optimierung des Gehäusevolumens.

Die Kondensatoren können auch nach der Technologie planar geschichteter Folien hergestellt werden.

Fig. 6 zeigt einen mit Kühlrippen 66 versehenen Binärkondensator 60 mit Befestigungslaschen 65, in denen sich Befestigungsbohrung 61 befinden. Ein Deckel 64 dient dem Verschluß des Binärkondensators 60 und ggf. der Wärmeableitung. Durch die isolierende Durchführung 63 sind Anschlußstifte 62 herausgeführt. Von den Anschlüssen 62 dienen acht (jeweils die äußeren vier) der Ansteuerung von eingebauten, hier nicht sichtbaren Synchronschaltern. An drei weitere Anschlüsse 62 (die mittleren drei) kann der zu kompensierenden Verbraucher bzw. das Wechselspannungsnetz angeschlossen werden, wobei günstigerweise zwei intern verbundene Anschlüsse 62 das Bezugspotential bilden und den gegen sie Netzspannung führenden mittleren Anschluß 62 einschließen. Die Anschlüsse 62 können aber auch im Inneren des Binärkondensators 60 fixiert sein, so daß die isolierende Durchführung 63 erst entsteht, nachdem der Verschlußdeckel 64 aufgesetzt und der Binärkondensator 60 mit Vergußmasse vergossen wurde. Eine andere Anordnung bzw. Anzahl der Anschlüsse 62, ist in Abhängigkeit von Aufgabe und Einsatzgebiet ebenso möglich, wie eine andere Gehäuseform des Binärkondensators 60. Die gleiche Bauform ist auch für einen im folgenden zu beschreibenden Phasenregler möglich, bei dem ein Binärkondensator 60 durch eine miteingebaute Regelanordnung ergänzt ist.

Fig. 7 zeigt einen Binärkondensator, der durch Einbau eines Phasenwinkelmeßgerätes 210 und durch einen Regler 220 mit digitalen Ausgängen zu einem Phasenkompensationsregelgerät (Phasenregler) 200 erweitert ist. Der Phasenregler 200 befindet sich in einem Gehäuse 201, das Anschlüsse 211, 212, 213, 214 aufweist. Im Gehäuse 201 sind außerdem Synchronschalter 230, 240, 250, 260 angeordnet, denen Einzelkondensatoren 231, 241, 251, 261 zugeordnet sind. Die Anschlüsse 211 und 213 dienen dem Anschluß des speisenden Wechselstromnetzes, wobei am Anschluß 211 der neutrale Leiter N angeschlossen wird, der als Bezugspotential im Phasenregler 200 wirkt. Der Anschluß 213 dient der Anbindung des Phasenreglers 200 an den Außenleiter L des speisenden Wechselspannungenetzes. Abweichend von der Darstellung der Fig. 7 ist ein zweiphasiger Betrieb des Phasenreglers 200 möglich, bei dem sich allerdings die Potentialverhältnisse in bekannter Weise ändern.

Die Anschlüsse 212, 214 dienen der Stromzuführung zu einem komplexen Verbraucher 25, der ohmsche und induktive Anteile aufweist. Der Strom von Verbraucher 25 und der Blindstrom der jeweils eingeschalteten Kondensatoren 231, 241, 251, 261 durchfließt das Phasenwinkelmeßgerät 210, dessen Ausgangssignal als Istwertsignal des Phasenwinkels dem Regler 220 zugeführt wird. Vorteilhafterweise ist der Sollwert für den Phasenwinkel im Regler 220 fest vorgegeben. In Abhängigkeit vom momentanen Zustand des Regelkreises werden vom Regler 220 unterschiedliche Synchronschalter 230, 240, 250, 260 und damit auch unterschiedliche Kondensatoren 231, 241, 251, 261 parallel zum Verbraucher 25 bzw. an das speisende Netz geschaltet. Im ausgeregelten Zustand fließt somit in Näherung über die Netz- Anschlüsse 211 und 213 nur noch Wirkstrom. Der zu Fig. 7 beschriebene Phasenregler 200 ist besonders zur Regelung der Phasenlage bei Kleinverbrauchern geeignet.

In Fig. 8 sind anstatt des Phasenwinkelmeßgerätes 210 und des Reglers 220 in Fig. 7 ein Stromtrend-Indikator 310 und ein spezieller Regler 320 in einen erfindungsgemäßen Binärkondensator eingefügt. Dadurch entsteht eine Anordnung, die im weiteren als Stromtrendphasenregler 400 bezeichnet werden soll. Die an einem komplexen Verbraucher 25 mit ohmschem und induktivem Anteil entstehende Wirkung ist der Anordnung gemäß Fig. 7 vergleichbar. Der Stromtrendphasenregler 400 besitzt an seinem Gehäuse 401 Außenanschlüsse 211, 212, 213, 214. Im Inneren des Gehäuses 401 sind der Indikator 310 mit Anschlüssen 311, 312, 313, 314, 315, der Regler 320 mit Anschlüssen 321, 322, 323, 324, 325, Synchronschalter 230, 240, 250, 260 und Einzelkondensatoren 231, 241, 251, 261 vorgesehen. Die Anschlüsse 211 und 213 führen zum Wechselspannungsnetz, das abweichend von Fig. 8 auch ein Zweiphasennetz sein kann; die Anschlüsse 212 und 214 führen zum Verbraucher 25. Der Anschluß (Ausgang) 315 des Indikators 310 ist mit dem Anschluß (Eingang) 325 des Reglers 320 verbunden.

Die Anschlüsse 321, 322, 323, 324 des Reglers 320 sind binäre Ausgangsanschlüsse, die der Ansteuerung der zugehörigen Synchronschalter 230, 240, 250, 260 und somit der Umschaltung der Einzelkondensatoren 231, 241, 251, 261 dienen. Anstatt mit einem neutralen Leiter N und einem spannungsführenden Leiter L können die Anschlüsse 211 und 213 in Abweichung von der Darstellung der Fig. 8 auch mit zwei Außenleitern eines Drehstromnetzes verbunden sein.

Der Indikator 310 hat die Aufgabe, aus dem Strom über die Anschlüsse 311 und 314 ein diskretes Signal abzuleiten, dessen logischer Pegel dem Trend des vom Netz aufgenommenen Stromes entspricht und an dem Anschluß 315 ausgegeben wird. Im weiteren soll diesem Signal bspw. der Wert H zugeordnet werden, wenn der Strom ansteigt, der aus dem Netz aufgenommen wird. Hat dieser Strom eine fallende Tendenz, so soll das Signal den Wert L annehmen. Im Indikator 310 wird dazu ein Vergleich des aktuellen Istwertes mit einem zwischengespeicherten, zeitlich vorangegangenen Istwert vorgenommen und das Vergleichsergebnis als diskretes Signal ausgegeben. Da in einem Wechselstromkreis die Zuschaltung eines Kondensators zu einem komplexen Verbraucher (ohmisch, induktiv, kapazitiv) eine Unterkompensation oder Überkompensation bewirken kann, was in beiden Fällen zu einer Erhöhung der Netzstromaufnahme führt, läßt das Ausgangssignal des Indikators 310 nur eine Aussage darüber zu, ob die Richtung der Kompensation im Vergleichsmoment richtig oder falsch ist, was durch Zu- oder Abschalten von Kapazitäten ermittelt wird.

Der Regler 320 gibt an seinen digitalen Ausgängen 321, 322, 323, 224 einen in zeitlicher Folge steigenden oder fallenden (digitalen) Wert aus. Dabei können zwei Endstellungen erreicht werden, und zwar der Wert Null und der Bereichsendwert. Die Geschwindigkeit, mit welcher der Anstieg bzw. Abfall des digitalen Ausgabewertes erfolgt, ist im Regler fest vorgegeben, z. B. 1 Digit pro Sekunde.

Erfolgt am Umsteuereingang 325 des Reglers 320 ein Signalwechsel von L nach H (L/H-Flanke), dann wird die Laufrichtung des digitalen Ausgabewertes invertiert, ggf. wird eine Endstellung verlassen. Somit erfolgt eine alternierende Umschaltung der Wirkungsrichtung der Kompensation, da durch den Regler 320 die Einzelkondensatoren 231, 241, 251, 261 mittels der Synchronschalter 230, 240, 250, 260 umgeschaltet werden.

Somit pendelt die Regelung nach diesem Verfahren immer mit einem Digit um das vom Netz aufgenommene Stromminimum. Verändern sich die Eigenschaften des Verbrauchers 25, so werden wie bei jeder Regelung Ein- und Überschwingvorgänge ausgelöst. Für eine korrekte Funktion muß der Regler 320 so ausgebildet sein, daß ein Überlaufen seines maximalen Ausgabewertes ebenso verhindert wird wie ein Unterlaufen seines minimalen Ausgabewertes.

Die vorstehend dargelegte Regelung hat gegenüber der Anwendung anderer Regelungsverfahren erhebliche Vorteile. So ist die erforderliche Bandbreite für die Signalverarbeitung im Indikator 310 und im Regler 320 sehr gering. Störimpulse aus dem Netz haben kaum Einfluß auf die Regelung. Bedingt durch die genannten Eigenschaften ist ein einfacher und verlustleistungsarmer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung möglich.

Beispiele für den Indikator 310 und den Regler 320 werden nachfolgend beschrieben.

Gemäß Fig. 9 enthält ein mit Anschlüssen 311 bis 315 versehener Indikator 310 einen Meßwandler 316, einen Widerstand 317, einen Kondensator 318 und einen Komparator 319. Die Anschlüsse 312 und 313 sind untereinander verbunden, ggf. kann eine interne Masseverbindung 331 vorgesehen sein. Die Anschlüsse 311 und 314 sind mit dem Meßwandler 316 verbunden, welcher mit einer internen Masse 331 und dem Widerstand 317 verbunden ist. Der Widerstand 317 ist verbunden mit dem einseitig an Masse 331 liegenden Kondensator 318 und einem invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang des Komparators 319, dessen Ausgang mit dem Anschluß 315 in Verbindung steht. Eine Betriebsspannungsversorgung des Indikator 310 ist zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen worden. Ein über die Anschlüsse 311 und 314 fließender Strom erzeugt im Meßwandler 316 ohmisch, induktiv, transformatorisch oder durch sonstige Effekte eine Meßspannung, welche in eine annähernd stromproportionale, bspw. positive, Gleichspannung von maximal einigen Volt umgewandelt wird. Die Ausgangsspannung des Meßwandlers 316 lädt über den Widerstand 317 den Kondensator 318 um, der mit dem Widerstand 317 einen Tiefpaß mit einer Zeitkonstante, bspw. im Sekundenbereich, bildet. Die Stromflußrichtung und damit die Polarität des Spannungsabfalls über dem Widerstand 317 ist davon abhängig, ob die vom Meßwandler 316 abgegebene Spannung größer oder kleiner ist als der auf dem Kondensator 318 gespeicherte momentane Vergleichswert. Somit ist die Polarität der Spannung über dem Widerstand 317 davon abhängig, ob sich der Strom über die Anschlüsse 311 und 314 nennenswert vergrößert oder verkleinert hat. Mit dem Komparator 319 wird demzufolge ein Spannungsvergleich zwischen der momentanen Ausgangsspannung des Meßwandlers 316 und der auf dem Kondensator 318 zwischengespeicherten Spannung des Meßwandlers 316 im Moment zuvor ausgeführt. Da bei einer Erhöhung des Stromes über die Anschlüsse 311, 314 des Meßwandlers 316 dessen Ausgangsspannung ansteigt, wird der Kondensator 318 über den Widerstand 317 in positiver Richtung nachgeladen. Demzufolge ist die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 319 positiver als an seinem invertierenden Eingang, wodurch sein Ausgangssignal am Anschluß 315 H-Pegel annimmt. Verringert sich der Meßstrom über die Anschlüsse 311, 314, so tritt eine Entladung des Kondensators 318 ein, da die auf ihm gespeicherte Spannung nunmehr höher als die Ausgangsspannung des Meßwandlers 316 ist. Dies hat einen Polaritätswechsel an den beiden Komparatoreingängen zur Folge, das Ausgangssignal am Anschluß 315 wechselt von H nach L. Es ist zu beachten, daß die Spannung auf dem Kondensator 318 nicht das exakte Abbild der Meßwandlerspannung sein kann, da eine zeitliche Verschiebung vorhanden ist. Deshalb müssen der Zeitpunkt der Auswertung des Komparatorausgangssignals und die Zeitkonstante des Tiefpaß zueinander passend dimensioniert sein.

Das Ausgangssignal des Meßwandlers 316 kann auch digitalisiert werden, wodurch eine Zwischenspeicherung auf einem nicht dargestellten Schieberegister möglich ist. In diesem Fall erfolgt der Vergleich zwischen dem momentanen und dem zeitlich vorangegangenen Meßwert der Eingangsgröße mittels eines Digitalkomparators. Es wird also der digitale Ausgabewert des Meßwandlers 316 mit dem digitalen Registerinhalt verglichen. Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß ohne Tiefpaßkondensator beliebige Zwischenspeicherzeiten erreichbar sind.

In Fig. 10 umfaßt ein digitaler Regler 320 mit äußeren Anschlüssen 321 bis 325 einen Generator 340, ein NAND-Gatter 327 mit zwei Eingängen und einem Ausgang, ein D-Flip-Flop 328 mit zwei Eingängen und einem Ausgang sowie einen Zähler 500, der einen Takteingang 510, einen Zählrichtungseingang 520 sowie binäre Ausgänge 01, 02, 03, 04 aufweist. Der Anschluß 325 ist mit einem Eingang des NAND-Gatters 327 verbunden. Eine Verbindung besteht auch zwischen dem Generator 340 einerseits und dem zweiten Eingang des NAND-Gatters 327 sowie dem Takteingang 510 des Zählers 500 andererseits. Der Ausgang des NAND-Gatters 327 steht mit dem Takteingang c des D-Flip-Flop 328 in Verbindung, dessen invertierter Ausgang mit dem Ausgang d und dem Zählrichtungseingang 520 des Zählers 500 verbunden ist. Verbindungen bestehen auch zwischen den binären Ausgängen 01, 02, 03, 04 des Zählers 500 und den Anschlüssen 321 bis 324 des Reglers 320.

Das Nand-Gatter 327 weist an seinem Ausgang nur dann L-Pegel auf, wenn am Eingangs-Steueranschluß 325 des Reglers 320 und am Ausgang des System-Taktgenerators 340 gleichzeitig H-Pegel anliegen. Wird angenommen, daß das D-Flip-Flop 328 nur mit der Taktflanke H nach L an seinem Takteingang c umschaltet, dann wirkt das NAND- Gatter 327 als Koinzidenzdetektor, der nur dann eine Zustandsänderung am D-Flop-Flip bzw. am Zählrichtungseingang 520 des Zählers 500 bewirkt, wenn mit der ansteigenden Taktflanke des Generators 340 gleichzeitig am Eingang 325 des Reglers 320 ein H-Pegel anliegt. Da die ansteigende Taktflanke des Generators 340 in Bezug auf die Taktfrequenz sehr kurz gehalten werden kann, ist die Zeitspanne für eine Informationsübernahme vom Anschluß 325 des Reglers 320 ebenfalls von geringer Dauer, wodurch an den Eingangsanschluß 325 des Reglers 320 gelangende Störungen zu einem hohen Anteil ausgeblendet werden. Der Zähler 500 ist ein Vorwärts-/Rückwärtszähler, der über den Anschluß 520 in seiner Zählrichtung statistisch umgesteuert werden kann. Es wird angenommen, daß bei H-Pegel Vorwärtszählung und bei L-Pegel Rückwärtszählung erfolgt. Durch die innere Takt-Phasenlage im Regler 320 wird erreicht, daß vor dem Eintreffen einer Taktflanke H nach L am Takteingang 510 des Zählers 500 die Zählrichtung am Eingang 520 bereits festliegt.

Der Anschluß 510 des Zählers 500 soll ein Zähleingang sein, der mit der Taktflanke H nach L einen Zählschritt bewirkt, wodurch sich der ausgegebene digitale Wert am Anschluß 321 bzw. 322 bzw. 323 bzw. 324 des Reglers 320 verändert. Da der System-Taktgenerator 340 ständig auf den Zähleingang 510 wirkt, zählt der Zähler 500 ununterbrochen.

Der Zähler 500 ist so aufgebaut, daß das Unterlaufen des Minimalwertes (Null) und das Überlaufen des Maximalwertes (Fünfzehn) durch Ignorieren der Zählimpulse vermieden wird. Nur mit dem Wirkungsrichtungseingang, dem Anschluß 325 des Reglers 320, kann Einfluß auf den Zähler 500 genommen werden. Dieser wechselt nur dann seine Zählrichtung, wenn die ansteigende Taktflanke des Generators 340 am Anschluß 325 zeitlich mit einem H-Pegel zusammenfällt, was eine alternierende Pegelumschaltung am Ausgang des D-Flip-Flop 328 und somit am Zählrichtungseingang 520 bewirkt.

Mit der Umschaltung der Zählrichtung am Zähler 500 erfolgt entsprechend auch die Umschaltung der Wirkungsrichtung des Reglers 320, dessen Anschlüsse 321 bis 324 die Synchronschalter in einem Binärkondensator steuern können. Wichtig für die Funktionsweise des Reglers 320 ist also vor allem die Umschaltung des Zählrichtung, wodurch die eingeschaltete Kapazität infolge des ununterbrochen wirksamen Taktsignals vom Generator 340 entweder vergrößert oder verkleinert wird.

Die Zuordnung anderer logischer Pegel zu den elementaren Bauteilen ist unter Berücksichtigung der zu erreichenden Gesamtwirkung möglich. Auf Grund der sehr geringen Bandbreite des Reglers 320 ist eine nur wenig belastbare Betriebsspannungsquelle für die erfindungsgemäße Anordnung erforderlich.

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

,

17

Synchronkondensatoren

11

Aluminiumbecher

12

Gewinde

13

Befestigungszapfen

14

Becherboden

15

Lötösen

16

Beschriftung

18

,

56

,

201

,

401

Gehäuse

19

Schalter

20

Steuereinrichtung, Synchronisator

21

,

22

,

28

,

29

,

32

,

33

,

39

,

40

,

41

,

42

,

211

,

212

,

213

,

214

,

311

,

312

,

313

,

314

,

315

,

321

,

322

,

323

,

324

,

325

Anschlüsse

23

Netzspannung

24

Netzschalter

25

Verbraucher

26

ohmscher Anteil

27

induktiver Anteil

30

,

60

Binärkondensator

35

,

36

,

37

,

38

,

230

,

240

,

250

,

260

Synchronschalter

43

,

44

,

45

,

46

,

231

,

241

,

251

,

261

Einzelkondensatoren

51

,

65

Befestigungslaschen

52

,

61

Bohrungen

57

Teilkondensatoren

58

Symmetrieachse

59

Vergußmasse

62

Anschlußstifte

63

isolierende Durchführung

64

Verschlußdeckel

66

Kühlrippen

101

,

318

Kondensatoren

200

Phasenregler

210

Phasenwinkelmeßgerät

220

digitale Regler

310

(Stromtrend-)Indikator

316

Meßwandler

317

Widerstand

319

Komparator

320

Regler

327

NAND-Gatter

328

D-Flip-Flop

331

Masse

340

(Systemtakt-)Generator

400

Stromtrend-Phasenregler

500

Zähler

510

, c Takteingang (Zähleingang)

520

Zählrichtungseingang

01

,

02

,

03

,

04

binäre Ausgänge
d Data-Eingang des D-Flip-Flop
Q (überstrichen) invertierter Ausgang

Claims (15)

1. Elektrisch-elektronisches Bauelement zur Kompensation von induktiven Anteilen in elektrischen Wechselspannungenetzen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens einem Kondensator und einem elektronischen Schalter besteht, der den Kondensator nur anschaltet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen seinen Schaltanschlüssen zumindest angenähert gleich Null ist.

2. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus in ihrer Kapazität binär gestaffelten Einzelkondensatoren und zugehörigen elektronischen Schaltern besteht, die einzeln schaltbar sind.

3. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein schaltbarer Einzelkondensator aus Teilkondensatoren besteht.

4. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und der ihn schaltende elektronische Schalter in einem Gehäuse angeordnet sind.

5. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung und/oder Statusausgabe ein oder zwei elektrische Anschlüsse zusätzlich am Gehäuse vorgesehen sind.

6. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über eine optische Schnittstelle erfolgt.

7. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zylinderförmig gestaltet ist.

8. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse prismatisch gestaltet ist.

9. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außenflächen des Gehäuses durch die Verwendung eines geeigneten Materials und/oder durch ihre Gestaltung als Kühlfläche ausgebildet ist.

10. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Schalter für sich steuerbar ist.

11. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Anschlüsse für die Ausgabe des Statussignals jedes elektronischen Schalters vorgesehen sind.

12. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Regler, der auf Grund eines nur aus dem vom Netz aufgenommenen Strom abgeleiteten Istwertsignals die Regelung dieses Stroms auf seinen minimalen Wert vornimmt.

13. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler zur Bildung des Istwertsignals ein Phasenwinkelmeßgerät zugeordnet ist.

14. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine elektronischen Komponenten zumindest teilweise in integrierter Schaltungstechnik realisiert sind.

15. Elektrisch-elektronisches Bauelement gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren in Wickeltechnik, vorzugsweise in Rundwickeltechnik ausgeführt sind.