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Verfahren zur Kompensation eines an der verketteten Spannung eines
Nehrphasennetzes betriebenen ohmsch-induktiven Verbrauchers Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Kompensation der von einem an der verketteten Spannung
zweier Phasen -eines Nehrphasennetzes betriebenen ohmsch-induktiven Verbraucher
verursachten Spannungsabfälle an den Impedanzen des Netzes mit einem in Reihe oder'parallel
zum Verbraucher geschalteten Kondensator.
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Ohmsch-induktive Verbraucher größerer Leistung wie Widerstandsschweißmaschinen,
die beispielsweise an ein Drehstromnetz anceschlossen sind, machen sich häufig als
unliebsame Strornverbraucher bemerkbar, da sie an einer verketteten Spannung im
Drehstromnetz betrieben werden und das speisende Drehstromnetz über Thyristor- oder
Ignitronschalter gesteuert zweiphasig unsymmetrisch und stoßweise ohmsch-induktiv
belasten.
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Ihre Stoßbelastungen infolge des intermittierenden Eetrebes erzeugen
an den Impedanzen des Drehstromnetzes Spannungsab fälle, die sich als Netzflimmern
in parallel geschalteten Beleuchtungsanlagen oder bei anderen gegen plötzliche Spãnnungsänderungen
empfindlichen Verbrauchern (z.B. Fernse>geräten) störend bemerkbar machen, insbesondere
dann, wenn die Kurzschlußleistung des speisenden Netzes im Vergleich zur entnommenen
Schweißscheinleistung klein ist.
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Mittels thyris torgcschal teter Blindwiderstände lassen sich Kompensationsschaltungen
angeben, die in bestimmten Grenzen eine Beseitigung bzw. Minderung der durch die
Stromgrundwelle erzeugten Spannungsabsenkungen ermöglichen. Eine spezielle Möglichkeit
der Kompensation, nämlich die Kompensation durch statische Kondensatoren, wird in
den Brown-Boveri-Uiltteilungen August/September 1950 auf den Seiten 305 bis 310
aufgezeigt.
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Anhand der Figuren la und ib soll der Betrieb einer Widerstandsschweißmaschine
am Drehstromnetz verdeutlicht werden. Die Figur la zeigt das Schaltbild einer Widerstandsschweißmaschine
mit der Impedanz ZL, die sich aus dem induktiven Blindwiderstand 8 und dem rein
ohmschen Widerstand 9 zusammensetzt, an der verketteten Spannung URIS eines Drehstromnetzes
mit den Phasen R, S und T. Die Netzimpedanzen ZsJ der Phasen R und S, an denen die
Widerstandsschweißmaschine betrieben wIrd, setzen sich aus den Blindwiderständen
1, 3 und den ohmschen 'Niderständen 2, 4 zusammen. Der Zusammenhang zwischen dem
Laststrom
und den Phasenströnen ist gegeben durch: IL = 1R = Figur
ib zeigt das Zeigerdiagramm des starren Spannungssterns der Erzeugerspannung UR,
Us, UT und des sich über die Spannung abfälle an den Netzimpedanzen ZN bzw. den
induktiven Blindwiderständen XN und den ohmschen Widerständen RN des Netzes infolge
des Laststromes IL ergebenden Verbrauchersterns UR', U ' und UT! Die an den Netzimpedanzen
der Phasen R und S infolge des Laststromes IL verursachten Spannungsabfälle
lassen sich in bekannter Weise in je einen Längsspannungsabfall
und einen Querspannungsabfall
aufteilen, so daß für die verkettete Phasenspannung URS gilt:
Lichtflimmern wird hauptsächlich durch die Spannungsabsenkung infolge der Längsspannungsabfälle
bewirkt. Die Querspannungsabfälle
verursachen eine Phasendrehung der Spannung UR1 bzw. US' gegenüber der starren Phasenspannung
UR bzw. US
um den Winkel t R bzw. F , dessen Größe in der Praxis
bis zu t = 20 liegt. Eine Möglichkeit zur Kompensation besteht nun darin, z.B. parallel
zur Impedanz des ohmsch-induktiven Verbrauchers (z.B. Schweißmaschine) einen Kompensations-Kondensator
mit vorgeschalteter Schutzdrossel über einen halbgesteuerten Wechselstromsteller
zu schalten. Da sich der Laststrom IL und der Kondensatorstrom IC in den Phasen
zum Phasen- bzw.
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Netzstrom IR bzw. IS summieren, muß die Kapazität CK des Kompensations-Kondensators,
der dadurch erzeugte Kondensatorstrom und die letzlich resultierenden Phasenströme
IR bzw.
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so festgelegt werden, daß der infolge der Phasenströme 1R bzw.
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IS an den Netzimpedanzen auftretende Spannungsabfall tv U keinen Längsspannungsabfall,
sondern nur noch einen Querspannungsabfall darstellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die infolge des Betriebes
eines ohmsch-induktiven Verbrauchers an der verketteten Spannung zweier Phasen eines
Mehrphasennetzes in den Phasen auftretenden Längsspannungsabfälle an den Netzimpedanzen
durch eine in Reihe oder parallel zum ohmsch-induktiven Verbraucher geschaltete
Kapazität optimal zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kapazität des Kompensations-Kondensators in
Abhängigkeit vom Phasenwinkel des Netzes und des ohmsch-induktiven Verbrauchers
so ausgelegt wird, daß das Verhältnis dcr kompensierten zur unkompensierttn
Längsspannungsschwankung
in den beiden belasteten Phasen gleich groß ist.
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Anhand der Figuren 2 bis 4 sollen die der Erfindung zugrundeliegenden
Gedanken näher erläutert werden.
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Figur 2a zeigt das Schaltbild einer an zwei Phasen eines Drehstromnetzes
angeschlossenen Schweißmaschine mit Parallelkompensation und Figur 2b das zugehörige
Zeigerdiagramm im kompensierten Fall.
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Figur 3 zeigt das Schaltbild einer an zwei Phasen eines Drehstromnetzes
angeschlossenen Schweißmaschine mit Reihenkompensation und Figur 4 eine besonders
vorteilhafte Ausführung einer Reihenkompensations-Schaltung.
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Die in Figur 2a dargestellte Schaltung enthält die Netzimpedanzen
ZN der Phasen R und S eines Drehstromnetzes, die sich aus den induktiven Blindwiderständen
1 bzw. 3 der Größe XN und den ohmschen Widerständen 2 und 4 der Größe RN zusammensetzen.
Die ohmsch-induktive Last ist gekennzeichnet durch die Lastimpedanz ZL und besteht
aus einem induktiven Blindwiderstand 8 der Größe XL und einem ohmschen Widerstand
9 der Größe RL. Kompensiert wird die ohmsch-induktive Last durch einen Kompensations-Kondensator
7 mit dem Blindwiderstand Xc,
der über einen Schalter 5, bestehend
aus einer Antiparallelschaltung eines Thyristors und einer Diode, parallel zur Last
geschaltet wird. Zusätzlich ist in Reihe zum Kompensations-Kondensator 7 eine Schutzdrossel
10 vorgesehen. Die ohmschinduktive Last wird von einem aus antiparallelen Thyristoren
bestehenden Schalter 6 an die verkettete Spannung URs der beiden Phasen R und 5
geschaltet. Es ist möglich, den Laststrom IL mit einem zusätzlichen kapazitiven
Strom IC derart zu ergänzen, daß die verkettete Spannung UR,S, kompensiert ist.
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Die einzelnen Phasenspannungen UR und US werden jedoch über-bzw. unterkompensiert,
so daß die an den Phasen R und S angeschlossenen Verbraucher noch erheblichen Spannungsschwankungen
ausgesetzt sein können. Unter der Vcraussetzung, daß die Last-und Kondensatorströme
in Größe und Phasenlage bezogen auf die Phasenspannungen bekannt sind, lassen sich
die die Flimmerwirkung überwiegend verursachenden Längsspannungsabfälle AU an den
Netzimpedanzen der Phasen R und S berechnen. In FIgur 2b ist das dazugehörige Zeigerdiagramm
der Spannungen und Ströme angegeben. Der vom Laststrom ILR = 1L5 = 1L verursachte
Längsspannungsabfall ZE UL an den Netzimpedanzen 2 N beträgt in der Phase R, wenn
nicht kompensiert wird: LR, unkomp = IL cos (#L - 30) . RN + IL sin ( L - 30) XN
Für
die Phase S ergibt sich: # ULS, unkomp = IL cos (#L + 30) . RN + IL sin (#L + 30)
XN Im Falle der Parallelkompensation wird der Strom INR bzw. INS in den Phasen R
und-S aus der geometrischen Summe des Laststromes ILR bzw ILS und des der verketteten
Phasenspannung URS um 900 voreilenden Kondensatorstromes 1CR bzw. ICs gebildet.
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Dabei schließen der resultierende Phasenstrom INR bzw. INS und die
verkettete Spannung URs einen Winkel #z ein. Für den kompensierten Fall erhält nun
somit in der Phase R einen Längsspannungsabfall:
| a u,, IL cos 0. |
| U ULR k 1L co L cos (30 + 9z) RN - sin (30 + Yz)- XN |
| LR, komp cos Z |
Für die Phase S folgt:
| m U 1L komp = IL cLos f cos (30 - fz) RN + sin (30 - fz)* XN3 |
| LS, komp = cos >oZ Z -N Z |
Definiert man einen Verbesserungsfaktor V infolge der Kompensation derart, daß er
das Verhältnis des Längsspannungsabfalls im unkompensierten zum kompensierten Fall
angibt, so erhält man für die beiden Phasen R und S:
| VR = LR, unkomp LSq unkomp |
| VR = SKI unkomp V5 = |
| LR, komp LS, komp |
Erfindungsgemäß ist nun gerade dann ein Optimum an Kompensation
erreicht, wenn beide Verbesserungsfaktoren dem Betrag nach gleichgroß sind, wodurch
der Kompensationskondensator und damit der Kompensationsstrom IC und der Winkel
#Z des Netzstromes IN gegen die verkettete Spannung URS größenmäßig festgelegt und
bestimmt ist:
| /VR/= $V5$ ( |
| bzw. / ULR, unkomp ÄULS' nkomp ( 2 |
| LR, komp / LS, komp |
Aus dieser erfindungsgemäßen Festlegung und unter Zuhilfenahme des Zeigerdiagramms
nach Figur lb ergibt sich als Bestimmungsgleichung für den erforderlichen Kompensationsstrom
IC: Ic - IL sin fL + 1L cos #L tan #Z (3) bzw. für den Kompensations-Blindwide-rstand
URS Xc = IC 0 Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Kompensation mit Hilfe
thyristorgeschalteter Reihenkondensatoren. Im Gegensatz zur Parallelkompensation
werden bei der Reihenkompensation die Last und der Kompensationskondensator mit
demselben
Schalter, in diesem Falle einem aus antiparallelgeschalteten
Thyristoren bestehenden Schalter, geschaltet. Zur Ermittlung der Größe des Kompenssationskondensators
gelten wie im Falle der Parallelkompensation die Gleichungen (1), (2) und (3>.
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Ein Teilaussteuerungs-Betrieb durch entsprechende Zündung des gemeinsamen
Malbleiterschalters ist wie bei der Parallelkompensation möglich.
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Bei einem veränderlichen Lastwinkel fL infolge einer sich ändernden
Lastimpedanz oder bei einem Teilaussteuerungsbetrieb ist es vorteilhaft, eine Stufung,
insbesondere eine lineare oder binäre Stufung des Kompensationskondensators CK in
der Weise vorzunehmen, daß zusätzlich zum Festkondensator noch (b-inär) gestufte
Zusatzkondensatoren über mechanische oder -Halbleiter-Schalter geschaltet werden.
In Figur 4 ist eine derartige Stufung des Kompensationskondensators CK bei einer
Reihenkompensations-Schaltung dargestellt. Ein Halbleiter-Schalter aus antiparallelgeschalteten
Thyristoren liegt in Reihe mit der Primärwicklung eines Schweiß-Transformators 16
und einem Festkondensator 11. An die Sekundärwicklung des Schweiß-Transformators
16 sind die - symbolisch dargestellten - Schweißelektroden 17 angeschlossen. Parallel
zum Festkondensator 11 sind Zusatzkondensatoren 12, 13 geschaltet, die je nach der
erforderlichen Kompensations-Kapazität über mechanische- oder Halbleiter-Schalter
14, 15 zu- oder abgeschaltet werden, so daß ein in der Kapazität veränderlicher
Kompensations-Kondensator 7 vorliegt.
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9 Seiten Beschreibung 4 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen mit 6
Figuren