DE2263303C3 - Schaltungsanordnung zum phasensynchronen Schalten eines Wechselstromverbrauchers - Google Patents

Description

Wechselspannungsverbraucher bei einem bestimmten Phasenwinkel einzuschalten. Hierdurch läßt sich eine gewünschte bzw. veränderbare Einschaltstromflanke erzielen, welche für ein günstiges Anlaufverhalten des Verbrauchers sorgt. Durch die Induktivität des Verbrauchers wird das Netz bei einem derartigen Einschalten an sich nicht mit gro.ien Stromspitzen beansprucht, jedoch läßt der Kondensator dies in den häufigsten Fällen nicht zu, da durch ihn unzulässige Stromspitzen beim Einschalten entstehen. Diesen Stromspitzen kann durch ein Vor-Aufladen des Kondensators bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung begegnet werden. Um eine Voraufladung des Kondensators zu bewirken, kann dieser über einen Widerstand mit dem Netz verbunden sein oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand mit einem zusätzlichen Schalter mit dem Netz schaltbar verbunden sein. Dieser zusätzliche Schalter kann gleichfalls ein Thyristor sein, welcher über die Schaltsteuereinrichtung annähernd bei einer oder mehreren dem Schließen der beiden in der Hauptzuleitung liegenden Schalter vorangehenden Halbwellen der Netzspannung gezündet wird.

Durch die beiden in der Hauptzuleitung in Reihe liegenden Schalter kann bewirkt werden, daß bei einem Ausschalten des Verbrauchers über den ersten Schalter zuerst ein Auftrennen zum Versorgungsnetz hin erfolgt, während der Kondensator noch parallel zum Verbraucher geschaltet bleibt, und erst nachdem der Verbraucher seine im Blindwiderstand gespeicherte Energie an den Kondensator abgegeben hat. eine Abtrennung des Kondensators bewirkt wird. Hierdurch können Ausgleichsschwingungen gänzlich unterbunden werden. Bei einer entsprechenden Schaltsteuerung mit einem Ein- und Ausschalten des Verbrauchers bei jeweils in gleicher Spannungsrichtung verlaufender Halbwelle kann auch sichergestellt werden, daß die räch dem Abschalten im Kondensator gespeicherte Ladung ais Voraufladung einer Einschaltstromspitze beim nächsten Einschalten entgegenwirkt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich besonders gut bei Verbrauchern, wie Widerstandsschweißanlagen z. B. mit Schweißtransformatoren, die netzsynchron mit einem Phasenwinkel eingeschaltet werden sollen, der 30 bis 90 Grad hinter einem Nulldurchgang der Wechselspannung liegt. Durch ein entsprechendes Einschalten in einem Augenblick, in dem diese gerade das gleiche Potential aufweist wie der voraufgeladene Kondensator, können Stromspitzen weitgehend vermieden werden.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert Es zeigt F i ■"*. 1 sin Prinzi^schsitbild ^aemäß der Erfindung

F i g. 2 eine Schaltung mit Thyristoren,

F i g. 3 Spannungs- und Stromverläufe in einer erfindungsgemäßen Schaltung und

F i g. 4 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung.

In F i g. 1 liegen in der Hauptzuleitung 1 eines Wechselstromverbrauchers 2 zwei Schalteinrichtungen 3; 4 mit je einem Leistungsschalter 5; 6 in Reihe. Zwischen der Verbindungssteile 7 dieser beiden Schalter 5; 6 und der Hauptriickleitung 8 ist ein Kondensator 9 angeschlossen, welcher zur Parallelkompensation größerer induktiver Blindlastanteile des Verbrauchers 2 dient Der erste Leistungsschalter 5 wird von einem Widerstand 12 überbrückt Die beiden Schalteinrichtungen 3; 4 sind über eine Schaltsteuerungseinrichtung 13 beiätigbar. die ihrerseits mit dem Wechselspannungsnetz 11 verbunden ist Die gesamte

Anlage kann über einen zweipoligen Trennschalter 14 vom Wechselspannungsnetz 11 trennbar ausgebildet sein.

Nachdem die Anlage mit dem Schließen des Trennschalters 14 betriebsbereit gemacht wurde, können auf einen Schaltbefehl hin, z. B. durch Drücken einer Einschalttaste 15, die beiden Leistungsschalter 5 und 6 — in an sich bekannter Weise — netzsynchron bei einem Wechselspannungsnulldurchgang geschlossen werden, wobei der Widerstand 12 entfällt. Bei einem Einschalten in einer bestimmten eingestellten Phasenlage zur Netzwechselspannung hingegen werden die beiden Leistungsschalter 5 und 6 zu einem Zeitpunkt geschlossen, in dem der Kondensator 9 eine annähernd gleich große Voraufladung aufweist Hierdurch können beim Abschalten des Netzes auf den Kondensator 9 Stromspitzen weitgehend unterbunden werden. Mit dem Schließen der beiden Schalter 5; 6 liegt der Kondensator 9 parallel zum Verbraucher 2 und kann so Blindleistungsanteile des Verbrauchers kompensieren. Das Ausschalten über die Schalteinrichtungen 3; 4 erfolgt gleichfalls netzsynchron gesteuert über die Schaltsteuerungseinrichtung 13, wobei diesmal jedoch die Schalteinrichtung 3 bei einem Nulldurchgang des Netzstromes zuerst den Schalter 5 öffnet, und die Schalteinrichtung 4 den Schalter 6 erst kurz danach öffnet, wenn der durch die Phasenverschiebung etwas später eintretende Nulldurchgang des Verbraucherstromes erfolgt. Wie später noch genauer erläutert weist der Kondensator 9 nach dem Abschalten der Schalter 5 und 6 eine Ladung auf, die z. B. aus Sicherheitsgründen nach dem Außerbetriebsetzen der Anlage nicht bestehen bleiben darf. Um die Entladung sicherzustellen kann diese über einen Entladewiderstand 16 erfolgen, welcher über einen Hilfskontakt 17 am Trennschalter 14 die Hauptzuleitung 8 mit der Hauptriickleitung verbindet.

Da sich mechanische bzw. elektromechanische Schalter nur sehr schlecht zum häufigen netzsynchronen Schalten eignen, sollten die Schalter 5; 6 als Halbleiterschalter aufgebaut sein. Sie können z. B. gemäß F i g. 2 mit antiparaiieigeschaiteten Thyristoren 5; 6 gebildet werden, deren Steuerelektroden entsprechende Schaltimpulssignale aus der Schaltsteuerungseinrichtung 13 zugeführt werden. Will man einen Blindstrom über den Widerstand 12 durch den Kondensator bei geöffneten Schaltern 5', 6' vermeiden, kann in Reihe mit dem Widerstand 12' ein weiterer Thyristor 18 geschaltet sein, der erst kurz vor dem Einschalten der Schalter 5' 6' gezündet wird und danach geöffnet bleibt Weiterhin kann anstelle des Hilfskontaktes 17 ein weiterer zusätzlicher Thyristor 19 für eine Entladung des Kondensators 9' über einen Entladewiderstand 16' dienen, der gleichzeitig durch eine rasche Entladung unmittelbar nach dem öffnen des Schalters 6' dafür sorgen kann, daß am Schalter 5' keine überhöhte Sperrspannung durch die Ladespannung des Kondensators 9' entsteht

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung soll anhand der in Fig.3 dargestellten Strom- und Spannungskurven näher erläutert werden. Derartige Kurven entstehen bei einem Verbraucher — wie z. B. bei einer Widerstands-Punktschweißanlage — mit annähernd gleichgroßen Wirk- und Blindlastanteilen, wobei die gesamten Blindlastanteile durch die Parallelschaltung des Kondensators 9 weitgehend kompensiert werden sollen. Eine solche vollständige Kompensation wird möglich, wenn der Kondensator 9 eine Kapazität

aufweist die der Formel:

1 ,

ο C

R¹

entspricht, wobei ω die Kreisfrequenz 2 -τ/; die Kapazität des Kondensators 9 ist und L der Induktivität sowie R dem Wirkwiderstand des Verbrauchers entspricht. Ausgehend von einer Netzwechselspannung |₀ u soll über eine bestimmte Anzahl von Perioden (in F i g. 3 sind es zwei Perioden) ein Verbraucherstrom /V fließen der — wie dies insbesondere bei Widerstandsschweißanlagen erwünscht ist — zu Beginn eine steile Anstiegsflanke aufweist, ohne daß überhöhte Stromspit- , zeri und nach dem Abschalten Ausgleichsschwingungen entstehen.

Wird der Schaltsteuerungseinrichtung zu irgendeinem Zeitpunkt z. B. f₀ ein Startbefehl gegeben, wählt sie den nächstfolgenden Spannungsnulldurchgang 20 aus, ₂» der bei einer Schaltung gemäß F i g. 2 einem Spannungswechsel vom Negativen ins Positive entspricht. Dies kann durch an sich bekannte Digitalschaltungen erfolgen, die mit aus der Netzspannung erzeugten Impulsspannungen arbeiten. Zum Zeitpunkt dieses Nulldurchganges 20 zündet die Schaltsteuerungseinrichtung 13 lediglich den Thyristor 18, der über den Widerstand 12' den Kondensator 9 mit dem Netz verbindet. Hierdurch fließt über den Kondensatorzweig bzw. die Netzanschlüsse ein Strom Z_n, der mit der _j0 Wechselspannung u ansteigt und den Kondensator 9 auf eine Spannung auflädt, die z. B. bei einem Wechselstromwiderstaidsverhältnis von 1 zu 2 des Widerstandes 12' zü~. Kondensator 9 nur etwa 10% unter der Netzwechselspannung liegt. Nach einem eingestellten Phasenwinkel 21, der bei Widerstandsschweißanlagen üblicherweise zwischen 70 bis 80 Grad liegt, werden die beiden Schalter 5' und 6' gezündet. Hierdurch wird nun sowohl der Verbraucher 2 als auch der Kondensator niederohmig mit dem Netz verbunden. Bei richtiger Dimensionierung des Widerstandes 12' ergibt sich hierbei ein Stromstoß 27, der nicht wesentlich über dem maximalen Netzstrom liegt und notfalls durch zusätzliche kleinere Drosseln leicht gedämpft werden kann. Der nur verhältnismäßig kleine Ladestromstoß durch den Kondensator 9, der durch die Aufschaltung des Netzes bewirkt wird, resultiert einerseits daraus, daß die Spannung des Kondensators 9 durch die Voraufladung weitgehend der Netzspannung entspricht und der Stromanstieg teilweise durch eine Stromverringerung ausgeglichen wird, die sich ergibt, da bei einem Phasenwinke! in der Nähe von 90° sich die Netzsnannungsänderung stark verringert (der Ladestrom geht wie die Netzspannungsänderung bei 90° gegen 0). Wie später noch erläutert, kann durch eine Voraufladung des Kondensators 9 über eine oder mehrere davorliegende positive Halbwellen eine Ladestromspitze völlig vermieden werden. Gleichzeitig mit der Umschaltung setzt durch die Verbraucherinduktivität etwas verzögert der Strom iy durch den Verbraucher ein. Der erwünschten steilen Stromanstiegsflanke 22 durch den Verbraucher wirkt der ab einem Phasenwinkel 23 von 90° negativ gerichtete Entladestrom des Kondensators 9 entgegen, so daß sich nur ein geringer Anstieg des Netzstromes /„ einstellt Im weiteren Verlauf ergibt sich durch die Addition des Blindstromes tdurch den Kondensator mit dem Strom /_v durch den Verbraucher ein Netzstrom i_n der als Wirkstrom in Phase mit der Netzspannung liegt und nur etwa 70% des Verbraucher-Spitzenstromes erreicht. Der Verbraucherstrom /,setzt sich hierbei aus einem induktiven Blindstrom >i und dem vom Netz zu erbringenden Wirkstrom i„ zusammen, wobei das Netz durch die Kompensation des gesamten Blindstromes //. nur noch eine Wirkleistung zu erbringen ist, während die annähernd gleich große Blindleistung vom Kondensator aufgebracht wird.

ist nun, z. B. nach digitalem Zählen der Halbwellen, die gewünschte Einschaltdauer verstrichen, öffnet zuerst der Schalter 5' bei einem Nulldurchgang 24 der Netzspannung und trennt den zu diesem Zeitpunkt noch mit dem Verbraucher 2 verbundenen Kondensator 9 vom Netz ab. Da zu diesem Zeitpunkt auch der Netzstrom durch Null geht, entsteht hierbei keine störende Spanp.ungs- oder Stromspitze. Die in diesem Augehblick in der Verbraucherinduktivität gespeicherte Energie bewirkt hiernach einen rasch abfallenden Strom, durch welchen der Kondensator 9 aufgeladen wird. Sobald dieser Strom zu Null wird (t_e) öffnet auch der Schalter 6'. Hierbei können sich gleichfalls keine Strom- oder Spannungsspitzen ausbilden und es können auch keine Ausschwingvorgänge entstehen, da nun auch der Kondensator 9 vom Verbraucher 2 getrennt ist. Erfolgt das Abschalten bei einem gleichartigen Nulldurchgang wie das Einschalten, enthält der Kondensator 9 nach dem Abschalten eine Ladung, die annähernd der Voraufladung beim Einschalten des Verbrauchers entspricht, so daß bei einem nachfolgenden Einschalten eine Voraufladung des Kondensators durch der, Thyristor 18 entfallen kann. Da der Kondensator 9 hierbei jedoch bis zum nächsten Einschalten eine Gleichspannung an die dann gesperrten Thyristoren des Schalters V legt, die sich der Netzspannung überlagert, müssen die Thyristoren entsprechend der sich hierbei einstellenden überhöhten maximalen Sperrspannung gewählt werden.

Will man dies vermeiden, kann man gleichzeitig oder kurz nach dem öffnen des Schalters 6' den zusätzlichen Thyristor 19 zünden, der dann dafür sorgt, daß sich der Kondensator weitgehend über den Widerstand 16' entladen hat bevor die nächste negative Halbwelle ihren Spitzenwert erreicht, wobei sich ein Entladestrom 26 ergibt.

Bei einer Verwendung von selbstlöschenden Thyristorschaltern wird nur eine verhältnismäßig einfache Schaltsteuerungseinrichtung erforderlich, da dann den Steuerelektroden der Schalter 5' und 6' lediglich ein gemeinsames Zündsignal vom Beginn der Einschaltperiode bis zur letzten Halbwelle der Netzspannung — z. B. bis zu deren Maximum — zugeführt werden kann. Das unterschiedliche öffnen der Schalter 5' und 6' erfolgt dann selbsttätig bei einem Stromnulldurchgang durch den entsprechenden Schalter. In gleicher Weise kann die Vorzündung des Thyristors 18 mit einem durchgehenden Zündsignal während der voreingestellten Halbwellen oder Halbwelle z. B. dadurch erfolgen, daß das Zündsignal bei einem Maximum einer vorangehenden Halbwelle, in welcher der Thyristor 18 nicht zünden kann, einsetzt und bei einem Maximum der Halbwelle endet, in der die Schalter 5' und 6' schließen. So bleibt immer einer der Thyristoren des Schalters 5' in der Zeit 7s bis zum letzten Netzspannungsnulldurchgang gezündet, während ein Thyristor des Schalters 6' zusätzlich noch bis zum Ende t_e der Arbeitszeit Ts des Verbrauchers gezündet bleibt. Falls erforderlich, erfolgt danach das einmalige Zünden des Thyristors 19, der mit Sicherheit bis zum nächsten Start selbsttätig löscht.

In F i g. 4 ist der Schaltungsaufbau einer Widerstands-Punktschweißmaschine im Prinzip dargestellt. Der Wechselstromverbraucher ist hier ein Schweißtransformator 42, an dessen Sekundärseite die Schweißelektroden 43 angeschlossen sind, zwischen denen die zu verschweißenden Werkstücke 44 einlegbar sind. Die Grundschaltung mit den gleichgekennzeichneten Bauelementen entspricht der Schaltung gemäß Fi g. 2. Die Betätigung der Schalter 5' und 6' erfolgt über einen Zündimpulserzeuger in einer Schaltsteuerungseinrichtung 45 mit einem Impulsgenerator, welcher Impulsfolgen mit einer Frequenz von z. B. 5 kHz erzeugt.

Bei einem Inbetriebsetzen der Anlage bzw. Anschließen an das Netz sorgt ein Schutzschalter 46 dafür, daß durch eine Einschaltspitze kein selbsttätiges Durchschalten des Thyristorschalters 5' erfolgt. Dieser Schutzschalter unterbricht die Hauptzuleitung 1 vor dem Schalter 5', wobei die Unterbrechungsstelle durch einen insbesondere mit einer Induktivität behafteten Widerstand 47 überbrückt ist, der bei einem nachfolgenden Einschalten des Schutzschalters 46 mit Sicherheit ein selbsttätigtes Zünden der Thyristoren vermeidet. Der Schutzschalter kann über die Schaltsteuerungseinrichtung 45 betätigt werden, welche die Netzspannung von Anschlußpunkten 48 vor dem Schutzschalter 46 erhält. Bekommt nun die Schaltsteuerungseinrichtung 45 über einen Eingang 49 einen Startbefehl von einem Steuerkontakt der Schweißanlage, oder selbsttätig nach Erreichen eines ausreichenden Kontaktdruckes der Schweißelektroden 43, so beginnt ein Arbeitsspiel mit dem Zünden des Thyristors 18. Dieser verhältnismäßig leistungsschwache Thyristor lädt nun über den Widerstand 12' den Kondensator 9 während einer voreingestellten Periodenzahl bis auf eine Spannung auf, welche der Netzspannung (u—Fig.3) entspricht, die später beim Einschaltphasenwinkel 21 zu erwarten ist. Nach Ablauf dieser Aufladeperioden schaltet die Steuereinrichtung 45 eine Spannungsvergleichseinrichtung 50 ein oder gibt den Ausgang 51 dieses Vergleichers 50 an eine Startstufe frei, die den Beginn der Zündimpulse für die beiden Thyristorschalter 5' und 6^r bestimmt. Die Vergleichseingänge des Vergleichers 50 liegen vor und hinter dem Schalter 5', und der Vergleicher gibt dann ein Ausgangssignal ab, wenn die Spannungen an den Vergleichseingängen annähernd gleich groß sind. Dies erfolgt in dem Moment sobald die Netzspannung u die Voraufladespannung des Kondensators 9 erreicht. Durch das hierbei entstehende Ausgangssignal werden die beiden Thyristorschalter 5' und 6' gezündet bzw. der Zündimpulsgenerator freigegeben, der dann ständig eine Zündimpulsreihe an alle Steuerelektroden dieser Schalter 5' und 6' über eine Einschaltleitung 52 abgibt.

Eine derartige Spannungsvergleichseinrichtung wird erforderlich, wenn sehr große Kondensatoren (9) zur Kompensation benötigt werden. Bei einer Widerstandsschweißanlage mit 1000 kVA und einem cos φ von 0,5 wird z. B. ein Kondensator von ca. 20 000 μΡ benötigt der schon bei kleinen Abweichungen von einigen Volt zwischen Ladespannung des Kondensators 9 und der Netzspannung beim Zünden eines Thyristors des Schalters 5' eine untragbare Störstromspitze erzeugen kann. Durch rasche Netzspannungsschwankungen kann jedoch selbst bei sehr genauer Einstellung des Voraufladekreises (12; 18; 9) und der Vorladezeit nicht vermieden werden, daß die Netzspannung bei der gewünschten Einschaltphasenlage 21 einen anderen Spannungswert aufweist Andererseits kann durch eine völlige Kompensation einer solchen Anlage die durch die Arbeitsspiele impulsartige Scheinleistung von 100% auf etwa 50% Wirkleistung verringert werden, wobei dann etwa 87% Blindleistung durch den Kondensator aufzubringen sind.

Die Vergleichsein. _t.uuiig Kann entfallen, wenn durch ein getrenntes Zünden jeweils des gleichgepolten Thyristors der Schalter 5' und 6' sichergestellt wird, daß während der ersten Halbwelle lediglich der in gleicher Richtung wie der Ladethyristor 18 gepolte Thyristor des

ίο Schalters Zündimpulse mit ausreichend hoher Frequenz oder eine Zündgleichspannung erhält, so daß ein Zünden erst erfolgt, wenn die Netzspannung die Vorladespannung des Kondensators 9 erreicht. Über eine Folgeschaltung können dann, ausgehend von der Zündung dieses Thyristors, die anderen Thyristoren geschaltet werden.

Die Schaltsteuerungseinrichtung enthält weiterhin eine Einstelleinrichtung 53, mit der die Periodenzahl eines Arbeitsspieles voreinstellbar und/oder über einen besonderen Regelkreis veränderbar ist Kurz vor Ablauf dieser Periodenzahl stellt der Zündimpulserzeuger seine Arbeit ein, oder es erfolgt eine Sperrung der Zündimpulse zur Einschaltleitung 52. Hierdurch öffnet der Schalter 5' beim nächsten Stromnulldurchgang des Netzstromes /'„ und kurz danach der Schalter 6' bei Nulldurchgang des Verbraucherstromes i_y, wie bereits zu F i g. 3 erläutert. Nach dem öffnen des Schalters 6' — z. B. mit dem nächsten Netzspannungsmaximum — wird der Entladethyristor 19 gezündet, der für eine rasche Entladung des Kondensators 9 über den Widerstand 16' sorgt Bei großen Kondensatoren 9 empfiehlt es sich, um Entladestromspitzen zu vermeiden und leistungsschwächere Thyristoren verwenden zu können, ein nachfolgendes Arbeitsspiel über mehrere Perioden zu sperren, bis der Kondensator auf eine unwesentliche Restspannung entladen ist und der Thyristor 19 löscht. Die Entladung des Kondensators 9 dient hierbei nicht nur der Sicherheit sondern auch den gleichen Ausgangsbedingungen für ein nächstes Arbeitsspiel mit einer Kondensatorladung Null.

Will man die Kondensatorladung am Schluß eines Arbeitsspieles ausnutzen, sollte eine andere Schaltungsanordnung für den Ladethyristor 18 gewählt werden, bei welcher — z. B. über einen zusätzlichen Transformator mit einer einstellbaren geringeren Ausgangsspannung — sofort nach Betätigung eines Betriebsbereitschaftsschalters der Kondensator 9 auf eine Spannung aufgeladen wird, die der Netzspannung zum Zeitpunkt des gewünschten Einschaltphasenwinkels entspricht.

so Nach jedem Arbeitsspiel kann dann, falls erforderlich, eine Entladung über den Thyristor 19 bis auf diese Einschaltspannung erfolgen bzw. durch eine danach einsetzende erneute Aufladung des Kondensators 9 auf die gewünschte Gleichspannung gebracht werden.

Werden Anlagen mit mehreren gleichartigen Wechselstromverbrauchern mit annähernd gleicher Blindleistung verwendet die sich abwechselnd einschalten lassen, kann der Kondensator 9 mit einem wesentlichen Teil schon vorhandener Schaltelemente auch zur Kompensation dieser Wechselstromverbraucher herangezogen werden. Werden z. B. bei einer Schweißanlage mehrere Schweißstellen verwendet können — wie dies in Fig.4 gestrichelt dargestellt ist — parallel zum Kondensator 9 weitere Schweißtransformatoren 54 über zusätzliche Lastschalter 55 mit z. B. gleichfalls antiparallel geschalteten Thyristoren angeschlossen werden. Die Schaltsteuerungseinrichtung 45 erhält hierzu weitere Startbefehlseingänge 56. Jeder zuerst

eintreffende Startbefehl löst dann ein Arbeitsspiel aus, bei welchem der entsprechende zugehörige Schalter (6' oder 55) betätigt wird. Die Schalter (6' und 55) erhalten hierzu getrennte Steuerleitungen 57 und es wird immer nur eine Steuerleitung 57 mit Zündimpulsreihen beaufschlagt. Bei Automatik-Anlagen kann dafür Sorge getragen sein, daß die Startbefehle immer erst dann eintreffen, wenn mit Sicherheit das vorangehende Arbeitsspiel abgelaufen ist. Die Schaltsteuereinrichtung kann aber auch derart aufgebaut sein, daß nur der zuerst eintreffende Startbefehl ausgeführt wird und ein zweiter

oder weitere Startbefehle solange gespeichert bleiben, bis das Arbeitsspiel für den ersten Startbefehl ausgeführt ist. Durch eine Art Vorrangschaltung kann ausgeschlossen sein, daß selbst beim gleichzeitigen Eintreffen mehrerer Startbefehle zwei Befehle gleichzeitig ausgeführt werden.

Dies bedeutet nicht nur eine wesentliche Einsparung an Schaltungselementen, sondern verhindert auch, daß durch eine sich überschneidende Einschaltzeit mehrerer Verbraucher störende Netzlastspitzen entstehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum phasensynchronen Schalten eines Wechselstromverbrauchers mit gro-Ben, induktiven Blindlastanteil, welcher mittels eines parallel zum Wechselstromverbrauchbar geschalteten Kondensators kompensiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hauptzuleitung (1) zum Schalten des Wechselstromverbrauchers (2; 42) zwei Schalter (5, 6) in Reihe liegen, daß an der Verbindungstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Schaker (5; 6) der eine Anschluß des Kondensators (9) liegt, der mit seinem zweiten Anschluß an der Hauptrückleitung (8) des Wechselstromverbrauchers (2; 42) angeschlossen ist, und daß eine über die Netzwechselspannung synchronisierte Schaltsteuerungseinrichtung (13; 45) vorgesehen ist, weiche die beiden Schalter (5; 6) in einer eingestellten Phasenlage (21) zur Netzwechselspannung (u) schließt und zum Abschalten des Wechselstromverbrauchers (2; 42) ein öffnen des ersten Schalters (5) annähernd bei einem Nulldurchgang

84) des Netzstromes (i„) veranlaßt, während sie ein ffnen des zweiten unmittelbar am Verbraucher angeschlossenen Schalters (6) annähernd beim nachfolgenden nächsten Nulldurchgang (t_e) des Stromes ^durch den Verbraucher (2;42) veranlaßt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (5, 6) Halbleiterschalter nach Art von Triacs oder antiparallelgeschalteten Thyristoren (5', 6') sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Schalter (5) ein erster Widerstand (12) liegt, über den bei geöffneten Schaltern (5, 6) der Kondensator (9) mit dem Netz verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Schalter (5') die Reihenschaltung des ersten Widerstandes (12') mit einem ersten weiteren Schalter (18) liegt, der gleichfalls durch die Schaltsteuerungseinrichtung (13; 45) steuerbar ist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste weitere Schalter ein Thyristor (18) ist, der über die Schaltsteuereinrichtung (13; 45) annähernd bei einem dem Schließen der beiden in der Hauptzuleitung (1) liegenden Schalter (5, 6) vorangehenden Nulldurchgang (20) der Netzwechselspannung fujgezündet wird.

6. Schaltungsanordnung zum phasensynchronen Schalten eines Wechselstromverbrauchers über eine einstellbare Anzahl von Perioden der Wechselspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in der Hauptzuleitung (1) liegenden Schalter (5, 6) annähernd bei Stromnulldurchgang selbstlöschende Halbleiterschalter sind, welche über die Schaltsteuerungseinrichtung (13; 45) gleichzeitig nach einem Nulldurchgang der Wechselspannung (u) durchgeschaltet werden und nach der von der Schaltsteuereinrichtung (13; 45) bestimmten Anzahl Stromperioden (TS) keine Zündimpulse mehr erhalten.

7. Schaltungsanordnung zum Schalten einer Widerstandsschweißanlage mit einem Schweißtransformator (42) als Wechselstromverbraucher nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand des Kondensators (9) dem Blindwiderstand des Schweißtransformators (42) gemäß der Formel:

R²

.-C

entspricht, wobei C die Kapazität des Kondensators (9), L die Induktivität und R der Wirkwiderstand des Verbrauchers ist und daß das öffnen des ersten Schalters (5') bei Spannungsnulldurchgang (24) erfolgt, während der zweite Schalter (6') geschlossen bleibt, bis der Strom (i_v) durch den Schweißtransformator (42) unter Aufladung des Kondensators (9) annähernd zu Null geworden ist

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß eine Schaltsteuereinrichtung (13; 45) vorgesehen ist, die — nach Einbringen eines Startbefehls — bei einer Phasenlage (Null) mit Nulldurchgang (20) der Netzwechselspannung (u) zumindest einen Steuerimpuls an die Steuerelektrode des ersten weiteren Thyristors (18) gibt, der diesen zündet und über den ersten Widerstand (12') den zu dieser Zeit freigeschalteten, zwischen den beiden Schaltern (5', 6') in der Hauptzuleitung (1) liegenden Anschluß des Kondensators (9) zumindest bis zum Schließen dieser beiden Schalter (5', 6') während einer oder mehrerer gleichpoliger Halbwellen mit dem Netz verbindet

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuereinrichtung (13; 45) nach einem Phasenwinkel (21) der Netzwechselspannung (u)\on 50 bis 90 Grad — insbesondere 70 bis 80° — Zündimpulse an die beiden Halbleiterschalter (5', 6') in der Hauptzuleitung (1) abgibt, die den Wechselstromverbraucher (2; 42) und den Kondensator (9) mit dem Netz verbinden.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuereinrichtung (13; 45) in an sich bekannter Weise den beiden Halbleiterschaltern (5'; 6') über eine einstellbare Anzahl von Wechselspannungsperioden Zündimpulssignale mit einer weitaus höheren Frequenz als die der Netzwechselspannung zuführt welche nach einem einstellbaren Phasenwinkel (2i) der Netzwechselspannung (u) beginnen und während der letzten Halbwelle der eingestellten Wechselspannungsperioden enden.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste weitere Schalter (18) ein Thyristor ist, dessen Steuerelektrode von der Schaltsteuereinrichtung (13; 45) vor dem Schließen der beiden Schalter (5', 6') über eine einstellbare Anzahl von Wechselspannungsperioden gleichartige Zündimpulssignaie bis zum Schließen der beiden Schalter (5'; 6') zugeführt sind.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (9) eine Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes (16') mit einem zweiten weiteren Schalter (19) liegt, welcher von der Schaltsteuereinrichlung (13; 45) geschlossen wird nachdem die beiden Schalter (5', 6') in der Hauptzuleitung (1) geöffnet haben.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite weitere

Schalter ein Thyristor (19) ist, der über die Schaltsteuereinrichtung (13; 45) jedesmal dann ein Zündimpulssignal erhält, wenn die beiden Schalter (5'; 6') in der Hauptzuleitung (1) mit Sicherheit geöffnet haben und der zweite Widerstand (16') derart dimensioniert ist, daß eine ausreichende Entladung des Kondensators (9) bis zur nächstmöglichen Einschaltphase des Verbrauchers (2; 42) erfolgt

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (9) die weitere Reihenschaltung eines gleichartigen weiteren Verbrauchers (54) mit einem Lastschalter (55) liegt und eine Schaltsteuereinrichtung (45) vorgesehen ist, die bei jedem Arbeitsspiel immer nur jeweils einen der Schalter (6' oder 55) betätigt der mit einem der Verbraucher (42) oder 54) verbunden ist

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Schalter (5'), weicher zwischen einem Netzanschluß und einem Anschluß des Kondensators (9) liegt, die Eingänge einer Spannungsvergleichseinrichtung (50) angeschlossen sind, welche ein Ausgangssignal liefern sobald die Spannungen an ihren Eingängen gleiches Potential aufweisen.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Spannungsvergleichseinrichtung (50) das Einsetzen eines Einschaltsignals für den ersten Schalter (5') steuert

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal als Einschaltsignal für den ersten Schalter (5') dient.

18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des einen Thyristors des ersten, zwischen Netz und dem Kondensator (9) liegenden Schalters (5') zu Beginn der Einschaltphase ein Zündsignal erhält, während die Steuerelektrode des zweiten antiparallelgeschalteten Thyristors dieses Schalters (5') ein Sperrsignal bzw. kein Zündsignal erhält.

19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor des ersten Schalters (5'), welcher zu Beginn der Einschaltphase ein Zündsignal erhält, eine Polung aufweist, die der Polung des ersten weiteren Thyristors (18) entspricht, der in Reihe mit dem ersten Widerstand (12') und parallel zu dem Thyristor des ersten Schalters (5') liegt.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folgeschaltung vorgesehen ist, über welche durch ein Zünden des Thyristors des ersten Schalters (5') ein Zünden des gleichgepolten Thyristors des zweiten Schalters (6') erfolgt.

21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptzuleitung (1) vor den beiden Schaltern (5', 6') ein Schutzschalter (46) liegt, der die Hauptzuleitung (1) beim Inbetriebsetzen der Anlage vom Netz trennt und durch einen dritten Widerstand (47) überbrückt wird, der Schaltspannungsspitzen bei seinem Schließen dämpft.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum phasensynchronen Schalten eines Wechselstromverbrauchers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anwendung ist bekennt (DE-OS 16 38 426).

Bei der Blindleistungskompensation von Wechselstromverbrauchern werden häufig Parallelkompensationen mit Kondensatoren erforderlich, die sich im Gegensatz zur Reihenkompensation ohne eine Änderung der Auslegung des Verbrauchers auch nachträglich vornehmen lassen. Besonders schwierig ist eine solche Kompensation von größeren induktiven Blindlastanteilen mit verhältnismäßig großen Kapazitäten, die häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen, da sich beim Schalten leicht Strom- oder Spannungsspitzen ergeben können, die starke Störungen im Netz und/oder Verbraucher hervorrufen.

Solche Verbraucher sind z. B. Widerstandsschweißmaschinen, die einerseits durch ihre große Stromaufnähme und andererseits wegen ihrer kurzen Einschaltdauer das Versorgungsnetz stark stören können. So liegen vor allem die durch den intermittierenden Schweißrhythmus schnell arbeitender Punkt- oder Buckelschweißmaschinen hervorgerufenen Spannungseinbräche des Versorgungsnetzes gerade in einem Frequenzbereich, der sich am stärksten bemerkbar macht. Das Minimum der Bemerkbarkeitsgrenze dieser frequenten Spannungseinbrüche liegt hierbei schon bei etwa 0,25% und läßt damit bei einer angenommenen Versorgungsspannung von 380 V nur Spannungseinbrüche von unter 1 V zu.

Diese hieraus resultierenden und andere allgemeine bekannte Forderungen — insbesondere den Blindleistungsverbrauch betreffende Schwierigkeiten — lassen sich entscheidend einschärfen, wenn es gelingt, den z. B. bei Schweißmaschinen etwa 50% bis 90% von der Scheinleistung, betragenden Blindleistungsbedarf solcher Verbraucher zu kompensieren. Um die hierbei niederohmig mit dem Netz und dem Verbraucher zu verbindenden Kondensatoren schalten zu können, ist es bekannt (DE-OS 16 38 425), die Kondensatoren in Reihe mit zusätzlichen Schalteinrichtungen parallel zum Verbraucher zu legen, wobei diese Schalteinrichtungen Ignitrons oder Thyristoren enthalten. Über diese Schalteinrichtungen werden die Kondensatoren jeweils in der Nähe des Nulldurchganges der Netzwechselspannung geschaltet, um Ladestromspitzen zu vermeiden.

Für viele Anwendungsfälle mit häufigem, insbesondere intermittierendem Schalten des Verbrauchers haben sich die bekannten Schaltungen jedoch als ungeeignet erwiesen, da durch die vom induktiven Blindwiderstand des Verbrauchers hervorgerufene große Phasenverschiebung störende Strom- und/oder Spannungsspitzen und vor allem unangenehme und komplizierte Ausgleichsschwingungen beim oder nach dem Ausschalten des Verbrauchers hervorgerufen werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Schalten derartiger Verbraucher anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und eine Parallekom-

bo pensation mit großen Kapazitäten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Hierbei können — wie an sich bekannt — Halbleiterschalter wie Triacs und/oder Thyristoren verwendet werden. Bei einigen Verbrauchern wie z. B. bei Widerstandsschweißanlagen besteht weiterhin die Forderung, den Einschaltpunkt nicht in einen Nulldurchgang der Wechselspannung zu legen, sondern den