DE2303939C2

DE2303939C2 - Verfahren zum Betrieb eines Blindstrom-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz

Info

Publication number: DE2303939C2
Application number: DE2303939A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl.-Ing. 1000 Berlin Knuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1973-01-24
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE2303939A1; SE388082B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Blindstrom-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 16 38 432 ist eine Anordnung zum schnellen Zu- und Abschalten von mindestens zwei Leistungskondensatoren an ein Wechselstromnetz zur Blindstromkompensation bekannt, bei der der Kondensator vor dem Zuschalten auf den Scheitelwert der Netzwechselspannung aufgeladen wird und der zugehörige Halbleiterschalter zu einem Zeitpunkt gezündet wird, wenn an ihm die Spannung; Null oder angenähert Null ist Damit werden beim Zuschalten des Kondensators an das Wechselstromnetz: Ausgleichsschwingungen vermieden.

Aus der DE-OS 16 38425 ist eine Schalteinrichtung für eine für ein Wechselstromnelz bestimmte Kondensatorbatterie mit mehreren parallelen Zweigen bekannt, von denen jeder durch einen Thyristorschalter mit Thyristoren in beiden Stromirichtungen am Netz angeschlossen ist. Dabei ist jeder Thyristorschalter von einem Steuervorgang derart gesteuert, daß bei voller Blindleistungsaufnahme der Kondensatorbatterie die Thyristoren der einen und der anderen Richtung synchron mit den in der jeweiligen Richtung auftretenden Maximalwerten der Netzspannung eingeschaltet werden.

Ein solcher Anschluß einer Kondensatorbatterie mittels eines Thyristorschalters ist vor allem von Bedeutung in Netzen, in denen große Schwankungen der reaktiven Leistungen auftreten. Das kann in Industriegebieten der Fall sein, in denen große Arbeitsmaschinen und Anlagen mit für das Netz ungünstigen Belastungsverhältnissen vorkommen. Indem man einen Thyristorschalter zum Ein- und Ausschalten einer Kondensatorbatterie benutzt, kann man eine so große Regelgeschwindigkeit erreichen, daß Kondensatorbatterien als Kompensatoren bedeutend teurere rotierende Synchronkompensatoren ersetzen können.

Aus der DE-OS 16 38 425 ist ebenfalls bekannt, daß der Anschluß eines Kondensatorbatterieteiles am einfachsten durch geschieht daß man eine konstante Steuerspannung an die Steuerelektroden der antiparallelen Thyristoren legt so daß die Thyristoren für beide Stromrichtungen leiten. Hierbei können jedoch beim Ein- und Ausschalten der Kondensatorbatterie Probleme mit Schaltüberströmen und -Überspannungen auftreten.

Sollen Überströme und -spannungen vermieden werden, muß das Ein- und Ausschalten der Kondensatorbatterie sowie das Umschalten zwischen den Thyristoren während des Betriebes bei Nullstrom erfolgen, d.h. kurz vor den positiven und negativen Amplitudenwerten der Netzspannung. Die verschiedenen Thyristoren sind auf diese Weise für je eine Halbperiode leitend. Während jeder Halbperiode werden die entsprechenden Kondensatorzweige umpolarisiert Das bedeutet aber, daß beim Abschalten der Kondensatorbatterie oder Teilen der Kondensatorbatterie diese Teile mit voller Spannung liegen bleiben und außerdem bei voller Spannung in Bereitschaft gehalten werden sollen, so daß sie beim Wiedereinschalten an die Maximalspannung des Netzes eingeschaltet werden können, ohne daß irgendwelche Schaltstöße auftreten. Das genannte übliche Vorgehen bedeutet jedoch einProblem bei der Wahl von Kondensatoren. Die Kondensatorbatterie mit voller Spannung in Bereitschaft zu halten, führt zu einer Gleichspannungsbelastung, die es erforderlich macht, daß die Kondensatorbatterie aus Gleichspannungskondensatoren aufgebaut wird, da das Dielektrikum in Wechselspannungskondensatoren nicht für längere Perioden Gleichspannung ausgesetzt werden sollte.

Gleichspannungskondensatoren, die die im Einschaltzustand auftretende Wechselspannungsbelastung aufnehmen können, sind jedoch bedeutend teurer als gewöhnliche Wechselspannungskondensatoren.

Aus der DE-AS 21 02 926 ist es bereits bekannt, die Gleichspannungsbelastung der Kondensatoren zu vermeiden und durch eine derartige Ausbildung der Steuerorgan^ gelöst worden, daß bei reduzierter Blindleistungsaufnahme der Kondensatorbatterie die Steuerorgane zumindest einiger der Thyristorschaltungen Steuerimpulse abgeben, die diese Thyristorschalter mit einer Frequenz, die nur ein Bruchteil der Netzfrequenz ist, jeweils bei Maximalwerten der Netzspannung abwechselnd in die eine und andere Richtung einschalten.

Die Thyristoren werden also so gesteuert, daß die Kondensatoren auch in den Bereitschaftsperioden, d. h. in den Zeiten, in denen die Kondensatoren im Prinzip nicht eingeschaltet sind, ständig umpolarisiert werden. Dadurch wird eine reine Gleichspannungsbeanspruchung der Kondensatoren vermieden, und es sollen die bedeutend billigeren Wechselspannungskondensatoren

verwendet werden können, deren Dielektrikum keine längere Gleichspannungsbeanspruchung verträgt

Bei dieser bekannten Lösung werden jedoch die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschalters noch mit dem Betrag der doppelten Netzspannung als Sperrspannung beansprucht und eine Zuschaltung der Kompensationskondensatoren kann iiicht immer sofort sondern nur dann erfolgen, wenn die Polarität der Netzspannung mit der Polarität der Ladespannung des Kondensator! übereinstimmt, im Extremfall also erst fast eine volle Periode später. Letztlich bleibt für die Wechse'ispanraungskondensatoren der Einfluß der immer noch vorhandenen Gleichspannungskomponente hinsichtlich ihrer Lebensdauer als nachteilig zu befürchten, und es kann der niederfrequente Umladevorgang der Kondensatoren zu Flimmererscheinungen im angeschlossenen Netz führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Blindstron-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz anzugeben, bei dem unter Gewährleistung eines ausgleichsschwingungsfreien Schaltens das Zu- und Abschalten des Kompensationskondensators mit der größtmöglichen Geschwindigkeit erfolgt, der Kompensationskondensator keiner Gleichspannungsbelastung unterliegt und keine niederfrequenten Umladevorgänge des Kompensationskondensators auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angeführten Verfahrensmerkmale gelöst

Es erfolgt dabei die Vor- bzw. Entladung des Kondensators durch eine kurzzeitige Zündung des Halbleiterschalters in dem schon beschriebenen Stromkreis, einem Reihenschwingkreis, der aus dem Halbleiterschalter, dem Kondensator, einer Induktivität und dem Netz besteht Der Halbleiterschalter kann aus an sich bekannten Elementen, z. B. antiparallel geschalteten Thyristoren oder einem bidirektionalen Thyristor (Triac) aufgebaut sein.

Die Induktivität des Schwingkreises kann von der induktiven Komponente des Netzinnenwiderstandes gebildet werden, oder es kann auch ein besonderes induktives Bauelement, z. B. eine Drossel vorgesehen werden, wobei dann die Netzinduktivität und die Drosselinduktivität zusammenwirken oder bei einem vollständig kompensierten Netz die induktive Wirkung der Drossel allein mit der Kapazität das Schwingkreisverhalten bestimmen.

Den Schaltzeitpunkt für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators innerhalb der Viertelperiode vor bzw. nach dem Eini- oder Abschalten des Kondensators vom Netz wählt man in Berücksichtigung der das Schwingkreisverhalten bestimmenden Größen, und zwar derart, daß das Schaltüberschwingen der Spannung am Kondensator genau auf die gewünschten Werte, insbesondere den Scheitelwert der Netzspannung beim Vorladen oder den Wert Null beim Entladen erfolgt.

Es kann sich in manchen Fällen auch als vorteilhaft erweisen, das Vor- bzw. Entladen des Kondensators nicht aus bzw. auf der Netzspannung vorzunehmen sondern dafür eine besondere Hilfsspannungsquelle vorzusehen, wobei ebenfalls ein in diesem Schaltkreis vorzusehener Halbleiterschalter nur kurzzeitig gezündet wird. Es kann dieser Hilfsladestromkreis für den Kompensationskondensator auch zu einem Schwingkreis durch Einbau einer Induktivität, z. B. einer besonderen Drossel ausgebaut werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß der Kondensator zur Blindstromkompensation des Netzes einer reinen Wechselspannungsbeanspruchung unterliegt und damit Nachteile hinsichtlich seiner Lebensdauer aufgrund von Gleichstrombelastungen vermieden sind. Des weiteren haben die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschalters nur den Betrag der einfachen Netzspannung als Sperrspannung, da die Kondensatorspannung im ausgeschalteten Zustand gleich Null ist Weiterhin kann der Zu- und Abschaltzeitpunkt des Kondensators am Netz sowohl im positiven oder negativen Scheitelwert der Netzspannung liegen.

Auch ist eine Vorladung der Spannung u_c des Kondensators auf Werte ungleich der Netzscheitelspannung durch Verschiebung des Vorladezeitpunktes möglich. Dabei bringt eine Verschiebung in Richtung des Netzspannungsscheitelwertes eine Vorladespannung, die größer als die Scheitelwertspannung des Netzes ist Durch diese Anpassungsfähigkeit durch Veränderung des Vor- und analog entsprechend auch des Entladeschaltzeitpunktes ist es möglich, die Bedingungen für ein exaktes ausgleichstromfreies Schalten zu realisieren. Im Ergebnis sind das Auf- und Entladen verlustfrei.

Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert Es zeigen die

F i g. 1 und 3 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, während die

F i g. 2 das Verfahren selbst verdeutlicht.

In der F i g. 1 liegt der Kondensator C an einem zu kompensierenden Wechselstromnetz der Spannung LJ. Er wird an das Netz durch den Halbleiterschalter S angeschlossen, wobei auch noch eine besondere Induktivität — dargestellt als Drossel L — vorgesehen ist Eine Steuerung STMiefert dem Halbleiterschalter S Zündimpulse i_g, wobei diese in Abhängigkeit von der am Halbleiterschalter 5 liegenden Spannung U_s und der am Kondensator liegenden Spannung U_c erfolgt.

Wie es die Fig.2 erkennen läßt wird der Kondensator C in der Viertelperiode PIA vor dem Zuschaltzeitpunkt t_c,_n des Kondensators an das Netz zum Vorladeschaltzeitpunkt U kurzzeitig eingeschaltet. In dieser Folge fließt dann kurzzeitig ein Kondensatorstrom i, und es schwingt die Spannung des Kondensators L/_Cauf den Scheitelwert der Netzspannung L).

Ein Rückschwingen der Kondensatorspannung ist wegen der nur kurzzeitigen Zündung des Halbleiterschalters Snicht möglich. Zum Zuschaltzeitpunkt f«„des Kondensators an das Netz wird der Halbleiterschalter S durch mehrere Zündimpulse oder einen Dauerzündimpuls ig ständig leitend gehalten, und es erfolgt eine Kompensierung des Wechselstromnetzes mit der Kapazität des Kondensators. Zum Abschaltzeitpunkt tab des Kondensators C vom Netz erfolgt keine weitere Zündung des Halbleiterschalters S, und es verbleibt die Ladung des Kondensators vorerst kurzzeitig auf dem Scheitelwert der Netzspannung. Innerhalb einer Viertelperiode PIA nach dem Abschaltzeitpunkt Ub wird der Halbleiterschalter 5 zum Entlarieschaltzeitpunkt f_enoch einmal kurzzeitig gezündet So fließt kurzzeitig noch ein Entlade-Kondensatorstrom /' und es schwingt die Spannung des Kondensators ab auf den Wert Null. Es ist de Verlauf der einzelnen elektrischen Größen im Ablauf der Zeit t dargestellt.

Die F i g. 3 zeigt eine Anordnung der F i g. 1, bei der in Abweichung davon für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators eine besondere Ladeeinrichtung LA

vorgesehen ist. Wie die Figur erkennen läßt, wird aus einer Hilfsspannungsquelle Uh über einen Transformator T über ein Halbleiterschaltelement Sh und eine Drossel Lider Kondensator Cvor- bzw. entladen. Das vorstehend erläuterte Verfahren ist nicht auf das dargestellte Beispiel der Kompensation eines Wechselspannungsnetzes beschränkt sondern läßt sich in übertragender Weise auch für Drehstromnetze verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Blindstrom-Kompensationskondensators an einem Wechselstromnetz in einem aus Kompensationskondensator, Halbleiterschalter und Induktivität bestehenden Stromkreis, bei dem der Kompensationskondensator auf den Scheitelwert der Netzwechselspannung vorgeladen und an das Wechselstromnetz angeschaltet wird, wenn die Spannung am Halbleiterschalter nahe oder gleich Null ist, dadurch gekennzeichnet,daß der Kompensationskondensator (C)'m der dem Einschaltzeitpunkt vorangehenden Viertelperiode der Netzwechselspanhung auf den Scheitelwert der Netzwechselspannung durch einen Zündimpuls des Halbleiterschalters (S) vorgeladen und in der Viertelperiode der Netzwechsolspannung nach dem Abschaltzeitpunkt des Kondensators (C) von dem an ihm liegenden Scheitelwert der Netzwechselspannung durch einen Zündimpuls des Halbleiterschalters (S) auf einen Spannungswert nahe oder gleich Null entladen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Schwingkreises aus der induktiven Komponente des Netzinnenwiderstandes und/oder einer Drosselspule (L) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitpunkte für das Vor-bzw. Entladen des Kondensators (C) in Berücksichtigung der das Schwingkreisverhalten bestimmenden Größen gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vor- und/oder Entladen des Kondensators (C) von einer Hilfsspannungsquelle (Uh) erfolgt.