DE2329287B2 - Einrichtung zur verbraucherparallelen Kompensation von Blindleistung in Wechselspannungsnetzen - Google Patents

Einrichtung zur verbraucherparallelen Kompensation von Blindleistung in Wechselspannungsnetzen

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DE2329287B2 DE2329287A DE2329287A DE2329287B2 DE 2329287 B2 DE2329287 B2 DE 2329287B2 DE 2329287 A DE2329287 A DE 2329287A DE 2329287 A DE2329287 A DE 2329287A DE 2329287 B2 DE2329287 B2 DE 2329287B2
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Description

Weitere Verfahren zur Kompensation werden mit gesättigten Drosseln durchgeführt. Beim Verfahren mit gesättigten Drosseln wird am Verbraucher eine konstante Spannung durch die Auslegung der Drosseln vorgegeben. Überschreitet die Verbraucherspannung den vorgegebenen Wert, so werden die Drosseln gesättigt und der Zusatzstrom der Drosseln bewirkt durch die Netzimpedanz eine Spannungsabsenkung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unsymmetrische Wirkleistungsbelastung in Versorgungsnetzen symmetriert und die Biindleistungsbelastung kompensiert
Die Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung und/oder zum Ausgleich unsymmetrischer Wirkleistung in einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz die Streutransformatoren als Induktivitäten den Netzphasen zugeordnet und an die Sekundärwicklung ein Steller als Kurzschlußschalter anschließbar ist, wobei der Steuer in Abhängigkeit von über eine MeB- und Regeleinrichtung aufgenommenen Belastungsänderungen des Verbrauchers steuerbar und die Primärwicklung des oder der Streutransformatoren gegenüber der oder den Sekundärwicklungen in an sich bekannter Weise potentialfrei geschaltet sind.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert und der mit der Erfindung erzielbare Fortschritt dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 das Versorgungsnetz mit Lage des Verbrauchers und der Stabilisierungseinrichtung;
F i g. 2 ein Schaltbild der Stabilisierungseinrichtung·,
Fig.3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung der Stabilisierungseinrichtung;
F i g. 4 das Zeigerdiagramm der auftretenden Ströme und
Fig.5 Verbraucher, Stabilisierung und Regeleinrichtung.
In F i g. 1 ist der Verbraucher mit 1 bezeichnet, dessen Leistungsaufnahme aus dem Wechselspanr.ungsnetz 3 stark schwankt, wie es beispielsweise bei Leichtbogenöfen der Fall ist. Dies führt zu starken Spannungsschwankungen am Punkt Pcc, so daß andere an Pcc liegende Verbraucher dadurch in Mitleidenschaft gezogen werden.
Es ist daher erforderlich, daß am Punkt Pcc möglichst keine Spannungsschwankungen auftreten und ein vorgebbarer Leistungsfaktor am Punkt Pü eingehalten wird. Dies soll mit einer Stabilisierungseinrichtung 2 erreicht werden, die dem Verbraucher über die Verbindung Pvparallel geschaltet ist.
Die Schaltung der Stabilisierungseinrichtung 2 ist in F i g. 2 näher erläutert.
Über Die Anschlüsse 5,6, 7 ist die in F i g. 2 ingesamt dargestellte Stabilisierungseinrichtung 2 dem Verbraucher 1 parallel geschaltet, bei dem es sich beispielhaft um einen dreiphasigen Verbraucher handelt. Die Anschlüsse 5, 6, 7 führen zu drei Streutransformatoren 8,9,10, deren Primärwicklungen 8a, 9a, 10a potentialfrei oder je nach Erfordernis unabhängig voneinander nach einer der bekannten Schaltgruppen schaltbar sind. Die Sekundärwicklungen Sb, 9b, 106 sind jeweils mit Stellern 11, 12, 13 in beiden Richtungen kurzschließbar. Die steuerbaren Ventile jedes Stellers sind zueinander antiparallel geschaltet, jider Streutransformator hat eine große Streuinduktivität (u*%= 100%) und setzt die
Oberspannung auf der Primärseite auf eine für den Steller verträgliche Unterspannung herab. Er wirk* zugleich als Induktivität, welche eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung hervorruft, zugleich aber auch als Spannungswandler. Die Wirkungsweise der Stellersteuerung ist in Fi g. 3 erläutert. L/zeigt die Sekundärspannung, /den Sekundärstrom an einem der Streutransformatoren nach F i g. 2 oder an einer Einrichtung, wie sie für einphasige Verbraucher anwendbar ist Wird der Steller zum Zeitpunkt ti eingeschaltet so entsteht ein großer Kurzschlußstrom /5. Bei späterem Einschalten des Stellers, etwa zum Zeitpunkt f2, entsteht immer ein kleinerer Strom als /5, im gezeigten Beispiel /6. Durch beliebiges Schalten im Zeitbereich zwischen fl und ti kann der Sekundärstrom stufenlos von einem Maximalwert bis auf 0 eingestellt werden. Entsprechendes gilt für das antiparallel geschaltete, steuerbare Ventil vom Zeitpunkt f 4 an bis zum Zeitpunkt des nachfolgenden positiven Spannungsmaximums.
In Fig.4 stellt Uv die Spannung am Verbraucher 1 und der Stabilisierungseinrichtung dar. Es wird nun durch Einstellung eines bei jeder Belastung des Verbrauchers 1 konstanten Stromes Jres eine immer konstap'e Spannung t/v im Netz hervorrufen. Weist der Verbraucherstrom den geringen Wert /1 auf, so wird der Kurzschlußstrom /j des Stellers auf einen relativ großen Wert eingestellt (beispielsweise / 6 in F i g. 3).
Steigt der Verbraucherstrom plötzlich auf den Wert /2, so wird der bzw. die Steller auf den kleineren Kurzschlußstrom J"i über an sich bekannte Regeleinrichtungen eingeregelt.
Durch Zuschalten einer (nicht gezeigten) Kondensatorbatterie, aus welcher ein Strom /4 resultiert, kann durch Verstellen des Steuerstromes der Leistungsfaktor auf einen vorgebbaren Wert eingeregelt werden. Das Schema der Regeleinrichtung ist in F i g. 5 gezeigt. Der Strom von Verbraucher 1, der vom SteuerwinLel der Steller abhängige Kurzschlußstrom an der Stabilisierungseinrichtung 2 sowie die Spannung werden durch an jich bekannte Meßeinrichtungen in die Meß- und Regeleinrichtung 4 eingegeben, welche wiederum die Steller in der Stabilisierungseinrichtung 2 iiber an sich bekannte Steuersätze beeinflußt.
Die Streutransformatoren nach Fig. 2 können aus einem einzigen Drehstromtransformator mit großer Streuung und drei Einphasenstellern aufgebaut sein. Der Drehstromtransformator mit großer Streuung ist im Prinzip wie ein Transformator für Lichtbogenofen aufgebaut und dient damit gleichzeitig zur Spannungsanpassung an den Drehstromsteller auf der Sekundärseite und aufgrund der ausgeprägten Streuinduktivitäten ?'s Drossel. Wenn die Ventile des Stellers keine Zündimpulse erhalten, ist nur die Hauptinduktivität des Transformators wi.-ksam und die Primärsfröme der Anlage sind vernachlässigbar klein. Werden dagegen alle Ventile der Steller durchgeschaltet, dann werden auf der Primärseite des Transformators Ströme fließen, die nur von der angelegten Spannung und vom Faktor u*% des Transformators bestimmt sind.
Beispielsweise wird bei υ*%=ΙΟΟ°/ο des .Streutransformators und Nennspannung nur der Nennstrom der Kompensationseinrichtung fließen; das Überstromproblem ist somit einfach zu beherrschen.
Durch Variation der Steuerwinkel der Steller können die Kompensationsströme stufenlos variiert werden; eine gleichsinnige Variation der Steuerwinke! der Stellerventile ergibt variable symmetrische Konmensa-
tionsströme, unglcichsinnige Variation der Steuerwinkel ergibt variable unsymmetrische Kompensationsströme. Im Gegensatz zu einem Verfahren mit zugeschalteten Drosseln, bei dem in Abhängigkeit vom Belastungszustand unterschiedlich bemessene Drosseln oder mehrere Drosseln gleicher Bemessung zugeschaltet werden, wird also bei der vorliegenden Einrichtung durch Variation der Spannungszeitfläche an den Streuinduktivitäten des Streutransformators eine Anpassung an den Belastungszustand erreicht. Die Variation der Spannungszeitfläche wird erreicht, indem im Steuerbereich der Steller zu unterschiedlichen Zeitpunkten den Ventilen des Stellers Steuerbefehle gegeben werden. Da die Steuerbefehle im Steuerbereich stufenlos zu variieren sind, ist auch eine stufenlose Anpassung an den Belastungszustand möglich.
Außerdem verringert sich durch den Steuerbereich
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flüssen im signalverarbeitenden Teil. Die Dynamik der Einrichtung verbessert sich ebenso vorteilhaft gegenüber den Verfahren mit geschalteten Drosseln; denn bei einer Belastungsänderung reagiert die vorliegende Erfindung um so schneller, je mehr Eingriffspunkte zur Verfugung stehen. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist außerdem, daß die Ventile eines Stellers nur maximal die sekundäre Netzspannung sperren müssen und nicht wie beim Verfahren mit geschalteten Kondensatoren den doppelten Höchstwert der Spannung des Wechselspannungsnetzes 3 (F i g. I).
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber schaltbaren Drosseln ist in der Signalverarbeitung begründet. Wenn beim kontinuierlichen Einschalten einer Drossel nicht im Spannungsmaximum zugeschaltet wird, sind Gleichstromkomponenten im Drosselstrom nicht zu vermeiden. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall, da nur jeweils eine Stromrichtung mit Einschaltzeitpunkt im bzw. nach dem Spannungsmaximum freigegeben wird. Die;, bedeutet eine höhere Magnetisierung mit einer vom Einschaltzeitpunkt abhängigen Spannungszeitfläche, die nach dem Spannungsnulldurchgang wieder vermindert wird (F i g. 3). Da die negative Spannungszeitfläche beim Entmagnetisieren auf Grund der Verluste immer kleiner sein muß als die positive Spannungszeitfläche beim Magnetisieren, wird der Strom bereits vor dem negativ en Spannungsmaximum zu Null werden und Null bleiben. Entsprechendes gilt für die Spannungszeitfläche vom negativen Spannungsmaximum an. Ein Ventil wird erst eingeschaltet, wenn das zweite Ventil des Stellers keinen Strom mehr führt.
Die vorliegende Einrichtung ist außerdem durch Modifikation leicht den verschiedenen Aufgabenstellungen anzupassen. Wenn bei symmetrischer Belastung der Leistungsfaktor cos φ = 1 ist oder der Längsspannungsabfall zu kompensieren ist, kann die Kompensationsanlage in zwei Anlagen mit unterschiedlichen Transformatorschaltungen aufgeteilt werden. Der eine Streutransformator kann beispielsweise primär im Dreieck, der zweite Streutransformator im Stern geschaltet werden. Durch diese Kombination wird der Oberschwingungsgehalt der Kompensationsströme wesentlich verringert. Außerdem wird die Dynamik der Gesamtanlage verbessert, da zwei elektrisch um 30° verschoben arbeitende Teilanlagen zusammenarbeiten.
Diese Kombination ist auch dann noch vorteilhaft einzusetzen, wenn die Belastung aufspaltbar ist in einen symmetrischen Teil und einen unsymmetrischen Teil der Belastung. Wenn dagegen die Belastung nicht in einen symmetrischen und unsymmetrischen Anteil aufspaltbar ist, darf der Streutransformator primär nicht im Stern, sondern muß primär im Dreieck geschaltet werden.
> Es sollen nun einige Aspekte der Signalverarbeitung bei der vorliegenden Erfindung aufgezeigt werden.
Die dynamischen Eigenschaften der vorliegenden
Einrichtung mit Streutransformator und Stromsteller sind die eines pulsphasenmodulierten Systems, das sich
ι» dynamisch günstiger verhält als ein pulsamplitudenmoduliertes System.
Die dynamischen Eigenschaften der Kompensationseinrichtung werden außer von der Dynamik des Stellgliedes auch von den dynamischen Eigenschaften r> der Meßwerterfassung bestimmt. Häufig werden bei den bekannten Einrichtungen mit geschalteten Kondensatoren bzw. geschalteten Drosseln zur MeßwerterfascimiT !nte^rsioren verwendet r\\r* fii* ^Tn Nä|:/ synchronisiert und getaktet sind. Das Ausgangssignal 2Ii der Integratoren ist deshalb nur zu bestimmten Zeitpunkten ein Maß für die Netzverhältnisse. Die getaktete Meßwerterfassung ist gut geeignet bei den Verfahren mit geschalteten Reaktanzen, die ebenso getaktet sind. Diese Meßwerterfassung ist ebenso :~> einzusetzen beim Verfahren mit Streuiransformator und Drehstromsteller. Der Nachteil des beschriebenen MeßverfrVens ist vor allem darin zu sehen, daß nur zu gewissen Zeitpunkten Meßergebnisse vorliegen, die vorliegende Einrichtung aber kontinuierliche und jo oberschwingungsarme Signale zur Verarbeitung benötigt, um die Dynamikvorteile des Stellgliedes voll auszunutzen. Die Problematik der schnellen, kontinuierlichen und oberschwingungsarmen Meßwerterfassung ist von besonderer Bedeutung bei der Symmetrierung r. und Kompensierung unsymmetrischer Netze.
Ganz allgemein läßt sich feststellen, daß entweder die Meßdauer oder der Oberschwingungsgehalt des Meßwertes zu groß sind. Eine Verbesserung aller Verfahren läßt sich nur durch Phasenvervielfachung der Meßwerte '·> an sich mit anschließender Meßwertbildung erzielen. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise der mit bekannten Meßverfahren arbeitenden Meßeinrichtung eine aus der DE-PS 12 41524 bekannte Phasenvervielfacherschaltung vorgeschaltet.
■> Bei allen Kompensationsverfahren, die symmetrieren und kompensieren können, ist zumindest der Querspannungsabfall an den Netzimpedanzen bei unvollständiger Kompensation außerdem auch noch ein Teil oder der gesamte Längspannungsabfall vorhanden. Bei BeIa- > stungsänderung ändern deshalb das speisende Netz .nd das Verbrauchernetz die Phasenlage zueinander. Diese Phasenschwankung des Verbrauchernetzes gegenüber dem Speisenetz führt bei bekannter Steuerspannung (Signalspannung) zu einer unerwünschten Aussteue-" rungsänderung des Stellgliedes, wenn das Impulssteuergerät nur gut gesiebte Netzspannungen verarbeitet Der Einsatz eines Impulssteuergerätes mit einer geringeren Siebung der Netzspannung bzw. der Einsatz von Impulssteuersätzen mit einer zusätzlichen Nachsteue-■" rung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung ist deshalb vorteilhaft Ein solcher Impulssteuersatz ist ein Zündimpulsgerät bei dem durch langsame Regelung des Zündwinkels eine synchronisierende Verbindung zum Versorgungsnetz besteht so daß dieses Zündimpulsgev> rät trotz Phasen- und Frequenzschwankungen im Versorgungsnetz einwandfrei arbeitet
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur verbraucherparallelen Kompensation von Blindleistung in Wechselspannungsnetzen, bei der ein Induktivitätswert über Streutransformator durch steuerbare Halbleiterventile veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung der Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung und/oder zum Ausgleich unsymmetrischer Wirkleistung in einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz (3) die Streutransformatoren (8,9 und 101) als Induktivitäten den Netzphasen zugeordnet und an die Sekundärwicklung (Sb, 9b. 10b) ein Steller (11, 12, 13) als Kurzschlußschalter anschließbar ist, wobei der Steller (11, 12, 13) in Abhängigkeit von Ober eine Meß- und Regeleinrichtung (4) aufgenommenen Belastungsänderungen des Verbrauchers (1) steuerbar und die Primärwicklung (8a, 9a, 10a' des oder der Streutransformatoren (8,9, 10) gegenüber der oder den Sekundärwicklungen (Sb, 9b, iOb) in an sich bekannter Weise potentialfrei geschaltet ist
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zum ein- oder mehrphasigen Verbraucher (1) parallel geschalteter Kondensatoren die Blindleistung zusätzlich kompensierbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsspannungsabfall an den Netzimpedanzen durch Betätigen der Steller (11,12,13) zuu^tzlich kompensierbar ist.
4. Einrichtung nach einem d°r Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Stellerventil ein Steuerbereich im Verlauf der Spp -nungsperiode von 90° el zugeordnet ist, und daß beim Zuschalten des Stellers (11, 12, 13) keine Gleichstromkomponente im Stellerwechselstrom auftritt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zum stromführenden Stellerventil antiparallel geschaltete Stellerventil erst nach dem Stromnulldurchgang des stromführenden Stellerventils einschaltbar ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Dynamik des Stabilisierungsvorgangs der mit bekannten Meßverfahren arbeitenden Meßeinrichtung (4) eine bekannte Phasenvervielfacherschaltung vorgeschaltet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Impulssteuersätze für netzgeführte Stromrichter zur Steuerung der Steller (11,12,13) vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwachen Versorgungsnetzen Steuersätze vorgesehen sind, die eine zusätzliche Nachsteuerung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung aufweisen.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Meßeinrichtung vorgesehen ist, die Phasen- und Frequenzschwankungen des Versorgungsnetzes erfaßt und ein Signal abgibt, mittels dessen die Steuerimpulse für die Steller (11,12, 13) nachführbar sind, wobei die Steuersätze für die die Steller (11,12, 13) beeinflussende Meß- und Regeleinrichtung (4) mit dieser Störung nicht beaufschlagt sind.
ι ο
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur verbraucherparallelen Kompensation von Blindleistung in Wechselspannungsnetzen, bei der ein Induktivitätswert über Streutransformator durch steuerbare Halbleiterventile veränderbar ist
Zur Kompensation der Blindleistungsbelastung und zur Symmetrierung der unsymmelrischen Anteile der Belastungen von Versorgungsnetzen sind verschiedene Verfahren bekannt
Aus der GB-PS 12 30 830 ist eine Kompensationseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der dem Verbraucher in ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen mehrere Streutransformatoren oder ein Streutransformator mit mehreren Sekundärwicklungen parallel geschaltet werden. Jede Sekundärwicklung ist mit einem aus steuerbaren Halbleiterventilen zusammengebauten Schalter verbunden, mit dem der Indukti vitätswert veränderbar ist Durch Zu- und Abschalten der Sekundärwicklungen läßt sich jede Stufe der Induktivität erzeugen. Die Zu- und Abschaltung der Induktivitäten ist jedoch nur in den Null-Durchgängen des Stromes möglich.
Ferner werden zur Kompensation einer symmetrischen Blindleistungsbelastung rotierende Phasenschieber (Synchronmaschinen) eingesetzt Die Nachteile dieser Lösung bestehen in großem Raumbedarf und dem technischen Aufwand für diese Einrichtungen. Außerdem weisen sie nur eine begrenzte Dynamik (Anregelzeit ungefähr 100 ms) auf.
Die Beschränkung auf die Kompensation einer lediglich symmetrischen Blindleistungsbelastung kann durch Einsatz einer zweiten, im Drehsinn gegenläufigen Synchronmaschine mit zwei elektrisch um π /2 versetzten Erregerwicklungen vermieden werden. Der technische Aufwand ist bei dieser Lösung besonders hoch.
Eine andere bekannte Anordnung zur Kompensation symmetrischer Blindleistungsbelastungen ist aus einem netzgeführten Stromrichterstellglied und einer Induktivität als Last aufgebaut. Da an der induktivität nur die geringe Gleichspannung proportional dem ohmschen Spannungsabfall abfallen kann, muß das Stromrichterstellglied ungefähr im Arbeitspunkt, mittlere Ausgangsspannung Null, das entspricht dem Stromwinkel λ = π 12, arbeiten. Eine geringfügige Änderung des Steuerwinkels <x ändert bei dieser Anordnung die mittlere Ausgangsspannung des Stellglieds und damit den Strom in den Netzzuleitungen des Stellglieds.
Die Anordnung wirkt als variable induktive Belastung, deren Dynamik gut ist, denn die Anregelzeit beträgt ungefähr 5 bis 10 ms.
Nachteilig ist, daß das Stellglied dem zu kompensierenden Netz nur induktive Blindleistung zur Verfügung stellen kann. Zur Kompensation des Leistungsfaktors cos φ im Netz ist deshalb immer eine zusätzliche Kondensatorbatterie notwendig. Nachteilig ist außerdem, daß das zu kompensierende Netz mit Oberschwingungen belastet wird. Die Kondensatorbatterie wird daher im allgemeinen auf die wesentlichen Oberschwingungen des Netzes abgestimmt (Saugkreise).
Ein weiterer Nachteil dieses Stellgliedes ist durch die Induktivität als Belastung bedingt. Wird der zulässige Steuerbereich von wenigen Winkelgraden (Tel = 55,6 μβ) durch eine Störung im signalverarbeitenden Teil in Richtung Gleichrichterbetrieb verlassen, so tritt zwangsläufig ein Überstrom auf, der zum Ausfall der Anlage führt. Das Stellglied erfordert daher zum Schutz gegen Überströme und Ausfall zusätzliche Maßnahmen.
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