DE2804481A1

DE2804481A1 - Control circuit with bidirectional thyristor arrangement - controlling reactive power of capacitor connected to AC mains

Info

Publication number: DE2804481A1
Application number: DE19782804481
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl Ing Knuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-01-31
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2804481C2

Abstract

The control circuit controls the reactive power of a capacitor (1) in an a.c. network (8) at the fundamental frequency. In the case of an a.c. network containing reactance, the circuit comprises the series combination of two bidirectional sets of thyristor and a parallel storage capacitor. In the case of an a.c. network containing no or little reactance, the circuit comprises the series combination of the capacitor (1) and a bidirectional pair of thyristors.

Description

Verfahren zur Steuerung der Grundschwinanzsblind-Method for controlling the basic frequency blind

leistung eines Wechselstromnetzes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Grundschwingungsblindleistung eines an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Leistungskondensators über steuerbare Stromrichterventile.power of an alternating current network The invention relates to a Method for controlling the fundamental reactive power of an alternating current network connected power capacitor via controllable converter valves.

Zur Kompensation des Blindleistungsverbrauchs in Industrienetzen werden Synchron-Phasenschieber, stufenweise einstellbare Eondensatorbatterien, oder in neueren Aasführungen ruhende Blindleistungs-Kompensationseinriçhtungen in Form von thyristorgesteuerten Blindwiderständen eingesetzt. Während der Synchron-Phasenschieber symmetrische Laständerungen verhältnismäßig schnell ausgleicht, liefert z. B. eine feste Kondensatorbatterie eine konstante kapazitive Blindleistung und eignet sich deshalb nur für Anlagen mit einem ziemlich gleichbleibenden Blindleistungsverbrauch. Für eine sich nur langsam ändernde Blindleistung können stufenweise einstellbare Kondensatorbatterien verwendet werden, während es bei häufigen Lastwechseln und hohen Anforderungen an die Spannungskonstanz vorteilhaft ist, statische Kompensationsenrichtungen zu verwenden. Bei diesen statischen Kompensationseinrichtungen gehören zur Gruppe der direkten Kompensation die Kondensatorbatterien, die über gesteuerte Halbleiter ans Netz geschaltet werden und der Blindstromrichter mit kapazitivem Speicher, zur Gruppe der indirekten Kompensation die feste Kondensatorbatterie mit konstanter kapazitiver Komponente unter wahlweiser Parallelschaltung eines thyristorgesteuerten Streutransformators, eines Blindstromrichters mit induktivem Speicher, einer steuerbaren Drosselspule oder einer thyristorgeschalteten Drosselspule. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in den 'fTechnischen Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN 66 (1976), Heft 7, Seiten 286 bis 290" beschrieben.To compensate for reactive power consumption in industrial networks Synchronous phase shifter, step-by-step adjustable capacitor batteries, or in more recent models have static reactive power compensation units in the form of Thyristor-controlled reactances are used. During the synchronous phase shifter compensates for symmetrical load changes relatively quickly; Legs Fixed capacitor bank has a constant capacitive reactive power and is suitable therefore only for systems with a fairly constant reactive power consumption. For reactive power that changes only slowly can gradually adjustable capacitor banks are used while there are frequent load changes and high demands on the voltage constancy is advantageous, static compensation directions to use. These static compensation devices belong to the group the direct compensation the capacitor banks, which are controlled by semiconductors be connected to the grid and the reactive power converter with capacitive storage, for Group of indirect compensation the fixed capacitor bank with constant capacitive component with optional parallel connection of a thyristor-controlled Stray transformer, a reactive power converter with inductive storage, a controllable Choke coil or a thyristor-switched choke coil. Such arrangements are for example in the 'fTechnische Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN 66 (1976), Issue 7, pages 286 to 290 ".

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine stetige und verlustarme Steuerung der Grundschwingungsblindleistung eines Leistungskondensators über steuerbare Stromrichterventile zur Kompensation der Blindleistung eines Wechselstromnetzes zu ermöglichen und die Spannungsbeanspruchung der löschbaren Ventile herabzusetzen.The object of the present invention is to provide a steady and low-loss Control of the fundamental reactive power of a power capacitor via controllable Converter valves to compensate for the reactive power of an alternating current network to enable and to reduce the stress on the erasable valves.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das durch einen Stronverlauf gekennzeichnet ist, der aus zum Scheitelwert des Netzwechselstromes symmetrischen Ausschnitten einer Sinushalbschwingung mit steilen Ein- und Ausschaltflanken zusammengesetzt ist und einem trapezförmlgen Verlauf der Spannung am Leistungskondensator.According to the invention, this object is achieved by a method which is characterized by a current curve that leads to the peak value of the mains alternating current symmetrical sections of a half sine wave with steep switch-on and switch-off edges is composed and a trapezoidal course of the voltage on the power capacitor.

Dieses Verfahren stellt durch direkte Kompensation und zum Scheitelwert der Sinusschwingung des Stromes sy=etrischen Ausschnitten mittels Phasenanschnitt und Phasenabschnitt eine stetig einstellbare und verlustarme Steuerung der Grundschwingungsblindleistung des Leistungskondensators sicher.This procedure puts through direct compensation and to the peak value the sinusoidal oscillation of the current sy = etric sections by means of phase control and phase section a continuously adjustable and low-loss control of the fundamental reactive power of the power capacitor safely.

Eine Anordnung zur Steuerung der Grundschwingungsblindleistung eines Leistungskondensators für ein reaktanzfreies oder reaktanzarmes Wechselstromretz ist gekennzeichnet durch eine an die Phasen des Wechselstromnetzes angeschlossene Reihenschaltung des Leistungskondensators und eines Wechselwegpaares aus ein- und aus schaltbaren Stromrichterventilen.An arrangement for controlling the fundamental reactive power of a Power capacitor for a reactance-free or low-reactance alternating current network is characterized by one connected to the phases of the alternating current network Series connection of the power capacitor and a pair of alternating paths on and off from switchable converter valves.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindunsgemäßen Steuerungsverfahrens für ein reaktanzbehaftetes Wechselstromnetz ist gekennzeichnet durch eine an das Wechselstromnetz angeschlossene Reihenschaltung eines ersten Wechselwegpaares aus steuerbaren Stromrichterventilen, eines zweiten Wechselwegpaares aus ein- und ausschaltbaren Stromrichterventilen mit parallel geschaltetem Speicherkondensator und des Leistungskondensators.An arrangement for carrying out the control method according to the invention for an alternating current network subject to reactance is indicated by an to the AC mains connected series connection of a first alternating path pair controllable converter valves, a second pair of alternating paths that can be switched on and off Converter valves with storage capacitor and power capacitor connected in parallel.

Diese Anordnungen ermöglichen bei reaktanzfreiem oder reaktanzbehaftetem Netz einen Stromkurvenverlauf, der einen zum Scheitelwert einer Sinushalbschwingung symmetrischen Ausschnitte sowie einen trapezförmigen Verlauf der Kondensatorspannung aufweist. Ein asführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.These arrangements allow for reactance-free or reactance-prone Netz a current curve, one to the peak value of a half sine wave symmetrical sections as well as a trapezoidal course of the capacitor voltage having. An example of implementation of the invention is given below with reference to the drawing described in more detail.

Es zeigen Fig. la und Fig. 2a ein Prinzipschaltbild sowohl für reaktanzfreie bzw. reaktanzarme Netze als auch für reaktanzbehaftete Netze Fig. Ib und Fig. 2b den zeitlichenVerlauf der elektrischen Größen und Fig. 3 ein konkretes Schaltungsbeispiel einer Stromrichterschaltung zur stetigen Steuerung eines Leistungskondensators.FIG. 1 a and FIG. 2a show a basic circuit diagram for both reactance-free or low-reactance networks as well as for networks subject to reactance Fig. Ib and Fig. 2b the time course of the electrical quantities and FIG. 3 a concrete circuit example a converter circuit for the continuous control of a power capacitor.

Das in Fig. Ia dargestellte Prinzipschaltbild für ein reaktanzfreies bzw. reaktanzarmes Wechselstromnetz 7 enthält die Reihenshaltung eines Leistungskondensators 2 aus ein- und ausschaltbaren (löschbaren) Stromrichterventilen. Durch geeignete Steuerung der löschbaren Stromrichterventile besteht die Kurvenform des Kondensatorstromes aus zum Scheitelwert symmetrischen Ausschnitten einer Sinushalbschwingung mit steilen Ein- und Ausschaltflanken (Fig. 1b). Eine solche Kurvenform ist erreichbar durch Zünden der steuerbaren Stromrichterventile bei einem Steuerwinkel α und Löschen der Ventile bei einem Steuerwinkel ß , wobei erfindungsgemäß ß = 180° - α ist.The basic circuit diagram shown in Fig. Ia for a reactance-free or low-reactance alternating current network 7 contains the series holding of a power capacitor 2 of converter valves that can be switched on and off (erasable). Through suitable Control of the erasable converter valves consists of the curve shape of the capacitor current from sections of a half-sine wave symmetrical to the peak value with steep Switch-on and switch-off edges (Fig. 1b). Such a curve shape is achievable by Ignition of the controllable converter valves at a control angle α and extinguishing of the valves at a control angle β, where, according to the invention, β = 180 ° - α is.

Die Löschung der Ventile kann durch geeignete scschscr.altungen erfolgen, die bei Verwendung eines GTO oder eines Transistors naturgemäß entfällt. Durch die gegenüber dem Nulldurchgang des Stromes i erfolgende verspätete Zdung sowie die frühzeitige Löschung der Ventile wird dle Kondensatorspannung UC gegenüber der Netzspannung U auf einen bestimmbaren Wert begrenzt. Dieser Spannungswert hängt im wesentlichen von der Netzspannung U, der Kondensatorkapazität C und - durch die erfindungsgemäße Steuerung beeinflußbar - von dem Zündwinkel ; bzw.The valves can be deleted by suitable switching circuits, which naturally does not apply when using a GTO or a transistor. Through the compared to the zero crossing of the current i occurring delayed ignition and the early deletion of the valves will reduce the capacitor voltage UC compared to the mains voltage U limited to a determinable value. This tension value essentially depends of the mains voltage U, the capacitor capacitance C and - by the invention Control can be influenced - by the ignition angle; respectively.

Löschwinkel p ab.Extinction angle p from.

Ein Prinzipschaltbild für ein reaktanzbehaftetes Wechselstromnetz 8 ist in Fig. 2a dargestellt und besteht aus der Reihenschaltung eines ersten Wechselwegpaares 3 aus steuerbaren Stromrichterventilen und einem zweiten Wechselwegpaar 4 aus ein- und aus schaltbaren Stromrichterventilen mit parallelgeschaltetem Speicherkondensator 5 sowie dem Leistungskondensator 1. In diese Reihenschaltung ist zusätzlich noch eine Drosselspule 6 eingefügt, die die Netz- und/oder Schutzdrosselspulen ersetzt. Das zweite Wechselwegpaar 4 kann analog zu Fig. Ia sowohl aus einer Antiparallelschaltung von Thyristoren mit zugehöriger Löschungsschaltung als auch aus GTO-Thyristoren oder Transistoren bestehen. Der dem zweiten Wechselwegpaar 4 parallelgeschaltete Speicherkondensator 5 nimmt beim Abschalten der ein- und ausschaltbaren Ventile die in der Stromkreisinduktivität 6 gespeicherte Energie auf und speist diese Energie in der folgenden Halbschwingung beim Einschalten der Ventile wieder in den Stronkreis ein. Die Schaltung arbeitet somit verlustfrei.A block diagram for an alternating current network with reactance 8 is shown in Fig. 2a and consists of the series connection of a first alternating path pair 3 from controllable converter valves and a second pair of changing paths 4 from one and from switchable converter valves with storage capacitors connected in parallel 5 and the power capacitor 1. In this series connection is also a choke coil 6 inserted, which replaces the mains and / or protective choke coils. The second alternating path pair 4 can, analogously to FIG. Ia, both from an anti-parallel connection of thyristors with the associated quenching circuit as well as of GTO thyristors or transistors. The second change path pair 4 connected in parallel Storage capacitor 5 increases when the valves that can be switched on and off are switched off the energy stored in the circuit inductance 6 and feeds this energy in the following half-cycle when the valves are switched on back into the electric circuit. The circuit thus works without losses.

Die Ko=mutierungsstromsteilheiten sind durch die Eigenfrequenz der Drosselinduktivität L und der Summe der Kapazität des Speicher- und Leistungskondensators bestimmt. Die Spannungsbeanspruchung der löschbaren Ventile ist umgekehrt proportional der Größe der Kapazität des Speicherkondensators 5 und liegt etwa bei einem Drittel der Netzspannungsamplitude. Durch diese Herabsetzung der Spannungsbeanspruchung ist eine Verwendung niedrigsperrender Thyristoren, Transistoren oder GTO's möglich.The co = mutation current steepnesses are determined by the natural frequency of the Choke inductance L and the sum of the capacitance of the storage and power capacitors certainly. The voltage stress on the erasable valves is inversely proportional the size of the capacitance of the storage capacitor 5 and is approximately one third the mains voltage amplitude. Through this reduction in tension it is possible to use low-blocking thyristors, transistors or GTOs.

Die in Fig. 2b dargestellten zeitlichen Verläufe von Kondensatorstrom i, Leistungskondensatorspannung U 1 und Speicherkondensatorspannung U02 sowie Netzspannung U entsprechen weitgehend der Darstellung der Fig. ib. Die gegenüber den Strom- und Spannungsverläufen nach Fig. Ib weniger scharfkantigen Verläufe sind durch den Einfluß der Induktivität 6 bedingt.The time curves of capacitor current shown in FIG. 2b i, power capacitor voltage U 1 and storage capacitor voltage U02 as well as mains voltage U largely correspond to the representation of Fig. Ib. The opposite of the current and Stress curves according to Fig. Ib less sharp-edged curves are due to the influence the inductance 6 conditional.

Das in Fig. 3 dargestellte konkrete Ausführungsbeispiel enthält eine Stromrichterschaltung mit steuerbaren Ventilen und einem Löschstromkreis für reaktanzbehaftete Wechselstromnetze 8. Der Antiparallelschaltung von hochsperrenden Hauptthyristoren 31 und 32 für Netzfrequenz ist eine Antiparalleischaltung von niedrigsperrenden Frequenzthyristoren 41 und 42 in Reihe geschaltet. Diesen Frequenzthyristoren 41 und 42 ist ein Löschstromkrels zugeorcnet, der aus der Reihenschaltung zweier niedrigsperrender Löschthyristoren 45 und 46 für Netzfrequenz, die anoden-bzw. kathodenseitig mit dem zugeordneten Frequenzthyristor 41 bzw. 42 verbunden sind, und der Reihenschaltung eines Löschkondensators 47 mit einer Löschkreisinduktivität 48, die einerseits an die Verbindung beider Löschthyrlstoren 45, 46, andererseits an den Leistungskondensator 1 angeschlossen sind, besteht. Zwei in Reihe geschaltete und in gleiche Durchlaßrichtung gepolte Koppeldioden 43, 44 sind an die Verbindung der Hauptthyristoren 31, 32 und der niedrigsperrenden Frequenzthyristoren 41, 42 und an die Verbindung beider Koppeldioden 43, 44 einerseits und den Leistungskondensator 1 andererseits ist der Speicherkondensator 5 angeschlossen.The specific embodiment shown in Fig. 3 contains a Converter circuit with controllable valves and an extinguishing circuit for those affected by reactance Alternating current networks 8. The anti-parallel connection of high-blocking main thyristors 31 and 32 for mains frequency is an anti-parallel connection of low blocking Frequency thyristors 41 and 42 connected in series. These frequency thyristors 41 and 42 is an extinguishing current circuit, which is made up of the series connection of two low blocking thyristors 45 and 46 for line frequency, the anode or. cathode side are connected to the associated frequency thyristor 41 or 42, and the series connection a quenching capacitor 47 with a quenching circuit inductance 48, which on the one hand the connection of both Löschthyrlstoren 45, 46, on the other hand to the power capacitor 1 are connected. Two in series and in the same forward direction polarized coupling diodes 43, 44 are connected to the connection of the main thyristors 31, 32 and the low blocking frequency thyristors 41, 42 and to the connection of both coupling diodes 43, 44 on the one hand and the power capacitor 1 on the other hand is the storage capacitor 5 connected.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Method for controlling the fundamental reactive power of one power capacitor connected to an alternating current network via controllable converter valves, characterized by a current curve that leads to the peak value of the mains alternating current symmetrical sections of a half sine wave with steep switch-on and switch-off edges is composed and a trapezoidal curve of the voltage on the power capacitor (1).

2. Arrangement for performing the method according to claim 1 for a Resctance-free or low-reactance '; echselstronnetz, marked by an the phases of the alternating current network (7) connected series connection of the power capacitor (1) and a pair of changing paths (2) can be switched on and off Converter valves.

3. Arrangement for performing the method according to claim 1 for a AC power system subject to reactance, characterized by an to the AC power system (7) connected series connection of a first alternating path pair (3) from controllable Converter valves, of a second pair of alternating paths (4) which can be switched on ur, d off Converter valves with storage capacitor (5) connected in parallel, and des Power capacitor (1j.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the second Alternating path pair (4) made up of two low-blocking frequency thyristors connected in anti-parallel (41,42) exists on the side of the connection with the first pair of changing paths (3) by connecting two coupling diodes (43, 44) and connected in series in parallel two series-connected quenching thyristors (45.4o) are connected that the series circuit a quenching capacitor (47 'and a quenching inductance (48) on the one hand to the Connection of both quenching thyristors (45, 46), on the other hand to the power capacitor (1) and that the storage capacitor (5) is connected to the connection between the two coupling diodes (43, 44) on the one hand and the power capacitor Ci) on the other hand are connected.

5. Arrangement according to claims 3 and 4, characterized in that that the first alternating path pair (3) consisting of high blocking main thyristors for mains frequency (31,32) exists.