DE2811751C2

DE2811751C2 - Elektronischer Schalter zum Ein- und Ausschalten eines Leistungskondensators

Info

Publication number: DE2811751C2
Application number: DE19782811751
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl.-Ing. 1000 Berlin Knuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE2811751A1; ES478699A1

Description

45

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter rum Ein und Ausschalten eines Leistungskondensators gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patenten-Spruches 1.

Zur Kompensation des Blindleistungsverbrauchs in Industrienetzen ist es bekannt, Kondensatoranlagen mit Thyristorschaltgliedern vorzusehen (vgl. K. Heumann, Grundlagen der Leistungselektronik. Verlag B. G. Teubner. Stuttgart. 1975. Seiten 184 bis 188).

Während eine feste Kondensatorbatterie eine konstante kapazitive Blindleistung liefert und sich deshalb nur für Anlagen mit nahezu gleichbleibendem Blindleistungsverbrauch eignet, kann mit einer Kondensator-'batterie, bei der Teile der Batterie mit geeigneten Schaltgeräten zu- und abgeschaltet werden, auch symmetrische Und unsymmetrische Lastschwankungen ausgleichen.

Aus der »ASEA-Zeitschrift« 1971, Heft 6, Seiten 140 bis 144 sind Konclerisatoranlagen mit Thyristorschalt· gliedern zur Bimdieistungskompensäliön bekannt, bei denen antiparallel geschaltete Thyristoren in Reihe zu einem Kondensator und einer Drosselspule an jede Phase des zu kompensierenden Netzes geschaltet sind (Fig. 1). Der Kondensator c wird dabei auf das Netz geschaltet, wenn die Netzspannung gleich der Kondensatorspannung ist. Die Stromführung wird abwechselnd von einem der beiden antiparallel geschalteten Thyristoren Ti oder Tj übernommen. Bei dieser bekannten Anordnung bleiben, wie in Fig.2d anhand des zeitlichen Verlaufs von Kondensatorspannung U_c und Netzspannung U dargestellt, die Kondensatoren im nichteingeschalteten Zustand bis zum Zeitpunkt fi auf dem positiven oder negativen Scheitelwert der Netzspannung aufgeladen und werden innerhalb einer dalben Wechselspannungsperiode umgepolt (U — h). Der Einschaltaugenblick t\ wird so gewählt, daß die Netzspannung U über dem betreffenden Zweig nach dem Augenblickswert, der dem Scheitelwsrt der Netzspannung entspricht, und der Polarität mit der Kcndensatorspannung U_c übereinstimmt. Auf diese Weise wird beim natürlichen NtiNdurchgang des \n F i g. 2b dargestellten Stromes eingeschaltet.

Beim Abschalten eines Kondensators werden die Zündimpulse der Thyristoren unterbrochen. Der den Strom führende Thyristor sperrt dann, sobald der Strom auf Null abgeklungen ist (Zeitpunkt i₂). Der Kondensator bleibt danach ati dem Scheitelwert der Spannung aufgeladen und steht für einen neuen Einschaltvorgang bereit. Um den Ladezustand des Kondensators und damit die Kondensatorspannung U_c zu erhalten, wird während des Bereitschaftszustandes immer dann ein kurzer Zündimpuls an den Thyristor, der den Strom zuletzt geleitet hat, abgegeben, wenn die Netzspannung U wieder gleich der Kondensatorspannung U_c ist (Zeitpunkt (3).

Da der Kondensator immer dann auf das Netz geschaltet wird, wenn die Netzspannung gleich der Kondensatorspannung ist. um im natürlichen Nulldurchgang des Stromes einzuschalten uni" damit Ausgleichsschwingungen zu verhindern, kann bei dieser bekannten Anordnung zwischen der Abgabe eines in Fig. 2c dargestellten Zuschaltbefehls zum Zeitpunkt f₀ bis zum eigentlichen Zuschaltaugenblick, d. h. dem Augenblick der Übereinstimmung von Netz- und Kondensatorspannung, im ungünstigsten Fall eine Zeitdauer von maximal einer ganzen Periodendauer 7" des Wechselstromes vergehen.

Fs sind durch den Aufsatz »Neuzeitliche ruhende Blindleistungskompensation für Industnenetze« von Adel ("hit und Werner Horn aus »Technische Mitteilungen AEG-TELEFUNKEN«66 (1976)7. Seiten 28h bis 2^Q0. der US-Patentschrift 40 19 124 und durch den Aufsatz »Beispiele von Anlagen zur Blindstromkompensation. Symmetrierung und Spannungsunterstützung industrieller Elektrowärmeanla&en« von S. Jäger aus »Elektrowärme International« 32 (1974) B 6 — Dezember. Seiten B 326 bis J34 Anordnungen von Blindstromrichtern mit Kommutierung bekannt. Dabei sind dem erstgenannten Aufsatz auf Seite 287. Punkt 2.2 und in der US-Patentschrift Blindstromrichter beschrieben, die sclbstgeführt (erzwungene Kommutierung) mit eingeprägter (glatter): Gleichspannung: und eingeprägtem (sinusförmigem) Wechselström sind. Derartige Blindstromrichter haben den Vorteil, daß die Blindleistung sowohl induktiv als auch kapazitiv sein und stufenlos verstellt werden kann, erfordern aber einen großen Aufwand und besitzen einen oberschwingungshaltigen Strom.

In dem Zweitgenannten Aufsatz sind auf den Seiten

332 und 333 Kompensationsanlagen mit Blindstromrichtern beschrieben, wobei neben einem ebenfalls selbstgeführten Stromrichter (Bild 11b) auch ein netzgeführter Stromrichter (Bild Ha) zur Kompensation angegeben ist. Dieser netzgeführte Stromrichter wirkt aber am Netz nur induktiv, d. h„ daß zur Kompensation eine zusätzliche parallele Kondensatorbatterie erforderlich ist.

Die eingangs beschriebene Anordnung bezieht sich dagegen auf das Ein- und Ausschalten eines Kondensators. Es liegt keine Kommutierung vor, d. h. der Strom wird nicht an eine andere Phase oder einen anderen 2weig übergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weitestgehend verlustfrei schaltenden elektronischen Schalter mit der. eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei dem die größtmögliche Zeitdauer zwischen Abgabe eines Befehls zum Zuschalten des Leistungskondensators und dem tatsächlichen Zuschaltaugenblick bei Übereinstimmung von Netz- und Kondensatorspannung stets kleiner oder höchstens gleich einer halben Periodendauer der Neizwectueispannung ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dur^h die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt durch wechselweises Zünden der in den einzelnen Brückenzweigen befindlichen Halbleiter-Stromrichterelementen sicher, daß die größtmögliche »Totzeit«, d. h. die Zeit zwischen Abgabe des Zuschaltbefehls und tatsächlicher Zuschaltung, eine halbe Periodendauer beträgt. Die Lösung stellt ebenso wie die bekannten Anordnungen ein ausg'eichs-, schwingungs- und verlustfreies Schalten der zur Kompensation dienenden Leistungskondensatoren sicher. Verlustfreies Schalten bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die erfindungsgemäße Anordnung grundsätzlich auch bei verlustfreien, d. h. widerstandslosen Schaltkreiselementen bzw. bei beliebig kleiner Dämpfung des Kondensatorzweiges anwendbar ist und daß bei einem verlustbehafteten Kondensatorzweig, wie er in der Praxis immer auftritt, beim Ein- und Ausschalten des Leistungskondensators keine zusätzlichen Schaltverluste auftreten.

Anhand von in den Fig. 3 bis 7 dargestellten Ausführunpsbeispielen der Erfindung für Wechsel- und Gleichspannungs-Leistungskondensatoren soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

F i g 3 eine Kompensptionsanordnung mit einem ein- und ausschaltbaren Wechselspannungs-Leistungskondensator.

Fi g. 4 bis 7c Kompensationsanordnungen mit einuncl ausschaltbaren Gleichspannungs-Leistungskondensatoren und

F 1 g. 2d den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung nach Abgabe eines Zuschaltbefehls bei Anwen dung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Der in Fig J dargestellte elektronische Schalter zum Ein und Ausschalten eines Wechselspannungs I ei w) stungskondcnsators 1 enthält eine EinphasenBrücken Schaltung 3 mit antiparallel geschalteten Thyristoren 31 Bis 34, sogenannten Thyristof^Wechseiwegpääfen, die über eine erste Drosselspule 4 an das Wechseispanriungsnetz 5 angeschlossen ist. Der Wechselspannungs-Leistungskondeßsätöf 1 ist in Reihe mit einer kleinen Drosselspule 6 zur Kurzschlußstrombegrenzung in die Brückendiagonale der fiinphasen-Brückenschaltung 3 geschaltet. Die erste Drosselspule 4 bestimm; dabei im wesentlichen die netzseitig wirksame Reihenresonanzfrequenz der gesamten Anordnung. Durch eine geeignete Wahl der Induktivität L der ersten Drosselspule 4 und der Kapazität Cdes Wechselspannungs-Leistungskondensators 1 kann ein abgestimmter, gesteuerter Filterkreis oder auch ein gesperrter, gesteuerter Leistungskondensator gebildet werden. Die antiparallel geschalteten Thyristoren 31 bis 34 werden in dieser Anordnung bipolar beansprucht. Entsprechend der gestellten Aufgabe beträgt die Totzeit der Steuerung zwischen Abgabe des Zuschaltbefehls und dem Zuschalten des Wechselspannungs-Leistungskondensators 1 maximal eine halbe Periodendauer.

Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung eines thyristorgesteuerten Gleichspannungskondensators 2 besteht analog zur Anordnung nach F i g. 3 aus einer über eine erste Drosselspule 4 an ein Wechselspannungsnetz 5 angeschlossenen Einphasen· Brückenschaltung 7, die in diesem Fall jedoch aus antiparallel geschalteten Dioden und Thyristoren 71 bis 74 in den cinz . ;ien Brückenzweigen aufgebaut ist. An die gieictispinnungsseitige Brückendiagonale ist die Reihenschaltung einer zweiten Drosselspule 8 und des Gleichspannungs-Leistuneskondensators 2 angeschlossen.

Die Anordnung nach F i g. 5 stellt einen Sonderfall der Anordnung nach F i g. 4 dar, und enthält ebenfalls eine über eine erste Drosselspule 4 an ein Wechselspannungsnetz 5 angeschlossene Einphasen-Brückenschal· tung 7 mit antiparallel geschalteten Dioden und Thyristoren in den Bruckenzweigen. Die gleichspannungsseitige Reihenschaltung von zweiter Drosselspule 8 und Gleichspannungs-Leistungskondensator 2 nach F i g. 4 ist hier durch einen Kettenleiter aus gleichspannungsseitigen Drosselspulen Sa bis 8e und Gleichspannungs-Leistungskondensatoren 2a bis 2e ersetzt, die einen annähernd rechteckformigen Umschwing- bzw. Löschstrom mit minimaler Amplitude, d. h. auch minimalen Verlusten und maximaler Umschwinj,dauer. d. h. maximaler Schonzeit für die Thyristoren liefert.

Eine spezielle, einfache Form der Einphasen- Briikkeuschaltung nach Fig. 4 ergibt sich bei der Verwendung von in Brückenschaltung 9 aufgebauten, rückwärtsleitenden Thyristoren, die ebenfalls über eine erste Drosselspule 4 an ein Wechselspannungsnetz 5 angeschlossen sind und deren gleichstromseitige Brückendiagonale die Reihenschaltung einer zweiten Drosselspule 8 und des Gleithspannungs-Leistungskondensa tors 2 aufweist

Da der räumlichen Verteilung der Schaltungs- und Streuinduktivitäten insbesondere beim Aufbau der Anordnung im Bereich größerer Leistungen eine erhöhte Bedeutung zukcmmt, sind in den F i g. Ta bis 7c Peis^.eie von Aneignungen zum elektronischen Ein- und Ausschalten eines Gleichspannungs-Leistungskondensators mit vertt:iten Induktivitäten aufgezeigt.

In Fig 7a ist die Kommutierungsdrossel in Einz.elinduktivitäten 81 bis 88 aufgeteilt und sowohl den rückwartsleitenden Thyristoren 91 bis 94 in den einzelnen Brückerizweigen vor- bzw. nachgeschaltet als auch dem ülctuhspannungb-Leistungskondensator 2 in Reihe geschaltet. Über eine erste Drosselspule 4 ist die Eihphäseri-Brückenschäilüng art das SVeehselspan* nungsnetz5 angeschlossen.

Die Anordnungen nach den Fig. 7b und 7c zeigen zwei Möglichkeiten, die erste Drosselspule 4 zur Kurzschlußstrombegrenzung und -aufteilung bei einem Netzkurzschluß in einzelne Induktivitäten 41 bis 43

symmetrisch in der Einphasen-Brückenschaltung mit den rückwärlsleitenden Thyristoren 91 und 94 in den Brückenzweigen anzuordnen.

In F i g. 2d wird anhand des Verlaufs der Spannung U_c am Leistungskondensator verdeutlicht, wie nach Abgabe des Zuschaltbefehls zum Zeitpunkt fp niaxinrial die Zeitdauer einer halben Periodendauef 772 vergeht, bis die tatsächliche Zuschaltung des Leistungsköndensatofs an das Wechselspännungsnetz erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter zum Ein- und Ausschalten eines Leistupgskondensators, der über eine Drosselspule an ein Wechselspannungsnetz zur Blindleistungskompensation schaltbar ist, gekennzeichnet durch eine Einphasenbrückenschaltung, wobei jeder Zweig der Brückenschaltung aus zwei antiparallel geschalteten Halbleiter-Stromrichterelemente besteht, von denen mindestens eines in einer Richtung steuerbar ist, und daß in die Brückendiagonale der Leistungskondensator in Reihe mit einer zweiten Drosselspule geschaltet ist.

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Wechselspannungs-Leistungskondensators die antiparallel geschalteten Halbleiter-Stromrichtcrelemente aus Thyristor-Wechselwegpaaren bestehen (F ig. 3).

3. Elektronischer Schalter nach Anspruch !, 2n dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Gleichspannungs-Leistungskondensators die antiparallel geschalteten Halbleiter-Stromrichterelemente aus der Gegenparallelschaltung je eines Thyristors und je einer Diode bestehen (F i g. 4).

4. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die antiparallel geschalteten Halbleiter-Stronirichterelemente aus rückwärtsleilenden Thyristoren bestehen (F i g. 6).

5. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Brückendiagonalen befindliche ReihensLnaltung aus Gleichspannungs-Leistuiigskondeusatorund zweiter Drosselspule aus einem Kettenleiter l.iit Z-C-Gliedern (8a bis8e,2abis2e_>)besteht.

6. Elektronischer Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der ersten und zweiten Drosselspule verringert und durch zusätzliche Drosselspulen wahlweise vor und/oder hinter die i'ückwärtsleitenden Thyristoren in den einzelnen Brückenzweigen der Einphasenbrücke zur jeweils erforderlichen Gesamtinduktivität ergänzt wird (F i g. 7a bis 7c).