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Elektrisches Filter mit Saugkreischarakteristik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduzierung
von Oberschwingungen und Blindleistung in Wechselstromnetzen sowie zur Vermeidung
von Netzresonanzen.
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Grundsätzlich kann ein Verbraucher nur dann andere Geräte oder Anlagen
des Versorgungsnetzes beeinflussen, wenn durch seine Betriebsart die gemeinsame
Versorgungsspannung in Amplitude oder Kurvenform verändert wird. Das ist insbesondere
durch hohen Blindlelstungsbedarf und die Belastung der Netze durch Oberschwingungsströme
der Fall.
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Alle Geräte mit nichtlinearem oder zeitlich rasch veränderlichem Verbrauchsverhalten
kommen für die Verursachung von Netzrückwirkungen im Netz infrage. Zu derartigen
Verbrauchern gehören beispielsweise auch alle über Netzgleichrichter verfügenden
Geräte der Unterhaltungselektronik, stufenlos drehzahlveränderliche Handbohrmaschinen
und die inzwischen weit verbreiteten elektronischen Helligkeitsregler für Glühlampen,
aber auch alle Leuchtstofflampen und Netztransformatoren. Aufgrund der relativ kleinen
Leistungen dieser Geräte - gemessen an der am Anschlußpunkt verfügbaren Leistung
aus dem Versorgungsnetz - sind
jedoch störende Rückwirkungen erst
bei stärkerer Konzentration derartiger Verbraucher zu erwarten.
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Anders verhält es sich bei konventionellen, netzgeführten Stromrichtern
zur Speisung von geregelten Gleichstrorzantrieben und Elektrolyseanlagen, Widerstandsschweißmaschinen
und insbesondere Lichtbogenöfen in Elektrostahlverken, die über so hohe Anschlußleistungen
verfügen, da.3 sie als die eigentlichen Netzrückwirkungsverursacher anzusehen sind.
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Ihr hoher, teilweise dynamisch schwankender Blindlelstungsbedarf bewirkt
an den induktiven Netzinnenwiderständen eine Absenkung der Netzspannung.
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Die Belastung der Netze mit Stromoberschwingungen aufgrund der nichtsinusförmigen
Eingangs ströme der genannten Verbraucher führt zu entsprechenden Verzerrungen der
Netzspannung. Darüberhinaus kommt es während der Kommutierungsvorgänge netzgeführter
Stromrichter zu Spannungseinbrüchen entsprechend den Reaktanzverhältnissen im Netz.
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Diese spezifischen Betriebseigenschaften der betrachteten Verbraucher
verändern Amplitude und Kurvenform der Netzspannung am Einspeisepunkt und können
bei anderen an dieser Spannung betriebenen Geräten, aber auch an Anlagen des Versorgungsnetzes
Rückwirkungen hervorrufen. Dazu gehören nicht nur die Mehrbelastung durch die zusätzlich
geforderte Blindleistung
sondern auch Störungen in Rundsteueranlagen
sowie Zusatzverluste in Transformatoren und Drehfeldmaschinen aufgrund der Oberschwingungsbelastung
der Netze.
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Kritische Betriebs fälle treten auf, wenn Festkondensatorbatterien
in Kompensationsanlagen mit vorgeschalteten Transformatorreaktanzen auf eine im
Netz auftretende Oberschwingung in Reihenresonanz oder mit der Netzreaktanz in Parallelresonanz
abgestimmt sind. Spannungsverzerrungen und eine uberbeanspruchung der beteiligten
Bauteile können die Folge sein.
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Stromrichter benötigen elektrische Filter zur Verbesserung ihrer Grundfunktionen,
beispielsweise zur Glättung von Gleichströmen und Gleichspannungen oder zur Vermeidung
von Oberschwingungen in den net7- und lastseitigen Strömen und Spannungen. In Hinblick
auf das speisende Netz wächst der Filteraufwand mit zunehmendem Verhältnis von Stromrichterleistung
zu Netzkurzschlußleistung. Uberschreitet beispielsweise die Nennleistung eines netzgeführten
Stromrichters mit Stromeinprägung 1 bis 2 % der 'etzkurzschlußleistung, dann werden
schon Filtermaßnahmen notwendig. Extremwerte nimmt der Filteraufwand bei Notstrom-
und Bordnetzversorgungen an, weil das Verhältnis von Stromrichternenn- zu Netzkurzschlußleistung
bei diesen Anwendungsfällen besonders ungünstig ist. Hier müssen die Filter oft
zusätzliche Aufgaben übernehmen wie z.B.
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Kurzschlußstrombeorenzuna, Sicherstellung des Leerlaufbetriebs und
Herabsetzung der Halbleiterbeanspruchungen durch Begrenzung von Kommutierungsströmen
und Schaltspannungen.
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Filterkreisanlagen mit Saugkreischarakteristik werden in stark zunehmendem
Maße zur Reduzierung von Oberschwingungen in der Netzspannung und zur Vermeidung
von Netzresonanzen eingesetzt.
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Derartiae Filterkreisanlagen erhält man, indem man die ohnehin zur
Kompensation von Grundschwingungsblindleistung erforderlichen Kondensatoren durch
eine Drossel so ergänzt, daß der neu entstandene Reihenschwingkreis auf die entsprechende
Ob erschwingungsfrequenz abgestimmt ist. Ein solcher Saugkreis ist am Resonanzpunkt
wesentlich niederohmiger als das vorgeschaltete Netz, so daß der entsprechende Oberschwingungsstrom
im Idealfall völlig abgesaugt wird und keine Netzspannungsverzerrung auftreten kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es: a) die Parallelschaltung
von mehreren Saugkreisen mit den gleichen Reihenresonanzfrequenzen zu ermöglichen
b) fertigungs-, alterungs- und temperaturabhängige Kapazitäts- bzw. Induktivitätsänderungen
zu kompensieren c) den Wirkwiderstand des oder der Filter bei Resonanzfrequenz
zu
kompensieren d) den Einfluß von nichtsinusförmigen Netzspannungen auf die Filter
zu kompensieren e) Parallelresonanzen zwischen dem Wechselstromnetz und dem oder
der Filter aufzuheben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, dessen Merkmale im
Kennzeichen des Patentanspruchs 1 wiedergegeben sind.
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Eine Anordnung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgesäß
durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 3 gegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung weist die folgenden Vorteile auf: Zum
einen kann der Saugkreiswiderstand, der letztlich für die Netzentlastung maßgebend
ist und deutlich den Preis der Drosselspule bestimmt, vollständig kompensiert werden.
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Die Stromaufteilung auf mehrere parallelgeschaltete Filter mit Saugkreischarakteristik
gleicher Frequenz ist steuerbar und kann entsprechend vorgegebener Sollwerte eingestellt
werden.
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Eine Überlastung der Filter mit Saugkreischarakteristik durch Oberschwingungsströme,
die aus dem Netz aufgrund starker Verzerrungen der speisenden Spannung getrieben
werden, kann man durch oberfrequente Spannungs steuerung vermeiden. Parallelresonanzen
mit
der Netzreaktanz treten ebenfalls bei geeigneter Spannungssteuerung nicht mehr auf.
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Da bei normaler Güte des Filters nur geringe Amplituden der oberfrequenten
Spannung erforderlich sind, brauchen die elektronischen Stellglieder nur für wenige
Prozent der Grundschwingungsblindleistung dimensioniert zu werden. Das heißt, daß
ein selbstgeführter Stromrichter als Oberschwingungsspannungsquelle nur mit etwa
1 bis 3 % der Filter-Grundschwingungsleistung dimensioniert werden muB. Bei ittelspannungssaugkreisanlagen
(etwa 10 bis 20 kV) können die selbstgeführten Stromrichter direkt in den Sternpunkt
der Saugkreisanlage geschaltet werden.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundeliegende
Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 ein Mehrphasennetz mit einer Stromrichterbelastung
und zwei Saugkreisen mit Zusatzspannungsquellen, Fig. 2 ein Mehrphasennetz mit einer
Stromrichterbelastung und zwei Saugkreisen mit selLstgeführten Stromrichtern als
Zusatzspannungsquellen,
Fig. 3 den zeItlichen Verlauf der Ströme
und Spannungen bei Aufteilung eines eingeprägten Cberschwingungsstromes auf zei
parallelgeschaltete Saugkreise nit annähernd gleiche.
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Resonanzfrequenzen, Fig. 4 Gen zeitlichen Verlauf der Ströme und
Spannungen bel Symmetrierung der Cberschwingungsströme in zwei parallelgeschalteten
Zaugkeisen mit annähernd gleichen Resonanzfrequenzen durch eine Zusatzspannung,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen bei Symmetrierung der Oberschwingungsströme
und Kompensation der Wirkwiderstände von parallelgeschalteten Saugkreisen mit annähernd
gleichen Resonanzfrequenzen durch zwei Zusatzspannungen, Fig. 6 bis 8 die Zeitverläufe
der Saugkreisgrößen für die Oberschwingungsbelastung ohne Zusatzspannungen, die
Symmetrierung der beiden Saugkrelsströme durch eine Zusatzspannung und die Kompensation
der Oberschwingungsströme In beiden Saugkreisen durch Zusatzspannungen und die Fig.
9 u.:d 10 die Aufteilung eines eingeprägten Cberschwingungsstromes auf zwei parallelgeschaltete
Saugkreise
und das Netz bei Parallelresonanz zwischen dem Netz und den 5augkreisen bzw.
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die Kompensation der Oberschwingungsströme von zwei parallelgeschalteten
Saugkreisen mit annähernd gleichen Resonanz frequenzen bei Parallelresonanz zwischen
dem Netz und den Saugkreisen, Fig. 11 die Leistungen von zusatzspannungserzeugenden
Stromrichtern bei den verschiedenen Anwe.dungsfällen.
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Das in Fig. 1 dargestellte mehrphasige Wechselstromnetz N mit der
Spannung U, dem Strom I und der Impedanz Z ist über einen Stromrichter ST mit einem
Verbraucher V verbunden. Zur mpensation der vom Stromrichter ST verursachten Grundschwingungsblindleistung
sind an das Mehrphasennetz 1 zwei parallelgeschaltete Leistungskondensatoren CA
und CB angeschlossen.
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Nimmt der Verbraucher V neben der Grundschwingungsblindleistung einen
nichtsinusförmigen Strom mit z.B. starker 5. Harmonischer auf, so kann dieser Verbraucher
V für die Oberschwlngungen als Stromquelle mit dem Oberschwingungsstrom IST und
das Netz als Last angesehen werden.
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Der eingeprägte Strom ruft Oberschwingungsspannungen an den
vorgeschalteten
Transformatorreaktanzen und dem Netzinnenwiderstand hervor, dle der Netzspannung
überlagert sind und die Kurvenform verzerren. Um Rückwirkungen auf andere Verbraucher
zu vermeiden,muß der Oberschwingungsstrom von den vorgeschalteten Transformatoren
und dem Netz ferngehalten werden. Das kann man erreichen, indem man die ohnehin
zur Kompensation der Grundschwigungsblindleistung erforderlichen Kondensatoren CA
und CB durch Drosseln LA und LB so ergänzt, daß der neu entstandene Reihenschwlngkreis
auf die entsprechende Oberschwingungsfrequenz abgestimmt ist.
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Den üblichen Saugkreiskomponenten, Leistungsondensatorpn und Drosselspuler.ist
erfindungsgemäß eine regelbare Oberschwingungsspannungsquelle UA und UB in Reihe
geschaltet, deren Frequenzen der Oberschwingungsfrequenz entspricht, auf die die
Saugkreise abgestimmt sind. Amplitude und Phasenlage der von den Oberschwingungsspannungsquellen
UA und UB abgegebenen und Spannungen #A und #B werden in Abhängigkeit von Amplitude
und Phasenlage des Verbraucherstromes iST und des Netzstromes #ST sowie der Netzspannung
Wy geregelt.
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Anstelle der regelbaren Oberschwingungsspannungsquellen UA und UB
sind in Fig. 2 selbstgeführte Stromrichter an Gleichspannungsquellen mit den Spannungen
UdA und UdB bzw. den Strömen 1dA und IdB eingesetzt.
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In den nachfolgenden zeitlichen Darstellungen verschiedener Netzrückwirkungsfälle
werden die gleichen Netzwerksparameter und Bezugs ziffern verwendet wie in den Anordnungen
der Figuren 1 und 2.
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Als erstes Anwendungsbeispiel sollen die Verhältnisse bei der Parallelschaltung
zweier zum Teil fehlabgestimmter Saugkreise mit den Reihenresonanzfrequenzen 5 bzw.
5,25 z fN untersucht werden, wobei mit fN die Nennfrequenz des Nehrphasennetzes
bezeichnet ist. Fig. 3 zeigt die Aufteilung eines vom Stromrichter ST ins Netzwerk
eingeprägten Oberschwingungsstromes iST4 = 0,2 . sin 5 5'"t auf die beiden Saugkreise
A und B und das Netz. Aufgrund von angenommenen Netzwerksparametern fließen im Saugkreis
A bzw. B 80 % bzw. 36 % des Stromrichter-Oberschwingungsstromes und im Netz 23 %.
Die Symmetrierung der beiden Saugkreis-Oberschwingungsströme wird nach Fig. 4 allein
durch eine oberschwingungsfrequente, amplituden- und phasengeregelte Zusatzspannung
uB* im Saugkreis B gesteuert. Es ergibt sich eine gleichmäßige Oberschwingungsstromaufteilung
auf die beiden Saugkreise von jeweils 49 %. Im Netz fließen aufgrund der endlichen
Filterkreisgüte noch 14 % des Stromrichter-Oberschwingungsstromes. Eine Kompensation
der Wirkwiderstände im Reihenschwingkreis wird durch die beiden Spannungen uA *
und UB gemäß Figur 5 erreicht. Die vollständige Symmetrierung und die Kompensation
der Wirkwiderstände führt
zu einem idealen Saugkreis mit vernachlässigbar
kleinem Wechselstromwiderstand bei der Abstimmfrequenz. In diesem Zustand verteilt
sich der Stromrichteroberschwingungsstrom gleichmäßig und vollstandig mit jeweils
50 % auf die beiden Saugkreise; im Netz fließt kein Oberschwingungsstrom.
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Zusammenfassend kann man zum ersten Anwendungsbeispiel der oberschwingungsfrequenten
Spannungssteuerung von Saugkreisen feststellen: - Der Einfluß von fertigungs-, alterung-
und temperaturabhängigen Kapazitats- bzw. Induktivitätsänderungen auf die Resonanzfrequenz
wird kompensiert.
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- Der Wirkwiderstand im Reihenschwingkreis wird bei der Resonanzfrequenz
kompensiert.
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- Durch Kombination der ersten beiden Verfahren entsteht ein idealer
Saugkreis, - Die Stromaufteilung auf mehrere parallelgeschaltete Saugkreise ist
steuerbar und kann entsprechend vorgegebenen Sollwerten eingestellt werden.
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Das zweite Anwendungsbeispiel zeigt die Verhältnisse bei einer nichtsinusförmigen
Netzspannung ohne Stromrichter-Oberschwingungsstrom. Eine einzelne Harmonische der
Netzspannung (un* = 0,072 . sin (5 #t + II )) treibt die Oberschwingungsströme
im
Netzwerk. Die Figuren 6 bis 8 zeigen die Zeitverläufe der Saugkreisgrößen für die
Oberschwingungsbelastung ohne Zusatzspannungen (uA* = UB* = 0), die Symmetrierung
der beiden Saugkreisströme durch eine Zusatzspannung ,(UAF = O, u* h 0) und die
Kompensation der Oberschwingungsströme in beiden Saugkreisen durch zwei Zusatzspannungen
(uA*, u,+ * O). Die Oberschwingungsspannungsquellen uA und UBF werden betrags- und
phasengleich zur Oberschwingung ins Netz gesteuert und verhindern dadurch die Einspeisung
von Oberschwingungsströmen aus dem Netz. überlastungen von Saugkreisanlagen, die
von nichtsinusförmigen Netzspannungen hervorgerufen werden, lassen sich durch Spannungssteuerung
vermeiden.
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Die dritte Anwendungsmöglichkeit betrifft die Kompensation der Saugkreis-Oberschwingungsstrombelastung
bei Parallelresonanz zwischen Saugkreis und Netz. Mit den angenommenen Parametern
des Ausführungsbeispiels liegt die Parallelresonanz bei der 4,35-fachen Grundschwingungsfrequenz.
Unter der Voraussetzung eines eingeprägten Oberschwingungsstromes dieser Frequenz
iST * = 0,2 . sin 4,355#t ergeben sich die in Fig. 9 dargestellten Zeitverläufe
im Netz und in den Saugkreisen. Die Oberschwingungsströme im Netz bzw.
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in den Saugkreisen A und B betragen 334 % bzw. 182 Z und 129 % vom
eingeprägten Strom. Durch zwei Zusatzspannungen können die
überlastungen
der Saugkreise aufgehoben und der Oberschwingungsstrom im Netz auf den Wert des
eingeprägten Stromes herabgesetzt werden.
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Fig. 10 zeigt die Zeitverläufe für den kompensierten Fall.
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Die Saugkreise nehmen nur die kapazitiven Grundschwingungs ströme
auf.
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Abschließend sind in Fig. 11 die Leistungs-Zeitverläufe für die drei
Anwendungsmöglichkeiten dargestellt.
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In Figur 11 sind die Leistungen der zusatzspannungserzeugenden Stromrichter
dargestellt bei der a) Symmetrierung der Oberschwingungsströme in den Saugkreisen,
b) Symmetrierung der Oberschwingungsströme und Kompensation der Wirkwiderstände
in den Saugkreisen, c) Symmetrierung der durch eine nichtsinusförmige Netzspannung
hervorgerufenen Saugkreisströme, d) Kompensation der durch eine nichtsinusförmige
Netzspannung hervorgerufenen Saugkreisströme, e) Kompensation der durch eine Parallelresonanz
zwischen dem Netz und den Saugkreisen hervorgerufenen Oberschwingungsströme in den
Saugkreisen.
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Man erkennt, daß zur Kompensation der Wlrkwiderstände In die Saugkreise
Wirkleistung einzuspeisen Ist. In allen anderen Fällen ist der zeitliche Mittelwert
der Leistung vom Stellglied Null.
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Zur oberschwingungsfrequenten Spannungssteuerung kommen deshalb selbstgeführte
Blindleistungsstromrichter mit Spannung einprägung infrage, deren Betriebs frequenz
gleich der Reihenresonanzfrequenz der zu steuernden Saugkreise ist. Im Ausführungsbeispiel
betragen die großen Augenblickswerte der Leistungen PA* bzw. PBF 7,5 % bzw. 6,8
% der Grund--B * bzw P * 7 schwingungsblindleistungen der Saugkreise A bzw. B. Die
Stellglieder sind dementsprechend nur für wenige Prozent der Grundschwingungsblindleistung
zu dimensionieren,