DE2852066C2

DE2852066C2 -

Info

Publication number: DE2852066C2
Application number: DE19782852066
Authority: DE
Inventors: Detlev Dipl.-Ing. 6600 Saarbruecken De Knuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-11-29
Filing date: 1978-11-29
Publication date: 1990-06-21
Also published as: DE2852066A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 23 11 534 bekannt.

Grundsätzlich kann ein Verbraucher nur dann andere Geräte oder Anlagen eines Wechselstromnetzes beeinflussen, wenn durch seine Betriebsart die gemeinsame Versorgungsspannung in Amplitude oder Kurvenform verändert wird. Das ist insbesondere durch hohen Blindleistungsbedarf und die Belastung des Wechselstromnetzes durch Oberschwingungsströme der Fall.

Alle Geräte mit nicht linearem oder zeitlich rasch veränderlichem Verbrauchsverhalten kommen für die Verursachung von Netzrückwirkungen im Wechselstromnetz infrage. Zu derartigen Verbrauchern gehören beispielsweise auch alle über Netzgleichrichter verfügenden Geräte der Unterhaltungselektronik, stufenlos drehzahlveränderliche Handbohrmaschinen und elektronische 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 Wechselstromnetz - sind jedoch störende Rückwirkungen erst bei stärkerer Konzentration derartiger Verbraucher zu erwarten.

Anders verhält es sich bei konventionellen, netzgeführten Stromrichtern zur Speisung von geregelten Gleichstromantrieben und Elektrolyseanlagen, Widerstandsschweißmaschinen und insbesondere Lichtbogenöfen in Elektrostrahlwerken, die über so hohe Anschlußleistungen verfügen, daß sie als die eigentlichen Netzrückwirkungsverursacher anzusehen sind.

Ihr hoher, teilweise dynamisch schwankender Blindleistungsbedarf bewirkt an den induktiven Netzinnenwiderständen eine Absenkung der Netzspannung

Die Belastung des Wechselstromnetzes mit Stromoberschwingungen aufgrund der nichtsinusförmigen Eingangsströme der Verbraucher führt zu entsprechenden Verzerrungen der Netzspannung. Darüber hinaus kommt es während der Kommutierungsvorgänge netzgeführter Stromrichter zu Spannungseinbrüchen entsprechend den Reaktanzverhältnissen im Wechselstromnetz.

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 Wechselstromnetzes 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 des Wechselstromnetzes.

Kritische Betriebsfälle treten auf, wenn Festkondensatorbatterien in Kompensatzionsanlagen mit vorgeschalteten Transformatorreaktanzen auf eine im Wechselstromnetz auftretende Oberschwingung in Reihenresonanz oder mit der Netzreaktanz in Parallelresonanz abgestimmt sind. Spannungsverzerrungen und eine Überbeanspruchung der beteiligten Bauteile können die Folge sein.

Stromrichter benötigen elektrische Filter zur Verbesserung ihrer Grundfunktionen, beispielsweise zur Glättung von Gleichströmen und Gleichspannungen oder zur Vermeidung von Oberschwingungen in den netz- und lastseitigen Strömen und Spannungen. In Hinblick auf das speisende Wechselstromnetz wächst der Filteraufwand mit zunehmendem Verhältnis von Stromrichterleistung zu Netzkurzschlußleistung. Überschreitet beispielsweise die Nennleistung eines netzgeführten Stromrichters mit Stromeinprägung 1 bis 2% der Netzkurzschlußleistung, 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. Kurzschlußstrombegrenzung, Sicherstellung des Leerlaufbetriebs und Herabsetzung der Halbleiterbeanspruchungen durch Begrenzung von Kommutierungsströmen und Schaltspannungen.

Filterkreisanlagen mit Saugkreischarakteristik, wie die Schaltungsanordnung nach der eingangs genannten DE-OS 23 11 534, werden in zunehmendem Maße zur Reduzierung von Oberschwingungen in der Netzspannung und zur Vermeidung von Netzresonanzen eingesetzt.

Eine derartige bekannte Filterkreisanlage erhält man, indem man die ohnehin zur Kompensation von Grundschwingungsblindleistung erforderlichen Kondensatoren durch eine Drosselspule so ersetzt, daß der neu entstandene Reihenschwingkreis auf die entsprechende Oberschwingungsfrequenz abgestimmt ist. Ein solcher Saugkreis ist am Resonanzpunkt wesentlich niederohmiger als das vorgeschaltete Wechselstromnetz, so daß der entsprechende Oberschwingungsstrom im Idealfall völlig abgesaugt wird und keine Netzspannungsverzerrung auftreten kann.

Die Kompensation der Spannungsabfälle an den unvermeidbaren Wirkwiderständen bei der Resonanzfrequenz bereitet allerdings Schwierigkeiten, weil infolge von alterungs- und temperaturabhängigen Kapazitäts- und Induktivitätsänderungen die Resonanzfrequenz variiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art weiterzubilden, um den am jeweiligen Wirkwiderstand eines Filters auftretenden Spannungsabfall bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine Überlastung des Filters mit Saugkreischarakteristik durch Oberschwingungsströme, die aus dem Wechselstromnetz aufgrund starker Verzerrungen der speisenden Spannung getrieben werden, kann durch die oberfrequente Spannungssteuerung vorteilhafterweise ebenso vermieden werden, wie Parallelresonanzen mit der Netzreaktanz vermieden werden können.

Vorteilhafte Ausbildungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet. Insbesondere ist die Stromaufteilung bei parallelgeschalteten Filtern mit Saugkreischarakteristik gleicher Frequenz steuerbar und kann durch Sollwertvorgabe eingestellt werden.

Da bei normaler Güte des Filters entsprechend der Schaltungsanordnung nach der Erfindung nur geringe Amplituden der oberfrequenten Spannung erforderlich sind, braucht der als zusätzlich amplituden- und phasenveränderbare Spannungsquelle vorgesehene Stromrichter nur für wenige Prozent der Grundschwingungsblindleistung ausgelegt zu werden. Das heißt, daß ein selbstgeführter Stromrichter als Oberschwingungsspannungsquelle nur mit etwa 1 bis 3% der Filter-Grundschwingungsleistung dimensioniert werden muß. Bei Mittelspannungssaugkreisanlagen (etwa 10 bis 20 kV) kann der selbstgeführte Stromrichter direkt in den Sternpunkt der Saugkreisanlage geschaltet werden.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke nachfolgend erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Wechselstromnetz mit einer Stromrichterbelastung und zwei Saugkreisen mit zusätzlichen Spannungsquellen,

Fig. 2 ein Wechselstromnetz mit einer Stromrichterbelastung und zwei Saugkreisen mit selbstgeführten Stromrichtern als zusätzlichen Spannungsquellen,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen bei Aufteilung eines eingeprägten Oberschwingungsstromes auf zwei parallelgeschaltete Saugkreise mit annähernd gleichen Resonanzfrequenzen,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Ströme und Spannungen bei Symmetrierung der Oberschwingungsströme in zwei parallelgeschalteten Saugkreisen mit annähernd gleichen Resonanzfrequenzen durch eine zusätzliche Spannung,

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 zusätzliche Spannungen,

Fig. 6 bis 8 die Zeitverläufe der Saugkreisgrößen für die Oberschwingungsbelastung ohne zusätzliche Spannungen, die Symmetrierung der beiden Saugkreisströme durch eine zusätzliche Spannung und die Kompensation der Oberschwingungsströme in beiden Saugkreisen durch zusätzliche Spannungen,

Fig. 9 und 10 die Aufteilung eines eingeprägten Oberschwingungsstromes auf zwei parallelgeschaltete Saugkreise und das Wechselstromnetz bei Parallelresonanz zwischen dem Wechselstromnetz und den Saugkreisen bzw. die Kompensation der Oberschwingungsströme von zwei parallelgeschalteten Saugkreisen mit annähernd gleichen Resonanzfrequenzen bei Parallelresonanz zwischen dem Wechselstromnetz und den Saugkreisen, und

Fig. 11 die Leistungen von zusatzspannungserzeugenden Stromrichtern bei den verschiedenen Anwendungsfällen.

Ein in Fig. 1 dargestelltes dreiphasiges Wechselstromnetz N mit einer Spannung U, einem StromI und einer Impedanz Z ist über einen Stromrichter ST mit einem Verbraucher V verbunden. Zur Kompensation der vom Stromrichter ST verursachten Grundschwingungsblindleistung sind an dessen netzseitigen Anschluß, an dem eine Spannung U _s ansteht, zwei parallelgeschaltete Leistungskondensatoren C _A und C _B angeschlossen. Nimmt der Verbraucher V neben der Grundschwingungsblindleistung einen nichtsinusförmigen Strom mit z. B. starker 5. Harmonischer auf, so kann dieser Verbraucher V für die Oberschwingungen als Stromquelle mit einem Oberschwingungsstrom I _ST und das Wechselstromnetz N als Last angesehen werden.

Der eingeprägte Strom ruft Oberschwingungsspannungen an den vorgeschalteten Transformatorreaktanzen und dem Netzinnenwiderstand hervor, die der Spannung U überlagert sind und die Kurvenform verzerren. Um Rückwirkungen auf andere Verbraucher zu vermeiden, muß der Oberschwingungsstrom von den vorgeschalteten nicht gezeigten Transformatoren und dem Wechselstromnetz N ferngehalten werden. Das wird erreicht, indem die ohnehin zur Kompensation der Grundschwingungsblindleistung erforderlichen Kondensatoren C _A und C _B durch Drosseln L _A und L _B zu zwei Saugkreisen A, B so ergänzt werden, daß der neu entstandene Reihenschwingkreis auf die entsprechende Oberschwingungsfrequenz abgestimmt ist. Die als Filter wirkenden Reaktanzen der Saugkreise A, B sind mit Z _A, Z _B bezeichnet. Durch sie fließen Ströme I _A, I _B.

Den üblichen Saugkreiskomponenten, Leistungskondensatoren C _A, C _B und Drosselspulen L _A, L _B ist erfindungsgemäß jeweils eine regelbare Oberschwingungs spannungsquelle U _A und U _B in Reihe geschaltet, deren Frequenz der Oberschwingungsfrequenz entspricht, auf welche die Saugkreise A, B abgestimmt sind. Amplitude und Phasenlage der von den Oberschwingungsspannungsquellen U _A und U _B abgegebenen vektoriellen Spannungen U _A und U _B werden in Abhängigkeit von Amplitude und Phasenlage des vektoriellen Verbraucherstromes I _ST und des vektoriellen Netzstromes I sowie der vektoriellen Netzspannungen U geregelt.

Anstelle der regelbaren Oberschwingungsspannungsquellen U _A und U _B sind in Fig. 2 selbstgeführte Stromrichter an Gleichspannungsquellen mit den Spannungen U _dA und U _dB bzw. den Strömen I _dA und I _dB eingesetzt.

In den nachfolgenden zeitlichen Darstellungen verschiedener Netzrückwirkungsfälle werden die gleichen Netzparameter und Bezugsziffern verwendet wie in den Anordnungen der Fig. 1 und 2. Als veränderliche Größen sind die Ströme und Spannungen hier allerdings mit kleingeschriebenen Buchstaben und mit einem * bezeichnet.

Als erstes Anwendungsbeispiel sollen die Verhältnisse bei der Parallelschaltung zweier zum Teil fehlabgestimmter Saugkreise mit den Reihenresonanzfrequenzen 5 bzw. 5,25 · f _N untersucht werden, wobei mit f _N die Nennfrequenz des Wechselstromnetzes N bezeichnet ist. Fig. 3 zeigt die Aufteilung eines vom Stromrichter ST ins Wechselstromnetz eingeprägten Oberschwingungsstromes i _ST* = 0,2 · sin 5 ωt auf die beiden Saugkreise A und B und das Wechselstromnetz. Aufgrund von angenommenen Netzwerksparametern fließen im Saugkreis A bzw. B 80% bzw. 36% des Stromrichter-Oberschwingungsstromes und im Wechselstromnetz 23%. Die Symmetrierung der beiden Saugkreis-Oberschwingungsströme wird nach Fig. 4 allein durch eine oberschwingungsfrequente, amplituden- und phasengeregelte Zusatzspannung u _B* im Saugkreis B gesteuert. Es ergibt sich eine gleichmäßige Oberschwingungsstromaufteilung auf die beiden Saugkreise A und B von jeweils 49%. Im Wechselstromnetz fließen aufgrund der endlichen Filterkreisgüte noch 14% des Stromrichter- Oberschwingungsstromes. Eine Kompensation der Wirkwidestände im Reihenschwingkreis wird durch die beiden Spannungen u _A* und u _B* gemäß Fig. 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 vollständig mit jeweils 50% auf die beiden Saugkreise; im Wechselstromnetz fließt kein Oberschwingungsstrom.

Zusammenfassend kann man zum ersten Anwendungsbeispiel der oberschwingungsfrequenten Spannungssteuerung von Saugkreisen feststellen:

- Der Einfluß von fertigungs-, alterungs- und temperaturabhängigen Kapazitäts- bzw. Induktivitätsänderungen auf die Resonanzfrequenz wird kompensiert.
- Der Wirkwiderstand im Reihenschwingkreis wird bei der Resonanzfrequenz kompensiert.
- Durch Kombination der ersten beiden zuvor beschriebenen Verfahren entsteht ein Saugkreis mit idealer Wirkung.
- Die Stromaufteilung auf mehrere parallelgeschaltete Saugkreise ist steuerbar und kann entsprechend vorgegebenen Sollwerten eingestellt werden.

Das zweite Anwendungsbeispiel zeigt die Verhältnisse bei einer nichtsinusförmigen Netzspannung u* ohne Stromrichter-Oberschwingungsstrom. Eine einzelne Harmonische der Netzspannung (u* = 0,072 · sin [5 ωt + ϕ]) treibt die Oberschwingungsströme im Wechselstromnetz. Die Fig. 6 bis 8 zeigen die Zeitverläufe der Saugkreisgrößen für die Oberschwingungsbelastung ohne zusätzliche Spannungen (u _A* = u _B* = 0), die Symmetrierung der beiden Saugkreisströme durch eine zusätzliche Spannung (u _A* = 0, u _B* ≠ 0) und die Kompensation der Oberschwingungsströme in beiden Saugkreisen durch zwei zusätzliche Spannungen (u _A*, u _B* ≠ 0). Die Oberschwingungsspannungen u _A* und u _B* werden betrags- und phasengleich zur Oberschwingung ins Wechselstromnetz gesteuert und verhindern dadurch die Einspeisung von Oberschwingungsströmen aus dem Wechselstromnetz. Überlastungen der Saugkreise A und B, die von nichtsinusförmigen Netzspannungen hervorgerufen werden, lassen sich durch die Spannungssteuerung vermeiden.

Die dritte Anwendungsmöglichkeit betrifft die Kompensation der Saugkreis-Oberschwingungsstrombelastung bei Parallelresonanz zwischen Saugkreis A bzw. B und Wechselstromnetz. Mit den angenommenen Parametern des Ausführungsbeispiels liegt die Parallelresonanz bei der 4,35-fachen Grundschwingungsfrequenz. Unter der Voraussetzung eines eingeprägten Oberschwingungsstromes dieser Frequenz i _ST* = 0,2 · sin 4,355 lt
ergeben sich die in Fig. 9 dargestellten Zeitverläufe im Wechselstromnetz und in den Saugkreisen A und B. Die Oberschwingungsströme im Wechselstrom bzw. in den Saugkreisen A und B betragen 334% bzw. 182% und 129% vom eingeprägten Strom. Durch zwei zusätzliche Spannungen können die Überlastungen der Saugkreise A und B aufgehoben und der Oberschwingungsstrom im Wechselstromnetz auf den Wert des eingeprägten Stromes herabgesetzt werden.

Fig. 10 zeigt die Zeitverläufe für den kompensierten Fall. Die Saugkreise A und B nehmen nur die kapazitiven Grundschwingungsströme auf.

Abschließend sind in Fig. 11 die Leistungs-Zeitverläufe für die drei Anwendungsmöglichkeiten dargestellt.

In Fig. 11 sind die Leistungen p _A*, p _B* der zusätzlichen Spannungen u _A*, u _B* erzeugenden Stromrichter dargestellt bei der

a) Symmetrierung der Oberschwingungsströme in den Saugkreisen A und B,
b) Symmetrierung der Oberschwingungsströme und Kompensation der Wirkwiderstände in den Saugkreisen A und B,
c) Symmetrierung der durch eine nichtsinusförmige Netzspannung hervorgerufenen Saugkreisströme,
d) Kompensation der durch eine nichtsinusförmige Netzspannung hervorgerufenen Saugkreisströme,
e) Kompensaton der durch eine Parallelresonanz zwischen dem Wechselstromnetz und den Saugkreisen A und B hervorgerufenen Oberschwingungsströme in den Saugkreisen A und B.

Man erkennt, daß zur Kompensation der Wirkwiderstände in die Saugkreise A und B Wirkleistung einzuspeisen ist. In allen anderen Fällen ist der zeitliche Mittelwert der Leistung der Stromrichter Null.

Zur oberschwingungsfrequenten Spannungssteuerung kommen deshalb selbstgeführte Blindleistungsstromrichter mit Spannungseinprägung infrage, deren Betriebsfrequenz gleich der Reihenresonanzfrequenz der zu steuernden Saugkreise ist. Im Ausführungsbeispiel betragen die größten Augenblickswerte der Leistungen p _A* bzw. p _B* 7,5% bzw. 6,8% der Grundschwingungs blindleistungen der Saugkreise A bzw. B. die Stromrichter sind dementsprechend nur für wenige Prozent der Grundschwingungs blindleistung zu dimensionieren.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Oberschwingungen und der Blindleistung in einem Wechselstromnetz, bei welchem der Oberschwingungsstrom eines über einen Stromrichter gespeisten Verbrauchers in eine mindestens aus einem Filter mit Saugkreischarakteristik bestehende, dazu parallelgeschaltete elektrische Filteranordnung fließt, sowie zur Vermeidung von Parallelresonanzen zwischen dem Wechselstromnetz und der Filternanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jedem Filter (Z _A, Z _B) eine eigene amplituden- und phasenveränderbare Spannungsquelle (U _A, U _B) geschaltet ist, deren Frequenz auf die Oberschwingungsfrequenz des jeweils zugehörigen Filters (Z _A, Z _B) derart abgestimmt ist, daß die am Wirkwiderstand des jeweiligen Filters (Z _A, Z _B) durch den Oberschwingungsstrom auftretende Spannung kompensiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei parallelgeschalteten gleichen Filtern (Z _A, Z _B) je Abstimmfrequenz durch die Oberschwingungsspannungsquellen (U _A, U _B) eine gleichmäßige Aufteilung des Oberschwingungsstroms der gewählten Abstimmfrequenz erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle (U _A, U _B) jeweils vorgesehen ist, der mit einer Frequenz getaktet wird, welche der Oberschwingungsfrequenz entspricht, auf welche das jeweilige Filter (Z _A, Z _B) abgestimmt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle (u _A, U _B) jeweils vorgesehen ist, der mit einer Frequenz getaktet wird, welche der Parallelresonanzfrequenz von Wechselstromnetz und jeweiligen Filter (Z _A, Z _B) entspricht.