DE2853358C2

DE2853358C2 -

Info

Publication number: DE2853358C2
Application number: DE2853358A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr. Nussbaumen Aargau Ch Glavitsch; Gerhard Dipl.-Ing. Baden Aargau Ch Gueth
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-11-26
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1990-07-26
Also published as: FR2442526B1; CA1130860A; FR2442526A1; US4302716A; DE2853358A1; CH633658A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Phasen schieber für ein mehrphasiges Wechselstrom-Übertragungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist beispielsweise bekannt aus der DE-AS 10 26 849. Bei dieser Einrichtung wird die Steuer barkeit des Phasenschiebers über veränderliche Blindwider stände erreicht. Diese sind im wesentlichen durch eine sätti gungsfähige Drosselspule mit einer Vormagnetisierungswick lung realisiert. Eine Ventilschalteinrichtung ist nicht vorgesehen.

Aus der DE-OS 22 38 021 ist eine Schaltung bekannt, die zur Kompression von Spannungsabfällen an den Netzimpedanzen dient, die durch den Anschluß eines ohmschen-induktiven Ver brauchers an den verketteten Spannungen eines Mehrphasen netzes verursacht werden. Bei der bekannten Schaltung ist parallel zum ohmschen-induktiven Verbraucher eine Serienschal tung einer Ventilschalteinrichtung, eines Kondensators sowie einer Schutzdrossel geschaltet. Die Schaltung weist zwischen dem ohmschen-induktiven Verbraucher und der genannten Serien schaltung keinen Abgriff auf.

Aus der AT-PS 2 92 130 ist eine Schaltungsanordnung für ein spannungskompensiertes, ohm'sches Verbrauchernetz bekannt, bei welcher mit dem induktiven Quellwiderstand des Versor gungsnetzes durch eine zusätzliche Serieninduktivität fester Größenordnung der Spannungsabfall des ohmschen Verbrauchers durch diesem parallelgeschaltete Kondensatoren eines Unter netzes kompensiert wird. Die Kondensatoren sind weiter über eine Antiparallelschaltung eines gesteuerten und eines un gesteuerten Ventils zu- und abschaltbar. Dabei gibt es keinen Quer schaltungszweig zwischen zwei phasenverschobenen Spannungen.

Aus der CH-PS 2 31 134 ist schließlich eine Schaltung zur Konstanthaltung des einem Wechselstromverbraucher zugeführten Stromes unter Verwendung von Boucherot-Kreisen bekannt, bei welcher der Verbraucherkreis in offener Schaltung zwischen den Klemmen des Netzes und den Sekundärklemmen des an das selbe Netz angeschlossenen Boucherot-Kreises angeschlossen ist. Diese Schaltung enthält keine Ventilschalteinrichtung mit Steuereinrichtung zur Einstellung von veränderlichen Schaltintervallen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines steuer baren Phasenschiebers, der sich durch vergleichsweise einfa chen Aufbau bei stetiger Steuerbarkeit des Phasendrehwinkels sowie durch frei steuerbaren Drehsinn der Phasenverschie bung auszeichnet. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Auf gabe kennzeichnet sich bei einem Phasenschieber der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Ein steuerbarer Phasenschieber mit einem solchen Aufbau kann grundsätzlich ohne besonderen Transformator mit festen Drosseln und/oder Kondensatoren aufgebaut werden, wobei die variable Steuerung der Ein- und Ausschaltintervalle der Ventilschalteinrichtung eine variable Phasenverschie bung in beiden Richtungen ermöglicht. Als Ventilschaltein richtung kommt einfacherweise ein Wechselstrom-Halbleiter ventil (Triac oder antiparallel geschaltete Thyristoren, gegebenenfalls auch Schalttransistoren) mit variabler Pha senanschnittsteuerung oder mit Pulsbreitenmodulation gemäß veränderlichem Tastverhältnis in Betracht. Insbesondere die letztgenannte Ausführung ermöglicht auf einfache Weise eine Geringhaltung störender Oberschwingungen infolge des Schalt betriebes.

Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführung eines steuerbaren Phasenschiebers für ein Dreiphasen- Wechselstromsystem,

Fig. 2 den Prinzipaufbau des Querschaltungszweiges eines Phasenschiebers nach Fig. 1 mit reaktiven Impedan zen, Ventilschalteinrichtung mit zugehöriger Steuereinrichtung,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Wirkungs weise des Schaltungsteils nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung der damit erzielbaren, variablen Phasenverschiebung im Mehr phasensystem,

Fig. 5 das Prinzipschaltbild einer anderen Ausführung eines steuerbaren Phasenschiebers für ein Dreiphasensy stem,

Fig. 6 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Phasenschiebers nach Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Ausführung eines Querschaltungszweiges mit komplementär reaktiven Impedanzen und Serien- Ventilschalteinrichtung,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines Querschaltungs zweiges mit Parallel-Ventilschalteinrichtung und

Fig. 9 den Aufbau eines Querschaltungszweiges mit kombi nierter Serien- und Parallelschaltung von Ventil schalteinrichtungen für variable Phasenverschie bung.

Der Phasenschieber nach Fig. 1 umfaßt drei Querschaltungs zweige QSZ ₁, QSZ ₂ und QSZ ₃, die zwischen primärseitigen Phasenanschlüssen R, S, T des Dreiphasensystems im Dreieck angeschlossen sind und je einen Abgriff als sekundärseiti gen Anschluß R′, S′, T′ aufweisen. Zu jedem Querschaltungs zweig QSZ ₁, QSZ ₂ und QSZ ₃ gehört eine Steuereinrichtung STE ₁ bzw. STE ₂ bzw. STE ₃, die über zugehörige Ventilschalteinrichtungen durch periodisches Ein- und Ausschalten von reaktiven Impedanzen den sekundärseitigen Anschluß R′, S′, T′ des betreffenden Querschal tungszweiges QSZ ₁, QSZ ₂ und QSZ ₃ im Mittel über die Schaltperioden in Abhängig keit von dem Ein- und Ausschaltverhältnis (Tastverhältnis) stärker mit dem einen oder anderen der beiderseitigen primär seitigen Anschlüsse R, S, T des betreffenden Querschaltungszweiges QSZ ₁, QSZ ₂ und QSZ ₃ koppelt. Die Steuereinrichtungen STE ₁, STE ₂ und STE ₃ sind mit einer gemein samen Zentralsteuereinrichtung ZST verbunden, die für eine koordinierte Steuerung gemäß den Erfordernissen des Mehr phasensystems sorgt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau beispielsweise des Querschaltungs zweiges QSZ ₁ im einzelnen. Danach ist beiderseits des sekun därseitigen Anschlusses R′ je eine reaktive Impedanz Za bzw. Zb angeordnet, und zwar in Serie zwischen den primärseitigen Anschlüssen R und S. Im Beispielsfall, der eine Ausführung mit dem Vorteil besonderer Einfachheit darstellt, ist nur auf einer Seite des sekundärseitigen Anschlusses R′ eine in Serie angeordnete Ventilschalteinrichtung VSE ₁ vorgesehen, die von der zugehörigen Steuereinrichtung STE ₁ im Sinne einer periodischen Ein- und Ausschaltung mit vorgegebenem Tastverhältnis angesteuert wird. Im einfachsten Fall kommt hierfür eine Phasenanschnittsteuerung in Betracht, die bei Einsatz üblicher Thyristor- oder Triacventile lediglich eine Zündsteuerung bei vorgegebenen Phasenwinkeln der Netzwechselspannung erfordert. Die Amplitude der Grund schwingung des über die zugehörige Impedanz, hier Zb, fließenden Wechselstromes und damit der wirksame Betrag dieser Impedanz Zb läßt sich damit entsprechend dem Halb schwingungs-Tastverhältnis, d. h. das wirksame Teilerverhältnis des durch den Querschaltungszweig QSZ ₁ gebildeten Spannungsteilers kontinuierlich steuern.

Ausgehend von dem durch die Impedanzen Za und Zb unmittel bar gegebenen Teilerverhältnis bei Vollaussteuerung der Ventilschalteinrichtung VSE ₁ kann dieses Teilerverhältnis im vorliegenden Fall bei nur einer Ventilschalteinrichtung VSE ₁ selbstverständlich nur in einer Richtung verändert werden, und zwar bis zur ausschließlichen Kopplung von R′ mit R Za bei dauernd sperrender Ventilschalteinrichtung VSE ₁ bzw. beim Betrag Unendlich der Impedanz Zb auf der Seite des primär seitigen Anschlusses S.

Wenn der - mit dem Tastverhältnis veränderliche - Ober schwingungsgehalt des Querstromes und damit der Sekundär spannung stört, kann mit Vorteil eine bezüglich der Netz frequenz höherfrequente Pulsbreitenmodulation an sich üb licher Art mit veränderlichem Tastverhältnis angewendet werden. Der etwa erforderliche Aufwand an Filtermitteln zur Unterdrückung der Oberschwingungen ist dann vergleichsweise gering.

Fig. 3 veranschaulicht die Phasenverschiebung der Sekundär spannung U _R′ in bezug auf die Primärspannungen U _R, U _S. Für die in den beiden Abschnitten des Querschaltungszweiges QSZ ₁ und im Sekundäranschluß R′ fließenden Ströme I _R ₁, I _S ₁, I _R′ gel ten die in Fig. 2 eingetragenen Bezugspfeile. Die Darstel lung bezieht sich selbstverständlich nur auf die netzfre quenten Grundschwingungen der Ströme und Spannungen sowie auf die für diese Grundschwingungen wirksamen Impedanzen.

Wegen der im Beispielsfall nach Fig. 2 komplementär, d. h. induktiv und kapazitiv, reaktiven Impedanzen Za und Zb er geben sich bei der angenommenen Phasengleichheit von U _R′ und I _R′ (reine sekundärseitige Wirkbelastung) die in Fig. 3 eingetragenen Querspannungen U _Za und U _Zb, welche Betrag und Phasenlage der Sekundärspannung U _R′ bestimmen. Durch Veränderung des wirksamen Betrages von beispielsweise Zb mittels der Ventilschalteinrichtung VSE ₁ kann der Steuer phasenwinkel wst ersichtlich verändert werden. Der mögliche Änderungsbereich des Steuerphasenwinkels wst ist unter anderem auch von dem Primärphasenwinkel wpp zwischen den zu dem betreffenden Querschaltungszweig QSZ ₁ gehörenden Primärspan nungen U _R und U _S abhängig. Bei der vorliegenden einfachen Ausführung mit unmittelbar am Querschaltungszweig QSZ ₁ liegenden Primäranschlüssen ist der Primärphasenwinkel wpp gleich dem Zwischenphasenwinkel wzp des Mehrphasensystems.

Insgesamt ergeben sich für das Dreiphasensystem gemäß Fig. 1 die in Fig. 4 angedeuteten Verhältnisse für die Phasenverschiebung der Sekundärspannungen U _R′, U _S′, U _T′ in bezug auf die Primärspannungen U _R, U _S, U _T.

Grundsätzlich könnten innerhalb eines Querschaltungszweiges beiderseits des Abgriffes bzw. Sekundäranschlusses gleich artig reaktive Impedanzen vorgesehen werden. Die Verwendung von komplementär reaktiven Impedanzen ergibt jedoch den Vorteil, daß die reaktive Belastung des Systems in einem mittleren Bereich des Spannungsteilerverhältnisses, d. h. bei vergleichsweise wenig verschiedenen Beträgen der wirk samen Reaktanzen beiderseits des Abgriffs, vergleichsweise gering gehalten werden kann.

Die Verwendung des Zwischenphasenwinkels als Primärphasen winkel, d. h. der Anschluß der Querschaltungszweige unmit telbar an die Primärphasen des Systems, führt zu vergleichs weise starken Änderungen der Sekundärspannung mit der Phasenverschiebung, was im allgemeinen unerwünscht ist. Außerdem kommt eine weitgehende Ausnutzung des durch den großen Primärphasenwinkel entsprechend dem Zwischenphasen winkel gegebenen Aussteuerbereiches für den Steuerphasen winkel selten in Betracht. Demgemäß bietet sich als be sonders vorteilhaft eine Ausführung an, bei der mindestens ein Paar von jeweils einem Sekundäranschluß zugeordneten Primäranschlüssen Spannungen führen, die gegeneinander um einen von dem Zwischensphasenwinkel des Mehrphasensystems verschiedenen, vorzugsweise gegenüber diesem kleineren Primärphasenwinkel verschoben sind.

Fig. 5 zeigt eine solche Ausführung, bei der ein Primär phasenwinkel von 60° mit Hilfe eines primärseitigen Netz transformators T mit zwei im Stern geschalteten, gegen sinnig gepolten bzw. gewickelten Sekundärwicklungssystemen erzielt wird. Es stehen somit paarweise gegensinnig gepolte bzw. um 180° gegeneinander phasenverschobene Primäran schlüsse R und -R, S und -S, T und -T zur Verfügung. In Fig. 5 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Querschaltungzweig QSZ ₁ mit Sekundäranschluß R′ zwischen den Primäranschlüssen R und -T entsprechend den Sekundär wicklungen TRa und TTb des Netztransformators T angedeutet. Die anderen Phasen des Systems werden entsprechend be schaltet.

Im Zeigerdiagramm gemäß Fig. 6 ist dazu der Primärphasen winkel wpp von 60° mit einem Steuerphasenwinkel wst angedeutet. Die Konstruktion des Zeigerdiagramms entspricht Fig. 3, wobei anstelle der Primärspannung U _S und U _-T und anstelle I _{S 1} I _-T tritt. Im übrigen gilt für die Querspannungen:

U _Za = I _R · j Za
U _Zb = I _-T · Zb/j

Ersichtlich weicht hier die Amplitude der Sekundärspannung U _R′ im Aussteuerbereich nur wenig von den Amplituden der Primärspannung U _R und U _-T ab.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Querschaltungs zweiges QSZ ₁ mit komplementär reaktiven Impedanzen Za und Zb sowie im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 2 auch je einer Ventilschalteinrichtung VSEa bzw. VSEb beiderseits des Sekundäranschlusses R′. Diese Ventilschalteinrichtungen VSEa und VSEb sind in Serie im Querschaltungszweig QSZ ₁ angeordnet und er lauben bei einer bezüglich des Tastverhältnisses gegen sinnigen oder komplementären Steuerung eine Phasenver schiebung in beiden Richtungen, ausgehend von der durch die Impedanzen Za und Zb unmittelbar gegebenen Ausgangs phasenlage der Sekundärspannung bezüglich der Primärspan nung.

Besondere Vorteile bietet in manchen Anwendungsfällen eine Anordnung der Ventilschalteinrichtungen parallel zu den zugehörigen Impedanzen im Querschaltungszweig.

Fig. 8 zeigt eine solche Ausführung mit Ventilschaltein richtung VSEa′ bzw. VSEb′. Im Hinblick auf den Entlade stromstoß beim Überbrücken einer kapazitiven Impedanz Zb durch die Ventilschalteinrichtung VSEb′ ist eine in Serie in den Ventilschaltzweig eingefügte Hilfsimpedanz Zh zwecks Strombegrenzung eingefügt. Bei entsprechender Bemessung ändert dies nichts am kapazitiven Charakter der Gesamt impedanz auf dieser Seite des Sekundäranschlusses R′.

Die parallel zur zugehörigen Impedanz angeordneten Ventil schalteinrichtungen ermöglichen ein vollständiges oder annäherndes Kurzschließen der betreffenden Impedanz, so daß der Primärphasenwinkel - in Fig. 8 also zwischen den Primäranschlüssen R und -T - vollständig bzw. weitgehend für den Steuerphasenwinkel ausgenutzt werden kann. Auch hier wird zweckmäßig eine gegensinnige oder komplementäre Steuerung des Tastverhältnisses der Ventilschalteinrich tungen VSEa′ und VSEb′ beiderseits des Sekundäranschlusses R′ vorgesehen. Im übrigen kommt bei vereinfachten Ausführungen mit Phasen verschiebung in nur einer Richtung bezüglich der Ausgangs lage eine der Ventilschalteinrichtungen VSEa′ und VSEb′ nur auf einer Seite des Sekundäranschlusses R′ in Betracht.

Endlich zeigt Fig. 9 eine kombinierte Ausführungsform mit den Merkmalen gemäß Fig. 7 und Fig. 8, d. h. mit in Serie sowie parallel zu den Impedanzen Za und Zb angeordneten Ventilschalteinrichtungen VSEa, VSEb und VSEa′, VSEb′. Mit einer solchen Schaltung, wiederum mit gegensinniger oder komplementärer Tastver hältnissteuerung, kann zusätzlich der induktive oder kapa zitive Charakter und der Betrag der wirksamen Impedanzen und damit die reaktive Belastung des Systems außer der Phasenverschiebung entsprechend den jeweiligen Anwendungs erfordernissen im Netz beeinflußt werden.

Claims

1. Steuerbarer Phasenschieber für eine mehrphasiges Wechsel strom-Übertragungssystem, wobei zwischen mindestens zwei primärseitigen Phasen (R, S) des mehrphasigen Wechsel strom-Übertragungssystems, die gegeneinander phasenver schobene Spannungen (U _R, U _S) führen, ein Querschaltungs zweig (QSZ ₁) angeordnet ist, der mindestens zwei in Serie verbundene, komplementäre, reaktive Impedanzen (Za, Zb) und einen zwischen diesen angeordneten Abgriff als sekun därseitigen Anschluß (R′) aufweist, dadurch gekennzeich net, daß der Querschaltungszweig (QSZ ₁) mindestens zwei jeweils zwischen dem sekundärseitigen Anschluß (R′) und der einen der mindestens zwei Phasen (R, S) angeordnete Ventilschalteinrichtungen (VSEa, VSEb; VSEa′, VSEb′) auf weist, deren Schaltintervalle durch eine zugehörige Steuereinrichtung (STE ₁) steuerbar sind.

2. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der mindestens eine Querschaltungs zweig (QSZ ₁) über einen mehrphasigen Umformer (T) mit den jeweils mindestens zwei primärseitigen Phasen (R, S) des mehrphasigen Wechselstrom-Übertragungssystems in Wirkver bindung steht, wobei Eingangs- und Ausgangsspannungen des mehrphasigen Umformers (T) phasenverschoben sind.

3. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der mehrphasige Umformer (T) ein Netz transformator ist, der zwei in Stern geschaltete, gegen sinnig gepolte oder gewickelte Sekundärwicklungssysteme aufweist.

4. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem sekun därseitigen Anschluß (R′) und mindestens der einen Phase (R, S) die eine Ventilschalteinrichtung (VSEa, VSEb) zu der einen reaktiven Impedanz (Za, Zb) in Serie geschaltet ist.

5. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem sekundärsei tigen Anschluß (R′) und mindestens der einen Phase (R, S) die andere Ventilschalteinrichtung (VSEa′, VSEb′) zu der einen reaktiven Impedanz (Za, Zb) parallel ange ordnet ist.

6. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß die zwischen dem sekundärsei tigen Anschluß (R′) und jeweils einer Phase (R, S) ange ordneten Ventilschalteinrichtungen (VSEa, VSEb bzw. VSEa′, VSEb′) mit gegensinnig veränderlichen Schaltinter vallen steuerbar sind.

7. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Ventilschalteinrichtungen (VSEa, VSEb bzw. VSEa′, VSEb′) phasenanschnittgesteuert sind.

8. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Ven tilschalteinrichtungen (VSEa, VSEb bzw. VSEa′, VSEb′) pulsbreitenmoduliert mit veränderlichem Tastverhältnis gesteuert sind.