DE2937262A1

DE2937262A1 - Blindleistungsgenerator

Info

Publication number: DE2937262A1
Application number: DE19792937262
Authority: DE
Inventors: Laszlo Gyugyi; John Rosa
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1980-03-27
Also published as: GB2031666B; IT7925727A0; GB2031666A; SE7907674L; CA1123915A; IT1123158B; NO792938L; US4210860A; NO149483C; NO149483B; MX147722A; JPS5556427A; BR7905839A; AR231036A1; SE447943B; ZA794540B

Description

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Blindleistungsgenerator

Die Erfindung betrifft einen Blindleistungsgenerator für ein elektri sches System mit einer Regeleinrichtung, welche die während einer vorgegebenen Zeitdauer an das elektrische System abgegebene Blindleistung feststellt und zumindest eine Kompensationsinduktivität für ein bestimmtes Einschaltintervall während der vorgegebenen Zeitdauer einschaltet.

Es ist allgemein bekannt, Blindleistungsgeneratoren dadurch zu verwirklichen, daß mit einem Festkondensator als Kompensationskondensator eine kontinuierlich überwachte bzw. steuerbare Kompensationsdrossel parallelgeschaltet ist, und daß diese Parallelschaltung zwischen den Leitungen eines elektrischen Systems liegt. Durch geeignete Steuer- bzw. Regeleinrichtungen werden jeweils Teile der Kompensationsinduktivität für bestimmte Zeitintervalle ein- und ausgeschaltet, um den Stromflußwinkel bzw. die Stromflußzeit durch die Drossel festzulegen. Dieses Einschaltintervall, das auch als Stromflußwinkel oder Stromflußzeit bezeichnet wird, ist derjenige Zeit-Fs/ai raum

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raum während einer vorgegebenen Zeitdauer, während welchem Strom durch die Drossel fließt und somit einen induktiven Blindstrom bewirkt, der zusammen mit dem kapazitiven Blindstrom die Blindleistung ergibt. Die vorgegebene Zeitdauer entspricht in der Regel der Halbwelle der Netzspannung. Somit kann auf der Basis von Halbwelle zu Halbwelle das Einschaltintervall bzw. der Stromfluß winkel geändert werden, um demjelektrischen System entsprechend Blindleistung zuzuführen. Derartige Blindleistungsgeneratoren sind durch die US-PS 3 936 727 und 3 999 117 bekannt. Es wurde festgestellt, daß für verhältnismäßig großes Überschwingen der Spannung, was sich bei verhältnismäßig großen Schaltstößen einstellen kann, die Induktivität der steuerbaren Kompensationsdrossel klein genug sein muß, damit im Bereich des Maximums des Einschaltintervalls ein ausreichend großer induktiver Blindstrom geliefert wird, um das Überschwingen der Spannung auf ein gewünschtes Niveau zu reduzieren. Dadurch ergeben sich verhältnismäßig kleine Einschaltintervalle selbst im Bereich normaler Spannungen, die den Kompensationsstrom in beträchtlichem Umfang verzerren, so daß Harmonische erzeugt werden, für welche selbst die fünfte Harmonische noch verhältnismäßig groß ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu schaffen, mit denen der Blindleistungsgenerator in die Lage versetzt wird, einen Kompensationsstrom für einen großen Bereich von Ausgleichs spannungen bzw. Spannungsstößen zu liefern, ohne daß eine Einengung des Einschaltintervalles, d. h. des Stromflußwinkels, im Bereich der Nennspannungsbedingungen gegeben ist.

Diese

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kompensationsinduktivität einen ersten Induktivitätswert hat und bei diesem einen Blindstrom führt, welcher gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist, daß die !Compensations-Induktivität einen zweiten Induktivitätswert hat und bei diesem einen Blindstrom führt, welcher größer als der vorgegebene Wert ist, und daß die abgegebene Blindleistung blindstrombezogen ist und an das elektrische System für das bestimmte Einschaltintervall In Abhängigkeit davon abgegeben wird, ob der Blindstrom den vorgegebenen Wert übersteigt oder nicht übersteigt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen. Dabei werden sättigbare Eisendrosseln verwendet, wobei für den Fall, daß der !Compensationsstrom während des Einschaltintervalls unterhalb des Sättigungspunktes verbleibt, eine verhältnismäßig hohe Induktivität mit einem verhältnismäßig breiten Einschaltintervall zur Verfügung stellt, um den für Nennspannungen benötigten, mit geringen Verzerrungen versehenen induktiven Blindstrom zu liefern. Das Sättigungsniveau bzw. das Niveau des Sättigungspunktes wird derart ausgewählt, daß der zugeordnete Strom etwas größer als dieser induktive Blindstrom ist. Wenn der erforderliche induktive Blindstrom für die Kompensation das dem Sättigungspunkt zugeordnete Niveau übersteigt, wird die Kompensationsdrossel für ein verhältnismäßig kleines Zeitintervall in den Sättigungszustand gesteuert, wodurch sich eine neue Induktivität geringer Größe einstellt, welche das Fließen eines verhältnismäßig großen Kompensationsstromes für die Zeitdauer der Sättigung zuläßt. Derselbe Effekt ist mit der Parallelschaltung von zwei Kompensationsdrosseln

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drosseln zu erreichen, wobei im einen Parallelzweig zusätzlich ein Schalter vorhanden ist, mit welchem die Induktivität dieses Zweiges zu- und abgeschaltet werden kann.

Die Vorteile und Merkmale derErfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Einphasen-Blindleistungsgenerator

mit einem Festkondensator und einer geschalteten Drossel;

Fig. 2 in einem Diagramm den Verlauf der Spannung

und des Kompensationsstromes des Blindleistungsgenerators gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen bekannten Dreiphasenblindleistungsgenera-

tor mit einem Steuersystem;

Fig. 4 einen Blindleistungsgenerator mit einer in die

Sättigung steuerbaren Kompensationsdrossel;

Fig. 5 einen Blindleistungsgenerator mit zwei Kompen

sationsdr os sein;

Fig. 6 den Verlauf der Induktivität in Abhängigkeit

vom Strom für den Blindleistungsgenerator gemäß Fig. 4 bzw. 5;

Fig. 7 den Verlauf der Spannung und des Kompensations

stromes entsprechend der Darstellung gemäß

Fig. 2

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Fig. 2 für die Blindleistungsgeneratoren gemäß Fig. 4 und 5;

Der in Fig. 1 und 2 erläuterte an sich bekannte Einphasen-Blindleistungsgenerator umfaßt einen Kompensationskondensator C bestimmter Größe, welche mit einer Kompensationsdrossel L und einem dazu in Serie geschalteten bipolaren Thyristorschalter TH parallelgeschaltet ist. Am Eingang der Parallelschaltung liegt die Spannung Vl, welche einen Strom I auslöst. Die Netzkomponente des kapazitiven Stromes i_ fließt über den Kompensationskondensator C und eine Netzkomponente des induktiven Stromes i^ fließt über die Kompensationsdrossel L. Die Amplitude des kapazitiven Stromes i ist eine Funktion der Spannung Vl und der Kapazität des Kompensationskondensators C, wogegen der induktive Strom i^ eine Funktion der Spannung Vl^der Induktivität der Kompensationsdrossel L und des Einschaltintervalls des Thyristorschalters TH ist. Der Verlauf der Spannung Vl und des induktiven Stromes i-ς ist in Fig. 2 dargestellt. Im Abschnitt Al dieses Diagrammes fließt der induktive Strom L·- für ein Einschaltintervall von 100 ⁰Jo. Im Abschnitt Bl ist ein kürzeres Einschaltintervall gezeigt, welches mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuerung eingestellt wird. Dadurch ergibt sich eine verzögerte Einschaltung des Thyristorschalters, und zwar um einen Steuerwinkel ^ 1, so daß sich ein induktiver Strom i, in der Kompensationsdrossel L einstellt. Dieser induktive Strom i,y hat eine Grundkomponente i„.. Im Ab-

* 11

schnitt Cl ist ein Steuerwinkel ^ 2 dargestellt, welcher größer als der Steuerwinkel ^l im Abschnitt Bl ist. Dadurch stellt sich ein induktiver Strom L, durch die Kompensationsdrossel

ein,

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ein, der durch die Grundkomponente L₀ begrenzt wird und einen geringeren Wert als im Abschnitt Bl hat. Auf diese Weise kann der mit dem kapazitiven Strom i zusammenwirkende induktive Strom durch Änderung des Steuerwinkels eingestellt werden.

In Fig. 3 ist ein bekannter Dreiphasen-Blindleistungsgenerator dargestellt, der von den Spannungen V12, V23 und V31 angesteuert wird. An die Phasenspannungen des Systems ist eine Last LD angeschlossen, deren Blindleistung durch den Blindleistungsgenerator kompensiert wird. Das Steuersystem des Blindleistungsgenerator tastet die Lastströme L, i. und i und die Phasenspannungen V12, V23 und V31 ab. Steuersignale a, b und c werden an die Thyristorschalter THl2, TH2 3 und TH31 übertragen, um die Einschaltintervalle der einzelnen Thyristorschalter für jede Halbwelle der Netzspannung einzustellen. Die drei Thyristorschalter sind in einer Dreieck-Schaltung zwischen die Netzleitungen X, Y und Z geschaltet. Parallel zu der Serienschaltung einer Kompensationsdrossel Ll und dem Thyristorschalter TH12 liegt ein Kompensations kondensator CCl, der den kapazitiven Kompensationsstrom i ₁₀ in Abhängigkeit von dem Steuersignal a liefert. Dieser

Blindleistungsgenerator liegt zwischen den Netzleitungen X und Y. In entsprechender Weise ist ein Blindleistungsgenerator zwischen die Netzleitungen Y und Z geschaltet, der aus einem Kompensationskondensator CC2 parallel zu der Serienschaltung einer Kompensationsdrossel L2 und des Thyristorschalters TH23 liegt. Dieser Blindleistungsgenerator liefert den Kompensationsstrom i in Abhängigkeit vom

Steuersignal b. Schließlich liegt zwischen den Netzleitungen X und Z ein Blindleistungsgenerator, welcher aus einem Kompen

sations-

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sationskondensator CC3 parallel zur Serienschaltung einer Kompensationsdrossel L3 und des Thyristorschalters TH31 besteht. Dieser Blindleistungsgenerator liefert einen Kompensationsstrom i „... Mit Hilfe dieser Schaltung kann in Ab-

CoX

hängigkeit von sich ändernden Spannungen und Strömen im elektrischen System die Blindleistung pro Halbzyklus festgestellt und im nächsten Halbzyklus in Abhängigkeit von den Steuersignalen a, b und c kompensiert werden. Mit Hilfe dieser Steuersignale wird das jeweils der optimalen Kompensation zugeordnete Einschaltintervall für den induktiven Strom über die Kompensationsdrosseln Ll, L2 und L3 eingeschaltet, so daß der Blindleistungsgenerator die entsprechend zugeordne ten Kompensationsströme i _1O, i „„ und i _oH liefert.

Cl2 c2o col

In Fig. 4 ist ein Blindleistungsgenerator gemäß der Erfindung dargestellt, welcher eine in die Sättigung steuerbare Kompensationsdrossel LS und einen Thyristorschalter TH umfaßt. Der Kompensationsstrom ij fließt über die Kompensationsdrossel LS während des Einschaltintervalls des Thyristorschalters TH. Sobald der Kompensationsstrom i '

einen bestimmten Wert übersteigt, wird die Kompensationsdrossel LS in die Sättigung gesteuert, so daß deren Induktivität sich nur noch abnehmend ändert und entsprechend der induktive Blindwiderstand der Schaltung gemäß Fig. 4 abnimmt, so daß ein größerer Strom über den Blindleistungsgenerator gemäß Fig. 4 fließen kann, als dies bei der Verwendung einer nicht gesättigten Kompensationsdrossel bei sonst gleichbleibenden Voraussetzungen der Fall wäre.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die kompensierende Induktivität aus zwei

Korn pen-

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Kompensationsdrosseln Ll und LSI besteht, welche als Luftdrossel ausgeführt sein können. In Serie zu der Kompensationsdrossel LSI kann ein elektronischer Schalter S liegen, welcher ebenfalls von der Kompensationssteuerung aus betätigt wird. Während eines Einschaltintervalls, wenn der Kompensationsstrom ir ' unter einem bestimmten Wert liegt, fließt der gesamte Strom über die Kompensationsdrossel Ll. Wenn jedoch der Kompensationsstrom i-ς ' diesen bestimmten Wert übersteigt, z. B. bei einem Steuerwinkel ^ „ wird dies von der Steuerung festgestellt, welche den elektronischen Schalter S schließt und damit die zweite Kompensationsdrossel LSI einschaltet. Dadurch wird eine weitere Komponente des induktiven Stromes i^ „ zugeschaltet. Die beiden Komponenten i j * und i / „ ergeben zusammen den Kompensationsstrom i-f '. Während des Einschaltintervalls des elektronschen Schalters S fällt der Blindwiderstand des Netzwerkes, wodurch sich eine Vergrößerung des Kompensationsstromes ig' ergibt bei sonst gleichbleibenden Bedingungen.

In Fig. 6 ist ein Diagramm dargestellt, in welchem der Magnetfluß 0 für die Kompensationsdrossel gemäß Fig. 4 über dem Strom aufgezeichnet ist. Im Koordinatenpunkt i , 0 liegt der Sättigungspunkt, von welchem ab die Kompensationsdrossel in den Sättigungszustand gesteuert wird. Die dargestellte Kurve umfaßt einen ersten Abschnitt, welcher der Induktivität LLl der Kompensationsdrossel zugeordnet ist, welche identisch mit der Induktivität der Kompensationsdrossel Ll gemäß Fig. 5 sein kann. Wenn sich bei einem Magnetfluß i die Sättigung einstellt, ändert sich der Verlauf der Kurve gemäß dem Abschnitt LL2 entsprechend der sich einstellenden Sättigung. Daraus ergibt sich, daß ein größerer Blindstrom fließt und

sich

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sich infolgedessen eine größere induktive Blindleistungskompensation ohne Änderung der sonstigen Verhältnisse einstellt. Die Darstellung gemäß Fig. 6 ist schematisch, da sich bei den üblichen Kernmaterialien für die !Compensationsdrosseln b eine Sättigung nicht plötzlich einstellt. Die Abhängigkeit der Induktivität vom Strom gemäß Fig. 6 kann auch für den Blindleistungsgenerator gemäß Fig. 5 zur Erläuterung herangezogen werden, indem an der vertikalen Achse der Magnetfluß gestrichen wird. Sobald der Knickpunkt für die Sättigung beim Strom i erreicht ist, wird die zweite Kompensationsdrossel LSl zugeschaltet, womit sich der Induktivitätsverlauf entsprechend dem Abschnitt LL2 einstellt.

In Fig. 7 ist im Diagramm die Wirkung der Änderung der Induktivität im Sättigungspunkt dargestellt. Die Spannung Vl wird als die an dem Blindleistungsgenerator anliegende Netzspannung betrachtet. Der Strom i wird als der dem Sättigungs-

punkt bzw. Knickpunkt der Induktivität zugeordnete Strom festgelegt. Aufgrund des Steuerwinkels oC, ergibt sich ein Einschaltintervall 2 J5 , während welchem der Kompensationsstrom iot ₁ bis zum Erreichen des Wertes i_o im Sättigungspunkt fließt, von welchem ab der Kompensationsstrom ioC ο ^als weitere Komponente fließt, wenn entweder die Kompensationsdrossel LS gemäß Fig. 4 in die Sättigung gesteuert wird oder die zweite Kompensationsdrossel LSI gemäß Fig. 5 zugeschaltet wird. Das Einschaltintervall für den Strom I₀C entspricht der Größe 2 £ . Die Kompensationsströme ioC₀ und i 0C₁ werden addiert und

Ct 1

ergbendie Netzkompensationsstrom L/ ', der eine Grundkomponente i,_c hat. Dieser Strom kann mit einer parallelgeschalteten

Kapazität

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Kapazität zusammenwirken, um den Kompensationsstrom für das Netz zu liefern, der zusammen mit der Netzspannung die Blindleistungskompensation ergibt, um Netzflackern oder Laständerungen für die Netzspannung während der zugeordneten Halbwelle zu kompensieren. Wenn der Steuerwinkel oO groß genug ist, so daß der während eines Einschaltintervalles erzeugte Kompensationsstrom den Strom i für den Sättigungspunkt nicht übersteigt, dann wird die zweite Kompensationsdrossel LSI gemäß Fig. 5 nicht eingeschaltet bzw. die Kompensationsdrossel LS gemäß Fig. 4 nicht in den Sättigungszustand gesteuert.

Dieser Zustand ist für den Steuerwinkel oC, mit dem ent-

Ia

sprechenden E in schalt int ervall 2/J a in Fig. 7 dargestellt.

In diesem Fall fließt ein Kompensationsstrom I₀^₁ , der eine Grundkomponente i. hat. Man kann erkennen, daß für diesen Fall ein Strom mit wesentlich geringerer Grundkomponente fließt und das Einschaltintervall verhältnismäßig breit ist. Dementsprechend sind die harmonischen Verzerrungen gering.

Für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung werden die Induktivitätswerte unterhalb des Sättigungspunktes derart ausgewählt, daß eine Einheit des Blindstromes bei einem verhältnismäßig großen Einschaltintervall und einer Einheit der Netzspannung geliefert wird. Dabei wird eine Einheit durch den induktiven Strom definiert, der bei Nennspannung erforderlich ist. Der Strom i im Sättigungspunkt wird etwas größer als der Spitzenwert als eine Einheit des Stromes festgelegt. Somit ergibt sich, daß im normalen Betriebsbereich zwischen 0 und 1 Einheit des Stromes die Kompensationsdrossel LS im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 4 einen verhältnismäßig hohen Blindwiderstand anbietet. Die

Induktivität

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Induktivität über dem Sättigungspunkt wird derart ausgewählt, daß beim Überschreiten des Stromniveaus im Sättigungspunkt eine wesentlich geringere Induktivität wirksam ist, und daß bei voller Leitfähigkeit bei einer spezifizierten hohen Ausgleichsspannung diese Induktivität ausreicht, um die Ausgleichseffekte im System zu kompensieren. Durch diese Ausweitung des normalen Betriebsbereiches zu größeren Einschaltintervallen läßt sich der Anteil der Harmonischen des phasenkontrollierten Stromes wesentlich verringern. Durch Experiment wurde festgestellt, daß eine Einheit des Stromes mit einem Einschaltintervall von 122 erhalten werden kann, wobei sich ein Anteil für die fünfte Harmonische von 7, 62 % ergibt, wogegen für eine lineare Luftdrossel eine Einheit des Stromes mit einem Einschaltintervall von 88 erzielbar ist und sich ein Anteil an fünften Harmonischen von 18, 22 % einstellt. In beiden Fällen beträgt der erforderliche maximale Strom 8, 2 pro Einheit, welchen man bei einem Einschaltintervall von 180 und 1,4 Einheiten der Spannung erhält.

Das Konzept der Erfindung ist nicht auf die Verwendung von statischen Schalteinrichtungen begrenzt. Sie kann sowohl für Einphasen- als auch für Mehrphasensysteme bei einer beliebigen herkömmlichen Frequenz Verwendung finden. Dabei können die Mehrphasensysteme sowohl in Dreieck- oder Stern- bzw. in einem anderen zweckmäßigen Format zusammengeschaltet sein. Selbstverständlich können auch Drosseln mit mehr als einem Knickpunkt für den Satt igung s verlauf, d.h. mit abgestufter Sättigung Verwendung finden.

Durch

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Durch die Erfindung ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen, wobei einerseits durch eine einzige sättigbare Kompensationsdrossel über einen verhältnismäßig großen Bereich von Ausgleichsspannungen Kompensationsströme geliefert werden, um den schädlichen Einfluß von Harmonischen mit störenden Amplitudenwerten zu verringern. Bei der zweiten beschriebenen Ausführungsform findet eine Vielzahl von Kompensationsdrosseln Verwendung, um denselben Zweck der Eliminierung des schädlichen Einflusses von Harmonischen zu erzielen.

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Claims

Patentansprüche

C IJBlindleistungsgenerator für ein elektrisches System mit einer Regeleinrichtung, welche die während einer vorgegebenen Zeitdauer an das elektrische System abgegebene Blindleistung feststellt und zumindest eine !Compensationsinduktivität für ein bestimmtes Einschaltintervall während der vorgegebenen Zeitdauer einschaltet, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kompensationsinduktivität (LS; Ll, LSI) einen ersten Induktivitätswert (LLl) hat und bei diesem einen Blindstrom führt, welcher gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist,

- daß die Kompensationsinduktivität (LS; Ll, LSI) einen zweiten Induktivitätswert (LL2) hat und bei diesem einen Blindstrom führt, welcher größer als der vorgegebene Wert ist,

- und daß die abgegebene Blindleistung blindstrombezogen ist und an das elektrische System für das bestimmte Einschaltintervall in Abhängigkeit davon abgegeben wird, ob der Blindstrom den vorgegebenen Wert übersteigt oder nicht übersteigt.
2. Blindleistungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die vorgegebene Zeitdauer eine Halbperiode der Wechselspannung zwischen zwei Leitern des elektrischen Systems ist.

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3. Blindleistungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß er für eine Wechselstromfrequenz von 50 Hz bzw.60Hz geeignet ist.
4. Blindleistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß Schalteinrichtungen zum Einschalten der !Compensationsinduktivität Thyristoren umfassen, die von der Regeleinrichtung aus mit einem Steuersignal beaufschlagt werden.
5. Blindleistungsgenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kompensationsinduktivität aus einer sättigbaren Kompensationsdrossel besteht, wobei der erste Induktivitätswert der Induktivität im nicht gesättigten Zustand und der zweite Induktivitätswert der Induktivität im gesättigten Zustand entspricht.
6. Blindleistungsgenerator nach Anspruch 5, dadurch ge kenn ze ichnet,

- daß die Kompensationsinduktivität parallel zu einer Festkapazität liegt.
7. Blindleistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kompensationsinduktivität aus zwei einschaltbaren Kompensationsdrosseln besteht, von welchen die eine zusätzlich zum Thyristorschalter (TH) mit einem elektronischen Schalter (S) ein- und ausschaltbar ist.

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