DE3608704C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Korrektur des Leistungsfaktors für den Betrieb
bei mehrphasigen Wechselstromnetzen nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Das Zu- und Abschalten von induktiven Lasten führt
in mehrphasigen Wechselstromnetzen bekanntlich zu teilweise
erheblichen Veränderungen des Leistungsfaktors und damit
dazu, daß bei anwachsendem Blindstromanteil im Versorgungsnetz
eine höhere Leistung zur Verfügung zu stellen ist.
Dies wiederum bedingt im Hinblick auf die hohen Stromkosten
eine wesentliche finanzielle Belastung des Stromerzeugers
beim anwachsenden Betreiben induktiver Lasten wie Elektromotoren
und Induktionsöfen.
Es ist ganz allgemein bekannt, durch Zuschalten bzw. Abschalten
kapazitiver Lasten, nämlich von Kondensatorbatterien,
den Verlustwinkel und damit den Leistungsfaktor
entsprechend zu korrigieren. Derartige Zu- und Abschaltvorgänge
von Kondensatorbatterien mittels mechanischer Schalter
führen jedoch zu außerordentlich unerwünschten Einschwingvorgängen
und Spannungsspitzen im Wechselstromnetz.
Aus der US-PS 43 56 440 ist eine Leistungsfaktor-Korrektur
mit geschlossenem Regelkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt,
bei der das Aufschalten
von in Dreieckschaltung angeordneten Kondensatoren
auf ein mehrphasiges Leiternetzwerk mit zeitveränderlichen,
nicht ausgeglichenen induktiven Lasten erfolgt.
Für induktive Lasten, die durch eine dreieckgeschaltete
Kapazität nicht genau ausgeglichen werden können, wird durch
diese Korrektur der effektive Blindstrom minimiert.
Die bekannte Schaltung geht jedoch von einer Impulsbreitenmodulation
aus, deren Signale eine Leitungs-Neutralspannung
zum Erzeugen eines zwei Zustände aufweisenden Ausgangssignals
wiedergeben und zum Demodulieren von Signalen,
die das Integral der Ströme beinhalten und mit den Ausgangssignalen
die jeweiligen Leistungsfaktorsignale vorgeben.
Auf eine Schaltungsanordnung, welche die Impulsbreitenmodulation
zur Grundlage hat, ist die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 nicht gerichtet.
Es ist Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Korrekturschaltung der
gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß damit in einfacher
und zuverlässiger Weise mittels vorgesehener
Kondensatorbatterien der Leistungsfaktor verbessert
und der Blindstrom im Netz minimiert werden kann und
zwar unter Vermeidung von Einschwingvorgängen und Spannungsspitzen
beim Zu- oder Abschalten der Kondensatorbatterien.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors
ist mit jeder Phase des Mehrphasennetzes verbunden.
Die Strom- und Spannungssignale für jede Phase
werden miteinander verglichen, um die Phasenverzögerung
zwischen ihnen festzustellen und ein von dieser abhängiges
Zeitsignal zu liefern. Die zeitabhängigen Signale
werden einem von einem Mikroprozessor gesteuerten
Schaltkreis zugeführt, der sie zunächst in Winkelwerte
und schließlich in deren Kosinuswerte umwandelt.
Der Kosinuswert wird dann mit dem Faktor hundert multipliziert,
um so einen Leistungsfaktor vorzugeben, der
digital angezeigt werden kann. Der mikroprozessorgesteuerte
Schaltkreis steuert des weiteren ein Schalternetzwerk,
das Batterien von in Dreieckschaltung angeordneten
Kondensatoren dem Netz auf- bzw. von diesem
abschaltet. Mit sich verringerndem Leistungsfaktor werden
Kondensatorbatterien zugeschaltet und wird so der Leistungsfaktor
störungsfrei verbessert.
Die Schaltkreise enthalten jeweils zwei Thyristoren für
jede Kondensatorbatterie. Die Kondensatorbatterien können
jederzeit, unabhängig von der an ihnen liegenden Spannung
zugeschaltet werden, ohne daß hohe Spitzenströme bzw.
Spannungsspitzen auftreten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei
zeigen:
Fig. 1 ein Übersichtsdiagramm der
Schaltungsanordnung zur Korrektur
des Leistungsfaktors,
Fig. 2 ein Blockdiagramm für die Schaltsteuerkreise,
Netzleitungen und die
in Dreieckschaltung angeordneten
Kondensatorbatterien,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm
des Schaltsteuerkreises von Fig. 2,
und
Fig. 4 bis 7 Ablaufdiagramme eines Rechnerprogramms
zur Korrektur des Leistungsfaktors mittels
der Schaltungsanordnung.
Die Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors
nach Fig. 1 ist mit einem mehrphasigen Wechselstromnetz
mit Phasen 11, 12 und 13, die von einem Transformator
14 ausgehen, verbunden. Die Einrichtung enthält
weiterhin als Spannungsmeßeinrichtung einen Spannungswandler 15 mit drei Einphasen-
Transformatoren, die ihrerseits drei Ausgangssignale Va,
Vb und Vc liefern, welche die Spannungsdifferenz der
Phasen 11, 12 und 13 angeben. Gleichfalls mit den Phasen
11, 12 und 13 verbundene Transformatoren 17, 18 und 19 als Strommeßeinrichtungen
liefern Ausgangssignale Ia, Ib und Ic, welche eine Angabe
für die Stromdifferenzen in der betreffenden Phase 11, 12 und
13 darstellen. Die Ausgangssignale Va, Vb und Vc und Ia, Ib
und Ic werden jeweils Baugruppen (Komparatoren) 21 bis 26 zugeführt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht zwischen den sinusförmigen
Wellenzügen von Va und Ia eine Phasenverschiebung.
Die Komparatoren 21 bis 26 wandeln die sinusförmigen
Eingangssignale in Rechtecksignale 27 und 28 um. Die Ausgänge
der Komparatoren 21 bis 26 werden einer programmierbaren
Zeitschaltung 30 zugeführt, deren Ausgänge mit
einem Datenbus 31 und einem Adreßbus 32 verbunden sind. Die
Ausgangssignale der programmierbaren Zeitschaltung 30 sind zeitabhängige
Signale, die ein Maß für die Phasenverzögerung zwischen
Spannung und Strom in den Phasen 11, 12 und 13 sind.
Der Adreßbus 32 und der Datenbus 31 sind weiterhin
mit einem Schaltkreis 30′ verbunden, der einen Analogschalter
33, einen Effektivwert/Gleichstromumsetzer 34
und einen Analog/Digital-Wandler 35 enthält. An den Eingängen
des Analogschalters 33 liegen die Stromsignale
Ia, Ib und Ic an, die über den Effektivwert/Gleichstromumsetzer
34 und den A/D-Wandler 35 in Digitalsignale
umgewandelt werden. Wenn diese unter einen bestimmten
Wert absinken, wird ein Signal erzeugt, welches bewirkt,
daß die Korrektur des Phasenwinkels abgeschaltet und ein
Fehlercode gebildet wird.
Eine Rechnereinrichtung (Mikroprozessor) 36 ist beispielsweise ein 8-Bit-
Prozessor der mit dem Datenbus 31 und dem Adreßbus
32 verbunden ist. Der Mikroprozessor 36 wird von
einem Programm gesteuert, das in einem Lesespeicher (PROM)
37 abgespeichert ist. Der Mikroprozessor 36 ist des weiteren
mit einer Auswahlschaltung 38 und über eine
Pufferschaltung 40 mit einem Anzeigegerät 53 verbunden. Ein Peripherie-
Anpassungsglied 41 als Schnittstellenadapter PIA
ist über eine Pufferschaltung
42 und eine entsprechende Anzahl von zusätzlichen Optokopplern
43 mit Schaltsteuerkreisen 44 verbunden,
die Kondensatorbatterien den Phasen 11, 12 und 13 zuschalten
bzw. von diesen abtrennen. In einer bevorzugten
Ausführungsform werden acht zusätzliche Optokoppler 43, sechzehn
Schaltsteuerkreise 44 und acht jeweils in Dreieckschaltung
angeordnete Kondensatorbatterien benutzt. Eine
Anzeigetafel 50 des Anzeigegeräts 53 enthält eine Anzahl von lichtemittierenden
Dioden 51 (Nr. 1 bis 8), die anzeigen, welche der acht Kondensatorbatterien
jeweils den Phasen 11, 12 und 13 zugeschaltet
sind. Die Anzeigetafel 50 enthält weiterhin zwei
Sätze von weiteren lichtemittierenden Dioden 52, die jeweils
mit A, B und C bezeichnet sind und die eine Information
über den Status der Phasen 11, 12 und 13 liefern. Eine
Digitalanzeige 54 gibt den Prozentwert für den Leistungsfaktor
an.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild mit einer in Dreieckschaltung
angeordneten Kondensatorbatterie 60, bestehend
aus Kondensatoren 61, 62 und 63 und ihren
Nebenschlußwiderständen 64, 65 und 66. Die Kondensatorbatterie
60 ist über Induktivitäten 67 und 68 mit Thyristor-
Halbleiterschaltern 71 und 72 verbunden. Diese
bestehen in einer bevorzugten Ausgestaltungsform jeweils
aus zwei gegensinnig gepolten Thyristoren. Die Thyristor-
Halbleiterschalter 71 und 72 werden jeweils über Schaltsteuerkreise
44a, 44b gesteuert, wobei für jede Kondensatorbatterie
60 ein Schaltsteuerkreis 44a und ein Schaltsteuerkreis
44b vorgesehen ist. Die Kondensatorbatterie 60
ist über die Thyristor-Halbleiterschalter 71 und 72 mit den
Phasen 11, 12 und 13 mittels eines Anschlusses 73 verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Sicherungen 74,
75 und 76 in den Leitungen zwischen dem Anschluß 73 und
der Korrektur-Schaltungsanordnung vorgesehen.
Das schematische Blockdiagramm von Fig. 3 zeigt die Details
des Schaltsteuerkreises 44a.
Der Schaltsteuerkreis 44b ist analog zum Steuerkreis 44a
aufgebaut. Im folgenden wird lediglich der Schaltsteuerkreis
44a beschrieben. Der Schaltsteuerkreis 44a ist mit einem
Optokoppler 43, dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 und dem Schaltsteuerkreis
44b in der dargestellten Weise verbunden. Ein
erstes Eingangssignal wird von der Pufferschaltung 42 über
den zusätzlichen Optokoppler 43 zum Schaltsteuerkreis 44a geliefert. Ein
zweites Eingangssignal wird von einem Optokoppler 80 vorgegeben,
der mit dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 verbunden ist.
Der Ausgang des Optokopplers 43 ist mit einem Selbst-Rückstellglied
81 sowie einer 0,5 Sekunden-Zeitschaltung 82
und über diese mit einem UND-Glied 83 verbunden. Der Ausgang
des Optokopplers 80 ist mit einem Selbst-Rückstellglied
84 und einer 50 µsec-Zeitschaltung 85 und über diese
ebenfalls mit einem Eingang des UND-Gliedes 83 verbunden.
Die Ausgangssignale des Optokopplers 80 sind Rechteckimpulse
88, die die Gleichheit zwischen der Spannung der
Phasen 11, 12 und 13 und der Spannung an den Kondensatoren
61, 62 und 63 anzeigt, d. h. die anzeigen, daß die Spannung
über dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 Null ist.
Der Schaltsteuerkreis 44a kann den Thyristor-Halbleiterschalter 71
in jedem Zeitpunkt auslösen, in dem die Spannung über
dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 Null ist. Der Zweck der Selbst-Rückstellglieder
81, 84 besteht darin, zu vermeiden, daß Störsignale
zur Auslösung des Schaltkommandos für die Thyristor-Halbleiterschalter
71 führen, die über Gleichspannungs-Torsteuerkreise 86 und
87 übertragen werden können.
Der Ausgang des UND-Gliedes 83 steuert über die Gleichspannungs-Torsteuerkreise
86 und 87 die Thyristor-Halbleiterschalter 71. Das Eingangssignal
für den Mikroprozessor und das
Nulldurchgangssignal stehen kontinuierlich an, bis die
Zeitschaltungen 82 und 85 gesperrt sind. Jede Störspannung setzt
die Zeitschaltungen 82 und 85 zurück. Das Einschaltsignal
für den Schaltsteuerkreis 44b ist um 0,5 sec gegenüber
dem Eingangssignal vom zusätzlichen Optokoppler 43 verzögert, so daß
der Einschaltbefehl entsprechend versetzt ist.
In den Fig. 4 bis 7 sind Flußdiagramme gezeigt für das
im Lesespeicher 37 gespeicherte Rechnerprogramm, das die in
Fig. 1 bis 3 dargestellte Schaltungsanordnung steuert und
den Mikroprozessor 36 in die Lage versetzt, den in der
Digitalanzeige 54 angezeigten Leistungsfaktor zu berechnen.
Die Berechnung erfolgt dergestalt, daß die Phasenverzögerung
zwischen den Spannungen Va, Vb bzw. Vc und den Strömen
Ia, Ib bzw. Ic in ein zeitabhängiges Signal umgewandelt
wird, das seinerseits in Gradwerte und diese in entsprechende
Kosinuswerte mittels einer im Lesespeicher 37 enthaltenen
Tabelle umgesetzt werden.
Die Kosinuswerte werden sodann mit dem Faktor hundert
multipliziert, um so den in der Digitalanzeige 54 dargestellten
Leistungsfaktor zu erhalten.
Als Funktion des errechneten Wertes bewirkt der Mikroprozessor
36, daß mindestens eine der dreieckgeschalteten
Kondensatorbatterien 60 aufgeschaltet wird. Anschließend
errechnet der Mikroprozessor 36 erneut den sich
damit ergebenden
Leistungsfaktor. Ergibt sich dabei nicht, daß
der Leistungsfaktor geringfügig größer ist als
ein gesetzter Sollwert, beispielsweise 96%
für einen Sollwert von 95%, so wird keine
weitere Kondensatorbatterie 60 zugeschaltet. Die
Anordnung der Kondensatorbatterien 60 ist dergestalt
gewählt, daß ein weitgehend gleichmäßiger bzw.
stufenloser Anstieg der Kapazitätswerte erreicht
wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind
die Werte in einer binären Progression geordnet,
das heißt, sind beispielsweise acht Kondensatorbatterien
60 vorgesehen, so können damit 256 verschiedene
Kombinationen von Kapazitätswerten den Phasen
11 bis 13 aufgeschaltet werden.
Die Flußdiagramme der Fig. 4 bis 7 enthalten eine
Anzahl von Programmteilen, deren Funktion in
der nachfolgenden Tabelle näher dargelegt ist.
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors
für den Betrieb bei mehrphasigen Wechselstromnetzen
durch Zu- oder Abschalten von Kondensatorbatterien (60)
mit jeweils einer jeder Phase (11, 12, 13) zugeordneten
Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen (17, 18, 19 bzw.
15), deren analoge Ausgangssignale dann an den Strom-
und Spannungsmeßeinrichtungen (17, 18, 19 bzw. 15) nachgeschaltete
Baugruppen (21 bis 26) gelegt sind, an deren
Ausgängen die analogen Eingangssignale in digitaler Form
anstehen und an eine programmierbare Zeitschaltung (30)
weitergeleitet sind, welche die Phasendifferenz zwischen
Strom und Spannung (Ia, Ib, Ic bzw. Va, Vb, Vc) jeder
Phase (11, 12, 13) bestimmt und ein der jeweiligen Phasendifferenz
entsprechendes Signal an einen Daten- und
Adreßbus (31 bzw. 32) abgibt, mit einer an dieser angeschlossenen
Rechnereinrichtung (36) zum Umsetzen dieser
der jeweiligen Phasendifferenz entsprechenden Signale in
Winkelgrade und zum Berechnen des entsprechenden Kosinus-
Wertes für den Leistungsfaktor und von Schaltbefehlen
für Schaltsteuerkreise (44) zur Zündung von Thyristoren
von Thyristor-Halbleiterschaltern (71, 72), welche
die Kondensatorbatterien (60) mit den einzelnen
Phasen (11, 12, 13) des mehrphasigen Wechselstromnetzes
verbinden oder von diesen abtrennen.
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Schaltsteuerkreis (44a, 44b) einen Optokoppler (80) aufweist zum Feststellen des Spannungszustandes Null an den zugeordneten Thyristor-Halbleiterschaltern (71, 72), der bei Gleichheit von Netzspannung und der Spannung an der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) auftritt, daß ein Schaltkreis (30′) vorhanden ist, der die einzelnen Phasenströme (Ia, Ib und Ic) bei Überschreiten eines vorgebbaren Strompegels in deren Effektivwerte in digitaler Form umwandelt, die ihrerseits bei Unterschreiten des Strompegels Steuersignale zum Abschalten der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) von den Phasen (11, 12, 13) des Wechselstromnetzes liefert, wobei diese Steuersignale über einen Mikroprozessor als Rechnereinheit (36), ein Peripherie-Anpassungsglied (41), eine Pufferschaltung (42) und einen zusätzlichen Optokoppler (43) zusammen mit Ausgangssignalen des Optokopplers (80) jeweils über eine Zeitschaltung (82, 85) mit zugeordnetem Selbst- Rückstellglied (81, 84) an ein UND-Glied (83) gelegt sind, dessen Ausgang über je einen Gleichspannungs-Torsteuerkreis (86, 87) mit den Thyristoren des jeweiligen Thyristor-Halbleiterschalters (71, 72) verbunden ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Schaltsteuerkreis (44a, 44b) einen Optokoppler (80) aufweist zum Feststellen des Spannungszustandes Null an den zugeordneten Thyristor-Halbleiterschaltern (71, 72), der bei Gleichheit von Netzspannung und der Spannung an der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) auftritt, daß ein Schaltkreis (30′) vorhanden ist, der die einzelnen Phasenströme (Ia, Ib und Ic) bei Überschreiten eines vorgebbaren Strompegels in deren Effektivwerte in digitaler Form umwandelt, die ihrerseits bei Unterschreiten des Strompegels Steuersignale zum Abschalten der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) von den Phasen (11, 12, 13) des Wechselstromnetzes liefert, wobei diese Steuersignale über einen Mikroprozessor als Rechnereinheit (36), ein Peripherie-Anpassungsglied (41), eine Pufferschaltung (42) und einen zusätzlichen Optokoppler (43) zusammen mit Ausgangssignalen des Optokopplers (80) jeweils über eine Zeitschaltung (82, 85) mit zugeordnetem Selbst- Rückstellglied (81, 84) an ein UND-Glied (83) gelegt sind, dessen Ausgang über je einen Gleichspannungs-Torsteuerkreis (86, 87) mit den Thyristoren des jeweiligen Thyristor-Halbleiterschalters (71, 72) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strommeßeinrichtungen (17, 18, 19 als mit jeder
Phase (11, 12, 13) des Wechselstromnetzes verbundene
Transformatoren und die Spannungsmeßeinrichtung (15) als
Leistungstransformator mit mehreren Einphasen-Transformatoren
ausgebildet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzeigetafel (50) zur Anzeige des Leistungsfaktors
vorgesehen ist.
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Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE8686102910T Expired - Lifetime DE3686825D1 (de) | 1985-03-13 | 1986-03-05 | Statischer blindleistungskompensator ohne transienten strom. |
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