DE4420853A1 - Anpassung für Leitungen zur Verringerung oder Beseitigung von Störungen - Google Patents

Description

Das Niederspannungs-Stromverteilernetz würde ohne Verbraucher eine Span­ nungswelle aufweisen, die unregelmäßig aufgrund von Ausfällen der Leitungen und Umspannwerke, Arbeiten im Elektrizitätswerk und durch atmosphärische Entladungen gestört wird. Die Verbraucher unterwerfen das Netz einer Vielfalt von Lastwiderständen, die zwar korrekt arbeiten, die Spannungswellen jedoch durch sehr hohe permanente oder vorübergehende Spannungsabfälle, durch Oberströme, Stromspitzen beim Starten und Überspannungen beim Anhalten, stören können. Darüber hinaus können die Lasten ausfallen und zu übermäßigem Verbrauch oder Kurzschlüssen führen, die durch gesetzlich vorgeschriebene Schutzvorrichtungen isoliert werden müssen. Ist die mangelhafte Last nicht isoliert, kann dies in der Nähe des Netzes zu beträchtlichen Störungen führen.

Die häufigsten Störungen, die die Qualität des Netzes beeinträchtigen, dauern weniger als eine Sekunde. Bei den unterbrechungsfreien Stromversorgungen (UPS) handelt es sich um elektronische Spannungsquellen, die Ausfälle großer Netze ausgleichen sollen. Ihre Unabhängigkeit beruht normalerweise auf der Speicherung von Energie in Blei- oder Nickel-Kadmiumbatterien. Notstromversorgungen werden normalerweise zwischen acht Minuten und mehreren Stunden benötigt. Für kürzere Zeiträume sind schnelle Nickel-Kadmiumbatterien am geeignetsten, aber sie sind schlecht geeignet, wenn man einen beträchtlichen Teil ihrer Energie in weniger als fünf Minuten entladen will. Andererseits wurden Elektrolytkondensatoren zwar be­ züglich des Verhältnisses von gespeicherter Energie zu Volumen in letzter Zeit stark verbessert, aber sie eignen sich zur Zeit nicht zur Notstromversorgung für mehr als 500 ms.

Die Lücke zwischen Notstromversorgungen von 0,1 s und mehreren Sekunden wird zur Zeit durch energetische Speicherung in supraleitfähigen Spulen gefüllt. UPS mit diesen Speichern sind tatsächlich erhältlich; sie dienen zur Eliminierung von Störungen bei sehr empfindlichen Lasten oder Installationen. Die Komplexität des Tieftemperatur-Kühlsystems, das zur Zeit für supraleitfähige Spulen erforderlich ist, macht dieses System in Ernstfällen geeignet für die gelegentliche Lösung von Quali­ tätsproblemen bei der Versorgung.

Die vorliegende Erfindung weist eine Lösung für eine geeignete Anpassung eines Speichers elektrischer Spannungsenergie (Batterie, Kondensator) auf, so daß dieser bei Netzausfällen als UPS fungiert.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leitungsanpassung aufgrund von aktiven Strom- und Spannungsfiltern, die die Störungen des Stromnetzes im Netz oder in der Leitung oder in der Installation des Kunden oder Verbrauchers verringert oder beseitigt. Sie umfaßt zwei aktive Filter in Form von Wandlern mit statischen Schaltern, die in hoher Frequenz geschaltet werden, und reaktive Bauteile (Kondensatoren und Spulen). Einer dieser Filter dient zum Ausgleich der im Netz entstehenden Spannungsstörungen. Der andere dient zur Verringerung der Oberströme, die durch die Installation des Kunden entstehen. Beide sind über die eigentliche Leitung und einige Gleichstromleitungen elektrisch miteinander ver­ bunden, an die wiederum ein Energiespeicherelement (Kondensator oder Batterie) angeschlossen ist. Bei einem Netzausfall isoliert ein statischer Schalter das Gerät vom Netz und läßt die weniger kritische Last über einen zweiten statischen Schalter verbunden, während der Stromwandlerfilter seine Funktionsweise ändert und, gespeist durch das Speicherelement, als unterbrechungsfreie Stromversorgung (UPS) für den kritischeren Teil der Last fungiert. Bei normalem Betrieb, d. h. bei vor­ handenem Netz, lädt sich das Speicherelement wieder auf.

Abb. 1 ist eine Darstellung einer praktischen Ausführung der Erfindung in einem Dreiphasensystem mit kritischer Last (1) und nicht kritischer Last (2).

Abb. 2 ist eine Darstellung einer praktischen Ausführung der Erfindung als Ausgleichselement in einem Einphasensystem.

Detaillierter Schaltplan

Der aktive Spannungsfilter besteht aus den Aufwärtstransformatoren T1, T2 und T3, den Wechselstromfiltern L1-C1, L2-C2 und L3-C3 und den Schaltern QR1-DR1 bis QT4-DT4. Jede Schaltbrücke mit vier Schaltern (QR1-DR1 bis QR4-DR4; QS1-DS1 bis QS4-DS4 und QT1-DT1 bis QT4-DT4) speist einen der Filter, die als eigen­ ständige Inverter dienen, die durch das Speicherelement C7-C8′ gespeist werden. Das Schalten erfolgt in hoher Frequenz (ca. 10 kHz) aufgrund einer Bedingung, die später beschrieben wird. Die einphasigen Filter L1-C1 bis L3-C3 arbeiten unab­ hängig voneinander und dienen dazu, die Oberspannungen zu verringern, die durch die zugehörige Inverterbrücke in einer Frequenz erzeugt werden, die etwa ihrer Schaltfrequenz entspricht; dabei werden die Grundfrequenz und die Oberwellen bis in eine Ordnung von etwa 20 durchgelassen.

Die Begrenzer SP1 bis SP3 verringern die Überspannungen, die in den Primär­ kreisen T1 bis T3 entstehen können, wenn erhöhte Überlasten oder Kurzschlüsse am Ausgang der Anpassung auftreten.

Der aktive Stromausgleichsfilter wird durch die Schalterbrücke QR′1-DR′1 bis QT′1- DT′2 gebildet. Begrenzerelement in jeder Phase ist eine Spule (L4, L5 und L6), und Speicherelement ist der Kondensatorsatz C7 bis C8′. Die Kondensatoren C4 bis C6 sind in dieser Betriebsweise parallel zur Last geschaltet und fungieren ausschließ­ lich als Filter für die aufgesetzten Oberwellen, die durch die Last und den Strom­ ausgleichsfilter selbst entstehen.

Bei Fehlern oder Ausfällen des Netzes schließt der statische Schalter S1 bis S6, und gleichzeitig wird der dazu parallele Schütz COR-COT geschlossen, wodurch die nicht kritische Last direkt durch das Netz gespeist wird. Gleichzeitig öffnet der Schalter S′1 bis S′6, der den aktiven Stromausgleichsfilter vom Netzstrom und von der nicht kritischen Last isoliert. Dieser Filter arbeitet nun als Inverter oder unter­ brechungsfreie Stromversorgung, die ausschließlich die kritische Last aus der Energie speist, die im Speicherelement C7-C8′ gesammelt wurde.

Der Thermomagnetschalter I15-I1T schützt das Gerät bei allgemeinen Ausfällen.

Normaler Betrieb als Ausgleichselement für Spannung, Strom und Blind­ leistung

Der Schütz COR und COT ist geöffnet. Der statische Schütz S1 bis S6 ist geöffnet. Der statische Schütz S′1 bis S′6 ist geschlossen.

Die Funktionsweise wird aus Gründen der Einfachheit anhand des einphasigen Systems in Abb. 2 detailliert beschrieben. Der serielle aktive Spannungsfilter ist ein durch PWM (Pulsbreitenmodulation) gesteuerter Inverter (3), der durch die Schalter S₁ bis S₄ und den Filter L₁, C₁ gebildet wird. Er wird durch den Kondensator C′₇ und C′₈ mit einer Spannung u_i von etwa 700 V= versorgt. Die durch den Inverter erzeugte Spannung wird über den Ausgleichskondensator T1 in Serie mit der Leitung verbunden. Das Wicklungsverhältnis n des Transformators beträgt etwa 11. Dieser Wert kann leicht aus dem für u gewählten Wert (700 V) und den Spezifika­ tionen des Geräts hergeleitet werden. (Der genannte Wert wurde für eine ständige Abweichung der Eingangsspannung von ± 18% und eine ständige Abweichung der Ausgangsspannung von ± 3% gewählt).

Die Eingangsspannung am Filter L₁C₁ (u)F kann drei Werte annehmen: -u_i, 0 und u_i. Zweck dieses Steuerungsverfahrens ist es, in der kürzest möglichen Zeit eine Span­ nung u_c1/n zu erzeugen, die genau die momentane Differenz zwischen der Netz­ spannung und ihrem idealen Wert ausgleicht. Einen einfacheren Inverter erhält man, indem man S₃ und S₄ entfernt und die Spule L₁ mit dem Mittelpunkt zwischen C′₇ und C′₈ verbindet. Damit entfällt die Möglichkeit, daß u_F den Wert Null annimmt, was zu einer größeren Oberwellenrate bei u_F führt, was wiederum eine weniger präzise Reaktion und einen größeren Filter L₁C₁ mit sich bringt.

Der parallele aktive Stromfilter (4) ist ein Hochfrequenz-Gleichrichter, der durch eine Spule begrenzt ist. Die Schalter S₅ und S₆ ändern ihren Zustand, um die Grund­ zustände zu erzielen: Erzeugung der für die Last erforderlichen Oberströme und Er­ haltung von u_i = 700 V (die Spannung, die der aktive Spannungsausgleichsfilter be­ nötigt). Die Spule L₂ funktioniert wie ein Filter für die aufgesetzten Frequenzen, die durch die Schaltvorgänge von S₅ und S₆ entstehen. Wie bereits in Absatz 3 gesagt, ist C₄ nicht unbedingt erforderlich, wenn die Schaltung als Stromfilter eingesetzt wird, denn er ist direkt mit dem Ausgang der Anpassung verbunden. Daß er vorhanden ist, unterstützt jedoch durch den seriellen aktiven Spannungsfilter die Verringerung der Oberströme bei Frequenzen, die etwa der Netzfrequenz ent­ sprechen oder darüber liegen und die eine Welligkeit der Spannung im Netz verur­ sachen würden, da dessen Kurzschlußimpedanz nicht gleich Null ist.

Wie für den dreiphasigen Schaltkreis in Abb. 1 beschrieben, schließen der Schütz COR und der statische Schalter S1-S2 die Anpassung bei Netzausfall kurz, und der statische Schalter S′1-S′2 isoliert das Netz bei Kurzschluß im Netz von der kritischen Last und von der Anpassung. Bei diesen Zuständen arbeitet der Span­ nungsausgleichsfilter nicht, und der Stromfilter arbeitet wie ein Inverter, der durch Abgreifen (Mittelpunkt zwischen C′₇ und C′₈) gespeist und mit einer für diesen Zweck geeigneten PWM geschaltet wird. Der Kondensator C₄ arbeitet nun als Teil des Fil­ ters L₄C₄ am Ausgang des Inverters. Wird für S₅ und S₆ eine Schaltfrequenz von 20 kHz gewählt, braucht der Kondensator in der Grundfrequenz keine Blindleistung zu haben, die größer als 10% der Nennspannung ist. Diese Bedingung paßt gut zu den Einfluß, den C₄ auf die Funktionsweise dieses Schaltkreises als Stromfilter hat, wie oben beschrieben.

Der statische Schalter S′1-S′2 öffnet während Netzkurzschlüssen und isoliert die Anpassung und die kritische Last vom Netz. Um Überspannungen zu vermeiden, erfolgt das Öffnen während eines Nulldurchgangs des Stroms. Gleichzeitig ändert, wie beschrieben, die Steuerung des Stromfilters das Schaltverfahren und arbeitet als Inverter, der durch Impulsbreiten (PWM) moduliert wird. In diesem Zustand arbeitet L₄C₄ als Ausgangsfilter des genannten Inverters.

Die Auslegung des aktiven Stromfilters auf einige für Netzanpassung typische Anforderungen, läßt es nicht zu, während eines Netzkurzschlusses die gesamte Last zu versorgen, da der genannte Filter als Inverter arbeitet. Dies gilt jedoch nur theo­ retisch und ist aufgrund des dargelegten Aufbaus technisch möglich, wirkt sich jedoch nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Stromfilterbauteile aus.

Ohne die Auslegung des Stromfilters allzu sehr zu beeinträchtigen, kann man eine kritische Last von 30% der Nennlast anlegen, wenn der Filter als Inverter arbeitet.

Der statische Filter S′1-S′2 muß sehr schnell sein, um bei Netzausfall die nicht kriti­ sche Last in möglichst kurzer Zeit isolieren zu können. Ein Thyristorschalter kann verwendet werden. Inzwischen können auch einfacher zu steuernde Leistungstran­ sistoren eingesetzt werden.

Bei der dreiphasigen Ausführung gemäß Abb. 1 ist eine Steuerung unabhängig von den einzelnen Phasen des Spannungsausgleichsfilters wie auch von den ein­ zelnen Phasen des Stromausgleichsfilters möglich. Dabei gelten lediglich die Vor­ aussetzungen, daß die auslegungsbedingten Grenzwerte für die Bauteile nicht über­ schritten werden und daß die Spannung der Gleichstromleitungen konstant gehalten wird.

Somit kann die Schaltung gemäß dem Anspruch eine unabhängige Steuerung der Spannungsamplituden und der Spannungsphasen am Ausgang in Bezug auf den Eingang erzielen. Diese Möglichkeit kann genutzt werden, um Amplituden- und Phasenschwankungen des Netzes auszugleichen und um diese gesteuert zu erzeugen, um andere Anomalien auszugleichen und das Verhalten des Netzes einfach zu steuern.

Auf gleiche Weise kann der Stromausgleichsfilter Oberströme und Blindströme aus­ gleichen, Grundfrequenzschwankungen des Wirkstroms ausgleichen oder diese gesteuert erzeugen, um andere Anomalien auszugleichen und das Verhalten des Netzes einfach zu steuern.

Somit ermöglicht der Aufbau des Schaltkreises gemäß der Erfindung den Einsatz als wirklich universelle Anpassung.

Einsatz als unterbrechungsfreie Stromversorgung

Der aktive Stromfilter verhält sich bei Netzausfall wie ein eigenständiger Inverter. Er entnimmt Energie aus den Kondensatoren des Gleichstromkreises und speist die als kritisch geltenden Lasten mit einer Nennspannung von 220 V_ef zwischen Phase und Nulleiter.

Damit der genannte aktive Stromfilter korrekt arbeiten kann, muß er bei Erkennung eines Netzausfalls vom Netz isoliert werden, was mit Hilfe des Schalters S′1-S′2, Abb. 2, erfolgt.

Für die kritischen Lasten wird unter normalen Bedingungen eine Spannungsver­ sorgung über einen Zeitraum von 0,5 s gewährleistet.

Beim Übergang von der Funktion als aktiver Filter zur Funktion als Inverter wird berücksichtigt, zu welchem Zeitpunkt die Welle verschwand, und dadurch werden die Auswirkungen dieser Störung auf die Last abgemildert.

Im Rahmen der beschriebenen Ansprüche können die elektronischen Geräte zur Leitungsanpassung für verschiedene Eingangs- und Ausgangsspannungen, ein- oder dreiphasige Konfiguration, für verschiedene Spannungen, Ströme, Formen, Bauteile, Schutzvorrichtungen und Steuerkriterien ausgelegt sein, ohne daß solche Abweichungen oder die Abweichungen, die in der detaillierten Ausführung oder im Aufbau vorhanden sein können, das Wesen der Erfindung beeinflussen, wie auch alle Geräte, die gemäß der allgemeinen, dargelegten Idee hergestellt werden, ein­ schließlich solcher Änderungen lediglich im Rahmen dieser Erfindung ebenfalls ent­ haltene und geschützte Variationen sein sollen.

Claims (6)

1. "Leitungsanpassung zur Verringerung oder Beseitigung von Störungen", dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem aktiven Spannungsfilter besteht, der in Serie zwischen das Netz und die Last geschaltet ist, und einem aktiven Stromfilter, der parallel zur Last geschaltet ist, die durch ein Gleich­ spannungs-Speicherelement verbunden sind; der aktive Spannungsfilter besteht aus einem Inverter (Gleich-Wechselstromwandler), der durch das genannte Speicherelement gespeist wird, das auch einen Tiefpaß-LC-Filter speist, dessen Ausgangsspannung in Serie über einen Reduziertransformator zwischen dem Netz und der Last eingespeist wird.

2. "Leitungsanpassung" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Stromfilter aus einer Spule besteht, die zwischen die einzelnen Aus­ gangsphasen der kritischen Last und den Mittelpunkt einer Reihe von Schaltern geschaltet ist, die Strom in beide Richtungen, Spannung in eine Richtung schalten; deren positiver und negativer Anschluß sind mit dem Gleichspannungs-Speicherelement verbunden, und der Nulleiter des Netzes ist mit dem Mittelpunkt des Gleichspannungs-Speicherelements verbunden.

3. "Leitungsanpassung" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Ausgangsphasen der kritischen Last und dem Nulleiter jeweils ein Kondensator sitzt, der als Filter zum Stromausgleich wie auch als Inverter arbeitet.

4. "Leitungsanpassung" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichspannungs-Speicherelement optional in zwei miteinander verbundene Blöcke mit einer dämpfenden Spule aufgeteilt werden kann.

5. Leitungsanpassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen für die kritische Last und den entsprechenden Ausgangsanschlüssen der nicht kritischen Last ein statischer, selbst­ schließender Schalter angebracht ist, der bei fehlender Netzspannung öffnet, so daß die Ausgangsanschlüsse für die kritische Last vom Netz und von der nicht kritischen Last isoliert und direkt mit dem Stromausgleichsfilter ver­ bunden werden, der in diesem Zustand als Inverter oder unterbrechungsfreie Stromversorgung arbeitet.

6. "Leitungsanpassung" nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie über einen elektromechanischen Schütz verfügt, der parallel zu einem ande­ ren statischen Schalter geschaltet ist und bei Netzausfall zusammen mit diesem den spannungsausgleichenden Transformator kurzschließt und das Netz direkt mit der nicht kritischen Last verbindet, wie auch bei Überlast.