DE969070C

DE969070C - Selbsttaetige Blindleistungs-Regeleinrichtung

Info

Publication number: DE969070C
Application number: DED12119A
Authority: DE
Inventors: Dr Richard Guthmann
Original assignee: DOMINIT WERKE GES MIT BESCHRAE
Current assignee: DOMINIT WERKE GES MIT BESCHRAE
Priority date: 1952-04-26
Filing date: 1952-04-26
Publication date: 1958-04-30

Description

AUSGEGEBEN AM 30. APEIL 1958

D 12119 VIIIb12idz

Die selbsttätige Blindleistungsregelung erhält durch die von den Stromlieferanten ■ immer dringender geforderte Verbesserung des Leistungsfaktors erhöhte Bedeutung. Die bisher bekanntgewordenen Verfahren benutzen in der Regel die über eine bestimmte Zeitspanne integrierte Blindleistung, also die Blindarbeit, als Ausgangspunkt für die Regelung. Dementsprechend enthalten diese Geräte einen nach dem Ferrarisprinzip arbeitenden Blindleistungszähler. Dieser betätigt Steuergeräte, meist Nockenwellen mit Quecksilberschaltröhren, durch die wiederum die Kondensatorenschütze und damit die Kondensatoren zur Leistungsfaktorverbesserung zu- oder abgeschaltet werden. Diese Geräte haben den Nachteil, daß die Anschaffungskosten einen erheblichen Prozentsatz der Gesamtkosten einer Phasenschieberanlage ausmachen, so daß insbesondere bei kleinen und mittleren Anlagen die Anschaffung aus Wirtschaftlichkeitsgründen unterbleibt. Da die Regelung in solchen Anlagen somit von Hand vorgenommen werden muß, besteht die Gefahr, daß bei Schwachlast die Kondensatoren nicht abgeschaltet werden und Überkompensation mit unerwünschter Spannungserhöhung und Oberwellenbelastung eintritt.

Es ist ferner ein einfaches Blindleistungsrelais entwickelt worden, das bei Über- oder Unterschreitung eines bestimmten benötigten Prozentsatzes der eingebauten Kondensatorleistung diese in ihrer vollen· Höhe zu- oder abschaltet. Es werden hierdurch zwar die Nachteile einer Überkompensation vermieden,, eine gute Anpassung an die Betriebsverhältnisse wird aber nicht erreicht.

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Die nachfolgend näher beschriebene Erfindung gestattet es, ein Blindleistungs-Regelgerät mit einfachen Schaltelementen herzustellen, so daß eine wirtschaftlich tragbare, genügend genaue selbsttätige Regelung ermöglicht wird.

Der Ernndungsgedanke beruht darauf, daß als

Impuls für die Regelung die skalare Differenz der Spannungen verwendet wird, die vor und hinter einem induktiven, in der Zuleitung zum Verbraucher liegenden Widerstand auftreten.

Bild ι der Zeichnung zeigt die grundsätzliche Schaltung.

Im Bild 2 sind die Vektordiagramme für drei Belastungsfälle, nämlich für cos φ induktiv, cos φ = ι und cos φ kapazitiv, gezeichnet.

Es ergibt sich die Tatsache, daß

bei induktiver Belastung U₁ > U₂ und Δ U > ο, bei ohmscher Belastung U₁ ^. U₂ und AU = O, bei kapazitiver Belastung U₁ < U* und Δ U < ο ist.

Eine praktische Ausführungsmöglichkeit für die Ausnutzung dieser physikalisch gegebenen Verhältnisse zur selbsttätigen Blindleistungsregelung sei nachfolgend beschrieben:

Um die zwischen den Spannungen U₁ und D₂ vorhandene Phasenverschiebung auszuschalten und um weiterhin einen Richtungseffekt zu erzielen, werden die beiden Wechselspannungen CZ₁ und U₂ gleichgerichtet und durch einen Kondensator (Elektrolytkondensator) geglättet. Am Kondensator C₁ ergibt sich eine der Wechselspannung U₁ proportionale, am Kondensator C₂ eine der Wechselspannung U₂ proportionale Gleichspannung.

Bild 3 zeigt das grundsätzliche Schaltbild für Einweggleichrichtung. Es kann auch eine der an sich bekannten Spannungsverdoppelungs- oder Vervielfachungsschaltungen verwendet werden. Die negativen Pole der beiden Glättungskondensatoren sind miteinander und bei Einphasensystem mit dem zweiten Pol der Wechselspannungsquelle, bei Drehstromsystemen mit dem Nulleiter verbunden (hierbei genügt die Anordnung eines induktiven Widerstandes in einer Phase). Zwischen den beiden anderen mit + bezeichneten Kondensatorpolen tritt eine von der Höhe der Belastung und dem Leistungsfaktor abhängige Gleichspannungsdifferenz auf. Wählt man als Bezugsrichtung diejenige von C₁ nach C₂, so ist diese Spannung bei induktiver Belastung positiv, bei rein ohmscher Belastung angenähert 0 und bei kapazitiver Belastung negativ.

Ein zwischen die beiden +-Pole geschaltetes Steuergerät S erhält also die gewünschten Regelimpulse. Das Steuergerät kann z. B. ein polarisiertes Relais sein, das bei Überschreitung des Ansprechstromes in positiver Richtung etwa seinen linken, in negativer Richtung dagegen seinen rechten Kontakt schließt. Zwischen diesen beiden Werten, also bei sehr kleinen Spannungsdifferenzen (z. B.bei cos φ = ι), sind beide Relaiskontakte geöffnet. Mit Hilfe dieser Impulse läßt sich in an sich bekannter Weise ein kleiner Servomotor steuern, der eine Nockenwelle betätigt, die über Quecksilberschaltröhren Kondensatorschütze zu- oder abschaltet. Nach Erläuterung des Grundsätzlichen soll auf die tatsächlichen Verhältnisse näher eingegangen werden.

Voraussetzung für diese Regelungsart ist ein induktiver Widerstand in der Zuleitung zum Verbraucher, dessen induktive Blindleistung selbsttätig kompensiert werden soll. Als sochen kann man verwenden

a) eine eisenlose Drosselspule mit möglichst geringen Verlusten und einer Induktivität von einer solchen Größe, daß ein induktiver Spannungsabfall von vorzugsweise ι bis 2% bei Vollast auftritt. Bei gutem Leistungsfaktor bewirkt dieser Spannungsabfall nur eine Drehung der Spannungsvektoren, dagegen, abgesehen von dem geringen ohmschen Spannungsabfall an der Drosselspule, keine wesentlichen Verringerungen der absoluten Größe der Spannung U₂;

b) eine Drosselspule mit Eisenkern. Wird diese so bemessen, daß sie bei Vollast stark gesättigt ist, dann ergeben sich bei der Regelung gewisse Vorteile, die weiter unten erläutert werden;

c) einen Stromtransformator (Reihentransformator), dessen Sekundärwicklung mit einer Drosselspule belastet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei gleicher Wirkung erheblich an Kupfer gespart werden kann und somit insbesondere bei großer Verbraucherleistung die Anordnung gegenüber einer Atisführung nach a) oder b} erheblich billiger wird;

d) die Streuinduktivität des oder der Netztiansformatoren der gesamten Anlage. In diesem Fall wird die Regelung besonders wirtschaftlich, da der Anschaffungspreis für eine Drosselspule nach.a) bis c) entfällt. Das grundsätzliche Schaltbild hierfür ist in Bild 4 dargestellt. Die Spannungen JJ₁ und U₂ werden je einem Spannungswandler entnommen. Der Spannungswandler Sft.W.II kann durch einen Spannungsteiler ersetzt werden, der die Verbraucherspannung U₂ (z. B. 380 Volt) im gleichen Verhältnis herabsetzt wie der Spannungswandler Sft.W.I die ioo Spannung U₁ (meist auf 100).

An Hand eines maßstäblichen Vektordiagramms seien nun die tatsächlich auftretenden Spannungsdifferenzen untersucht: Zunächst sei angenommen, daß eine verlustfreie (R = o) Drosselspule konstanter Induktivität L mit i°/₀ Spannungsabfall bei Vollast vorhanden ist. Bild 5 zeigt das Vektordiagramm für die drei Grenzbelastungsfälle φ = + oo°, φ = ο und φ = — go°. Der Vektor !J₁ sei konstant und gleich 100 °/₀ angenommen. Ohne an den Verhältnissen 110. grundsätzlich etwas zu ändern, werden ferner die Vektoren U₁ und U₂ zueinander parallel gezeichnet. Das Ergebnis für die verschiedensten Belastungsfälle ist in Bild 6 dargestellt. Die Differenzspannung Δ U ist über dem cosy der Belastung für verschiedene 115. Belastungshöhen (in % der Gesamtbelastung) als Parameter aufgetragen.

Bild 7 zeigt die Verhältnisse für eine praktische Ausführung einer Eisenkerndrosselspule und Bild 8 dasselbe für einen Transformator für 100 kVA, 6000/400 V. In letzterem Falle sind die Spannungswerte nicht in %, sondern in absoluten Wechselspannungsweiten angegeben.

Für die richtige Arbeitsweise der Regeleinrichtung ist es erforderlich, daß die Ansprechspannung des Steuergerätes S, also des polarisierten Relais, so ein-

gestellt wird, daß bei Unterschreitung eines bestimmten cos φ induktiv, beispielsweise 0,8 oder 0,9, ein Impuls zur Zuschaltung von Kondensatoren,, bei Überschreitung des cos φ = ι (also cos φ kapazitiv) ein Impuls zur Abschaltung von Kondensatoren gegeben wird.

Verwendet man z. B. ein handelsübliches, polarisiertes Drehspulrelais mit einem Ansprechstrom von ± 25 μΑ, so erhält man bei Vorschaltung eines

Widerstandes von 20 kOhm vor das Relais eine Differenzspannung von ± 0,5 V, innerhalb deren kein Impuls erfolgt. Diese Differenzspannung ist in dem Diagramm Bild 7 so gelegt, daß z. B. bei einer Belastung von 40% und mehr der Gesamtleistung und einem cos φ induktiv unter 0,8 ein Impuls zur Zuschaltung, bei einer Belastung unter 20% und beliebigem cos φ ein Impuls zur Abschaltung der Kondensatoren gegeben wird. Die Lage der neutralen Zone läßt sich praktisch in einfacher Weise dadurch

ao verändern, daß man die Spannung U₁ an einem Spannungsteiler abgreift bzw. im Falle d) - Transformator die Spannung U₂ entsprechend wählt. Bei einem Vergleich der Diagramme der Bildei 7 und 8 erkennt man ohne weiteres den Vorteil der eisengesättigten Drosselspule. Bei einer idealen Drosselspule (//,L = const, R = 0) ergibt sich der in Bild 6 dargestellte Verlauf des skalaren Spannungsabfalles AU in Abhängigkeit vom cos φ mit Parameter Belastung in °/₀ der Vollast.

Bei einer eisengesättigten, verlustbehafteten Drosselspule verläuft der Spannungsabfall AU gemäß Bild 7, d. h. AU steigt weniger als proportional mit der Belastung. Dies bedeutet eine geringere Überlastung des polarisierten Relais im Bereich zwischen der niedrigsten Ansprech'spannung und der höchsten an der Relaisspule auftretenden Spannung. Beträgt z. B. die Ansprechspannung 0,5 V, dann würde im ersten Falle bei Vollbelastung und schlechtem cos φ etwa 1,5 bis 2 V, im zweiten Falle dagegen etwa

♦ο ι bis 1,2 V an der Relaisspule liegen, d. h., die Spule wird im zweiten Falle weniger überlastet, ohne daß die Regelempfindlichkeit leidet.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß man durch Veränderung des Vorschaltwiderstandes vor dem polarisierten Relais die Höhe der Differenzspannung und damit die Breite des Regelbereichs beliebig einstellen kann. Allerdings darf dieser Vorschaltwiderstand nicht zu niederohmig gewählt werden, da sonst ein zu rascher Ausgleich der Ladungen der Kondensatoren C₁ und C₂ erfolgt. Im allgemeinen wird es genügen, wenn die aus der Größe des Querwiderstandes und der Kapazität errechenbare Zeitkonstante den Wert von einigen Sekunden annimmt.

Bei geeigneter Wahl der Regelempfindlichkeit werden Pendelerscheinungen (^Pumpen« der Regeleinrichtung) vermieden. Darüber hinaus kann eine zeitliche Verzögerung des Zu- oder Abschalt Vorganges dadurch eizielt werden, daß man das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Servomotor und der Nockenwelle genügend hoch wählt oder die Drehzahl des Servomotors herabsetzt.

Außer der bereits oben angedeuteten Betätigung der Zu- und Abschaltgeräte mit einer von einem Servomotor gesteuerten Nockenwelle kann man auch andere Steuerungen verwenden. Es sei auf die an sich bekannte Ausführung einer Quecksilberschaltröhre verwiesen, bei der durch Aufheizung eines abgeschlossenen Gasvolumens mehrere in der Röhre eingeschmolzene Stufenkontakte zeitlich nacheinander ein- oder ausgeschaltet werden. Verwendet man je eine solche Röhre für das Ein- und das Ausschalten der in diesem Falle mit Selbsthaltekontakten versehenen Kondensatorschütze, so braucht man nur die beiden Heizungen der QuecksilberschaltiÖhren mit den beiden Steuerkontakten des polarisierten Relais zu steuern.

Es ist ferner bekanntgeworden, die Zu- oder Abschaltung nicht durch Kondensatorschütze, die jeden Kondensator mit seiner vollen Leistung schalten, vorzunehmen, sondern die Einzelelemente mehrerer zueinander parallel geschalteter Kondensatoren durch Quecksilberringschaltröhren über Vorstufenwiderstände zu schalten. Der Antrieb dieser Ringröhren erfolgt durch einen Servomotor, der im vorliegenden Falle unmittelbar durch das polarisierte Relais gesteuert wird.

Die Blindleistungsregelung nach der Erfindung ist also mit außerordentlich einfachen Schaltmitteln, nämlich mit zwei Gleichrichtern, zwei Glättungskondensatoren und einem Steuergerät sowie einem Spannungsteiler durchzuführen und bietet daher gegenüber den bisher bekanntgewordenen selbsttätigen Regeleinrichtungen erhebliche wirtschaftliche Vorteile, insbesondere dann, wenn die vom Elektrizitätswerk gelieferte elektrische Leistung über Eigentransformatoren bezogen wird.

Ein gewisser Nachteil der Regeleinrichtung' ist dadurch gegeben, daß bei Schwachlast die Kondensatoren durch das Steuergerät vollkommen abgeschaltet werden. Je nach den gegebenen Belastungs-Verhältnissen kann dieser Nachteil durch Einschaltung eines Kondensators unabhängig von der Regeleinrichtung (Grundlastkondensator) beseitigt werden.

Beim Ausbleiben der Netzspannung kann die Gesamtkondensatorbatterie auch durch einen mechanischen Energiespeicher (Feder) abgeschaltet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Selbsttätige Blindleistungs-Regeleinrichtung mit Kondensatoren zur Leistungsfaktoi verbesserung, dadurch gekennzeichnet, daß als Impuls für die Regelung die skalare Differenz A U der Spannungen (CZ₁ und U₂), die vor und hinter einem in der Zuleitung zum Verbrauchei liegenden induktiven Widerstand auftreten, verwendet wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spannungen (CZ₁ und CZ₂) mit Hilfe von Gleichrichtern (Einwegoder Vollwegschaltung) gleichgerichtet und geglättet werden.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung ein richtungaabhangiges hochohmiges Steuergerät, vorzugsweise ein hochohmiges polarisiertes Relais, ein Drehspulrelais oder eine röhrengesteuerte Relaisschaltung betätigt.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als induktiver Widerstand eine eisenlose Drosselspule oder eine Eisenkerndrosselspule mit vorzugsweise hoher Sättigung oder ein Stromtransformator mit sekundär induktiver Belastung oder aber die Streuinduktivität des. oder der die Anlage speisenden Transformatoren verwendet wird, an denen der Spannungsabfall vorzugsweise 1 % der Verbraucherspannung oder mehr beträgt.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des richtungsabhängigen Steuergerätes die Zu- oder Abschaltung der Kondensatoren über Kondensatorschütze erfolgt.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einzelelementschaltung mehrerer unter sich parallel geschalteter Kondensatoren durch Quecksüberringschaltröhren der zum Antrieb der letzteren erforderliche Servomotor unmittelbar vom Steuergerät geschaltet wird.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät erst bei einer durch einen Vorschaltwiderstand regelbaren _t Differenzspannung anspricht, durch den im wesentlichen die obere und die untere Grenze des einzustellenden cos-<p-Wertes bestimmt wird.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Höhe der Spannung (U₁) bzw. der Spannung (JJ₂) durch einen Spannungsteiler so geregelt wird, daß die Zu- oder Abschaltung bei der gewünschten Belastung und dem gewünschten cos φ erfolgt.

9. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen mechanischen Energiespeicher (Feder) beim Ausbleiben der Netzspannung die gesamte Kondensatorbatterie abgeschaltet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 661 025;

Werner Lehmann, »Die Elektrotechnik und die elektromotorischen Antriebe«, Berlin 1948, S. 186, Abb. 469 u. Abs. 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

5 509 660/270 2.56 (709964/12 4.58)

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