NO144051B - Koblingsinnretning for hurtig registrering og kompensasjon av opptaket av blindeffekt hos en forbruker i en- eller fler-fase-vekselstroemnett - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrorer en koblingsinnretning for hurtig registrering og kompensasjon av opptaket av blindeffekt hos en forbruker i en- eller fler-fase-vekselstromnett, med måleinnretninger for bestemmelse av proporsjonale signaler i de spenninger og strommer som opptrer i forbrukertilforsler og med en nominellverdigiver som tilfores de proporsjonale målesignaler fra forbrukerstrdmmen og nettspenningen og som av hvert av disse to nettsignaler til enhver tid danner to innbyrdes 90° faseforskjovede signaler, hvor en regnekrets for nominellverdigiveren ut fra disse fire signaler frembringer et analogt likespenningssignal som er proporsjonalt med forbruker opptaket av blindeffekt.

Ved innretninger som skal kompensere forbrukeropptaket av blindeffekt eller balansere usymmetriske aktiveffekt-belast-ninger, må forbrukerens blind- og aktiveffektopptak registreres så hurtig og noyaktig som mulig. Registreringen av aktiv- og blindeffektopptaket kan gjennomfores fra oyeblikks-verdiene for de tidsavhengige forbrukerstrommer på bestemte tidspunkter og fra fasedifferansen for null-gjennomgangene av vekselspenningene og forbrukerstrommene. Disse målemeto-der egner seg imidlertid bare for oversvingningsfrie måle-signåler og er derfor ikke egnet for forbrukere hvor målesignalene i hoy grad inneholder oversvingninger.

Ved den såkalte effektkomponent-metode, hvor forbrukerspen-ningen og forbrukerstrommen multipliseres med hverandre og produktet integreres over et bestemt tidsrom, er den for-holdsvis lange måletid uheldig, som ved hurtigvirkende anlegg har en ugunstig innflytelse på dynamikken.

Fra tidsskriftet "Technische Mitteilungen AEG - Telefunken" 61 (1971), s. 327 ff er det kjent en målemetode, hvor de re-feransesignaler som til enhver tid oppnås fra vekselspennin-gen og vekselstrommen fra vekselstromnettet, omdannes til to innbyrdes 90° faseforskjovede mellomstorrelses-signaler. For eksempel til registrering av aktiveffekten fra disse mellomstorrelser, multipliseres deretter det stromsignal som ligger etter i fase, med det spenningssignal som ligger etter i fa-se og det spenningssignal som ligger foran i fase multipliseres med det stromsignal som ligger foran i fase, og det dannes to mellomstdrrelses-signaler; etter summering av de to signal-mellomstorrelser, oppstår et tids-uavhengig like-stromsignal som er proporsjonalt med aktiveffekten. Det er en ulempe at det ved målesignaler som er beheftet med oversvingninger må tas hensyn til enhver frekvens som inngår i dette signal og at det tilhorende oversvingnings-signal må dreies med den fasevinkel som er onsket ved grunnfrekvensen. Koplinger med et slikt overforingsforhold - konstant fasevinkel i det totale frekvensområde ved konstant overfdrings-forhold - kan imidlertid ikke realiseres i såkalt reell-tids-drift.

Foreliggende oppfinnelse går ut på å tilveiebringe en målemetode som hurtig avgir måleverdier for en reguleringskrets, som overvåker blind- og/eller aktiveffektbelastningen av et en- eller fler-fase-vekselstromnett, hvor oversvingninger som opptrer i målesignalet ikke skal forvrenge måleresulta-tet ved stasjonær drift og hvor det også skal bearbeides målesignaler, som ikke selv eller hvilkes forste derivat ikke er konstant, samt en koblingsinnretning for gjennomforing av fremgangsmåten.

Fremgangsmåten ifolge oppfinnelsen er karakterisert ved at det parallelt med forbrukerens nettilfdrsel ligger en blindmotstand i rekke med en stromreguleringsventil og en måleinnretning for drosselstrommen, at det er anordnet en■regu-lator med integralandel, til hvis inngang er tilfort regule-ringsavviket mellom det som nominellverdi brukte analoge likespenningssignalet på beregnerkoblingens utgang og det målesignal som virker som reellverdi og er proporsjonalt med drosselstrommen, og at en avf6lerinnretning for regulerings-signalet ligger mellom regulatoren og stromreguleringsventilen.

På en fordelaktig måte dannes derved en feilfri middelverdi-opprettelse av signalene for nomineiIverdi- og reellverdi-signalet, idet enhver avvikelse av middelverdien av den reelle verdi fra middelverdien av den nominelle verdi forer til en endring av regulatorens utgangssignal og dermed til en styringsendring av justeringsleddet.

Ytterligere tekniske trekk ved oppfinnelsen fremgår av under kr ave ne.

Oppfinnelsen skal i det folgende beskrives nærmere under, hen-visning til et utforelseseksempel som er skjematisk gjengitt i tegningen. Fig. 1 viser en forbruker med sterkt skiftende blindbelast-ningsforhold, hvis effektfaktor holdes på en fastsatt verdi av en reguleringskrets med en hjelpedrossel som kan kobles inn eller en kortsluttbar spredningstransformator. Fig. 2 viser forbrukerens strom-spennings-diagram med parallell-koblet spredningstransformator ifolge fig. 1. Figurene 3a, b, c viser hver sin nomineilverdigiver for registrering av nominelle verdier for blindeffekt-regulering, aktiveffekt-regulering eller effektiv-verdiregistrering for forbruker-belastningsspenning henholdsvis belastningsstrom i tilsvarende utformede reguleringskretser. Fig. 4 viser en kjent all-pass-koblingsinnretning til fasedreining av målestorrelsessignaler i nominellverdigiverne ifolge fig. 3. Fig. 5 viser de to spenningene som skal sammenlignes i tenningsvinkel-styreorganet ifolge fig. 1. Fig. 5b og c viser strom-spenningsforhold i justeringsorga-

net for koblingsinnretningen ifolge fig. 1.

I fig. 1 betegner 1 en forbruker, som via klemmene 2,3 for-synes med nettstrom. Dette vekselstrom-nett kan være enfaset, men også f. eks. fasene R/Mp for et trefasenett kan være forbundet med klemmene 2.3. Dessuten kan forbrukeren 1 ha en trefaset utformning. En hjelpedrossel 4 er via en ventil 8 bygget opp med tyristorer koblet i parallell med forbrukeren 1. Forbrukerstrommen Iv måles i stromtransformatoren 5a og drosselstrommen Ib måles i 5b og tilfores nominellverdigiveren 6 ifolge oppfinnelsen, hvor det foruten målesignalet i(t) for forbrukerstrommen også bearbeides et målesignal u(t) for forbrukerspenning. Ved utgangen fra nominellverdigiveren 6 oppstår en spenning xq, som tilfores tennings-vinkel-styreorganet 7, hvis utganger 9a og b er forbundet med de tilsvarende styreinnganger 9a og b for ventilen 8.

Regulatoren ifolge fig. 1 har folgende virkemåte:

For at man skal unngå spenningsras som folge av plutselig opptredende blindeffekt-opptak hos forbrukeren 1 hhv. for at effektfaktoren skal holdes konstant, uttas en omtrent konstant blindstrom 1^ ges# idet ventilens 8 tyristorer ten-nes i tidsintervallet etter opptreden av forbrukerspenningens spenningsmaksimum. Hvis det f.eks. flyter en forbrukerstrom I^, vil det over tyristorene, som også kan erstattes av triacs, flyte en blindstrom °9 ^e to strommene I , og I,, adderes til den totale strom I, (fig. 2).

dx. -kjes

Hvis det derimot av forbrukeren 1 uttas en mindre strom ~$- V2' vil det på grunn av tidligere innkobling av vekselstrom-ventilen 8, som består av tyristorer, uttas en storre blindstrom Ib2'°^ ^en tota-'-e strom resulterende av I.^°9 ^ u2 rePresen_ teres av I2 ges Den ringe endring i blindstromopptaket nod-vendiggjores ved endringen i aktivstrom-opptaket, som fremkal-ler en endring av spenningsfallet hos spenningens lengdekom-ponent. Ved en ringe motsatt rettet endring av blindstromopptaket, kan også denne endring av fallet i spenningens leng-dekomponent kompenseres. Den blindstrom som uttas fra vekselstromnettet ved klemmene 2,3, er da nesten konstant, slik at et plutselig opptredende behov for blindeffekt kan kompenseres ved forringelse av styrevinkelen på vekselstrom-ventilens 8 tyristorer.

For dette formål er det imidlertid absolutt nodvendig at blindeffekt-behovet fra forbrukeren 1 registreres og raskt bedommes, hvorved det oyeblikkelige blindeffekt-behov registreres av målesignalet over nominellverdigiveren 6 og tilfores tenningsvinkel-styreorganet 7, som tilsvarende påvirker vek-sel strom-ventilens 8 tyristorer i serie med hjelpedrosselen 4 (fig. 1).

Ved nominellverdigivere for blindeffekt- aktiveffekt-reguleringskretser eller spennings-reguleringskretser er det viktig å få eliminert innflytelsen fra oversvingninger i målesignalet og den derav resulterende feil.

Hvis man f.eks. går ut fra at det i strommen ved siden av

A

strommens grunnfrekvens i, også foreligger en tredje oversvingning i^ vil det ved eh multiplikasjon av de storrelser av u(t) og i(t) som ikke er i fase fremkomme:

A A A A

P(t) = 0,5 u1.i1 (l-cos2uJt) + 0,5 u ± i3 (cos2v0 t - 4u5t).

Resultatet for de fasedreide, med hverandre multipliserte signaler av u(t) og i(t) er:

A A a A

Pgl = 0, 5 . u-j^ - i ! • (l+cos2 oot)-0, 5^ (x sin2oJ t+x. sin4u3 t-

y cosiOt - y.cosu)t)

Faktorene x og y forårsakes av fasedreiningen ved oversving-ningen 3 u) t, som ikke utgjor 90°.

Hvis de to aktive effekter p og P adderes, fås en konstant verdi, som bestemmes av grunnsvingnings-aktiv-effekten og en

A

andel som forårsakes av tredje oversvingning i, i belastnings-strommen. Den andel som fremkalles av tredje oversvingning i^ i strommen, vil i det resulterende effektsignal forårsake et

signal med dobbelt nettfrekvens og et signal med firedobbelt nettfrekvens. Hvis nå disse to oversvingningssignaler sammenlignes med den reelle verdi og differansesignalet tilfores en regulator 14 (fig. 3a) med en rent integral overforingsfunksjon, da vil regulatorens 14 utgangssignal være et konstant signal, som er overlagret oversvingningssignaler med frekvensene 2 lJ og 4 ^ , Disse oversvingningssignaler ved regulatorens utgang blir imidlertid svekket overfor inncranas-

signalet og er proporsjonale

Hvis dette signal, som er beheftet med et vesentlig mindre oversvingningssignal, tilfores en ventil 8 (fig. 1) som omfatter en avfolingsinnretning eller på grunn av sin beskaf-fenhet, f.eks. som utformning som tenningsvinkel-styreorgan 7, avfoler regulatorens utgangssignal, oppnås en feilfri middelverdidannelse av signalene for nominell og reell verdi, idet enhver avvikelse av reell-verdi-middelverdien fra nominell-verdi-middelverdien forer til en endring av utgangssignalet xg fra regulatoren 14 og dermed til en utstyringsendring d X6 (fig. 5a) av ventilen 8.

Det vesentlige ved nominellverdigiveren 6 (fig. 1, fig* 3a-c) ifolge oppfinnelsen er at det etter de i og for seg kjente bedommelsesinnretninger for registrering av blindeffekt-, aktiveffekt-behovet eller av effektivverdiene for belastningsstrom eller belastningsspenning er koblet inn i en regulator 14 (fig. 3c) med integral virkning, hvorved over-svingningenes innflytelse i målestorrelses-signalene i(t), u(t) reduseres. Regulatoren 14 må ikke ha en rent integral overforingsfunksjon, men kan også være utfort som PI-regulator eller PID-regulator.

Nominellverdigiveren 6 ifolge fig. 1 er i fig. 3 gjengitt koblingsmessig for registrering av forbrukerens 1 blind-ef f ekt-oppt ak. De to elektriske målestorrelser i(t), u(t) for forbrukerens 1 belastningsstrom hhv. belastningsspenning tilfores til enhver tid to fasedreieledd 10 hhv. 11, som dreier strommålesignalets hhv. spenningsmålesignalets fase 45° frem hhv. 45° tilbake overfor det målte belastnings-re-feransesignal i(t), u(t). Dette oppnås ved en i og for seg kjent all-pass-kobling, som omfatter tilbake- og fremdreien-de fasedreieledd 10 og 11, som vist i fig. 4. Til registrering av blindeffekten multipliseres det fremdreide spenningssignal uv f.eks. med det tilbakedreide stromsignal ir og det fremdreide stromsignal i med det tilbakedreide spenningssignal ur i en multiplikator 12. Av det multiplikative signal ur.iv, som foreligger som mellomstorrelse, subtraheres så den andre mellomstorrelse som foreligger som multiplika-tivt signal Uv.ir. Differansesignalet i samlingspunktet 13 ved multiplikatorens 12 utgang utgjor en analog likespenning som er proporsjonal med det oyeblikkelige blindeffekt-opptak u.i.sini for forbrukeren 1 (fig. 1). Fra dette signal, som representerer den nominelle verdi for blindeffekt-regule-ringskretsen i fig. 1, trekkes den reelle verdi fra og tilfores regulatoren 14 med integral andel.

På samme måte som beregningen av blindeffekten kan beregningen av den aktive effekt skje. For dette formål er det vist en koblingsinnretning i fig. 3b.

En vesentlig del av oppfinnelsen utgjor tilfoyelsen av regulatoren 14, som foruten sine ovrige egenskaper må ha integral andel. Viktig er også avfolingen av regulator-utgangssignalet xg, som kan gjennomfores med en spesiell, ikke vist, avfolingsinnretning med holdeledd, f.eks. et tenningsvinkel-styreorgan.Det således erholdte utgangssignal fra regulatoren kan via tenningsvinkel-styreorganet anordnes til betjening av et nettstyrt justeringsledd. Derved oppnås en nett-synkron avfoling av regulatorens utgangssignal xg, hvor integreringstiden svarer til avfolingstiden. Ved fasevis observasjon i avhengighet av koblingen av det nettstyrte justeringsleddet er integreringstiden lik halve svingningsvarigheten av nettets grunnsvingning eller lik en svingningsvarighet av grunn-svingningen.

Analogt med beregningen av blindeffekten kan registreringen av aktiveffekten fra i (t), u (t) finne sted. En kobling for

dette formål er vist i fig. 3b.

I stedet for dreiningen av målesignalene - 45° overfor refe-ransesignalet i (t), u (t) i nettet, kan det også velges andre kombinasjoner av fasedreininger. De ikke dreide målesignalene i (t), u (t) kan f.eks. multipliseres med hverandre; det resulterende multiplikative signal er da forste mellomstorrelse. Andre mellomstorrelse ommnås idet både måle-signålet for spenningen u (t) og målesignalet for strommen i (t) forsinkes med en vinkel A = H /2 eller Acx< U /2. Fra disse forsinkede målesignaler for strom og spenning subtraheres de til enhver tid ikke forsinkede målesignaler. Ved en egnet forsterkning av de ikke forsinkede og de forsinkede målesignaler fremkommer et resulterende målesignal med en fasedreining på H /2. Fordelen ved denne variant består i at målesystemets dynamiske egenskaper og dermed de dynamiske egenskaper av det transiente feilsignal ved overgangsfenome-ner derved blir påvirkelige. Utgangssignalet xe fra regulatoren 14, som har en integralandel i overforingsfunksjonen, tilfores et tenningsvinkel-styreorgan 7, hvor det virker som referansespenning for utlosning av tennings-pulsene for justeringsleddet (fig. 5a).

I tenningsvinkel-styreorganet aktiviseres fra tidspunkt T/4 hhv. 3T/4 for vekselspenningens u (t) spenningsmaksimum en spenningsgenerator, som f.eks. danner en trekantspenning u^, som vokser konstant og ved oppnåelse av referansespenningens xg verdi i tidspunkt t^ f.eks. avgir en tenningspuls for ty-ri stor ene 8 i vekselstrom-justeringsleddet. Ved vekselspenningens u (t) nullgjennomgang blir også trekantspenningen u^ null igjen. Forst ved neste spenningsmaksimum, det negativa spenningsmaksimum ved 3 T/4, vokser trekantspenningen u^ igjen og prosessen gjentas. Perioden mellom de to tennings-pulsene er i det foreliggende eksempel T/2. Dette betyr at regulatorens 14 utgangssignal xg til enhver tid avsokes etter halve perioden for nettets grunnsvingning og at middelverdie-ne for nominell og reell verdi sammenlignes. Hvis de to mid-delverdiene ikke er i overensstemmelse med hverandre, endres utgangssignalet xg så lenge av regulatoren 14 til middelver-diene for nominell og reell verdi igjen er i overensstemmelse (utstyringsendring dxg på tidspunkt t^).

I fig. 3c dannes tilsvarende - til registrering av spenningens effektivverdi - to innbyrdes 90° faseforskjovede spen-ningssignaler ur, u^., som multiplisert med seg selv til enhver tid gir kvadratet av det spenningssignal u , u som lig-2 2 ger foran og etter i fase, hvorved de to kvadrater ur, uv summeres og summen reduseres, slik at man får spenningens u (t) effektivverdi u. For en spenningsreguleringskrets kan denne målespenning som er proporsjonal med forbrukerspenningens effektivverdi tilfores en regulator 14 med integral andel (fig. 3c) og via en ikke vist tenningsvinkel-styreinn-retning betjene et stromretter-justeringsledd.

Ved nominellverdigiverne som vist i fig. 3a-c muliggjores i forbindelse med en blindeffekt-reguleringskrets ifolge fig. 1 eller (ikke viste) reguleringskretser for aktiv effekt og spenning som regulerings-storrelse å benytte en måleverdire-gistrering til hurtig registrering av den nominelle verdi. Hele systemet av nominellverdigiver og reguleringskrets ar-beider uavhengig av oversvingnings-innholdet, feilfritt ved stasjonær drift.

Fremgangsmåten for måling og koblingsinnretningen for gjennomforing av denne måling for nominellverdiangivelse for tilsvarende innrettede reguleringskretser begrenser seg ifolge oppfinnelsen ikke til det viste utforelseseksempel i fig.

1. Tvert om er anvendelse mulig ved alle styre- og regule-ringsinnretninger, hvor det kommer an på en hurtig, noyaktig og sikker registrering av den kvadratiske middelverdi ved forbrukere med oversvingningsholdige signaler, f.eks. blind-ef f ekt-registrer ing, aktiveffekt-registrering, effektivver-dier for strom og spenning, blindstrom-registrering og aktivstrom-registrering. Det gjelder også for de avfoiende venti-lene, som i stedet for pulstall p = 2 viser pulstall p = 1. Ved ventiler med pulstall p> 2 gjelder utsagnet om absolutt feilfrihet ved middelverdi-dannelsen tilnærmet, hvorved fei-len er liten også ved integrering ikke over halve eller hele svingningsvarigheten, idet oversvingningsfeilen i den nominelle verdi reduseres ved integreringen i regulatoren.

En vesentlig fordel ved koblingsinnretningen ifolge oppfinnelsen ligger i at den nodvendige middelverdi-dannelse for den nominelle verdi skjer i regulatoren og at tidene for middelverdidannelse av den nominelle verdi og regulerings-kretsens reguleringstid således ikke vil adderes lineært, uavhengig av hverandre.

I stedet for den i fig. 1 viste hjelpedrossel 4 med veksel-stromventilen 8 bestående av tyristorene, kan forbrukeren 1 også tilkobles en annen blindmotstand i parallell eller i serie, hvilke via styrbare ventiler, brytere eller for-trinnsvis justeringsledd ved behov kobles i parallell hhv. forbikobles ved seriekobling. Ved disse blindmotstander kan det dreie seg om spredningstransformatorer til påvirkning av effektiv-faktoren. Som justeringsledd kan også reaktive stromrettere, tvangsutlosbare trefasebroer m.v. komme på ta-le, som via en tilsvarende utformet tenningsvinkel-styreinn-retning holder effekt-faktoren hhv. spenningen på en fastsatt verdi.

Videre kan nominellverdigiveren benyttes for reguleringskretser, hvis reguleringsventil enten er en nettfort stromretter, en selvfort stromretter eller en belastningsfort stromretter.

Oppfinnelsestanken begrenser seg ikke til reguleringskretser for regulering av spenning, strom og effekt ved elektriske forbrukere, men er også anvendelig for ikke-elektriske målestorrelser, som kan omdannes til elektriske storrelser og bedommes.

Claims (9)

1. Koblingsinnretning for hurtig registrering og kompensasjon av opptaket av blindeffekt hos en forbruker i en- eller flerfase-vekselstrømnett, med måleinnretninger for bestemmelse av proporsjonale signaler i spenninger og strømmer som opptrer i forbrukertilførsler samt en nominellverdigiver som tilføres forbrukerstrømmens i (t) og nettspenningens u (t) proporsjonale målesignaler og som ut fra hver av disse to nettsignaler danner to innbyrdes 90° faseforskjøvede signaler, idet en beregnerkobling i nominellverdigiveren ut fra disse fire signaler frembringer et analogt likespenningssignal som er proporsjonalt med forbrukeropptaket av blindeffekt, karakterisert ved at det parallelt med forbrukerens (1) nettilførsel ligger en blindmotstand (4) i rekke med en strømreguleringsventil (8) og en måleinnretning (5b) for drosselstrømmen (1^), at det er anordnet en regulator (14) med integralandel, til hvis inngang er tilført re-guleringsavviket mellom det som nbminellverdi virkende analoge likespenningssignalet (Q) på beregnerkobllngens (10, 11, 12) utgang og det målesignal (I^st) som virker som reellverdi og er proporsjonalt med drosselstrømmen (1^), og at en avfølerinnretning (7) for reguléringssignalet (xe) ligger mellom regulatoren (14) og strømreguleringsventilen (8).

2. Koblingsinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes en hjelpedrossel (4) som blindmotstand.

3. Koblingsinnretning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at regulatoren (14) er utformet som integral-regulator.

4. Koblingsinnretning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at regulatoren (14) er utformet som PI-regulator.

5. Koblingsinnretning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at regulatoren (14) er utformet som PID-regulator.

6. Koblingsinnretning som angitt i et av kravene 2-5, karakterisert ved at avsokningsinnretningen er utformet som tenningsvinkel-styreorgan (7).

7. Koblingsinnretning som angitt i minst ett av kravene 1-6, karakterisert ved at stromreguleringsventilen (8) er koblet parallelt med sekundærspolen av en lekkasje-reaktans transformator som er parallellkoblet med forbrukeren.

8. Koblingsinnretning som angitt i minst ett av kravene 1-7, karakterisert ved at justeringen av stromreguleringsventilen (8) skjer i avhengighet av en i vekselstromnettet på forhånd angivbar effektfaktor.

9. Koblingsinnretning som angitt i et av kravene 1-7, karakterisert ved at justeringen av stromreguleringsventilen (8) skjer avhengig av en i vekselstromnettet på forhånd angivbar spenning.