DE2303939A1

DE2303939A1 - Verfahren zum betrieb eines kondensators zur blindstromkompensation eines wechselstromnetzes

Info

Publication number: DE2303939A1
Application number: DE2303939A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dipl Ing Knuth
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1973-01-24
Publication date: 1974-07-25
Also published as: SE388082B; DE2303939C2

Description

Verfahren zum Betrieb eines Kondensators zur Blindstromkompensation eines Wechselstromnetzes.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kondensators zur Blindstromkompensation eines Wechselstromnetzes in einem aus dem Kondensator, einem Halbleiterschalter und einer Induktivität bestehenden Stromkreis, wobei das Schalten des Kondensators erfolgt, wenn die Spannung am Halbleiterschalter angenähert oder gleich Null ist.
Es ist bereits eine Schalteinrichtung für eine für ein Wechselstromnetz bestimmte Kondensatorbatterie mit mehreren parallelen Zweigen bekannt, von denen jeder durch einen ThyristZrschalter mit Thyristoren in beiden Stromrichtungen am Netz angeschlossen ist. Dabei ist jeder Thyristorschalter von einem Steuerorgan derart gesteuert, dass bei voller Blindleistungsaufnahme der Batterie die Thyristoren der einen und der anderen Richtung synchron mit den in der $welligen Richtung auftretenden Maximalwerte der Netzspannung eingeschaltet werden (deutsche Offenlegungsschrift 1 638 425).
Ein solcher Anschluss einer Kondensatorbatterie mittels eines Thyristorschalters ist vor allem von Bedeutung in Netzen, in denen grosse SchwankunDen der reaktiven Leistungen auftreten. Das kann in Industriegebieten der Fall*ein, in denen grosse Arbeitsmaschinen und Anlagen mit für das Netz ungünstigen Belastungsverhältnissen vorkommen. Indem man einen Thyristorschalter zum Ein- und Ausschalten einer Kondensatorbatterie benutzt, kann man eine so grosse Regelgeschwindigkeit erreichen, dass Kondensatorbatterien als Kompensatoren bedeutend teuerere rotierende Sgn¢hronkomkompensatoren ersetzen können.
Es ist beschrieben, dass der Anschluss eines Batterieteiles am einfachsten dadurch geschieht, dass man eine konstante Steuerspannung an die Steuerelektroden der antiparallelen Thyristoren legt, so dass die Thyristoren für beide Stromrichtungen leiten. Hierbei können jedoch beim Ein- und Ausschalten der Batterie Probleme mit Schaltüberstromen und -überspannungen auftreten.
Sollen oberströme und -spannungen vermieden werden, muss das Ein- und Ausschalten der Batterie sowie das Umschalten zwischen den Thyristoren wahrend des Betriebes bei Nullstrom erfolgen, d.h. kurz vor den positiven und negativen Amplituden werten der Netzspannung. Die verschiedenen Thyristoren sind auf diese Weise fiir j.e eine IIalbperiode leitend. Während jeder Halbperiode werden die entsprechenden Kondensatorzweige umpolarisiert. Das bedeutet aber, dass beim Abschalten der Batterie oder Teilen der Batterie diese Teile mit voller Spannung liegen bleiben und ausserdem bei voller Spannung in Bereitschaft gehalten werden sollen, so dass sie beim Wiedereinschalten an die Naximaispannung des Netzes eingeschaltet werden können, ohne dass irgendwelche Schaltstösse auftreten.
Das genannte übliche Vorgehen bedeutet jedoch ein Problem bei der Wahl von Kondensatoren. Die Batterie mit voller Spannung in Bereitschaft zu halten, führt zu einer Gleichspannungsbelastung, die es erforderlich macht, dass die Batterie aus Gleichspannungskondensatoren aufgebaut wird, da das Dielektrikum in Wechselspannungskondensatoren nicht für längere Perioden Gleichspannung ausgesetzt werden sollte. Gleichspannungskondensatoren, die die im Einschaltzustand auftretende Wechselspannungsbelastung aufnehmen können, sind jedoch bedeutend teurer als gewöhnliche Wechselspannungskondensatoren.
Es ist deshalb auch bereits die Aufgabe erkannt, die Gleichspannungsbelastung der Kondensatoren zu vermeiden und durch eine derartige Ausbildung der Steuerorgane gelöst worden, dass bei reduzierter Blindleistungsaufnahme der Batterie die Steuerorgane zumindest einiger der Thyristorschaltungen Steuerimpulse abgeben, die diese Thyristorschalter mit einer Frequenz, die nur ein Bruchteil der Netzfrequenz ist, jeweiis bei flaximalwerten der Netzspannung abwechselnd in die eine und andere Richtung einschalten (DAS 2 102 926).
Die Thyristoren werden also so gesteuert, dass die Eondensatoren auch in den Bereitschaftsperioden , d.h. in den Zeiten, in denen die Kondensatoren im Prinzip nicht eingeschaltet sind, ständig tmpolarisiert werden. Dadurch wbd eine reine Gleichspannungsbeanspruchung der Kondensatoren vermieden, und es sollen die bedeutend billigeren Wechselspannungskondensatoren verwendet werdeniönnen, deren Dielektrikum keine längere Gleichspannungsbeanspruchung verträgt.
Der Nachteil dieser bekannten Lösung besteht jedoch darin, dass die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschalters noch mit dem Betrag der doppelten Netzspannung als Sperrspannung beansprucht werden und dass eine Zuschaltung der Kompensationskondensatoren nicht immer sofort sondern nur dann erfolgen kann, wenn die Polarität der Netzspannung mit der Polarität der Ladespannung des Kondensators übereinstimmt, im Extremfall also erst fast eine volle Periode später. Letztlich bleibt für die Wechselspannungskondensatoren der Einfluss der immer noch vorhandenen Gleichspannungskomponente hinsichtlich ihrer Lebensdauer als nachteilig zu befürchten, und es kann der niederfrequente Umladevorgang der Kondensatoren zu Flimmererscheinungen im angeschlossenen Netz führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und wird bei einem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass der Kondensator in der Viertelperiode vor dem Einschaltzeitpunkt des Kondensators an das Netz auf den Scheitelwert der Netzspannung vorgeladen und in der Viertelperiode nach dem Abschaltzeitpunkt des Kondmsators vom Netz vom Scheitelwert der Netzspannung auf die Spannung angenähert oder gleich Null entladen wird.
Es erfolgt dabei die Vor- bzw. Entladung des Kondensators durch eine kurzzeitige Zündung des Halbleiterschalters in dem schon beschriebenen Stromkreis, einem Reihenschwingkreis, der aus dem Halbleiterschalter, dem Kondensator, einer Induktivität und dem Netz besteht. Der Halbleiterschalter kann aus an sich bekannten Elementen, z.B. antiparallel geschalteten Thyristoren oder einem-bidirektionalen Thyristor (riac)it aufgebaut sein.
Die Induktivität des Schwingkreises kann von der induktiven Komponente.des Netzinnenwiderstandes gebildet werden, oder es kann auch ein besonderes induktives Bauelement, z.B. eine Drossel vorgesehen werden, wobei dann die Netzinduktivität und die Drosselinduktivität zusammenwirken oder bei einem vollständig kompensierten Netz die induktive Wirkung der Drossel allein mit der Kapazität das Schwingkreisverhalten bestiuen.
Den Schaltzeitpunkt für das Vor- bzw. Entladen des Eondensators innerhalb der Viertelperiode vor bzw. nach dem Ein-oder Abschalten des Kondensators vom Netz wählt man in Berücksichtigung der das Schwingkreisverhalten bestimmenden Grössen, und zwar derart, dass das Schaltüberschwingen der Spannung am Kondensator genau'auf die gewünschten Werte, insbesondere den Scheitelwert der Netzspannung beim Vorladen oder den Wert Null beim Entladen erfolgt.
Es kann sict in manchen Fällen auch. als vorteilhaft erweisen, das Vor- bzw. Entladen des Kondensators nicht aus-bzw auf der Netzspannung vorzunehmen sondern dafür eine besondere Hilfsspannungsquelle vorzusehen, wobei ebenfalls ein in diesem Schaltkreis vorzusehender Halbleiterschalter nur kurzzeitig gezittidet wird. Es kann dieser Hilfsladestromkreis für den Kompensation-skondensator auch zu einem Schwingkreis durch Einbau einer Induktivität, z.B. einer besonderen Drossel ausgebaut werden.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind darin zu sehen, dass der Kondensator zur Blindstromkomp en s ation des Netzes einer reinen Wechselspannungsbeanspruchang unterliegt und damit Nachteile hinsichtlich seiner Lebensdauer aufgrund von Gleichstrombelastungen vermieden sind. Des weiteren haben die Halbleiterbauelemente des Kondensatorschaltern nur den Betrag der einfachen Netzspannung als Sperrspannung, da die Kondensatorspannung im ausgeschalteten Zustand gleich Null ist. Weiterhin kann der Zu- und Abschaltzeitpunkt des Kondensators am Netz sowohl im positiven oder negativen Scheitelwert der Netzspannung liegen.
Auch ist eine Vorladung der Spannung uc des Kondensators auf Werte Ungliitch der Netzscheitelspannung durch Verschiebunt des Vorladezeitpunktes möglich. Dabei bringt eine Versch schiebung in Richtung des Netzspannungsscheitelwertes eine Vorladespannung, die grösser als die Scheitelwertspannung des Netzes ist. Durch diese Anpassungsfähigkeit durch Veränderung des Vor- und analog entsprechend auch des Entladeschaltzeitpunktes ist es möglich, die Bedingungen für ein exaktes ausgleichstromfreies Schalten zu realisieren. Im Ergebnis sind das Auf- und Entladen verlustfrei.
Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 und 3 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, während die Fig. 2 das Verfahren selbst verdeutlicht.
In der Fig. 1 liegt der Kondensator C an einem zu koipensierenden Wechselstromnetz der Spannung U. Er wird an das Netz durch den Halbleiterschalter S angeschlossen, wobei auch noch eine besondere Induktivität - dargestellt als Drossel L -vorgesehen ist. Eine Steuerung ST liefert dem Halbleiterschalter S Zündimpulse i ig, wobei diese in Abhängigkeit der am Halbleiterschalter S liegenden Spannung U5und der am Kondensator liegenden Spannung Uc erfolgt.
Wie es die Fig. 2 erkennen lässt, wird der Kondensator C in der 1Viertelperiode P/4 vor dem Zuschaltzeitpunkt tein des Kondensators an das Netz zum Vorladeschaltzeitpunkt a kurzzeitig eingeschaltet. In dieser Folge fliesst dann kurzzeitig ein Kondensatorstrom i. und es schwingt die Spannung des Kondensators Uc auf den Scheitelwert der Netzspannung U.
Ein Riickschwingen der Kondensatorspannung ist wegen der nur kurzzeitigen Zündung des Halbleiterschalters S nicht möglich.
Zum Zuschaltzeitpunkt tein des Kondensators an das Netz wird der Halbleiterschalter S durch mehrere Zündimpulse oder einen Dauerzündimpuls 1 ständig leitend gehalten, und es g erfolgt eine Kompensierung des Wechselstromnetzes mit der Kapazität des Kondensators. Zum Abschaltzeitpunkt tab des Kondensators C vom Netz erfolgt keine weitere Zündung des IIalbleiterschalters S, und es verbleibt die Ladung des Kondensators vorerst kurzzeitig auf dem Scheitelwert der Netzspannung. Innerhalb einer Viertelperiode P/4 nach dem Abschaltzeitpunkt tab wird der Halbleiterschalter S zum Entladeschaltzeitpunkt te noch einmal kurzzeitig gezündet. So fliesst kurzzeitig noch ein Entlade-Kondensatorstrom i, und es schwingt die spannung des Kondensators ab auf den Wert Null. Es ist der Verlauf der einzelnen elektrischen Grössen im Ablauf der Zeit t dargestellt.
Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung der Fig. 1, bei der in Abweichung davon für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators eine besondere Ladeeinrichtung LA vorgesehen ist. Wie die Figur erkennen-lässt, wird aus einer Hilfsspannungsquelle UH über einen Transformator T, über ein Halbleiterschaltelement SH und eine Drossel h der Kondensator C vor- bzw. entladen.
Das vorstehend erläuterte Verfahren ist nicht auf das dargestellte Beispiel der Kompensation eines Wechselspannungsnetzes beschränkt sondern lässt sich in übertragender Weise auch für Drehstromnetze verwenden.
8 S. Beschreibung 5 Patentansprüche 1 Bl.Zeichng. m. 3 Fig.

Claims

Patntansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Kondensators zur Blindstromkompensation eines Wechselstromnetzes in einem aus dem Kondensator, einem Halbleiterschalter und einer Induktivität bestehenden Stromkreis, bei dem das Schalten des Kondensators erfolgt, wenn die Spannung am Halbleiterschalter angenähert oder gleich Null ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator in der Viertelperiode vor dem Einschaltzeitpunkt des Kondensators an das Netz auf den Scheitelwert der Netzspannung vorgeladen und in der Netzviertelperiode nach dem Abschaltzeitpunkt des Kondensators vom Netz vom Scheitelwert der Netzspannung auf die Spannung angenähert oder gleich Null entladen wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor- bzw. Entladung des Kondensators durch eine kurzzeitige Zündung des Halbleiterschalters erfolgt.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität des Schwingkreises aus der induktiven Komponente des Netzinnenwiderstandes und/oder einer Drosselspule gebildet wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzeitpunkte für das Vor- bzw. Entladen des Kondensators in Berücksichtigung der das Schwingkreisverhalten bestimmenden Grössen gewählt wird.

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vor- und/oder Entladen des Kondensators von einer Hilfsspannungsquelle erfolgt.