DE2643169C2

DE2643169C2 - Einrichtung zur Kompensation der Blindleistung eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE2643169C2
Application number: DE2643169A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8510 Fuerth Sauer; Eberhard Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Schmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1978-09-28
Also published as: JPS5340850A; BE858939A; SE7710464L; CH617046A5; DE2643169B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation der Blindleistung eines Verbrauchers, der aus einem Wechselspannungsnetz gespeist ist, mit einem wechselspannungsseitig an das Wechselspannungsnetz angeschlossenen selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Biückenschaltung angeeidnet und zwangsweise löschbar sind. Eine

jo solche Einrichtung ist beispielsweise aus der Zeitschrift »elektrowärme international«, 32 (1974), Seiten B 326 bis B 334, insbesondere Bild 11 samt zugehöriger Beschreibung, bekannt.

Um Rückwirkungen auf das Wechselspannungsnetz durch einen symmetrischen oder unsymmetrischen Verbraucher, z. B. einen Lichtbogen-Schmelzofen, zu vermeiden oder gering zu halten, muß die Blindleistung des Verbrauchers kompensiert und die unsymmetrische Verteilung der Wirklast auf die einzelnen Netzphasen symmetriert werden. Auch im Interesse einer guten Wirkleistungsübertragung zwischen Wechselspannungsnetz und Verbraucher ist man bestrebt, den Leistungsfaktor des Wechselspannungsnetzes möglichst nahe Eins zu machen, also die Blindbelastung durch den Verbraucher weitgehend zu kompensieren. Da sich Blindleistung und Unsymmetrie des Verbrauchers fast sprungartig ändern können, müssen zur Kompensation und zur Symmetrierung Einrichtungen verwendet werden, die Stellzeiten im Bereich von Millisekunden besitzen, die also Blindleistungs- und Unsymmetrieänderungen sehr schnell ausregeln können. Die Blindstromkompensation und die Symmetrierung in einem Drehstromsystem stellen zwei sehr ähnliche Aufgaben dar. (ETZ-A, Bd. 94 [1973] H. 1, S. 53).

Im folgenden ist nur von Blindleistungsänderungen die Rede.

Induktive Blindlasten kann man durch mechanisches Zu- und Abschalten von Kondensatoren kom-

e,o pensieren (»elektrowärme international« 32 [1974], Seiten B 326-B 334, insbesondere Bild 2 mit zugehöriger Beschreibung). Dies geschieht jedoch relativ langsam, und ein solches Zu- und Abschalten ist deshalb für eine schnelle Ausregelung nicht geeignet.

b5 Außerdem ergeben sich durch das Zuschalten und Abschalten Spitzen in Netzspannung und Netzstrom. Ebenso bereitet die Resonanzeigenschaft der Kondensatoren zusammen mit der Netzinduktivität und

der Induktivität einer eventuell vorgeschalteten Drosselspule Probleme.

Die eingangs genannte bekannte Einrichtung zur Blindleistungskompensation eines Verbrauchers enthält einen selbstgeführten Stromrichter oder sogenannten »Blindleistungsstromrichter«:, bei dem die Kommutierung gleichstromseitig stattfindet. Die steuerbaren Ventile sind in Drehstrom-Brückenschaltung angeordnet. Gleichstromseitig ist an den Stromrichter ein Glättungskondensator angeschlossen. Eine besondere Energiequelle ist auf der Gleichstromseite nicht notwendig. Zur Begrenzung von Oberschwingungen sind in den wechselspannungsseitigen Zuleitungen Drosselspulen angeordnet. Durch Verstellen des Steuerwinkels des Stromrichters wird die wirksame Gesamtkapazität der Einrichtung verändert. - Diese bekannte Einrichtung stellt für das Wechselspannungsnetz unnötigerweise einen Wirkr leistungsverbraucher dar. Diese Wirkleistung muß entweder in Widerständen in Wärme umgesetzt oder mittels einer Rückspeiseeinrichtung in das Wechsel Spannungsnetz zurückgespeist werden. Die Stellgeschwindigkeit liegt beim Kompensieren in der Größenordnung einer Periode der Netzwechselspannung, was für manche Anwendungsfälle zu lang ist.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 2247819 ist als äquivalenter Stand der Technik bereits bekannt, einen selbstgeführten Stromrichter, der an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, über eine Glättungsdrossel von einem netzgeführten Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom zu speisen. Der selbstgeführte Stromrichter ist hierbei mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen. Bei dieser Einrichtung handelt es sich jedoch nicht um eine Einrichtung zur Blindleistungskompensation, sondern um eine Symmetrierungseinrichtung für ein Drehstromnetz.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 25Ϊ3168.4-32 wird eine Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung in einem Drehstromnetz mit Hilfe einer Stromrichteranordnung beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stromrichteranordnung als Umrichter ausgebildet ist, der einen eingangsseitig an das Drehstromnetz angeschlossenen ungesteuerten Gleichrichter zur Erzeugung einer eingeprägten Gleichspannung, einen Gleichspannungszwischenkreis mit einer Glättungsdrosselspule und einem Kondensator und einen selbstgeführten Wechselrichter umfaßt, der ausgangsseitig über Induktivitäten an das Wechselstromnetz angeschlossen und durch ein Pulsbreitenmodulationsverfahren derart gesteuert ist, daß die Grundschwingung der gepulsten Ausgangsspannung des Wechselrichters zur Netzspannung gegenphasig liegt und die Amplitude dieser Grundschwingung durch Beeinflussung des Pulsbreitenwinkels veränderbar ist. Während bei der älteren Anmeldung also ein Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter verwendet wird, kann nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung — wie später noch deutlich wird - ein Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter herangezogen werden. Ein Gleichstromsteller zwischen den gleichspannungsseitigen Eingangsklemmen des selbstgeführten Wechselrichters ist beim Gegenstand der älteren Anmeldung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Blindleistungskompensation eines Verbrauchers der eingangs genannten Art so auszuge

stalten, daß einerseits bei Blindkistungsänderungen ein besonders schnelles Ansprechen und Kompensieren möglich ist und daß andererseits gleichzeitig der Wirkleistungsverbrauch möglichst gering bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters eine Gleichstromquelle zum Einspeisen eines der maximal zu kompensierenden Blindleistung entsprechenden konstanten Gleichstroms angeschlossen ist, daß die gleichstromseitigen Anschlußklemmen durch einen parallel zu den Ventilen des Stromrichters liegenden Gleichstromsteller miteinander verbunden sind, der mit einer Taktfrequenz gesteuert ist, die ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz der Netzwechselspannung ist, und daß die steuerbaren Ventile des selbstgeführten Stromrichters und der Gleichstromsteller so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, wobei die Phasenlage des Ausgangsstroms bezüglich der Netzwechselspannung zumindest weitgehend festgehalten ist.

Eine solche Einrichtung zurr Blindleistungskompensation läßt sich in einphasiger Ausführung in Verbindung mit einem einphasigen Verbraucher oder in mehrphasiger Ausführung auch bei einem mehrphasigen Verbraucher einsetzen. Der Verbraucher kann dabei ohmisch-induktiv oder ohmisch-kapazitiv sein. Beispielsweise wird die Einrichtung bei einem ohmisch-induktiven Verbraucher, z. B. bei einem Lichtbogen-Schmelzofen, eingesetzt. Auch ist beispielsweise ein Einsatz zur Kompensation von Hochspannungsleitungen möglich.

Gegenüber der eingangs genannten bekannten Einrichtung ergibt sich der Vorteil kleinerer Stellzeiten, eines sehr geringen Wirkleistungsverbrauchs, der Einsparung der wechselspannungsseitigen Drosselspule und des Glättungskondensators. Als besonderer Vorteil wird es jedoch angesehen, daß die Einrichtung auf Blindleistungsänderungen sehr schnell ansprechen kann. Das liegt daran, daß bei einer solchen Blindleistungsänderung der von der Gleichstromquelle gelieferte Gleichstrom nicht geändert zu werden braucht.

Bei dieser Einrichtung ist der Gleichstromsteller in seinem Takt mit der Taktung des selbstgeführten Stromrichters verknüpft. Durch Veränderung der Einschaltdauer des Gleichstromstellers zusammen mit der des. selbstgeführten Stromrichters läßt sich die Amplitude der Grundschwingung des Ausgangs-Stroms des selbstgeführten Stromrichters und damit die in das Wechselspannungsnetz eingespeiste, zur Kompensation verwendete Blindleistung beein'lussen. Außerdem kann durch das Zünden und Löschen der steuerbaren Ventile des selbstgeführten Stromrichters die Phasenlage des Ausgangsstrom hinsichtlich der Netzwechselspannung verändert werden. Die Phasenlage kann dabei praktisch jeden beliebigen Winkel annehmen. Bei der Kompensation von Blindleistung werden jedoch nur Werte von +90° und -90°, d.h. induktive bzw. kapazitive Ausgangsströme benötigt. Die Phasenlage kann also entsprechend fest eingestellt sein.

Die Steuerung kann insbesondere so vorgenommen werden, daß der Gleichstromsteiler beidseitig symmetriach zu äquidistanten Zeitpunkten eingeschalte} und der Stromrichter im Gegentakt hierzu stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer des Gleichstromstellers und der einzelnen Ventile des Strom-

richters in Abhängigkeit von der zur Kompensation benötigten Blindleistung geführt ist. Hierbei können pro Periode der Netzwechselspannung bevorzugt ρ Einschaltzeiten vorgesehen sein, wobei ρ die Anzahl der Brückenzweige des selbstgeführten Stromrichters ist. Prinzipiell könnte - um Oberschwingungen im Ausgangsstrom klein zu hallen - die Anzahl der Einschaltzeiten ein Mehrfaches der Anzahl /; sein, doch steigen mit wachsender Anzahl die Schaltverluste des Gleichstromstellers und in den Ventilen des Stromrichters.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist als Gleichstromquelle ein netzgeführter Stromrichter vorgesehen, der wechselspannungsseitig an das Wechselspannungsnetz und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen des selbstgeführten Stromrichters angeschlossen ist, daß der netzgeführte Stromrichter auf konstanten Ausgangsstrom geregelt und daß der selbstgeführte Stromrichter in fester Phasenlage zur Netzwechselspannung gesteuert ist.

Der netzgeführte Stromrichter kann insbesondere steuerbare Ventile in Brückenschaltung umfassen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die mit einem besonders geringen Aufwand an Bauelementen und wegen des Fehlens eines netzgeführten Stromrichters ohne Verbrauch an Steuerblindleistung auskommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle eine Drosselspule vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter aus dem Wechselspannungsnetz gespeist ist, und daß die Phasenlage des Ausgangsstroms des selbstgeführten Stromrichters bezüglich der Netzwechselspannung um ein geringes abweichend von dem Wert, der durch das zur Kompensation der Blindleistung erforderliche System von Ausgangsströmen vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule der konstante Gleichstrom einstellt.

Eine besondere Gleichstromquelle ist hierbei also nicht erforderlich. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß es letztlich gleichgültig ist, auf welche Weise am Eingang des selbstgeführten Stromrichters der konstante Gleichstrom erzeugt wird und woher die zur Aufrechterhaltung des Stromflusses in der Drosselspule benötigte Energie bezogen wird. Bei dieser Ausgestaltung wird der selbstgeführte Stromrichter also auch zur Erzeugung des Gleichstroms herangezogen. Hierbei ist ein geringer, dem ohmschen Widerstand der Drosselspule entsprechender Wirkleistungsverbrauch des selbstgeführten Stromrichters zu verzeichnen. Gegenüber der Ausgestaltung mit netzgeführtem Stromrichter muß die Phasenlage in engen Grenzen veränderbar sein.

Zwischen dem selbstgeführten Stromrichter und dem Wechselspannungsnetz kann zur Spannungsanpassung und bei Verwendung von höherpulsigen Schaltungen eventuell auch zur Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen ein Transformator angeordnet sein. Weiterhin kann bei rein induktivem Verbraucher vorgesehen sein, daß dem Verbraucher eine Kondensatorbatterie mit Vorschaltdrosseln parallel geschaltet ist.

Aiisführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand von 14 Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform zur Kompen-

sation von Blindleistung, die mit einer Drosselspule als Gleichstromquelle auskommt,

Fig. 3 den Gleichstrom der Gleichstromquelle in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 4 den unter Wirkung des Gleichstromstellers in den selbstgeführten Stromrichter eingespeisten Gleichstrom in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 5 den durch den Gleichstromsteller fließenden Gleichstrom in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 6 bis 11 Zeitdiagramme, die die Stromführungsdauer der einzelnen Ventile des selbstgeführtcn Stromrichters veranschaulichen, und

Fig. 12 bis 14 den zeitlichen Verlauf der Ausgangsströme des selbstgeführten Stromrichters.

Nach Fig. 1 speist ein Drehstrom-Generator 2 über ein dreiphasiges Wechseispannungsnetz 3 mit den Phasenleitern R, S, T einen Verbraucher 4 mit einer Netzwechselspannung der Netzfrequenz /„ = 1/T_n, wobei T_n die Periodendauer der Netzwechselspannung ist. Als Verbraucher 4 ist hier speziell eine induktive dreiphasige Last vorgesehen, also eine Last, die induktive Blindleistung verbraucht. Das kann beispielsweise ein Lichtbogen-Schmelzofen sein. Prinzipiell kann es sich bei dem Verbraucher 4 auch um eine kapazitive Last handeln. Es wird im folgenden vorausgesetzt, daß der Verbraucher 4 symmetrisch ist oder durch eine nicht gezeigte Symmetrierungseinrichtung bereits symmetriert ist.

Der Bedarf des Verbrauchers 4 an induktiver Blindleistung wird durch eine selbsttätig arbeitende elektronische Einrichtung zur Blindleistungskompensation gedeckt. Diese ist zwischen dem Drehstrom-Generator 2 und dem Verbraucher 4 angeordnet. Sie ist so aufgebaut, daß sie die Blindleistung im Wechselspannungsnetz 3 möglichst weitgehend kompensiert und bei Blindleistungsänderungen sehr schnell anspricht.

Die Einrichtung zur Blindleistungskompensation, die für den Verbraucher 4 die erforderliche induktive Blindleistung liefert, umfaßt einen selbstgeführten Stromrichter 5 mit der Anzahl ρ = 6 steuerbaren Ventilen A bis F in Drehstrom-Brückenschaltung. Die Ventile A bis F sind jeweils einzeln einschaltbar und zwangsweise löschbar. Die Ventile A, B und C, D und E, F sind jeweils in gegenüberliegenden Brükkenzweigen angeordnet. Jedes der Ventile A bis F kann dabei aus einem Hauptthyristor bestehen, dem die Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors parallel geschaltet ist (DE-OS 2247819, Fig. 2). Die wechselstromseitigen Ausgangsklemmen U, V, W des Stromrichters 5 sind übei einen Transformator 6 in Stern-Stern-Schaltung an das Wechselspannungsnetz 3 angeschlossen. Zur Unterdrückung von bestimmten Oberschwingungen kann der Transformator 6 abweichend davon auch in mehrpulsiger Schaltung ausgeführt sein. Eine Kondensatorbatterie 9 mit Vorschaltdrosseln liegt parallel zum Verbraucher 4.

An die beiden gleichstromseitigen Anschlußklemmen 7 und 8 des selbstgeführten Stromrichters 5 isi eine Gleichstromquelle 10 angeschlossen. Diese liefert einen konstanten, der maximal zu kompensierenden Blindleistung entsprechenden Gleichstrom l_d, dei in einem Stromregelkreis konstant gehalten wird. Ali Gleichstromquelle 10 ist nach Fig. 1 ein netzgeführtei Stromrichter 11 mit steuerbaren Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung vorgesehen, der wechselspannungsseitig über einen Eingangstransformator 12

in Stern-Stern-Schaltung an das Wechselspannungsnetz 3 und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel 13 an die Anschlußklemmen 7, 8 angeschlossen ist. Der Stromrichter 11 muß hierbei zwar für den vollen Strom, braucht aber nur für eine kleine Leistung ausgelegt zu sein. Die Zündimpulse für die steuerbaren Ventile des netzgeführten Stromrichters 11 werden von einem Steuergerät 15 geliefert, das aus dem Wechselspannungsnetz 3 gespeist und mit diesem synchronisiert ist. Zur Messung des Stroms ist eine Meßeinrichtung 14 vorgesehen, die im Gleichstrom-Zwischenkreis angeordnet und Bestandteil des (nicht näher gezeigten) Stromregelkreises ist.

Die gleichstromseitigen Anschlußklemmen 7 und 8 des selbstgeführten Stromrichters 5 sind durch einen Gleichstromsteller 18 miteinander verbunden. Der Gleichstromsteller 18, im Prinzip ein zünd- und löschbares Ventil, ist so gepolt, daß er parallel zu den Ventilen A bis Fliegt. Der Gleichstromsteller 18 und der selbstgeführte Stromrichter 5 werden von einer Steuereinrichtung 20 gesteuert. Dieser Steuereinrichtung 20 sind als Meßgrößen die Netzwechselspannung und der Netzwechselstrom zugeführt. Aus beiden Meßgrößen werden von der Steuereinrichtung 20 die vom Gleichstromsteller 18 und dem selbstgeführten Stromrichter 5 benötigten Steuergrößen (Einschaltdauer und Phasenlage) ermittelt. Hierdurch wird die benötigte Amplitude der Ausgangströme /,, i₂, i₃ eingestellt und ihre Phasenlage auf einem vorgegebenen Wert, nämlich +90° oder -90°, festgehalten.

Die Einrichtung zur Blindleistungskompensation nach Fig. 2 zeigt weitgehend denselben Aufbau wie diejenige nach Fig. 1. Es ist jedoch eine andere Gleichstromquelle 10 vorgesehen, die wesentlich einfacher aufgebaut ist. Als Gleichstromquelle 10 wird hier-in Verbindung mit dem selbstgeführten Stromrichter 5 - eine Drosselspule 23 herangezogen, die parallel zum Gleichstromsteller 18 geschaltet ist. Diese Drosselspule 23 verbindet die beiden Anschlußklemmen 7, 8 des Stromrichters 5.

Damit sich in der Drosselspule 23 ein konstanter Gleichstrom /,, einstellt, wird bei der Einrichtung nach Fig. 2 die Phasenlage der einzelnen Ausgangsströme f„ i₂, /₃ des selbstgeführten Stromrichters S bezüglich der Netzwechselspannung auf einen Wert ungleich ±90° el geregelt. Die Abweichung gegenüber dem Wert ±90° el ist nur gering. Sie entspricht der im ohmschen Widerstand det Drosselspule 23 verbrauchten Wirkleistung und den Schaltverlusten. Im Unterschied dazu kann bei der Einrichtung nach Fig. 1 die Phasenlage der einzelnen Ausgangsströme /,, H₂, i₃ bezüglich der Netzwechselspannung genau auf einem Wert +90° el oder -90° el konstant gehalten werden.

Der netzgeführte Stromrichter 11 wird vom Steuersatz 15 so gesteuert, daß die Gleichstromquelle 10 einen eingeprägten, der maximal zu stellenden Blindleistung entsprechenden Gleichstrom l_d erzeugt. Der zeitliche Verlauf des Gleichstroms I_d über eine Periodendauer T_n der Netzwechselspannung ist in Fig. 3 dargestellt.

Im folgenden wird an Hand der Fig. 3 bis 14 die Steuerung der Einrichtung zur Blindleistungskompensation nach Fig. 1 näher beschrieben.

a) Betrieb bei gesperrtem Gleichstromsteller:

Es sei zunächst angenommen, daß der Gleichstromsteller 18 dauernd gesperrt ist Dann besitzt der Eingangsgleichstrom I₁ des Stromrichters 5 hinter dem Gleichstromsteller 18 denselben Zeitverlauf wie der konstante Gleichstrom /,, vor dem Gleichstromsteller 18. Es gilt I_f = l_d. In Fig. 4 gilt dann der gestrichelt eingezeichnete völlig waagerechte Zeitverlauf. "' Bei Fig. 5 wäre der Strom /,. im Gleichstromsteller 18 stets Null.

Die einzelnen zünd- und löschbaren Ventile A bis Fdes selbstgefül rten Stromrichters 5 werden von der Steuereinrichtung 20 nach einem bestimmten PuIs-

i" programm gesteuert. Dadurch wird der Eingangsgleichstrom L zyklisch auf alle drei Phasenausgänge des selbstgeführten Stromrichters 5 verteilt. In jeder Periodendauer T_n der Netzfrequenz /„ erhält jedes Ventil A bis F einen Zündimpuls. Der selbstgeführte Stromrichter 5 wird also mit Netzfrequenz /„ gesteuert. Jedes Ventil A bis Fist dabei während einer Einschaltdauer, die durch T_nIT) gegeben ist, eingeschaltet. Nach Ablauf dieser Einschaltdauer wird es zwangsweise gelöscht.

2« Aus den Fig. 6 bis 11 (gestrichelter Verlauf) ist die zeitliche Verteilung der stromleitenden Zustände der einzelnen Ventile A bis F ersichtlich. Danach ist die Zündfolge durch die aufeinanderfolgende Zündung der Ventile A-F-C-B-E-D gegeben. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen beträgt jeweils T_nId. Ventile benachbarter Brückenzweige, z. B. die Ventile A und B, werden im zeitlichen Abstand TJI gezündet.

Die dargestellte Stromverteilung der Ventile A bis

F hat zur Folge, daß sich drei gegeneinander um 120° el phasenverschobene Ausgangsströme I₁, i₂, i₃ einstellen. Ihr Zeitverlauf ist in den F ig. 12bis 14gezeigt. Für die hier zunächst durchgeführte Betrachtung (I_f — I_d) gilt wiederum jeweils der gestrichelte Zeitver lauf. Pro Periodendauer T_n ergeben sich danach je weils eine positive und eine negative Strom-Zeit-Fläche der Einschaltdauer T_nl3. Diese beiden Strom-Zeit-Flächen sind durch eine stromlose Pause der Dauer 7"„/6 voneinander getrennt. Für das Dreh- Stromsystem gilt immer die Beziehung I₁ + i₃ + i_} = 0. Es wird über den Transformator 6 in das dreiphasige Wechselspannungsnetz 3 eingespeist.

Durch geeignetes Zünden und Löschen der Ventile A bis F könnten bei der Einrichtung nach Fig. 1 die drei Ausgangsströme I₁, i₂, i₃ bezüglich der dreiphasigen Wechselspannung des Netzes prinzipiell jeden beliebigen Phasenwinkel einnehmen. Das heißt, daß sich der selbstgeführte Stromrichter 5 bei geeigneter Steuerung auch rein induktiv oder auch rein kapazitiv gegenüber dem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 3 verhalten kann, ohne daß ein externer Kondensator benötigt wird. Bei einem induktiven Verbraucher 4 sorgt nun die Steuereinrichtung 20 speziell für die richtige Phasenbeziehung der Zünd-

5s und Löschimpulse des selbstgeführten Stromrichters 5 und des Gleichstromstellers 18 gegenüber der dreiphasigen Wechselspannung des Netzes und damit für das soeben erwähnte rein kapazitive oder induktive Verhalten des selbstgeführten Stromrichters 5. Mit

go anderen Worten: Die Phasenlage der Ausgangsströme Ί, i*2> >3 (d- h. die Zünd- und Löschzeitpunkte der Ventile A bis F des selbstgeführten Stromrichters S) ist durch die Steuerung auf +90° oder —90° festgehalten und somit fest mit der Phasenlage der Netz- wechselspannung verknüpft.

Der selbstgeführte Stromrichter 5 ist—wie in F i g. 1 dargestellt - in Drehstrom-Brückenschaltung ausgeführt. Das heißt, alle drei Phasenausgänge des Strom-

richters 5 sind miteinander verknüpft. Infolge der zyklischen Verteilung des Eingangsgleichstroms l_f auf alle drei Phasenausgänge kann der Ausgangsstrom I₁, I₂, Z₃ an einem einzelnen Phasenausgang nie unabhängig von den anderen Ausgangsströmen geändert werden, also z. B. auch nicht unabhängig zu Null gemacht werden. Es ist demnach nur ein symmetrisches Stellen möglich. Die Einrichtung kann daher nur zur Kompensation symmetrischer Blindstromsysteme verwendet werden. Ist der Verbraucher 4 unsymmetrisch, so muß er zuerst durch eine getrennte Einrichtung symmetriert werden.

b) Betrieb bei gepulstem Gleichstromsteller:

Nunmehr wird die Voraussetzung aufgegeben, daß stets l_d = I_f gelten soll, d. h. der Gleichstromsteller 18 soll nunmehr ebenfalls betrieben werden.

Durch Variation der Einschaltdauer dieses Gleichstromstellers 18 und gleichzeitig der Ventile A bis F des selbstgeführten Stromrichters S wird die Amplitude der Grundschwingung der drei Ausgangsströme i,, I₂, (₃ beeinflußt.

Nach Fig. 4 wird durch den Betrieb des Gleichstromstellers 18 der in den selbstgeführten Stromrichter 5 fließende Eingangsgleichstrom I_f in Strom-Zeit-Blöcke veränderbarer Breite unterteilt. Die Breitenänderung ist durch horizontale Pfeile angedeutet. Die stromlose Pause zwischen den einzelnen Strom-Zeit-Blöcken ist durch die jeweilige Einschaltdauer T_e des Gleichstromstellers 18 gegeben. Das ist aus Fig. 5 ersichtlich.

Der Gleichstromsteller 18 ist im stationären Betrieb jeweils beidseitig symmetrisch zu äquidistanten Zeitpunkten /, (ι = 1, 2, 3,...) eingeschaltet. Die Zeitpunkte I₁ sind durch die erforderliche Phasenlage der Grundschwingung der Ausgangsströme /,, i₂, i₃ gegenüber der Netzwechselspannung gegeben. In Fig. 1 sind sie fest, in Fig. 2 durch die Stromregelung gegeben". Der gegenseitige Abstand T der äquidistanten Zeitpunkte f, ist nach der Beziehung f_g = \IT durch die Taktfrequenz f_g des Gleichstromstellers 18 gegeben. Die Taktfrequenz f_g ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches ρ der Netzfrequenz /„. Die Zahl ρ ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Brückenzweige des selbstgeführten Stromrichters 5. Bei Verwendung einer Drehstrom-Briickenschaltung (p = 6) kann die Taktfrequenz f_g also gleich der 6-, 12-, oder der 18fachen Netzfrequenz/„ sein. In; einfachsten Fall wird man die niedrigstmögliche Taktfrequenz f_g, im vorliegenden Fall also f_g = 6 /„ wählen, um die Schaltverluste im Gleichstromsteller 18 und im Stromrichter 5 gering zu halten. Pro Periode T_n = Hf_n der Netzwechselspannung sind dann ρ = 6 Einschaltzeiten des Gleichstromstellers 18 und zwei Einschaltzeiten je Ventil A bis F des Stromrichters 5 zu verzeichnen.

Nach Fig. 6 bis 11 werden durch den Gleichstromsteller 18 und durch Ein- und Abschalten der Ventile A bis F aus jedem Block der Einschaltdauer T_n /3 Teilstücke »ausgeblendet«. Jedes Ventil A bis F hat nunmehr pro Periodendauer T_n zwei stromleitende Zustände, die symmetrisch innerhalb des gestrichelt gezeichneten Blockes der Einschaltdauer T_n/3 liegen und eine steuerbare Breite haben. Sie können bei maximaler Ansteuerung maximal zusammen die Einschaltdauer T„/3 besitzen. Jede Einschaltflanke eines der Ventile A bis F fällt mit einer Abschaltflanke des Gleichstromstellers 18 zeitlich zusammen. Entsprechend fällt jede Abschaltflanke eines der Ventile A bis F mit einer Einschaltflanke des Gleichstromstellers 18 zusammen. Insofern werden Gleichstromsteller 18 und Stromrichter 5 im Gegentakt zueinander gesteuert. Jeder stromleitende Zustand eines der > Ventile A bis F liegt beidseitig symmetrisch zu den Zeitpunkten (r, + 7/2). Die Zündfolge der Ventile A bis Fist nunmehr durch die Ventile (D und A), (A und F), (F und C), (C und B), (B und E), (E und D), (D und A) usw. gegeben, wobei die angegebenen Ventilpaare stets gleichzeitig gezündet und gelöscht werden.

Zur Veränderung der Phasenlage der Ausgangsströme I₁, i₂, I₃ werden die Zeitpunkte i, in Fig. 5 einerseits und in Fig. 6 bis 11 andererseits gemeinsam

i> gegenüber den Nulldurchgängen der Netzwechselspannung verschoben. Durch Variation der Einschaltdauer T_c wird die Grundschwingungsamplitude der Ausgangsströme I₁, I₂, I₃ eingestellt.

Aus den Fig. 12 bis 14 geht weiter hervor, daß

durch die Wirkung des Gleichstromstellers 18 und der getakteten Ventile A bis F jede der gestrichelt eingezeichneten positiven und negativen Strom-Zeit-Flächen in zwei kleinere Teilflächen veränderbarer Gesamtbreite unterteilt wird. Bei Wahl einer höheren Taktfrequenz f_g erhält man mehr als zwei solcher Teilflächen. Die beiden eingezeichneten Teilflächen liegen jeweils symmetrisch zur Mitte der gestrichelt dargestellten Strom-Zeit-Flächen und symmetrisch zu den Zeitpunkten (I₁ + T_g/2).

jo Aus den F i g. 4 bis 14 ist weiter ersichtlich, daß sich durch Variation der Einschaltdauer T_e des Gleichstromstellers 18 und der Ventile A bis F die Amplitude der Grundschwingung der einzelnen Ausgangsströme I₁, I₂, I₃ und damit das eingespeiste

s> Blindstromsystem dem Betrage nach einstellen lassen. Wird im übrigen diese Variation symmetrisch zu den erwähnten äquidistanten Zeitpunkten i, (vgl. Pfeile in Fig. 4) vorgenommen, so bleiben bei der Variation auch die Ausgangsströme I₁, Z₂, i₃ symmetrisch.

Die Steuerung der Einschaltdauer T₁. des Gleichstromstellers 18 und der Stromführungsdauer der Ventile A bis F wird folglich in Abhängigkeit von der zu kompensierenden Blindleistung des Verbrauchers 4 vorgenommen, wobei nach Fig. 1 die Blind - leistung nach Betrag und Art (induktiv oder kapazitiv) durch Strom- und Spannungsmessung ermittelt wird. Die Steuereinrichtung 20 wird daher im allgemeinen einen (nicht gezeigten) Regler enthalten, der in Abhängigkeit der Abweichung der gemessenen Blindlei- stung von einem vorgegebenen Sollwert die Einschaltdauer T_t des Gleichstromstellers 18 und die Stromführungsdauer der Ventile A bis F verstellt. Als besonders vorteilhaft wird eine Eigenschaft der Einrichtung nach Fig. 1 und 2 angesehen, die darin besteht, daß die Ausgangsströme I₁, I₂, I₃ in ihrer Grundschwingungsamplitude sehr schnell über eine zueinander gegensinnige Änderung der Einschaltdauer T_c des Gleichstromstellers 18 und der Stromführungsdauer der Ventile A bis F verändert werden können. Das liegt daran, daß nicht der einzuprägende

. Gleichstrom I_d selbst in Abhängigkeit vom Blindleistungsbedarf gesteuert werden muß, sondern mit Hilfe des Gleichstromstellers 18 wird, angepaßt an den Blindleistungsbedarf, pro Periode nur ein mehr oder weniger großer Bruchteil eines Gleichstroms aus dem konstanten Gleichstrom I_d gleichsam »herausgeblendet« und für die Blindleistungskompensation herangezogen. Dazwischen dem Eingang des selbstgeführ-

ten Stromrichters 5 und der Einspeisestelle am dreiphasigen Wechselspannungsnetz 3 keine nennenswerten Energiespeicher vorhanden sind, kann sich eine Änderung des Eingangsgleichstroms /_; un- verzögert als Änderung der eingespeisten Blindlei- ~> stung auswirken.

Es wird nun noch einmal die Einrichtung zur Blindleistungskompensation nach Fig. 2 betrachtet. Bei dieser Einrichtung muß durch die Steuereinrichtung 20 gewährleistet sein, daß über die Drosselspule 23 ι ο

stets ein eingeprägter Gleichstrom l_d vorgegebener Höhe fließen kann. Im Unterschied zur Einrichtung nach Fig. 1 muß die Steuereinrichtung 20 so aufgebaut sein, daß die Phasenlage der Ausgangsströme /,, I₂, I₃ bezüglich der entsprechenden Wechselspannungen um einen geringen Betrag abweichend von 90° el einstellbar ist. Die Höhe dieser Abweichung bemißt sich nach der Größe der ohmschen Verluste der Drosselspule 23. Die erforderliche Abweichung wird vom Stromregelkreis selbsttätig eingestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kompensation der Blindleistung eines Verbrauchers, der aus einem Wechselspannungsnetz gespeist ist, mit einem wechselspannungsseitig an das Wechselspannungsnetz angeschlossenen selbstgeführten Stromrichter, dessen steuerbare Ventile in Brückenschaltung angeordnet und zwangsweise löschbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen (7,8) des selbstgeführten Stromrichters (5) eine Gleichstromquelle (10) zum Einspeisen eines der maximal zu kompensierenden Blindleistung entsprechenden konstanten Gleichstroms (l_d) angeschlossen ist, daß die gleichstromseitigen Anschlußklemmen (7, 8) durch einen parallel zu den Ventilen (A bis F) des Stromrichters (5) liegenden Gleichstromsteller (18) miteinander verbunden sind, der mit einer Taktfrequenz (f_g) gesteuert ist, die ein ganzzahliges Vielfaches (p) der Netzfrequenz (/„) der Netzwechselspannung ist, und daß die steuerbaren Ventile (A bis F) des selbstgeführten Stromrichters (5) und daß der Gleichstromsteller (18) so gesteuert sind, daß ein Ausgangsstrom (i„ I₂, I₃) mit netzfrequenter Grundschwingung erzeugt wird, wobei die Phasenlage des Ausgangsstroms (/,, i₂,1₃) bezüglich der Netzwechselspannung zumindest weitgehend festgehalten ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromsteller (18) beidseitig symmetrisch zu äquidistanten Zeitpunkten (/,) eingeschaltet und der selbstgeführte Stromrichter (5) im Gegentakt hierzu stromleitend gesteuert ist, wobei die Einschaltdauer (T_e) des Gleichstromstellers (18) und der einzelnen Ventile (A bis F) des selbstgeführten Stromrichters (5) in Abhängigkeit von der zur Kompensation benötigten Blindleistung geführt ist (Fig. 4).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß pro Periodendauer (T_n) der Netzwechselspannung ρ Einschaltzeiten (T_e) vorgesehen sind, wobei ρ die Anzahl der Brückenzweige des selbstgeführten Stromrichters (5) ist (Fig. 4).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle (10) ein netzgeführter Stromrichter (11) vorgesehen ist, der wechselspannungsseitig an das Wechselspannungsnetz (3) und gleichstromseitig über eine Glättungsdrossel (13) an die gleichstromseitigen Anschlußklemmen (7,8) des selbstgeführten Stromrichters (5) angeschlosesn ist, daß der netzgeführte Stromrichter (11) auf konstanten Ausgangsstrom (/,,) geregelt und daß der selbstgeführte Stromrichter (5) in fester Phasenlage zur Netzwechselspannung gesteuert ist (Fig. 1).

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der netzgeführte Stromrichter (11) steuerbare Ventile in Brückenschaltung umfaßt (Fig. 1).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle (10) eine Drosselspule (23) vorgesehen ist, die über den selbstgeführten Stromrichter (5) aus dem Wcchselspannungsnetz (3) gespeist ist, und daß die Phasenlage des Ausgangsstroms (/,, I₂, Z₁)

des selbstgeführten Stromrichters (5) bezüglich der Netzwechselspannung um ein geringes abweichend von dem Wert, der durch das zur Kompensation der Blindleistung erforderliche System von Ausgangsströmen (i,, I₂, i₃) vorgegeben ist, so gesteuert ist, daß sich in der Drosselspule (23) der konstante Gleichstrom (I_d) einstellt (Fig. 2).

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wechselspannungsseitigen Ausgang des selbstgeführten Stromrichters (5) und dem Wechselspannungsnetz (3) ein Transformator (6) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbraucher (4) eine Kondensatorbatterie (9) mit Vorschaltdrosseln parallel geschaltet ist (Fig. 1 und Fig. 2).