DE1563549C3 - Verfahren zur Auslösung von Schaltvorgängen nach Maßgabe des Blind-Verbrauchs in Wechselstromnetzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslösung von Schaltvorgängen nach Maßgabe des Blindleistungsverbrauchs in Wechselstromnetzen und Schaltungsanordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Es wird vorteilhaft bei Blindleistungsreglern angewendet. Sie sind notwendig, weil über die Tarifbestimmungen der Elektrizitätswerke deren Abnehmer veranlaßt werden, ihre elektrische Energie mit möglichst günstigem Leistungsfaktor zu beziehen. Da Transformatoren, Motoren und viele andere Geräte induktive Leistung benötigen, sorgt man durch Zuschalten geeigneter Kapazitäten dafür, daß der Leistungsfaktor die vorgeschriebene Grenze ,nicht ,unterschreitet. Derartige Kapazitäten müssen aber dem tatsächlichen Anfall induktiver Blindleistung im Netz angepaßt werden, da eine kapazitive Blindleistung zu Spannungserhöhungen führen kann.

Um eine derartige Anpassung vornehmen zu körinen, wird der in einem Netz auftretende Blindleistungsverbrauch gemessen und nach Maßgabe des gemessenen Wertes für den Blindleistungsverbrauch ein Signal erzeugt, das zur Auslösung von Schaltvorgärigen, wie der Zu- oder Abschaltung von Kapazitäten, dient. Bei den bekannten Einrichtungen zur Gewinnung solcher Signale wird der Blindleistungsverbrauch mittels Meßeinrichtungen mit mechanischem Meßwerk bestimmt und der Ausschlag des Meßwerks in ein elektrisches ^ Signal umgesetzt (siehe z. B. DT-AS 12 09 647). (.

Bei dieser Lösung werden aus den elektrischen Werten zunächst mechanische Ausschläge gewonnen und diese sodann wieder in elektrische Werte umgewandelt. Dies hat vor allem den Nachteil, daß die mechanischen Teile der Abnützung unterworfen sind und die Zuverlässigkeit der Einrichtung dadurch herabgesetzt wird. Ferner sind mechanische Meßwerte meist lageabhängig. Auch ist die zweimalige Energieumwandlung nicht nur umständlich, sondern sie setzt auch die Meßgenauigkeit herab. .■'·'

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das rein elektrisch arbeitet und somit die zweimalige Energieumwandlung vermeidet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Abtasten des Momentanwertes der Amplitude einer dem Strom im Wechselstromnetz entsprechenden Halbwellenspannung während eines vorbestimmten Phasenwinkels der Netzspannung jeweils von der Größe der Blindstromkomponente abhängige Impulse erzeugt werden, deren auf mehrere ί Perioden der Wechselspannung bezogener Mittelwert beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes ein Signal zur Auslösung der Schaltvorgänge abgibt. Je nach Wahl des Phasenwinkels der Netzspannung unter der die Abtastung erfolgt, können hierbei in der Amplitude von der induktiven oder kapazitiven Blindstromkomponente abhängige Impulse erzeugt werden. Erfolgt z. B. eine Tastung jeweils bei einer Phasenlage π der Netzwechselspannung, so ergeben sich von der induktiven Blindstromkomponente abhängige Impulsamplituden, wogegen bei einer Tastung in der Phasenlage Null eine Abhängigkeit von der kapazitiven Blindstromkomponente entsteht.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Halbwellenspannung, die dem Strom im Wechselstromnetz entspricht, eine einstellbare Gleichspannung derart gegengeschaltet, daß beim ; Abtasten der Momentanwerte der Halbwellenspannung \, Impulse mit einer Amplitude erzeugt werden, die der Differenz der jeweiligen Momentanwerte mit der gegengeschalteten Gleichspannung entsprechen.

In F i g. 1 ist ein Schaltbild für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, dessen Wir-

kungsweise durch die F i g. 2 veranschaulicht ist.

In F i g. 1 ist R der Spannung führende Leiter und M₉ der Nulleiter eines einphasigen Wechselstromnetzes. Dieses Netz sei durch eine komplexe Last R + jx belastet. Der dadurch auftretende Strom wird in an sich bekannter Weise mittels eines Stromwandlers 1 erfaßt. Die Ausgangsspannung des Stromwandlers 1 liegt an der Primärseite des Transformators T\. Seine Sekundärseite liefert eine dem Strom proportionale Spannung V_t. Sie wird mittels des Einweggleichrichters Gi, der auf den Belastungswiderstand W\ arbeitet, gleichgerichtet. An ihm fällt eine Spannung U\ in Form einer Halbwellenspannung ab. Die Scheitelwerte dieser Halbwellen entsprechen nach Betrag und Phase dem Strom im Wechselstromnetz R; Mp. Wie ohne weiteres einzusehen ist, ist der Momentanwert der Spannung U\ im Zeitpunkt des Nulldurchganges der Netzspannung der Amplitude der Blindstromkomponente proportional, denn die Wirkstromkomponente des Stroms geht : in diesem Zeitpunkt wie die Netzspannung durch Null. ;■.: Die Primärseite des Transformators T₂ ist zwischen den Spannung führenden Leiter R und den Nulleiter Mp geschaltet. Die erste Sekundärwicklung T₂Si des Transformators T₂ liefert über den Gleichrichter G₂ eine Gleichspannung, die nach Siebung durch den Kondensator C\ und Stabilisierung mittels der Zenerdiode Z\ als Versorgungsspannung für die Schaltungsanordnung dient. Die zweite Sekundärwicklung T₂S₂ des Transformators T₂ liefert eine Wechselspannung, die von dem Gleichrichter G3 gleichgerichtet wird. Die so erzeugte Gleichspannung wird nach Siebung durch den Kondensator C₂ mittels der Zenerdiode Z₂ stabilisiert. Diese stabilisierte Gleichspannung £/₀ liegt; an dem Widerstand W₂, der einpolig mit dem Widerstand W\ verbunden ist. Die Spannungen U\ und i/o sind derart 35· gepolt, daß ihr positiver Pol am Verbindungspunkt der Widerstände W\ und W₂ liegt. Der Widerstand W₂ ist als Potentiometer ausgebildet :

Zwischen seinem Abgriff a und dem zweiten Anschlußodes Widerstandes MKi liegt also die Differenz , zwischen der Spannung Ui und dem mittels des Abgriffes a eingestellten Bruchteil U₂ der Spannung U₀.

In Fi g. 2 ist das Verhalten dieser Spannungsdifferenz bei verschiedenen Strömen im Leiter Λ dargestellt. \ Fig.2a zeigt den zeitlichen Verlauf der Netzspan- _4S nung. ?; , ·■-.■■:;■:.· ,-r-^jj^.- Ϊλ:; .·..>.' '■':., '■■■■

In Fig.2b ist als gestrichelte Linie eine Halbwellenspannung dargestellt, wie sie als Spannung Ui,am ; Widerstand Wi auftritt, wenn im Leiter R ein reiner Wirkstrom mit steigender Amplitude fließt Ferner ist die der Spannung Ui gegengeschaltete, als strichpunktierte Linie gezeichnete Gleichspannung -1/2 und die sich aus den 5 beiden gegeneinander geschalteten Spannungen Ui und U₂ ergebende als ausgezogene Kurve gezeichnete resultierende Spannung U\ — U₂ dargestellt Die Momentanwerte dieser Spannung sind _;:i zu allen den ungeraden Vielfachen von'· "πZ derΓ11 Netzspannung entsprechenden Zeitpunkten gleich der Spannung — U₂, wie die von der Nullinie ausgehenden Pfeile zeigen. Sie sind unabhängig von der Amplitude der Halbwellenspannung Uu da der Momentanwert der Halbwellenspannung bei allen Nulldurchgängen der Netzspannung gleich Null sein muß, solange keine Blindstromkomponente vorhanden ist.

In F i g. 2c sind in gleichartiger Darstellungsweise die Verhältnisse bei steigendem Strom mit einer induktiven Blindstromkomponente und in Fig.2d bei steigendem Strom mit einer kapazitiven Blindstromkomponente gezeigt. Wie aus den Figuren erkennbar ist, tritt für den Fall, daß die Spannung U₂ gleich Null ist, als Momentanwert der Halbwellenspannung zu den Zeiten ungerader Vielfacher von η immer dann und nur dann ein von Null verschiedener Werte auf, wenn der Strom eine induktive Blindstromkomponente aufweist. Eine kapazitive Blindstromkomponente macht sich dadurch bemerkbar, daß der Momentanwert, gleiche Polung des Gleichrichters Gi vorausgesetzt, beim Nulldurchgang der Netzspannung im entgegengesetzten Sinne, d. h. zu den Zeitpunkten ungerader Vielfacher von n, von Null verschieden ist.

Durch die der Halbwellenspannung Ui entgegengeschaltete Gleichspannung U₂ wird erreicht, daß der Momentanwert der Spannung Ui-U₂ von Null verschiedene Werte mit der gleichen Polarität wie die Halbwellenspannung Ui nur dann annehmen kann, wenn die induktive Blindstromkomponente einen durch die Gleichspannung U₂ bestimmbaren Wert überschreitet. ' ■■ ■■"" ^;V'^;\ '"" '■ -^ri;/'^;;:- '■"■ '■ ':'■"" '^r

Die Differenzspannung Ui - U₂ steuert den ersten Transistor 4 (Fig. 1). Dieser liegt in Reihe mit einer Diode Di, einem einstellbaren Widerstand W₃ und einem zweiten Transistor 3 sowie einem Belastungswiderstand Wa, dem ein Summierkondensator C₃ parallel geschaltet ist. Parallel zu dem- aus der Serienschaltung der Transistoren 3 und 4 sowie der Widerstände -Wz und W4 bestehenden Zweig liegt ein weiterer, aus einer Diode D₂ und einem Widerstand Ws bestehender Zweig. Die Abtastung der Differenzspannung kommt dadurch zustande, daß der Transistor 3 gesperrt ist und nur mittels des von der Sekundärwicklung T₂Si des Transformators T₂ gespeisten Impulstransformators T₃ bei jedem zweiten Nulldurchgang der Netzspannung für kurze Zeit aufgetastet wird. Je nach Polung des Impulstransformators 3 wird beim jeweiligen Nulldurchgang im einen oder im anderen Sinne der Transistor 3 aufgetastet. Sind beide Transistoren 4 und 3 gleichzeitig geöffnet, so entsteht ein Stromstoß! durch den der Summierkondensatör C₃ aufgeladen wird. Die Größe dieses Stromstoßes ist mittels des veränderbaren Widerstandes W₃ einstellbar. Erfolgt innerhalb einer bestimmten, durch die Kapazität des Surnmierköhdensators C₃; den Belastungswiderstand W* und die Größe des? Stromstoßes festlegbaren Zeit eine; bestimmte Anzahl von Strömstößen, so wächst die Spannung am Summierkondensator C₃ auf einen Wert aiii bei dem der Transistor 5 ausgesteuert und das Relais^ erregt wird. Es zieht an-'und entlädt über den Kontakt'ä| den Summierkondensator C₃. Dadurch sperrt der Transistor 5 wieder und das Relais A fällt sofort wieder äbi Das zu erzeugende Signal wird von dem Kontakt a₂ nach außen gegeben/ wo es zu beliebigen Schältzwecken benutzt werden⁵ kann. Der Totbereich/' d. h ■^! die Größe¹ der Blindstromkomponente, bei der die Ladung des Summierkondensators C₃ beginnen soll, ist mittels der am Widerstand W₂ abgreifbaren'Gleichspannung U₂ einstellbar. Unterhalb der auf diese Weise eingestellten Blindstromkomponente kann es selbst nach beliebig langer Zeit nicht zu einer Kontaktgabe von a₂ kommen.

Mit dem Widerstand W₃, der die Größe der auftretenden Stromstöße einzustellen gestattet, ist also die Trägheit, mit der das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten soll, einstellbar. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher mit Vorteil bei Blindleistungsreglern anwenden, da es mit der zudem leichten Einstellbarkeit des Totbereiches und der Trägheit, alle Parameter enthält, die für einen Blindleistungsregler von Bedeu-

tung sind, und so eine optimale Anpassung ermöglicht.

Soll das erfindungsgemäße Verfahren bei Einrichtungen zur Blindleistungsregelung benutzt werden, bei denen je nach Größe und Richtung der Blindstromkomponente Kapazitäten selbsttätig zu- und abgeschal- tet werden, so können zwei Einrichtungen zur Durchführung benutzt werden. Eine dieser beiden Einrichtungen dient der Abgabe eines Signals, das ein Zuschalten bewirkt, wogegen die andere Einrichtung ein Signal abgibt, das ein Abschalten von Kondensatoren veranlaßt. Die Schaltungsanordnung für beide Einrichtungen ist im wesentlichen gleich. Der Unterschied zwischen beiden besteht lediglich in der unterschiedlichen Polung der Impulstransformatoren. In der einen Schaltungsanordnung wird dadurch der Nulldurchgang der Netzspannung in der einen und bei anderen Schaltungsanordnungen in der anderen Richtung ausgenutzt.

Das vollständige Schaltbild aus den beiden Schaltanordnungen, die beide dem Schaltbild der F i g. 1 entsprechen, zeigt Fig.3. Hierin ist der Übersichtlichkeit wegen darauf verzichtet, selbstverständlich mögliche Vereinfachungen, wie z. B. die Doppelausnützung einer Netzversorgung, zu zeigen. Die Impulstransformatoren T₃ und T₃" sind unterschiedlich gepolt, d. h. sie geben bei dem gleichen Nulldurchgang der Netzspannung entgegengesetzt gerichtete Impulse ab. Die Wirkungsweise der gesamten Schaltungsanordnung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Blindleistungsregler ist in F i g. 4 dargestellt. U bedeutet darin die Netzspannung. Die beiden Parallelen U₂ und U₂" dazu stellen die beiden den beiden Halbwellenzügen U\ und U\" entgegengeschalteten Gleichspannungen dar. Hat der im Leiter fließende Strom den durch den Vektor V\ in Fig.4 dargestellten Wert, so wird kein Signal ausgelöst und die Verhältnisse entsprechen dem in Fig.2c links, d.h. für den Zeitpunkt π, gezeichneten Fall. Wächst der Strom bis zu dem dem Vektor V₂ entsprechenden Wert an, so entspricht dies dem in Fi g. 2c für den Zeitpunkt 3 π dargestellten Fall, bei dem die Pfeillänge etwa zu Null geworden ist. Wächst der Strom z. B. auf die dem Vektor V₃ in Fig.4 entsprechende Größe an, so liegt der in F i g. 2c für den Zeitpunkt 5 π dargestellte Fall vor, und die Ladung des Kondensators C₃ beginnt. Bleibt die induktive Blindstromkomponente des Stromes für eine bestimmte Zeit, die durch die Zeitkonstante gebildet durch Kondensator C₃' und Widerstand Wa' festgelegt ist, über dem durch die Spannung U₂ begrenzten Wert, so wird über das Relais A' mit den Kontakten a\ und a₂ ein Signal ausgelöst. Dadurch wird über den Koniakt a₂ das Relais E erregt, dessen Haltekontakt ei und Arbeitskontakt C₂ geschlossen und dadurch der Kondensator C* parallel zur Last R + jx geschaltet. Der Strom liegt damit wie der Vektor V4 im Totbereich. Solange sich die Spitze des den Strom darstellenden Vektors im Totbereich des Reglers, d. h. zwischen den beiden Geraden U₂ und U₂" befindet, kann kein Signal ausgelöst werden und der Regler verharrt in Ruhe, bis durch äußere Einflüsse, z. B. durch Abnahme der Blindstromkomponente im Wechselstromnetz und ein dadurch bewirktes Auftreten einer unzulässig hohen kapazitiven Blindstromkomponente, die Vektorspitze die Linie U₂" überschreitet (Vektor V₅). Dann zieht das Relais B an und bewirkt damit die Abgabe eines Signals zur Abschaltung der zwecks Kompensation der vorher vorhandenen induktiven Blindleistung zugeschalteten Kapazität Q mittels des Haltekontaktes bi. Die Blindstromkomponente geht dadurch auf einen zulässigen Wert zurück, wie die Lage des Vektors Ve im Totbereich zeigt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Impulstransformator mittelbar über ein einstellbares Phasenschieberglied gespeist. Ein Beispiel hierfür ist in der F i g. 5 dargestellt. Der Deutlichkeit halber sind in F i g. 5 nur die der F i g. 1 entsprechenden und wie dort bezeichneten Teile der Schaltungsanordnung gezeichnet, zwischen die das Phasenschieberglied eingeschaltet ist. In dem Ausführungsbeispiel besteht es aus einer an sich bekannten Brückenschaltung mit dem veränderbaren Widerstand W₆ und dem Kondensator Cp im einen und den Widerständen W₇ und W₈ im anderen Brückenzweig.' Die Eingangsspannung, d. h. die Spannung an der Wicklung T₂Si, liegt an der einen, während die voreilend phasenverschobene Spannung an der anderen Brückendiagonale abgenommen und dem Impulstransformator T₃ zugeführt wird.

Die gewünschte Phasenlage der von dem Impulstransformator T₃ abzugebenden Impulse ist mittels des veränderbaren Widerstandes We einstellbar. Damit läßt sich bei Blindleistungsreglern der »Umschlagpunkt«, d. h. der Leistungsfaktor, den der Blindleistungsregler in Grenzen konstant halten soll, entsprechend der Bemessung des Phasenschiebergliedes über einen weiten Bereich ändern.

Wird die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels der Schaltungsanordnung nach Fig.3 gegebenenfalls mit der in Fig.5 dargestellten Ergänzung durch ein Stufenschaltwerk ergänzt, so kann sie zum Zu- und Abschalten einer aus mehreren Kondensatoren bestehenden Batterie benutzt werden. Die Impulse des Kontaktes a\ betätigen dann ein »Vorwärts«-Schrittschaltwerk, während an Stelle des Ruhekontaktes Zj₂ ein Arbeitskontakt vorgesehen sein muß, der das »Rückwärts«-Schrittschaltwerk betätigt. Der Totbereich ist in diesem Falle nach der größten einzelnen Kondensatorenstufe zu bemessen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Auslösung von Schaltvorgängen nach Maßgabe des Blindleistungsverbrauchs in Wechselstromnetzen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abtasten des Momentanwertes der Amplitude einer dem Strom im Wechselstromnetz entsprechenden Halbwellenspannung während eines vorbestimmten Phasenwinkeis der Netzspannung jeweils von der Größe der Blindstromkomponente abhängige Impulse erzeugt werden, deren auf mehrere Perioden der Wechselspannung bezogener Mittelwert beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes ein Signal zur Auslösung der Schaltvorgänge abgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbwellenspannung, die dem Strom im Wechselstromnetz entspricht, eine einstellbare Gleichspannung derart gegengeschaltet ist, daß beim Abtasten der Momentanwerte der Halbwellenspannung Impulse mit einer Amplitude erzeugt werden, die der Differenz der jeweiligen Momentanwerte mit der gegengeschalteten Gleichspannung entsprechen.

3. Schaltungsanordnung für ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Halbwellenspannung in,der Weise erfolgt, daß sie einen ersten Transistor (4) steuert, der in Reihe liegt mit einer Diode (Di), einem einstellbaren Widerstand (W3) und einem zweiten Transistor (3) sowie einem Belastungswiderstand (W4), dem ein Summierkondensator (C3) parallel geschaltet ist, wobei der zweite Tra nsistor (4) mittels eines von der Netzspannung betriebenen Impulstransformator (T3) in der Weise gesteuert wird, daß der Transistor (4) bei jedem zweiten Nulldurchgang der Netzspannung für kurze Zeit aufgetastet wird, und daß die am Summierkondensator (C3) auftretende Spannung bei Überschreiten eines bestimmten Wertes einen Transistor (5) aufsteuert und ein in seinen Kollektorkreis geschaltetes Relais (A)ansprechen läßt, dessen erster Relaiskontakt (a\), der parallel zum Summierkondensator (C3) liegt, diesen entlädt, sowie über einen zweiten Relaiskontakt (ai) das Signal zur Auslösung des Schaltvorgangs gibt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulstransformator (T3) mittelbar über ein einstellbares Phasenschieberglied gespeist wird. -..I.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei seiner Anwendung zur Signalabgabe bei Blindleistungsreglern die der Halbwellenspannung entgegenzuschaltende Gleichspannung mindestens so hoch eingesteht wird, daß der sich dadurch ergebende Totbereich des Blindleistungsreglers größer ist als die BIindleistungs_r änderung, die sich aus der vom Blindleistungsregler zuzuschaltenden Kapazität ergibt