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Verfahren zum Betrieb eines Kondensators zur Blindstromkompensation
eines Wechselstromnetzes.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert.
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Es zeigen die Fig. 1 und 3 Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens, während die Fig. 2 das Verfahren selbst verdeutlicht.
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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.
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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.
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Ein Riickschwingen der Kondensatorspannung ist wegen der nur kurzzeitigen
Zündung des Halbleiterschalters S nicht möglich.
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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.
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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.
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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.
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8 S. Beschreibung 5 Patentansprüche 1 Bl.Zeichng. m. 3 Fig.