AT414298B - Einrichtung zur vergrösserung der wirksamen kapazität eines kondensators in einem wechselstromkreis - Google Patents

Description

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AT 414 298 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Vergrößerung der wirksamen Kapazität eines Kondensators in einem Wechselstromkreis durch periodische Überbrückung und Freischaltung des Kondensators, wobei die mit dem geschaltenen Kondensator in Reihe liegende ohmsch-induktive Impedanz aus einem in Reihe liegenden 5 Widerstand und einer in zwei Teile partitionierten Induktivität besteht. Ferner ist dem der Quellspannungsklemme zugewandten Teil der Induktivität, gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1, eine gesteuerte Quelle in Reihe mit einer weiteren ohmsch-induktiven Impedanz parallelgeschaltet. io Durch periodische niederohmige Überbrückung und darauffolgende Freischaltung eines Kondensators in einem Wechselstromkreis kann die wirksame Kapazität des Kondensators hinsichtlich der Grundfrequenz der Quellspannung des Kreises verändert werden. Dieser Ansatz kann von Bedeutung sein, wenn der geschaltete Kondensator in Reihe mit einer ohmsch-induktiven Last an der Wechselspannungsquelle betrieben wird. Ein solcher Fall ist z.B. gegeben, wenn 15 der Hilfsstrang eines hinsichtlich der Hauptstrangwicklung mit der Quelle verbundenen Einpha-sen-Asynchronmotors über einen in beschriebener Weise geschalteten Kondensator an die Quelle angeschlossen wird.

Zum bisherigen Stand der Technik werden folgende 4 Veröffentlichungen ([1]____[4]) genannt. 20

In [1], (Patentschrift US 4,532,465; Renard, 30-JUL-1985) wird ein Asynchronmotor beschrieben, bei welchem in Reihe zu den jeweiligen Phasenwicklungen des Asynchronmotors Kondensatoren liegen, so daß der Motor über diese Kondensatoren an der Spannungsquelle angeschlossen ist. Mindestens einer der Wicklungen ist eine Kurzschlusseinrichtung mit variabler 25 Impedanz parallelgeschaltet. Durch diese Einrichtung ist ein variables Motordrehmoment erzielbar.

Bei der in [1], Sp.8, Z.5 behandelten Einphasen-Asynchronmaschine ist die Wicklung (2) in Serie mit einem konstanten Betriebskondensator geschaltet, parallel zu dieser LC Schaltung ist 30 eine Wicklung (3) und die Kurzschlusseinrichtung angeordnet. Diese Schaltung ist kapazitiv mit der Einphasenquelle verbunden. Diese Schaltung benötigt gegenüber der Erfindung, welche über die Taktung des Hilfsstrang-Kondensators ebenfalls ein steuerbares Drehmoment und somit auch die Geschwindigkeitsregelung zulässt, zwei Kondensatoren. 35 Zur Klarstellung soll hier auch eine Abgrenzung zu jenem heute in breiter Form angewandten Fall gegeben werden, wo eine Einphasen-Asynchronmaschine mit Anlaufkondensator, Fliehkraftschalter und einem Betriebskondensator realisiert wird. Dieser Fall hat gegenüber der Erfindung folgende Nachteile: der Betriebskondensator ist dauernd in Serie mit dem Hilfsstrang geschaltet, parallel zum Betriebskondensator ist der Anlaufkondensator über einen Fliehkraft-40 Schalter verbunden. Durch diese Konfiguration ist eine 2-Punkt-Optimierung des Laufverhaltens möglich (z.B. für den Anlauf und für den Nennbetrieb). Für eine Mehrpunktoptimierung wären demgemäß mehrere spezifisch parallelzuschaltende Kondensatoren vorzusehen (Aufwand). Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung kann genau diese spezifische Impedanzoptimierung (kontinuierlich!) durchgeführt werden. 45

In [2], (Patentschrift US 4,424,558; N'Guyen Uyen, 3-JAN-1984) wird ein frei kommutierender Gleichstromsteller beschrieben. In diesem Zusammenhang wird ein Serienschwingkreis behandelt, bestehend aus Kondensator und Induktivität. Gemäss [2] kann der Kondensator des Serienschwingkreises durch eine Entladeschaltung (im einfachen Fall durch einen ohmschen so Widerstand partiell oder mittels Thyristor gezielt und vollständig entladen werden. In [2], Sp4 Z40 wird die Entladeschaltung ((10)-discharge Circuit) für die Kapazität des Schwingkreises beschrieben, welche eine große positive Kondensatorspannung zum Zeitpunkt der Zündung einer der Thyristoren des Gleichstromstellers verhindern soll. Ohne diese Entladeschaltung würde auf Grund von Leckströmen der Halbleiter und deren Schutzbeschaltung der 55 Kondensator während des kontinuierlichen Betriebes des Gleichstromstellers geladen bleiben. 3

AT 414 298 B •n [3], (Patentschrift EP 0 540 968 A1; Siemens, 12-MAI-1993) wird die Beschaltung eines 3-phasigen Generators behandelt, bei der zu je einer Phasenwicklung je ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. In [3] wird ein geschaltetes Überbrücken der in Reihe zu den Induktivitäten liegenden Kondensatoren beschrieben. 5

Bei der in [3], Sp.3 Z.4 behandelten Ausführungsvariante werden in Serie zu einem Dreiphasengenerator geschaltete Kondensatoren bei Überschreiten einer Maximalfrequenz durch einen frequenzabhängig gesteuerten Schalter kurzgeschlossen. Diese Maßnahme dient im Gegensatz zur Erfindung der Begrenzung des Generatorstroms auf einen nahezu frequenzunabhängi-io gen Dauerkurzschlussstrom.

In [4], (Patentschrift US 4,677,364; Williams, 30-JUN-1987) wird ebenfalls die Beschaltung eines Generators mit Kondensatoren beschrieben. Diese Kondensatoren liegen zwischen den einzelnen Phasen des Generators und der Nullphase, sie werden in Abhängigkeit von Phasen-15 ström und -Spannung der Nullphase mittels Thyristorschaltkreis getrennt. In [4], Sp.2, Z.58 -Sp.3, Z.17 wird eine allgemeine Variante der geschalteten Überbrückung von Kondensatoren erörtert, in Sp.8, Z.15 - 40 werden allgemeine physikalische Zusammenhänge zur Ableitung des Steuersignals aus Phasenstrom und -Spannung für die Überbrückung der parallel geschalteten Kondensatoren gegeben, in Sp.14, Z.11 - 20 wird die Abhängigkeit des sich ändernden Wech-20 selstromwiderstandes aufgrund der geschalteten Überbrückung der Kondensatoren angegeben.

In [4] werden geschaltete Kondensatoren zur Blindleistungskompensation im Zusammenhang mit einem Dreiphasengenerator eingesetzt, wobei im Gegensatz zur Erfindung die geschalteten Kondensatoren nicht überbrückt sondern zwischen den Ausgangsklemmen des mit fest instal-25 lierten Kondensatoren beschalteten Generators über eine Steuerschaltung mit dem Sternpunkt des Generators verbunden und wieder von diesem gelöst werden können.

In Abgrenzung zu [1]....[4] soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere der Fall angesprochen werden, bei welchem die Induktivität der mit dem geschalteten Kondensator in 30 Reihe betriebenen ohmsch-induktiven Impedanz in zwei Teile partitioniert ist, wobei der der Quellspannungsklemme zugewandten Teilinduktivität eine gesteuerte Quelle parallelgeschaltet ist und zu dieser Quelle in Reihe eine weitere ohmsch-induktive Impedanz vorhanden ist.

Die in Reihe mit dem geschalteten Kondensator betriebene ohmsch-induktive Impedanz mit 35 partitionierten Induktivitäten, deren Teilinduktivität eine gesteuerte Quelle in Reihe mit einer weiteren ohmsch-induktiven Impedanz parallelgeschaltet ist, tritt im spezifischen Fall einer Einphasen-Asynchronmaschine auch als jene Impedanz in Erscheinung. Gemäß eines Ausführungsbeispiels, wie es Anspruch 2 präzisiert, kann diese Impedanz an den Hilfsstrangklemmen einer Einphasen-Asynchronmaschine abgebildet sein, wenn die Hauptwicklung dieser Einpha-40 sen-Asynchronmaschine direkt an der Spannungsquelle des Wechselstromkreises angeschlossen ist.

Im Fall des oben beschriebenen Anschlusses des Hilfsstrangs in Reihe mit dem geschalteten Kondensator kann, gemäß Anspruch 3, die Einrichtung auch den Anlaufkondensator und Flieh-45 kraftschalter einer Einphasen-Asynchronmaschine ersetzen.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. so FIG.1 zeigt eine Einrichtung mit einem gesteuerten Schalter, welcher parallel zu einem Kondensator angebracht ist, und die in einem Subsystem zusammengefaßten restlichen Komponenten eines Wechselstromkreises an einer Wechselspannungsquelle, wobei der Zustand des Schalters von einer Stelleinrichtung determiniert wird und für den Zustand des Schalters die von der Stelleinrichtung erfaßten Größen Quellspannung und Spannung über dem Kondensator maß-55 gebend sind.

Claims (3)

1. 4 AT 414 298 B FIG.2 zeigt die Innenschaltung der in einem Subsystem zusammengefaßten restlichen Komponenten eines Wechselstromkreises, welche in Reihe mit dem geschaltenen Kondensator an der Wechselspannungsquelle liegen, wobei die Innenschaltung aus einer ohmsch-induktiven Impedanz mit partitionierter Induktivität besteht, deren Teilinduktivität einer gesteuerten Quelle in 5 Reihe mit einer weiteren ohmsch-induktiven Impedanz parallelgeschaltet ist. FIG.3 zeigt eine Stelleinrichtung, welche den Zustand des gesteuerten Schalters determiniert und welche die Größen Quellspannung und Spannung über dem Kondensator erfaßt, und auswertet. 10 Wie bei der Einrichtung in FIG.1 dargestellt, ist ein Kondensator (2), zu welchem ein gesteuerter Schalter (3) parallel angeordnet ist, einerseits über Klemme (1a) der Wechselspannungsquelle (1) verbunden, andererseits über Klemme (4a) mit einer in Subsystem (4) zusammenfaßten Impedanz. Diese Impedanz ist andererseits über Klemme (4b) mit Klemme (1b) der Wechsel- 15 spannungsquelle 1 verbunden. Die in Subsystem (4) zusammengefaßte und in FIG.2 dargestellte Impedanz besteht aus einer mit den Klemmen (4a) und (4b) verbundenen ohmsch-induktiven Impedanz (6), (7), (8), deren Induktivität in zwei Teilinduktivitäten (7) und (8) partitioniert ist, wobei der Teilinduktivität (8) eine 20 gesteuerte Spannungsquelle (11) in Reihe mit einer weiteren ohmsch-induktiven Impedanz (9), (10) parallelgeschaltet ist. Die Steuereinrichtung nach FIG.3 umfaßt einen O-Durchgangsdetektor 12 für die Quellspannung, wobei die Spannung an der Quelle (1) der Steuereinrichtung über die Klemmen (5a) und 25 (5b) zugeführt wird. Der O-Durchgangsdetektor (13) für die Spannung über dem Kondensator (2) (Spannung zwischen den Klemmen (1a) und (4a)) ist über die Klemmen (5c) und (5d) verbunden. Im Steuerelement (14) wird ein Schalter-Steuersignal generiert, welches über die Pufferstufe 30 (15) den Zustand des Schalters (3) determiniert. Die Generierung des Schalter-Steuersignals kann über verschiedene Wege erfolgen. Im folgenden soll ein Szenario beschrieben werden, bei welchem die Schalter-Steuersignal-Generierung zunächst auf spannungs-analogem Weg durchgeführt und schließlich der Soll-Zustand des Schalters (3) über ein FlipFlop vorgegeben wird: 35 Wenn das in (14) im beschriebenen Sinn zu generierende Schalter-Steuersignal z.B. mittels RS-FlipFlop erzeugt werden soll, kann das aus (13) resultierende O-Durchgangssignal den Schalterzustand „Schalter geschlossen“ durch Setzen des Flipflops veranlassen. 40 Von dem aus (12) resultierenden O-Durchgangssignal wird folgendermaßen ein zeitlich um t (mit 0<t<T/2, T—2tt/tüQueiispanming und t: konstant oder variabel) verschobenes Signal generiert: die erforderliche Verzögerung um die Zeit t kann z.B. mit Hilfe einer Rampe erfolgen, welche jeweils mit dem aus (12) resultierenden O-Durchgangssignal gestartet wird, und welche somit eine Rampendauer von T/2 aufweist. In diesem Fall kann die erwünschte Verzögerungszeit t durch 45 eine t-proportionale Spannung vorgegeben werden und das Erreichen dieser Spannung durch die Rampenspannung über einen Spannungskomparator signalisiert werden. Letzterer Vorgang kann zum Zurücksetzten des Flipflops eingesetzt werden, was zum Zustand „Schalter geöffnet“ führt. 50 Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Vergrößerung der wirksamen Kapazität eines Kondensators, der in Reihe mit einer ohmsch-induktiven Impedanz in einem Wechselstromkreis angeordnet ist, wobei 55 der Kondensator mit einem Schalter überbrückt ist, welcher über eine Stelleinrichtung in 5 AT 414 298 B Abhängigkeit der Phasenlage der an dieser Reihenschaltung anliegenden Quellenspannung geöffnet, und abhängig vom O-Durchgang der Spannung über dem Kondensator geschlossen wird, wobei die Stelleinrichtung das zum Schließen des Schalters benötigte Steuersignal über einen O-Durchgangsdetektor, welcher die Spannung über dem Konden-5 sator C überwacht, erzielt, und das zum Öffnen des Schalters benötigte Steuersignal über einen O-Durchgangsdetektor, welcher die Quellspannung überwacht und welchem ein Verzögerungsglied nachgesetzt ist, durch welches das Quellspannungs-O-Durchgangssignal um eine Zeit t (mit 0<t<T/2, T=2TT/u)QueiiSpannung) konstant oder variabel verschiebbar ist, erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, io daß die mit dem geschalteten Kondensator in Reihe liegende ohmsch-induktive Impedanz aus einem in Reihe liegenden Widerstand und einer in zwei Teile partitionierten Induktivität besteht, und dem der Quellspannungsklemme zugewandten Teil der Induktivität eine gesteuerte Quelle in Reihe mit einer weiteren ohmsch-induktiven Impedanz parallelgeschaltet ist. 15
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Fig.2 dargestellte ohmsch-induktive Impedanz mit Quelle an den Hilfsstrangklemmen einer Einphasen-Asynchronmaschine in Erscheinung tritt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschaltete Kon densator den Anlaufkondensator und Fliehkraftschalter einer Einphasen-Asynchronma-schine ersetzt. 25 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55