DE19606244A1

DE19606244A1 - Verfahren zur Vermeidung von Überströmen bei Verwendung von Kompensationskondensatoren in Blindleistungskompensationsreglern und Blindleistungskompensationsregler zur Durchführung desselben

Info

Publication number: DE19606244A1
Application number: DE1996106244
Authority: DE
Inventors: Robert Vogt
Original assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Current assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: DE19606244C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver meidung von Überströmen bei Verwendung von Kompensations kondensatoren in Blindleistungskompensationsreglern in einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz mittels ei ner diskreten Fourier-Transformation und einen Blindlei stungskompensationsregler zur Durchführung desselben.

Blindleistungskompensationsregler dienen zur Kompensation einer Phasenverschiebung zwischen einem Stromnetz und ei ner Netzspannung, um eine damit verbundene Blindleistung zu minimieren. Da eine Blindleistung meist in Motoren ent steht, die Spulen enthalten (induktive als positiv defi nierte Blindleistung), benutzt man zur Kompensation Kon densatoren, die möglichst gleichgroße kapazitive (negati ve) Blindleistung entnehmen. Es werden also Netzindukti vitäten mit Kapazitäten in Form von Kondensatoren parallel geschaltet. So entsteht ein Blindleistungskompensator für einen Drehstromanschluß im Prinzip aus drei Kondensator wickeln, die im Dreieck geschaltet und vakuumdicht nach außen verschlossen sind. Bei der herkömmlichen Blindlei stungskompensation wird vorausgesetzt, daß die Netzspan nung bzw. der -strom mit der Netzfrequenz oszilliert. Je doch werden durch den zunehmenden Einsatz von Stromrich tern, z. B. zur Drehfrequenzsteuerung von Motoren, Oberwel len in elektrischen Anlagen erzeugt und das Netz mit Blindleistung belastet. Da die Oberwellenströme auch im speisenden Netz fließen, rufen sie dort Spannungsabfälle hervor, welche die Netzspannung so stark verzerren können, daß bei Betriebsmitteln, die sinusförmige Spannungen für ihren Betrieb benötigen, Störungen und Fehlfunktionen aus gelöst oder gar Ausfälle herbeigeführt werden. Insbesonde re kann es beim Einsatz von Leistungskondensatoren zur Blindstromkompensation in Netzen mit stromrichtergespei sten Verbrauchern leicht zu Resonanzerscheinungen kommen. Störungen in Verteilungsanlagen durch Überstromauslösung oder Überschläge an Kontakten und Windungen können durch diese Resonanzerscheinungen verursacht werden. Die Leistungskondensatoren bilden mit dem Blindwiderstand des einspeisenden Transformators und den anderen Netzindukti vitäten einen Reihenschwingkreis. Fällt die Eigenfrequenz des Schwingkreises mit der Frequenz einzelner Oberwellen zusammen, so wird der Schwingkreis angeregt und die Ver teilungsanlage durch hohe Überströme überlastet. Da die Ströme auch über die zugeschalteten Kondensatoren fließen, können diese auch beschädigt oder sogar zerstört werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren und einen Blindleistungskompensations regler zur Verfügung zu stellen, mit denen derartige Netz rückwirkungen und damit verbundene Überströme in den zu geschalteten Kondensatoren erkannt, betragsmäßig genau bestimmt und in Abhängigkeit von den Werten nachfolgend abgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es die folgen den Schritte umfaßt:

(a) m-fache Bestimmung einer Netzfrequenz (Grundwellenfre quenz) f und nachfolgend Bildung eines Mittelwerts f_g;
(b) Erfassung und Speicherung von s diskreten äquidistan ten Meßwerten X_k für die Spannung, wobei und s als nicht durch eine von einer oder mehreren vorab festgelegten Ordnung(en) x einer Oberwelle multipliziert mit n teilbar gewählt ist;
(c) Berechnung des/der Anteils/Anteile der x-ten Oberwel le(n) gemäß: mit f_x = zu messende Frequenz;
(d) Berechnung eines Stromfaktors gemäß wobei
R kapazitiver Widerstand,
y niedrigste ausgewählte Ordnung,
z höchste ausgewählte Ordnung;
(e) Zumindest zeitweilige Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe des Blindleistungskompensationsreglers, wenn der berechnete Stromfaktor einen vorab festgelegten Grenzwert für den Stromfaktor während m aufeinanderfolgen den Messungen überschreitet.

Diese Aufgabe wird zudem dadurch gelöst, daß der Blindlei stungskompensationsregler eine Einrichtung zur Vermeidung von Überströmen in einem ein- oder mehrphasigen Wechsel stromnetz und/oder Wechselstromkondensatoren umfaßt, wobei die Einrichtung eine Einrichtung zur Erfassung von Meßwer ten für eine Spannung, einen Mikroprozessor, der eine Pro grammierung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, und eine Einrichtung für eine Auslösung einer zumindest zeitweiligen Abschaltung einer oder mehrerer Kondensatorstufe (n) des Blindleistungskom pensationsreglers umfaßt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, daß der Schritt (a) umfaßt:

(a-1) Erfassung von diskreten Meßwerten X_k für die Spannung und Bestimmung des zeitlichen Abstands zwischen zwei Span nungsnulldurchgängen sowie Kehrwertbildung des zeitlichen Abstands zur Bestimmung der jeweiligen Netzfrequenz f.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß der Schritt (a-1) um faßt:

(a-2) Tiefpaßfilterung des Spannungssignalverlaufs vor der Bestimmung des zeitlichen Abstands zwischen zwei Span nungsnulldurchgängen.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Stützstellenanzahl s eine Primzahl ist.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der/die Wert(e) für die Ordnung(en) x über eine Eingabeeinrichtung frei wählbar festgelegt wird/werden.

Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß der/die Wert(e) für die Ordnung(en) x durch Einlesen von fest vor gegebenen Werten festgelegt wird/werden.

Vorteilhafterweise umfaßt der Schritt (c):

(c-1) Einlesen von s vorab berechneten Werten:

(c-2) und Berechnung von Mess_x·fg gemäß

Außerdem kann vorgesehen sein, daß der Grenzwert für den Stromfaktor über eine Eingabeeinrichtung frei wählbar ein gegeben wird.

Ferner kann vorgesehen sein, daß m=1 gewählt ist.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß das Verfahren für alle Phasen des Wechselstromnetzes durchgeführt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Blindleistungskompensationsreg ler kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung eine Ein richtung zur Eingabe der Ordnung(en) x der/des zu berech nenden Oberwellenanteils/-anteile Mess_x·fg umfaßt.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Eingabeeinrichtung manuell bedienbar ist.

Günstigerweise kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung eine Einrichtung zur Eingabe des Grenzwerts für den Strom faktor umfaßt.

Dabei kann vorgesehen sein, daß die Eingabeeinrichtung manuell bedienbar ist.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung eine Ausgabeeinrichtung für den ermittelten Stromfaktor umfaßt.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die Ausgabeein richtung eine Anzeigeeinrichtung umfaßt.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die Einrichtung eine Alarmeinrichtung umfaßt.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch eine Netzanalyse gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Oberwellen qualitativ und quantitativ erkannt werden und in Abhängigkeit von dem ermittelten Stromfaktor eine Blindleistungskompensation immer dann verringert oder sogar vollständig abgeschaltet werden kann, wenn mit der Blindleistungskompensation Schädigungen des Netzes oder der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen zu erwarten bzw. damit verbunden sind.

Durch die wiederholte Überprüfung der momentanen Grundwel lenfrequenz f sowie Mittelwertbildung und die nachfolgend daran angepaßte Meßzeit T wird die Meßgenauigkeit für die Bestimmung der Oberwellenanteile erhöht. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Wahl der Anzahl von Stütz stellen s die diskrete Fourier-Transformation hinsichtlich ihrer Rechengenauigkelt optimiert.

Werden die Sin- und Cos-Werte gemäß einer besonderen Aus führungsform der Erfindung vorab berechnet und in Form einer Tabelle gespeichert, so kann die Rechenzeit für die Berechnung der Oberwellenanteile verringert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erfin dungsgemäße Verfahren ein Teil der Software eines Mikro prozessors in einem Blindleistungskompensationsregler und wird es ständig im Hintergrund durchgeführt. Als Grundlage für die Berechnungen dient das Signal am Meßspannungsein gang. Das Programm berechnet aus dem anstehenden Span nungssignal die Ströme in einem an diese Spannung ange schlossenen Kondensator. Berechnet wird der Effektivstrom und der Grundwellenstrom (50 Hz-Strom) im Kondensator. Der Unterschied zwischen den beiden Strömen entsteht durch Oberwellen (Harmonische) im Spannungssignal. Außer der 50 Hz-Schwingung sind je nach Netzbedingungen auch höher frequente Schwingungen in der Spannung vorhanden. Da der Kondensator für höhere Frequenzen niederohmiger ist, wird der Oberwellenanteil der Spannung im Kondensatorstrom noch verstärkt.

Der daraus berechnete (Über-)Stromfaktor

fließt dann in die Regelung des Blindleistungskompensa tionsregler ein.

Wird ein voreingestellter Grenzwert durch den (Über-)Stromfaktor überschritten, schaltet der Blindlei stungskompensationsregler einen Teil oder auch alle Stufen ab. Gleichzeitig wird ein Alarm ausgelöst und der Alarm kontakt schließt.

Durch dieses Verhalten werden zwei Dinge erreicht:

a) Der Kondensator wird vor einer Zerstörung durch Über ströme (Oberwellenstrom) geschützt.
b) Rückwirkungen auf die Spannung und ein damit verbunde nes Aufschaukeln der Oberwellen (Resonanzeffekt) wird un terdrückt.

Besonders der Resonanzeffekt kann in einem Netz großen Schaden anrichten, da an allen angeschlossenen Geräte die starken Oberwellen der Spannung anliegen.

Der Mikroprozessor führt ein Meßprogramm aus, das unter anderem eine Routine zur Erkennung von Oberwellenspannun gen und zur Bestimmung derer Oberwellenanteile wie folgt durchführt:

Die Messung des Spannungsverlaufs muß über ein ganzzahli ges Vielfaches der Periodendauer der kleinsten zu messen den Frequenz erfolgen. Im vorliegenden Fall entspricht die kleinste zu messende Frequenz der Netzfrequenz (Grundwel lenfrequenz) f, die normalerweise 50 Hz beträgt. Da jedoch Netzschwankungen auftreten können, wird die Meßzeit T an die aktuelle Netzfrequenz angepaßt, um somit die Meßgenau igkeit zu erhöhen. Dazu werden diskrete, äquidistante Meß werte X_k für die Spannung erfaßt, nachfolgend eine jeweili ge Grundwellenfrequenz f mittels der bekannten Nulldurch gangsbestimmung ermittelt und über zehn derartige Grund wellenfrequenzwerte f gemittelt, wodurch sich eine mitt lere Grundwellenfrequenz f_g ergibt. Diese mittlere Grund wellenfrequenz f_g dient zur Berechnung der Meßzeit T, die im vorliegenden Fall zwei Perioden umfaßt:

Da im vorliegenden Fall aufgrund der gerade bei diesen Frequenzen anzutreffenden Resonanzen die Oberwellenanteile der fünften, siebten, elften und dreizehnten Ordnung be stimmt werden sollen, wird gemäß dem vorliegenden erfin dungsgemäßen Verfahren abweichend von einer normalerweise verwendeten Stützstellenanzahl in Form von z. B. 2ⁿ eine Stützstellenanzahl s gewählt, die nicht durch die vorge nannten Ordnungen teilbar ist. Im vorliegenden Fall werden 251 Stützstellen verwendet.

Diese Auswahl der Stützstellenanzahl s liefert eine hohe Rechengenauigkeit. Dies liegt daran, daß bei der Berech nung einer beliebigen Oberwelle keine Wiederholung in den Tabellenwerten (s. unten) entsteht. Das heißt, wenn die abgelegte Tabelle beim Auslesen wiederholt wird, werden bei jedem Durchlauf andere Tabellenwerte benutzt, als bei den vorangegangenen Durchläufen. Das Ziel ist es, für jede Frequenzberechnung alle Tabellenwerte einmalig zu benut zen. Zum einen hat man dadurch keine periodische Wiederho lung der Tabellenwerte, aber auch die Meßwerte werden nicht periodisch vom Meßsignal abgenommen. Ein strobosko pischer Effekt wird dadurch vermieden.

Nachfolgend werden s diskrete, äquidistante Meßwerte X_k für die Spannung erfaßt, wobei

mit Δt = zeitl. Meßintervall

Der Anteil der x-ten Oberwelle ergibt sich wie folgt:

wobei

f_x = zu messende Frequenz.

Um Rechenzeit zu sparen, werden die Sin- und Cos-Werte nicht immer wieder neu berechnet, sondern in Form von Sin- und Cos-Tabellen in einem Speicher wie folgt abgelegt:

Um zu allen Meßwerten auch einen passenden Tabellenwert zu haben, müssen die abgelegten Tabellen beliebig mit sich selbst verlängert werden.

Die auszuwertenden Ordnungen x sind im Programm festge legt.

Wenn die Ordnungen der interessierenden Oberwellen noch nicht vor einem Meßzyklus festgelegt worden sind, sondern über eine Eingabeeinrichtung eingebbar sind, ist die Wahl einer Primzahl als Stützstellenanzahl s von Vorteil.

Der Blindleistungskompensationsregler ermittelt aus den Oberwellen der Spannung den Überstrom in den Kondensator stufen und schaltet bei Überlastung alle Kondensatorstufen ab. Dazu wird die Spannung der 50 Hz-Grundwelle und die der Oberwellen gemessen. Um auf den Kondensatorstrom schließen zu können, wird die folgende Formel eingesetzt:

mit f_g = 50 Hz.

Dieser Formel liegt zugrunde, daß sich ein Strom als Quo tient aus einer Spannung und einem Widerstand ergibt. Die Spannung ist bis auf einen Faktor, der rechnerisch oder meßtechnisch bestimmt werden kann, mit dem Wert Mess_x·gf, identisch ist. Weiterhin wird berücksichtigt, daß der Wi derstand einer Kapazität um den Faktor der Ordnung der Oberwelle verringert wird. Die obige Gleichung für den Stromfaktor beinhaltet also eine Gewichtung der Stroman teile. Der Stromfaktor gibt nun das Verhältnis zwischen dem Effektivstrom und dem 50 Hz-Strom in einem idealen Kondensator an. Der Blindleistungskompensationsregler überwacht ständig dieses Verhältnis und schaltet bei einer Überschreitung des vorgegebenen Grenzwertes von mehr als einer Minute alle Kondensatorstufen vom Netz, wodurch Schädigungen des Netzes oder der angeschlossenen elektri schen Einrichtungen vermieden werden.

Überströme können auch erkannt werden, wenn statt der Spannung ein Strom gemessen wird. Dann ist bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren die obengenannte Gewichtung nicht erforderlich.

Im Rahmen der Erfindung ist auch denkbar, eine Abschaltung einer oder mehrerer Kondensatorstufe(n) vorzunehmen, wenn nur ein Oberwellenanteil (d. h. eine Oberwelle x-ter Ord nung) einen für diesen Oberwellenanteil gewählten Grenz wert überschreitet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß, wenn nach Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe der Stromfaktor weiter ansteigt, eine weitere Kondensatorstufe ab- oder eine grö ßere Anzahl von Kondensatorstufen wieder zugeschaltet wird.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 Blindleistungskompensationsregler
12 Spannungswandler
14, 16 Temperaturfühler
17 Alarmkontakt
18 Display
20 Tasten

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung von Überströmen bei Verwendung von Kompensationskondensatoren in Blindleistungskompensa tionsreglern in einem ein- oder mehrphasigen Wechselstrom netz mittels einer diskreten Fourier-Transformation eines gemessenen zeitlichen Spannungsverlaufs, dadurch gekenn zeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

(a) m-fache Bestimmung einer Netzfrequenz (Grundwellenfre quenz) f und nachfolgend Bildung eines Mittelwerts f_g;
(b) Erfassung und Speicherung von s diskreten äquidistan ten Meßwerten X_k für die Spannung, wobei und s als nicht durch eine von einer oder mehreren vorab festgelegten Ordnung(en) x einer Oberwelle multipliziert mit n teilbar gewählt ist;
(c) Berechnung des/der Anteils/Anteile der x-ten Oberwel le(n) gemäß: mit f_x = zu messende Frequenz;
(d) Berechnung eines Stromfaktors gemäß wobei
R kapazitiver Widerstand,
y niedrigste ausgewählte Ordnung,
z höchste ausgewählte Ordnung;
(e) Zumindest zeitweilige Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe des Blindleistungskompensationsreglers, wenn der berechnete Stromfaktor einen vorab festgelegten Grenzwert für den Stromfaktor während m aufeinander folgen den Messungen überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) umfaßt:
(a-1) Erfassung von diskreten Meßwerten X_k für die Spannung und Bestimmung des zeitlichen Abstands zwischen zwei Span nungsnulldurchgängen sowie Kehrwertbildung des zeitlichen Abstands zur Bestimmung der jeweiligen Netzfrequenz f.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a-1) umfaßt:
(a-2) Tiefpaßfilterung des Spannungssignalverlaufs vor der Bestimmung des zeitlichen Abstands zwischen zwei Span nungsnulldurchgängen.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Stützstellenanzahl s eine Primzahl ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der/die Wert(e) für die Ord nung(en) x über eine Eingabeeinrichtung frei wählbar fest gelegt wird/werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Wert(e) für die Ordnung(en) x durch Einlesen von fest vorgegebenen Werten festgelegt wird/werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) umfaßt:
(c-1) Einlesen von s vorab berechneten Werten: (c-2) und Berechnung von Mess_x·fg gemäß

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Grenzwert für den Stromfak tor über eine Eingabeeinrichtung frei wählbar eingegeben wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß m=1 gewählt ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Verfahren für alle Phasen des Wechselstromnetzes durchgeführt wird.

11. Blindleistungskompensationsregler, dadurch gekenn zeichnet, daß er eine Einrichtung zur Vermeidung von Über strömen in einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz und/oder Wechselstromkondensatoren umfaßt, wobei die Ein richtung eine Einrichtung zur Erfassung von Meßwerten für eine Spannung, einen Mikroprozessor, der eine Programmie rung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 9 aufweist, und eine Einrichtung für eine Auslösung einer zumindest zeitweiligen Abschaltung einer oder mehrerer Kondensatorstufe(n) des Blindlei stungskompensationsreglers umfaßt.

12. Blindleistungskompensationsregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Einrich tung zur Eingabe der Ordnung(en) x der/des zu berechnenden Oberwellenanteils/-anteile Mess_x·fg umfaßt.

13. Blindleistungskompensationsregler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabeeinrichtung manuell bedienbar ist.

14. Blindleistungskompensationsregler nach einem der An sprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung eine Einrichtung zur Eingabe des Grenzwerts für den Stromfaktor umfaßt.

15. Blindleistungskompensationsregler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabeeinrichtung manuell bedienbar ist.

16. Blindleistungskompensationsregler nach einem der An sprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung eine Ausgabeeinrichtung für den ermittelten Stromfaktor umfaßt.

17. Blindleistungskompensationsregler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung umfaßt.

18. Blindleistungskompensationsregler nach einem der An sprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein richtung eine Alarmeinrichtung umfaßt.