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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last an einer Wechselspannungs-Versorgung.
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Es ist bekannt, eine Last, welche gebildet ist, aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher an einem Wechselspannungs-Versorgungsnetz zu betreiben. Ferner ist bekannt, dass die Blindanteile, auch reaktive Komponenten genannt, des Verbrauchers bzw. des Leistungstransformators durch Zuschalten eines parallel zur Last angeordneten Kompensationselements kompensiert werden können. Grundgedanke der Blindleistungskompensation ist nämlich, dass der von der Last benötigte Blindleistungsanteil nicht durch den Netzversorger zur Verfügung gestellt werden muss – was die Netzleitungen höher belasten würde – sondern, dass diese Blindleistung zwischen Last und Kompensationselement praktisch nur auf der Verbraucherseite hin- und herpendelt.
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Nachteil bekannter Anordnungen zur Blindleistungskompensation ist, dass diese nicht oder nur unzureichend in der Lage sind, auf Änderungen des Blindleistungsbedarfs der Last zu reagieren. Mit anderen Worten: Die Kompensation der Blindleistung wird nur für einen stationären Betriebszustand der Last ausgelegt, die Kompensation an sich ist somit statisch. Üblicherweise wird hierbei ein cos φ von 0,85 bis 0,95 angestrebt. Kompensationselement und Last bilden einen Parallelschwingkreis und sind hierbei nahezu in Resonanz.
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Ziel der Erfindung ist es, die Gesamteffizienz der Schaltungsanordnung zu erhöhen bzw. eine optimale Stromeinsparung zu erreichen und die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Last möglichst effizient betrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist hierzu eine zweite Last vorgesehen. Diese Last ist gebildet aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Wesentlich ist hierbei, dass die zweite Last derart mit der ersten Last verschaltet ist, dass die beiden Lasten in Serie miteinander verbunden sind, und dass ebenso wie bei der ersten Last parallel zur jeweiligen Last ein Kompensationskondensator angeordnet ist.
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Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass eine Steigerung der Effizienz der Gesamtanordnung dadurch erreicht werden kann. Bei den Versuchen der Anmelderin war die Primärwicklung in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet und die Sekundärwicklung mit einem RC-Glied, also mit einem ohmschen Widerstand und einer Kapazität belastet. Alternativ kann der Widerstand des RC-Glieds auch durch einen Elektromotor ersetzt werden.
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Ferner haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die angeschlossene Last nicht mit ihrer Nennleistung betrieben wird, sondern mit deutlich geringeren Werten. Insbesondere bei Verwendung eines Leistungstransformators hat sich gezeigt, dass die Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die Leerlaufleistung bei etwa 10% der Nennleistung liegt. Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass gegenüber der Stromaufnahme aus dem Netz ein betragsmäßig zehnfach erhöhter Strom zwischen Kompensationskondensator und Last, also innerhalb des Reaktors, fließt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Serienschaltung der Lasten dadurch realisiert, dass die beiden Primärwicklungen der beiden Leistungstransformatoren in Serie zueinander geschaltet sind.
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Es ist möglich, den ersten Kompensationskondensator parallel zur Primärwicklung des ersten Leistungstransformators und der zweite Kompensationskondensator parallel zur zweiten Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators zu schalten. Bevorzugt aber ist der erste Kompensationskondensator parallel zur Sekundärwicklung des ersten Leistungstransformators und der zweite Kompensationskondensator parallel zur zweiten Sekundärwicklung des zweiten Leistungskompensators geschaltet.
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Besonders hohe Effizienz wird erreicht, wenn die Kapazität des ersten Kompensationskondensators so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der ersten Last in Stromresonanz mit dem ersten Kompensationskondensator ist, und wenn die Kapazität des zweiten Kompensationskondensators so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der zweiten Last in Stromresonanz mit dem zweiten Kompensationskondensator ist. Versuche der Anmelderin haben nämlich gezeigt, dass sich in diesem Fall Spannungsresonanz über die Serienschaltung der beiden Lasten einstellt. Es stellt sich folglich eine doppelte Resonanz ein. Erfindungsgemäß befinden sich somit die erste Last und die zweite Last in Stromresonanz, wobei diese beiden Stromresonanzen durch die Spannungsresonanz der Serienschaltung miteinander verkoppelt sind.
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Hierdurch tritt der überraschende Effekt auf, dass die Stromresonanz im ersten bzw. im zweiten Lastkreis selbst dann erhalten bleibt, wenn die Last verändert wird. Beispielsweise haben Versuche gezeigt, dass ein Elektromotor, der als elektrischer Verbraucher angeschlossen wurde, bis auf eine Drehzahl von Null gebremst werden kann, ohne dass die Stromresonanz verschwindet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität des zweiten Kompensationskondensators so angepasst, dass die Eingangsspannung an der Primärwicklung des ersten Leistungstransformators der Nennspannung des Wechselspannungs-Versorgungsnetzes entspricht.
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Der erste und der zweite Leistungstransformator können die gleiche Nennleistung aufweisen, und im magnetischen Kreis des ersten und des zweiten Leistungstransformators kann jeweils ein Luftspalt angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf zwei Leistungstransformatoren oder zwei Lasten, sondern es kann auch eine größere Anzahl vorgesehen sein. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass die weiteren Lasten in Serie zur ersten und zweiten Last angeordnet sind. Jede der weiteren Lasten muss hierbei aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher gebildet sein und jeder weiteren Last muss ein Kompensationskondensator parallel geschaltet sein.
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Es sei hier vermerkt, dass unter Betrieb bei Resonanz nicht nur Betriebszustände zu verstehen sind, die bei exakter Resonanz vorliegen, sondern auch Betriebszustände, die nur nahe an der Resonanz liegen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist geeignet für eine Last, die aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung gebildet ist, mit wenigstens einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise Elektromotoren oder Glühlampen.
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Um einen an sich kritischen Betriebszustand zu beherrschen, kann vorzugsweise eine Rückkopplungskette vorgesehen sein, die einen Steuerstrom einem weiteren reaktiven Schaltungselement zuführt. Hierdurch ist es außerdem möglich, die Stromaufnahme der Last aus dem Versorgungsnetz zu reduzieren, insbesondere zu regulieren. Auf diese Weise kann ein Reaktor zur elektromagnetischen Verbrauchsoptimierung geschaffen werden. Die Effizienz der Schaltungsanordnung ist besonders erhöht, wenn die angeschlossene Last mit deutlich geringeren Werten als mit ihrer Nennleistung betrieben wird.
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Um eine verbesserte Blindleistungskompensation zu erreichen, kann bei konstanter Frequenz der Versorgungsspannung bevorzugt die Größe des Blindwiderstandes des Kompensationskondensators gleich groß oder nahezu gleich groß sein wie die Größe des Blindwiderstandes der Last, wobei bei lastbedingten Änderungen des Scheinwiderstandes der Last der Steuerstrom derart auf das weitere Schaltungselement wirkt, dass die Parallelschaltung aus Last und einem weiteren Schaltungselement einen Blindwiderstand aufweist, der hinsichtlich seines Betrages dem Kompensationskondensator entspricht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient ein Stromtransformator der Auskopplung des Steuerstroms. Dieser Stromtransformator kann im Lastkreis angeordnet sein. Der Stromtransformator kann so ausgelegt sein, dass ein linearer und phasenrichtiger Zusammenhang zwischen dem primärseitig fließenden Strom und der durch diesen primärseitigen Strom induzierten Spannung auf der Sekundärseite gegeben ist. Bei der Auslegung des Stromtransformators kann darauf geachtet werden, dass der magnetische Kern durch den vorgesehenen primärseitigen Nennstrom nicht in die Sättigung gelangt.
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Das weitere Schaltungselement ist beispielsweise eine Drossel mit auf einem gemeinsamen magnetischen Kern gegensinnig angeordneten Spulen, wobei die primäre Spule parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist und die sekundäre Spule mit dem Steuerstrom beaufschlagt ist.
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In einer besonders effizienten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Schaltungselement durch zwei Drosseln gebildet, deren primäre Spulen zueinander in Serie geschaltet sind. Die Serienschaltung der primären Spulen ist wiederum parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet. Auch die sekundären Spulen sind in Serie geschaltet und werden somit vom selben Steuerstrom durchflossen. Um mehr magnetische Energie speichern zu können, weisen die Kerne der Drosseln bevorzugt einen Luftspalt auf.
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Um die angesprochene Effizienz noch weiter zu steigern, kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Anordnung der sekundären Spulen an der Drossel so gewählt sein, dass die durch den Steuerstrom in den sekundären Spulen induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie dem Stromfluß in der primären Spule der Drossel entgegenwirkt.
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Beide zuvor genannten Maßnahmen können dazu führen, dass die durch das weitere Schaltungselement verbrauchte Verlustleistung minimiert werden kann, weil der Stromfluß in der bzw. in den primären Spulen möglichst klein gehalten werden kann.
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Ausgangsseitig kann an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, angeschlossen werden, der wiederum ausgangsseitig mit einem Stellwiderstand verbunden sein kann. Über diesen Stellwiderstand kann die gleichgerichtete, pulsierende Ausgangsspannung der sekundären Spule der wenigstens einen Drossel zugeführt werden. Damit kann der Stellwiderstand der Anpassung und Stabilisierung des Arbeitspunktes der Kompensation dienen.
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Es sei außerdem noch darauf hingewiesen, dass alle in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendeten Transformatoren als Spartransformatoren ausgeführt sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
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2 eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
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Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung wird mit den Eingangsklemmen an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen und mit einer Eingangswechselspannung UE versorgt. Parallel zu den Eingangsklemmen ist ein erster Kompensationskondensator C11 geschaltet, der somit mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist. Wiederum parallel zum ersten Kompensationskondensator C11 liegt die Primärwicklung eines ersten Leistungstransformators LTr1, welche von einem Strom I1 durchflossen wird. In Serie zur Primärwicklung des ersten Leistungstransformators LTr1 liegt die Primärwicklung eines zweiten Leistungstransformators LTr2. An deren Eingangsklemmen ist ein weiterer erster Kompensationskondensator C12 geschaltet, der somit parallel zur Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators LTr2 liegt.
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Die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LRr1 sind mit dem elektrischen Verbraucher – hier symbolisch nur als Widerstand Rk dargestellt – verbunden. An den Ausgangsklemmen des Leistungstransformators LTr1 liegt somit eine Ausgangswechselspannung an. Der Ausgangskreis des Leistungstransformators LTr1 ist gebildet aus der Sekundärwicklung und der eigentlichen Last. Festzuhalten ist noch, dass der Leistungstransformator LTr1 insbesondere dann, wenn er einen Luftspalt aufweist, in der Lage ist, als eine Art Speicherdrossel zu fungieren. Er kann damit den induktiven Teil des Stromresonanzkreises der ersten Last bilden. Parallel zur Sekundärwicklung des ersten Leistungstransformators LTr1 liegt ein weiterer, nämlich der zweite Kompensationskondensator C21 des Leistungstransformators LTr1. Dieser Kompensator C21 ist zusammen mit dem induktiven Anteil des Leistungstransformators LTr1 und gegebenenfalls dem induktiven Anteil des Verbrauchers Rk maßgebend für die Stromresonanz.
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Die Sekundärseite des Leistungstransformators LTr2 ist gleichartig wie beim Leistungstransformator LTr1 aufgebaut. Der elektrische Verbraucher ist auch hier lediglich symbolisch durch einen Widerstand RB dargestellt Der Kondensator C22, der hinsichtlich seiner Funktion und Anordnung dem Kondensator C21 entspricht, ist zusammen mit dem induktiven Anteil des Leistungstransformators LTr2 und gegebenenfalls dem induktiven Anteil des Verbrauchers RB maßgebend für die Stromresonanz.
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Die Anmelderin hat Versuche mit dieser Schaltungsanordnung durchgeführt. In der 1 sind Messpunkte gezeigt, die im Folgenden erläutert werden. Außerdem ist festzuhalten, dass die in Serie zu den Kondensatoren C11, C12, C21 und C22 angeordneten Schalter lediglich den Versuchsaufbau wiedergeben und für die eigentliche Erfindung ohne Bedeutung sind.
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Der Messpunkt 1 erfasst die Spannung an der Primärwicklung des ersten Leistungstransformators LTr1 Messpunkt 2 erfasst die Eingangsspannung der Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators LTr2 und Messpunkt 3 die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr2.
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Im Folgenden werden zwei Versuchsaufbauten und deren Ergebnis wiedergegeben, wobei festzuhalten ist, dass die den Kondensatoren C11 und C12 zugeordneten Schalter geöffnet und die den Kondensatoren C21 und C22 zugeordneten Schalter geschlossen waren.
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Im ersten Versuch wurden zwei Trafos 86 VA (Eingang 230 V–Ausgang 239 V) verwendet. Die Primärwicklung dieser Trafos wurden seriell zueinander geschaltet und getrennt konfiguriert.
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Die Wechselspannung wurde einem 230 V-Netz entnommen.
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Zuerst wurde beim ersten Leistungstransformator der Hauptantrieb derart angepasst, dass sich eine Stromresonanz im Sekundärkreis mit einem Motor mit 230 V und 0,125 A und einer Lampe 9 Watt in Verbindung mit dem Kondensator C21 einstellt. Es wurde der bestmögliche Wirkungsgrad eingestellt, d. h. ein minimaler Stromverbrauch bei Nominalbelastung. Dies wurde erreicht mit 0,5 μF für den Kondensator C21 bei einem Stromverbrauch von 0,15 A. Versuche haben gezeigt, dass die Resonanz erwartungsgemäß verschwindet, wenn der Motor belastet wird. Im zweiten Schritt wurde ein zweiter Trafo 86 VA seriell an die erste Gruppe angeschlossen, wobei parallel an der zweiten Wicklung der gleiche Motor angeschlossen wurde.
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Die Spannung verteilte sich wie üblich bei Serienschaltung. Jeder Trafo wurde mit ca. 115 V versorgt. Danach wurde auch im Sekundärkreis des zweiten Trafos Resonanz durch Anpassen des Kondensators C22 erzeugt, wobei der Kondensator C22 noch weiter angepasst, also verstellt wurde, obwohl sich die Resonanz bereits eingestellt hatte. Es konnte damit erreicht werden, dass am ersten Trafo ca 230 V Eingangsspannung anlagen, die Stromresonanz blieb in beiden Sekundärkreisen erhalten. Bei dem zweiten Trafo lag eine Eingangsspannung von 80 V an. Der Strom blieb gleich bei 0,15 A. Hier war eine 7,3 μF-Kondensatorengruppe als Kondensator C22 eingebaut. Danach wurden sowohl der erste als auch der zweite Motor belastet, indem man sie langsam abbremste, sogar bis zum Stillstand. Beim Abbremsen bzw. Belasten des Hauptmotors fiel die Spannung am belasteten Motor auf 220 V, der Strom geht hoch auf 0,155 A. Am anderen Trafo ging die Spannung automatisch um 10 V hoch auf 90 V. In Summe betrug die Spannung immer 310 V.
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Beim zweiten Versuch wurden 500 VA Trafos und 140 W Motoren verwendet. Nach Anpassung der beiden Trafos lagen dort 180 V bzw. 170 V als Eingangsspannung an den Primärwicklungen. Die Spannung im Serienresonanzkreis blieb konstant bei 370 V. Bei Belastung der Motoren trat der gleiche Effekt wie zuvor auf, die Stromresonanzen blieben bestehen. Auch die Zuschaltung eines dritten Trafos mit 100 VA Trafos und Glühbirnen als elektrischen Verbrauchern war insofern erfolgreich, als dass sich gezeigt hat, dass eine einmal eingestellte Resonanz unabhängig von der Belastung erhalten blieb. Das heißt, es stellt sich eine überlagerte Spannungsresonanz ein, wenn in mindestens zwei seriell miteinander verschalteten Gruppen Stromresonanzen erzeugt werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann beispielsweise in Elektroautos Anwendung finden. In diesem Fall wird die Wechselspannungs-Versorgung gebildet aus einer Gleichspannungsquelle oder einem Akkumulator, deren/dessen Gleichspannung in einem Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt wird.
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Die 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der eine Rückkopplungskette vorgesehen ist. Die Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr weist eine Anzapfung auf, welche einen Wicklungsabschnitt bildet. Die Sekundärwicklung und der Wicklungsabschnitt stellen einen Spartransformator dar. Der Leistungstransformator hat in seinem Eisen- und Ferritkern einen Luftspalt.
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Die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr2 sind mit der eigentlichen Last RB verbunden. An den Ausgangsklemmen des Leistungstransformators LTr2 liegt somit die Ausgangswechselspannung UA an. Im Ausgangskreis des Leistungstransformators, welcher aus der Sekundärwicklung und der eigentlichen Last gebildet ist, befindet sich des Weiteren ein Stromtransformator StTr, dessen Primärwicklung vom Laststrom IL durchflossen wird.
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Dieser Strom IL induziert in der Sekundärwicklung des Stromtransformators StTr eine Spannung, welche zusammen mit der Spannung, welche am Wicklungsabschnitt des Leistungstransformators LTr2 abgegriffen wird, die Eingangsspannung für einen Gleichrichter GL bildet. Der Gleichrichter GL, welcher als Brückengleichrichter ausgeführt ist und somit eine pulsierende Gleichspannung liefert, ist über einen Stellwiderstand R mit sekundären Spulen S12, S22 zweier Drosseln Dr1 und Dr2 verbunden Diese sekundären Spulen S12, S22 der Drosseln Dr1 und Dr2 werden von einem Steuerstrom ISt durchflossen.
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Die primären Spulen S11, S21 der beiden Drosseln Dr1 und Dr2 sind zueinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung dieser beiden Drosseln Dr1 und Dr2 wiederum parallel zum Kompensationskondensator C und zur Primärwicklung des Leistungstransformators LTr2 geschaltet ist. In diesen beiden primären Spulen S11, S21 der Drosseln Dr1 und Dr2 fließt der Strom I1. Beide Drosseln Dr1 und Dr2 haben zwei Spulen S11, S12, S21, S22, welche jeweils auf einem gemeinsamen magnetischen Kern aus Eisen oder Ferrit angeordnet sind. Um die magnetische Energie gut speichern zu können und zu verhindern, dass die Drosseln Dr1 und Dr2 in Sättigung kommen, weisen die Kerne jeweils einen Luftspalt auf.
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Wichtig ist nun, dass die sekundären Spulen S12, S22 einen Wicklungssinn aufweisen, der dazu führt, dass das durch den pulsierenden Gleichstrom induzierte magnetische Feld dem magnetischen Feld, welches durch den Strom I1 in den primären Spulen S11, S21 verursacht wird, entgegenwirkt. Hierbei ist dies für die Drossel Dr2 dann der Fall, wenn die primäre Spule S21 von einem Strom durchflossen ist, der sich als negative Halbwelle darstellen lässt oder anders ausgedrückt, wenn dessen Stromrichtung entgegen der Pfeilrichtung von I1 gerichtet ist. Die Spule S22 ist so angeschlossen, dass der Steuerstrom ISt eine Spannung in der Spule S21 induziert, welche dem über dieser Spule anliegenden Netzspannungsanteil während eines Halbwellenpulses entgegenwirkt. Während der positiven Halbwelle des Stromes I1 tritt dieser regelnde Effekt in der Drossel Dr1 auf. Somit ist eine Regelstrecke bzw. eine Rückkopplungskette geschaffen, die dafür sorgt, dass über die primären Spulen S12, S21 immer ein Strom in einer Größe fließt, dass dieser der Verstimmung des aus Last RB in Verbindung mit dem Leistungstransformator LTr2 und Kompensationskondensator C gebildeten Parallelschwingkreis infolge von Laständerungen entgegenwirkt.
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Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Last RB über den Leistungstransformator LTr2 an das Versorgungsnetz angeschlossen. Sofern die Last induktive Komponenten enthält, kann diese auch ohne Zwischenschaltung eines Leistungstransformators angeschlossen werden. Dies ist insbesondere bei Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen der Fall. Festzuhalten ist noch, dass im Leerlauffalle der Leistungstransformator LTr2 aufgrund seines Luftspaltes in der Lage ist, als eine Art Speicherdrossel zu fungieren. Er bildet damit im Leerlauf den induktiven Teil des Resonanzkreises.
