DE2513168C3 - Einrichtung zur Blindleistungskompensation in einem Drehstromnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung in einem Drehstromnetz mit einem Umrichter, der einen eingangsseitig an das Drehstromnetz angeschlossenen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen selbstgeführten Wechselrichter umfaßt, der ausgangsseitig über Induktivitäten an das Drehstromnetz angeschlossen ist. Eine derartige Einrichtung ist bekannt aus ETZ-A Band 94 (1973), Heft !,Seite 53.

Ein netzgeführter, kurzgeschlossener Stromrichter mit zünd- und löschbaren Ventilzweigen kann bei einer Zündverzögerung von annähernd +90° el als induktive Blindlast und bei einem vorverlegten Zündzeitpunkt von annähernd -90° el als kapazitive Blindlast arbeiten. Beim Übergang zwischen induktiver und kapazitiver Blindlast und umgekehrt müßte der gesamte Zündwinkelbereich zwischen den beiden genannten Grenzzündwinkeln stetig durchfahren werden. Dies isi jedoch im Kurzschlußbetrieb nicht möglich, so daß ein derartiger Stromrichter keinen universellen Blindlast-Stromrichter darstellt.

Bei einer bekannten Einrichtung der eingangs genannten Art wird ein selbstgeführter Stromrichter mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist und als Wechselrichter mit Netzfrequenz getaktet. Der selbstgeführte Stromrichter ist mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen. Den eingeprägten Gleichstrom liefert ein netzgeführter gesteuerter Stromrichter. Zur Änderung des eingeprägten Gleich Stroms steht der gesamte Steuerbereich des gesteuerten Gleichrichters zur Verfügung. Die zeitliche Lage der Wechselrichter-Steuerimpulse läßt sich nahezu trägheitsios verstellen. Bei der bekannten Einrichtung ist jedoch bei der Kompensation von Blindlaststößen die Zeitkonstante des Gleichstromzwischenkreises nachteilig, die keine schnellen Stromänderongen zuläßt Ferner bedeutet die Verwendung von zwei gesteuerten Stromrichtern samt ihren Steuereinrichtungen einer: hohen Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell verwendbare Einrichtung zur Kompensation

ίο von Blindleistung in Drehstromnetzen zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und einen besonders schnellen Übergang zwischen induktiver und kapazitiver Blindlast ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gleichrichter als ungesteuerter Gleichrichter und der Zwischenkreis als Gleichspannungszwischenkreis mit einem Kondensator zur Erzeugung einer eingeprägten Gleichspannung ausgebildet ist und daß der selbstgeführte Wechselrichter durch ein Pulsbreitenmodulationsverfahren derart gesteuert ist, daß die Grundschwingung der gepulsten Ausgangsspannung des Wechselrichters zur Netzspannung gegenphasig liegt und die Amplitude dieser Grundschwingung durch Beeinflussung des Pulsbreitenwinkels veränderbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung ist lediglich der Wechselrichter als gesteuerter Stromrichter ausgeführt. Der selbstgeführte Wechselrichter wird durch ein Pulsbreitenmodulationsverfahren so gesteuert, daß die Amplitude der Grundschwingung seiner Ausgangsspannung größer oder kleiner als die Amplitude der Netzschwingung gestellt werden kann. Je nach der Zeigerlage der Ströme, die von der Differenz der Grundschwingung der Wechselrichterausgangsspannung und der Netzspannung über die Induktivitäten getrieben werden, über die der Wechselrichter ausgangsseitig an das Netz angeschlossen ist, erzeugt die Einrichtung entweder kapazitive oder induktive Blindleistung. Der Übergang zwischen kapazitiver und induktiver Blindleistung — und umgekehrt — kann stetig erfolgen. Besonders vorteilhaft ist, daß die Einrichtung, abgesehen von den unvermeidlichen Verlusten in den Bauelementen und Verbindungsleitungen, ohne Aufnahme von Wirkleistung aus dem Netz arbeitet. Die unvermeidlichen Verluste der Bauelemente und Verbindungsleitungen werden vom Gleichrichter gedeckt.

Da die Spannungspulse des nach einem Pulsbreitenmodulationsverfahren gesteuerten Wechselrichters eine der eingeprägten Zwischenkreisspannung entsprechende Amplitude aufweisen und diese Amplitude nicht geändert wird, kann der Gleichrichter als ungesteuerter Gleichrichter ausgebildet sein. Der Kondensator im Gleichspannungszwischenkreis stellt eine eingeprägte Gleichspannung sicher. Bei Anlagen größerer Leistung können an einen Kondensator mehrere parallelgeschaltete, durch Stromrichtertransformatoren vom Netz entkoppelte Wechselrichter angeschlossen werden. Beispielsweise sind zwölfpulsige Gesamtanordnungen möglich.

Die Höhe der eingeprägten Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis wird bei einem vorgegebenen Anwendungsfall in Abhängigkeit vom gewünschten Verhältnis von kapazitiver und induktiver Blindleistung eingestelh. Wenn beispielsweise gleiche Werte für induktive und kapazitive Blindleistung gefordert sind, soll der Wert der Gleichspannung etwa gleich dem doppelten Scheitelwert der Netzspannung sein.

Beim Pulsmodulationsverfahren für selbstgeführte Wechselrichter begrenzen wirtschaftliche Gesichtspunkte die Pulsfrequenz auf einige 100 Hz. Damit wird auch eine Modulation auf einen möglichst hohen Grundschwingungsgehalt der Ausgangsspannung des selbstgeführten Wechselrichters begrenzt. Als bevorzugte Lösung wird eine Pulsfrequenz zngesehen, die der 6fachen Netzfrequenz entspricht, also eine Pulsfrequenz 300 Hz bei Betrieb am 50-Hz-Netz. Die Spannungspulse mit der durch die Gleichspannung vorgegebenen Höhe liegen symmetrisch zu Abständen ±π/3 von den Nulldurchgängen der Netzspannung und der Grundschwingung, so daß je Halbschwingung zwei Pulse gleicher Dauer vorhanden sind. Deren Pulsbreitenwinkel wird vorzugsweise von einem Regler gesteuert, der einen vorgegebenen Blindleistungssollwert mit einem Blindleistungsistwert im Netz vergleicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Blindleistungskompensation für ein Drehstromnetz,

F i g. 2 Diagramme zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise,

Fig. 3 Diagramme zur Erläuterung der Pulsbreitenmodulation.

Bei der in F i g. 1 dargestellten EinrichtL ig zur Blindleistungskompensation in einem Drehstromnetz R, S, Tmit der Netzspannung um ist eine Kondensatoranlage 3 vorgesehen, die beispielsweise als Filterkreise für die Oberschwingungen 5. und 7. Ordnung ausgebildet sein kann. Die Kondensatoranlage 3 ist auf einen mittleren Wert der zu kompensierenden Blindleistung ausgelegt. Die Blindleisiungsschwankungen werden von einer Stromrichteranordnung übernommen, die über einen Stromrichtertransformator 4 an das Netz angeschlossen ist. Die Stromrichteranordnung besteht aus einem ungesteuerten Gleichrichter 1, einem Gleichspannungszwischenkreis mit einer Glättungsdrossel 5 und einem Kondensator 6 und aus einem selbstgeführten Wechselrichter 2. Die eingeprägte Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis ist mit Ud bezeichnet. Der Wechselrichter 2 ist ausgangsseitig über Induktivitäten L und den Stromrichtertransformator 4 an das Drehstromnetz angeschlossen.

Der Wechselrichter 2 wird von einem Steuersatz 10 nach einem speziellen Pulsbreitenmodulationsverfahren gesteuert, das anhand der Fig. 2 und 3 später näher erläutert wird. Um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu wahren, ist nur ein Ausgang des Steuersatzes 10 zu einem Steuereingang eines gesteuerten Ventilzweiges des Wechselrichters 2 eingezeichnet. Die Pulsbreitensteuerung ist in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Reglers 7 gebracht. Dem Regler 7 wird eingangsseitig eine Regeldifferenz zugeführt, die aus einem Blindleistungssollwert Pb* von einem Sollwertgeber 8 und einem Blindleistungsistwert Pb von einer Erfassungsstufe 9 für die Blindleistung im Netz gebildet wird. Als Blindleistungssollwert wird vorzugsweise eine Blindlast Null vorgesehen sein.

Die Wirkungsweise der erfindur.gsgemäßen Einrichtung wird anhand von F i g. 2 erläutert, bei der die 6fache Netzfrequenz als Pulsfrequenz verwendet wird.

F i g. 2a zeigt eine Halbschwingung einer Periode der Netzspannung us-

ίο Fig. 2b zeigt die Ausgangsspannung t/w/des Wechselrichters 2, wenn die gesamte Stromrichteranordnung als kapazitive Blindlast wirkt. Im Bereich einer Halbschwingung der Netzspannung um weist die Wechselrichierausgangsspannung zwei Spannungspulse auf, deren Pulsbreitenwinkel mit 2όι und deren Amplitude 1 mit Ud bezeichnet ist. Man kann diesen Spannungsverlauf in eine Grundschwingung und Oberschwingungen zerlegen. Die Grundschwingung ist gestrichelt eingezeichnet, ihre Amplitude ist größer als die Amplitude der Netzschwingung. Die Differenz beider hat durch die Induktivitäten L Ströme zur Folge, die für das Netz als kapazitive Blindlast wirken.

in Fig. 2c sind Spannungspulse mit einem geringeren Pulsbreitenwinkel 2 O₂ dargestellt. Die Amplitude der Grundschwingung entspricht der Amplitude der Netzschwingung. Daher arbeitet die Stromrichteranordnung in Fig. 2c mit einer Blindleistung Null, weil die Differenz beider Spannungen in den Induktivitäten L keine Ströme zur Folge hat.

In Fig. 2d hat sich der Pulsbreitenwinkel 2 O3 weiter verkleinert. Die Amplitude der gestrichelt eingezeichneten Grundschwingung ist jetzt kleiner als die Amplitude der Netzschwingung. Die Stromrichteranordnung arbeitet hier als induktive Blindlast.

Beim beschriebenen Pulsmodulationsverfahren wird lediglich der Pulsbreitenwinkel 2 <5 geändert. Diese Art des Pulsens hat im Netzstrom nur Oberschwingungen 5., 7., 11., 13. usw. Ordnung zur Folge; diese Oberschwingungen werden durch die Kondensatoranlage 3 kurzgeschlossen, so daß sie nicht in das Netz fließen können.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung des beschriebenen Pulsbreitenmodulationsverfahrens. In Fig. 3a und 3b sind zwei gegenphasige symmetrische Dreieckspannungen dargestellt, deren Frequenz die 3fache Netzfrequenz ist. Die beiden Dreieckspannungen werden mit rechteckförmigen Referenzspannungen verglichen, die gegeneinander phasenverschoben sind. Aus den Schnittpunkten der Dreieckspannungen mit den Rechteckspannungen werden die in den F i g. 3c und 3d dargestellten Signale gewonnen, die zur Steuerung des Wechselrichters dienen. Die Ausgangsspannung des derartig gesteuerten Wechselrichters ist in Fig. 3e dargestellt. Sie weist in jeder Halbschwingung der Netzspannung zwei Pulse von gleicher Dauer auf. Durch Veränderung der Höhe der Rechteckspannungen kann der Pulsbreitenwinkel dieser Pulse geändert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kompensation von Blindleistung in einem Drehstromnetz mit einem Umrichter, der einen eingangsseitig an das Drehsiromnetz angeschlossenen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen selbstgeführten Wechselrichter umfaßt, der ausgangsseitig über Induktivitäten an das Drehstromnetz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als ungesteuerter Gleichrichter (1) und der Zwischenkreis als Gleichspannungszwischenkreis mit einem Kondensator (6) zur Erzeugung einer eingeprägten Gleichspannung (Ud) ausgebildet ist und daß der selbstgeführte Wechselrichter (2) durch ein Pulsbreitenmodulationsverfahren derart gesteuert ist, daß die Grundschwingung der gepulsten Ausgangsspannung (Uw) des Wechselrichters (2) zur Netzspannung (Us) gegenphasig liegt und die Amplitude dieser Grundschwingung durch Beeinflussung des Pulsbreitenwinkels (20) veränderbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulsfrequenz die sechsfache Netzfrequenz gewählt ist, daß die Spannungspulse symmetrisch zu Abständen von ±π/3 von den Nulldurchgängen der Gnindschwingung liegen und daß der Pulsbreitenwinkel (2<5) in Abhängigkeit vom Ausgangssignai eines Reglers (7) gesteuert wird, der einen vorgegebenen Blindlast-Sollwert (Pb*) mit einem Istwert (Pb) der Blindlast des Drehstromnetzes vergleicht.