DE2627293B2

DE2627293B2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Regelung der Blindleistung eines elektrischen Wechselstromnetzes

Info

Publication number: DE2627293B2
Application number: DE19762627293
Authority: DE
Inventors: Guenter 6057 Dietzenbach Koepp
Original assignee: Koepp Elektronik 6057 Dietzenbach GmbH
Current assignee: Koepp Elektronik 6057 Dietzenbach GmbH
Priority date: 1976-06-18
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1979-01-25
Also published as: DE2627293A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Regelung der Blindleistung eines elektrischen Wechselstromnetzes, bei welchem Strom- und Spannungsmeßwerte zur stufenweisen Zu- und Abschaltung von Blindleistungsgruppen, vorzugsweise von Phasenschieberkondensatoren, verwendet werden.

Einem solchen Verfahren liegt ein elektrisch geregelter Bfindleistungskompensator für ein Wechselstromnetz aus der CH-PS 5 55 103 zugrunde. Bei dieser bekannten Einrichtung wird der »Scheinstrom« einer Netzphase bezüglich des Blindstromanteils im NuIl-Durchgang der Spannung und bezüglich des Wirkstromanteils im Scheitelpunkt der Spannung ermittelt. Es werden pro Periode punktförmig nur zwei Werte gemessen, aus denen dann auf den weiteren Verlauf der Blindleistung geschlossen wird. Für nichtsinusförmige

Ströme ist diese Methode ungeeignet.

Bekanntgeworden sind beispielsweise auch Ferraris-Meßwerke oder Meßmotoren, die aber mechanisch über Kupplungseinrichtungen Schalter steuern, die das Zu- und Abschalten der Phasenschieberkondensatoren

« bewirken. Induktive Blindlast beeinflußt die Ferraris-Meßwerke so, daß solange Kondensatoren zugeschaltet werden, bis die Blindleistung des Netzes kompensiert ist. Sinkt dann die Blindleistung im Netz ab, wird in umgekehrter Weise mit dem Abschalten der Kondensatoren begonnen.

Zur Verringerung der Kondensatoren und Schaltschütze sind auch zahlreiche Schaitungen bekannt geworden, die im wesentlichen andere Stufungen der Phasenschieberkondensatoren als 1 :1 :1 :1 ... vorsehen (DE-PS 9 37 721, DE-PS 9 57 247, DE-OS 15 13 913).

Nachteilig bei all diesen Schaltwerken wirkt sich aus, daß durch die mechanischen Nockenwellen und auch durch die Temperaturabhängigkeit der Ferraris-Meßwerke ein beträchtlicher störanfälliger Aufwand betrieben werden muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, preiswertes und sicheres Verfahren zur Regelung der Blindleistung zu schaffen, welches in Verbindung mit allen elektrischen Wechselstromnetzen, d. h. auch solchen eingesetzt werden kann, in welchem mehr oder weniger nichtsinusförmige Ströme auftreten.
Es wurde gefunden, daß sich diese Aufgabe ein einfacher Weise dadurch lösen läßt, daß eine dem jeweiligen Augenblickswert des Stromes proportionale Meßspannung und eine dem jeweiligen Augenblickswert der zugehörigen Netzspannung proportionale, aber um 90° phasenverschobene Meßspannung ermittelt und den Eingängen einer elektronischen Anordnung zum Multiplizieren mit einer nachgeschalteten, integrierend wirkenden Stufe zugeführt werden, die eine dem jeweiligen Augenblickswert der Blindleistung nach

Höhe und Vorzeichen proportionale Gleichspannung errechnet, die über positive bzw. negative Schwellwerte c;e Schaltstufen für Phasenschieberkondensatoren steuert

Zwar ist aus der DE-AS 23 43 842 ein Verfahren zur Messung von Wechselstromleistungen bekannt, bei dem erste Eingangssignale, welche proportional zu Momentanwerten einer Spannung, sowie zweite Eingangssignale, welche proportional zu Momentanwerten eines Stromes sind, abgeleitet und miteinander multipliziert werden, so daß Produktsignale mit positiver und negativer Polarität erhalten werden, die proportional zum Produkt der Strom- und Spannungsmomentanwerte sind, jedoch unterscheidet sich die Erfindung von diesen Verfahren dadurch, daß bei der Leistungsmes- lösung die Verwendung des mathematischen Konzeptes des Leistungsfaktors (cos ςρ) vermieden werden sollte, und zwar insbesondere bei transienten bzw. subtransienten Vorgängen.

Demgegenüber ist es aber gerade das erklärte Ziel 2u der vorliegenden Erfindung, die mathematische Ermittlung der Blindleistung - U · i - cos φ - elektronisch zu verwirklichen und dabei auch den cos φ der jeweiligen Momentanbelastung des elektrischen Wechselstromnetzes zu berücksichtigen. -'5

Schließlich wird in der DE-AS 25 12 301, beispielsweise in Spalte 1, Zeilen 41 bis 50, noch auf eine Einrichtung zur Messung der elektrischen Wirk- und/oder Blindleistung hingewiesen, die in jedem Augenblick das Produkt aus den Augenblickswerten der Spannung und des i» Stromes und den zeitlichen Mittelwert dieses Produktes über eine oder mehrere ganze Perioden bildet. Im einzelnen ist diese Einrichtung jedoch mit einem Impulsbreiten-Impulsamplituden-Modulations-Multiplizierer ausgerüstet. ^s~>

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung eine ganz andere Zielsetzung zugrunde. Während nach der bekannten Einrichtung gepulste Ströme bearbeitet werden, arbeitet das Verfahren nach der Erfindung mit einer kontinuierlichen Multiplikation von Augenblicks- tu werten.

Die elektronischen Schaltungselemente hierfür sind denkbar störunanfällig und nehmen nur einen geringfügigen Platz in Anspruch. Ein weiterer Vorteil ist, daß erfindungsgemäß Meßspannungen der die Blindleistung jeweils ausmachenden Strom- und Spannungswerte den Eingängen einer elektronischen Anordnung zum Multiplizieren mit einer nachgeschalteten integrierend wirkenden Stufe zugeführt werden, die eine den jeweiligen Augenblickswerten der Blindleistung nach Höhe und Vorzeichen proportionale Gleichspannung errechnet. Diese steuert über positive bzw. negative Schwellwerte die Schaltstufen für die Phasenschieberkondensatoren. Sowohl für die Multiplikation als ai'ch für die Ermittlung der der Blindleistung nach Höhe und Vorzeichen proportionalen Gleichspannung sind einfache elektronische Schaltungsanordnungen einsetzbar, die entweder aus handelsüblichen integrierten Schaltkreisen aufgebaut oder direkt als handelsübliche Schaltkreise bezogen werden können. w)

Nach dem neuen Verfahren kann die Blindleistung erstmals auch sicher in solchen elektrischen Wechselstromnetzen geregelt werden, die durch Phasenanschnittssteuerungen, Triac-Schaltungen od. dgl. nichtsinusförmige Stromanteile enthalten. f»

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die dem Strom proportionale Meßspannung wird auf einfache Weise aus dem Spannungsabfall an einen Widerstand abgeleitet

Zur Erzeugung einer der Netzspannung proportionalen, aber um 90° phasenverschobenen Meßspannung wird entweder eine RC-Brücke cder — bei einem verketteten Netz — die Spannung zwischen den beiden der Stromphase gegenüberliegenden Phasen verwendet

Auf beide Arten lassen sich diejenigen Meßwerte für die Augenblicksspannungen ermitteln, durch deren Multiplikation mit den Strommeßwerten die Blindleistung errechnet wird.

Zum Multiplizieren der Spannungswerte können ein monolytisch integrierter Multiplizierer eine diskret aus handelsüblichen Operationsverstärkern aufgebaute Anordnung oder auch solche Schaltungsanordnungen verwendet werden, die Elemente zum Logarithmieren, Addieren und anschließendem Antilogarithmieren der Eingangswerte einschließen. In der elektrischen Anordnung zum Multiplizieren können auch Hall-Multiplikatoren verwendet werden.

Durch das elektronische Multiplizieren der Meßwerte ergibt sich eine einen auswertbaren, der jeweiligen Blindleistung entsprechenden Gleichstromanteil enthaltende Wechselspannung mit doppelter Netzfrequenz, welche einer integrierend wirkenden Stufe, vorzugsweise aus handelsüblichen Schaltelementen zugeführt wird. Die Anordnung zum Multiplizieren mit der nachgeschalteten integrierend wirkenden Stufe errechnet die der jeweiligen Blindleistung nach Größe und Vorzeichen proportionale Gleichspannung.

An den Ausgang der integrierend wirkenden Stufe schließen sich, in Parallelschaltung, ein Schwellwertschalter für positive Gleichspannungswerte und ein Schwellwertschalter zum Erfassen negativer Gleichspannungswerte an. Jeder der Schwellwertschalter ist mit einer Schaltungsanordnung zum Einstellen versehen, durch die erreicht wird, daß der Blindleistungsregler erst anspricht, wenn eine bestimmte Blindleistung im Netz vorhanden ist.

Zum Auswerten der Ausgänge der Schwellwertschalter ist eine Logikschaltung vorgesehen, an deren Ausgänge über eine Schaltmatrix, die zum Beispiel ein Schieberegister bzw. ein Vor-Rückwärtszähler sein kann, die Schaltstufen für die Phasenschieberkondensatoren angeschlossen sind. Mit der Kombination: Logikschaltung — Schaltmatrix bzw. Schieberegister oder Vor-Rückwärtszähler — läßt sich eine besonders feine Abstufung der Kompensationskapazität erreichen. Ohne am Kern der Erfindung etwas zu ändern, können aber auch andere Schaltungsanordnungen zum Schalten der Phasenschieberkondensatoren vorgesehen sein.

Von besonderem Vorteil ist eine Schaltungsanordnung zur Einstellung des Sollwertes des cosy. Erfindungsgemäß schließt die Schaltanordnung zur Erzeugung einer der Netzspannung proportionalen, aber um 90° phasenverschobenen Meßspannung eine solche Schaltungsanordnung ein.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und F i g. 2 eine Schaltungse-nzelheit.
D'"> Fig. 1 zeigt den Gesamtüberblick einer Schaltung. F i g. 2 zeigt eine Schaltungseinzelheit. Mit 1 ist die Meßleitung zur Ermittlung des Stromes bezeichnet. An diese ist ein ohmscher Meßwiderstand 3 angeschlossen, welcher mit Masse 2 verbunden ist. Der am ohmschen Meßwiderstand 3 anstehende Spannungsabfall wird in

einem Verstärker 4 mit einstellbarer Verstärkung verstärkt und an den zugehörigen Eingang einer elektronischen Anordnung zum Multiplizieren 8 gelegt.

Um ein der Netzspannung proportionales Spannungssignal zu erhalten, ist diese Meßspannung in F i g. 1 mit 7 bezeichnet. Die Meßspannung 7 wird mittels einer RC-Brücke 20 mit einem Kondensator 5 gegenüber der Netzspannung um 90° phasenverschoben und diese Meßspannung wird an einen zweiten Eingang der elektronischen Anordnung zum Multiplizieren angelegt.

Die so erhaltenen und an die elektronische Anordnung zum Multiplizieren 8 gelegten Meßspannungen entsprechen den Augenblickswerten von Strom und Spannung, wobei der Meßwert für die Spannung durch die RC-Brücke 2ö noch um 90° gedreht wird.

F i g. 2 läßt eine prinzipiell andere Ermittlung der Meßspannung erkennen. Ein verkettetes Netz 6 mit den Phasen R, S und T weist eine Meßleitung 1 zur Ermittlung des Stromes auf, die an die Phase T angeschlossen ist. Über einen Meßwandler wird die Meßspannung für den Strom abgegriffen.

Die um 90° phasenverschobene Meßspannung erhält man zwischen den der Stromphase Γ gegenüberliegenden Phasen Rund 5; in diesem Fall ist die Meßspannung mit 7a bezeichnet.

In Fig. 1 ist die elektronische Anordnung zum Multiplizieren 8 lediglich angedeutet. Es können, je nach den Einsatzgegebenheiten, zum Multiplizieren der Meßspannungen für die Augenblickswerte von Strom und Spannung monolytisch integrierte Multiplizierer sowie Multiplizierer, die diskret aus handelsüblichen Operationsverstärkern aufgebaut sind, verwendet werden. Zum Teil gibt es derartige Schaitungsanordnungen bereits handelsüblich zu kaufen und jeder Fachmann wird im stände sein, diese den jeweiligen Eingangswerten anzupassen. In einem anderen Ausführungsbeispiel können in der elektronischen Anordnung zum Multiplizieren auch Hall-Multiplikatoren verwendet werden.

An den Ausgang der elektronischen Anordnung zur Multiplizieren 8 ist eine integrierend wirkende Stufe 1 geschaltet, mit deren Hilfe eine der jeweilige! Blindleistung nach Größe und Vorzeichen proportiona Ie Gleichspannung ermittelt wird.

Die integrierend wirkende Stufe 11 ist Teil eine insgesamt mit 9 bezeichneten Auswertschaltung. Diesi Auswertschaltung ist zwischen den Ausgang de Anordnung zum elektronischen Multiplizieren 8 um den mit 10 bezeichneten Schaltstufen für die Phasen Schieberkondensatoren geschaltet.

An die Stufe 11 sind Schwellwertschalter 13 bzw. 14 ii Parallelschaltung angeschlossen. Der Schwellwertschal ter 13 ist für positive Schwellwerte und der Schwell wertschalter 14 für negative Schwellwerte der Gleich spannung vorgesehen. Beide Schalter sind mit Scha!

tungsanordnungen 13a, 14a zum Einstellen der Schwell wertschalter versehen.

Über ein Steuer-Flip-Flop 17 für einen Oszillator K sind die Ausgänge der Schwellwertschalter 13 und 14 ai eine Schaltmatrix 15 angeschlossen, die bei Erscheinei eines Schwellwertschalterausganges über das Steuer Flip-Flop 17 und den Oszillator 16 in Betrieb gesetz wird. Die Schaltmatrix 15 kann beispielsweise auch eil Schieberegister bzw. ein Vor- und Rückwärtszähler sein Die Transistorausgänge der Schwellwertschalter 13

14 wirken erstens auf ein Steuer-Flip-Flop 17, welche:

beispielsweise die Schieberichtung für das Schieberegi ster der Schaltmatrix 15 bestimmt, und zweitens au

JO einen Oszillator 16, der das schrittweise Zu- bzw Abschalten der über die Schaltstufen 10 angesteuerter Kompensationskondensatoren herbeiführt.

In der RC-Brücke 20 zur Erzeugung einer de: Netzspannung proportionalen, aber um 90° phasenver schobenen Meßspannung 7, 7a kann zusätzlich ein« Schaltungsanordnung zur Einstellung des Sollwertes de; cosy vorgesehen sein, wodurch für die Schwellwert schalter vorgegeben werden kann, wann die Blindlei stungsregelung einsetzen soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektronischen Regelung der Blindleistung eines elektrischen Wechselstromnetzes, bei welchem Strom- und Spannungsmeßwerte zur stufenweisen Zu- und Abschaltung von Blindleistungsgruppen, vorzugsweise von Phasenschieberkondensatoren, verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem jeweiligen Augenblickswert des Stromes proportionale Meßspannung und eine dem jeweiligen Augenblickswert der zugehörigen Netzspannung proportionale, aber um 90° phasenverschobene Meßspannung ermittelt und den Eingängen einer elektronischen Anordnung zum Multiplizieren (8) mit einer nachgeschalteten, integrierend wirkenden Stufe (U) zugeführt werden, die eine dem jeweiligen Augsnblickswert der Blindleistung nach Höhe und Vorzeichen proportionale Gleichspannung errechnet, die übei positive bzw. negative Schwellwerte die Schaltstufen (10) für Phasenschieberkondensatoren steuert.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der den jeweiligen Augenblickswerten des Stromes proportionalen Meßspannung ein zwischen einer Meßleitung (1) und Masse (2) geschalteter ohmscher Meßwiderstand (3) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer der Netzspannung proportionalen, aber um 90° phasenverschobenen Meßspannung (7) ein Kondensator (5) verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer der Netzspannung proportionalen, aber um 90° phasenverschobenen Meßspannung (7a) bei einem verketteten Netz (6) die Spannung zwischen den beiden der Stromphase (T)gegenüberliegenden Phasen (R, S) verwendet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Anordnung zum Multiplizieren (8) ein monolytisch integrierter Multiplizierer verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung zum Multiplizieren (8) diskret aus Operationsverstärkern aufgebaut ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung zum Multiplizieren (8) Schaltungsanordnungen zum Logarithmieren, Addieren und anschließendem Antilogarithmieren der Eingangswerte einschließt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Anordnung zum Multiplizieren (8) Hall-Multiplikatoren verwendet werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der integrierend wirkenden Stufe (11) in Parallelschaltung ein Schwellwertschalter (13) für positive Gleichspannungswerte und ein Schwellwertschalter (14) für negative Gleichspannungswerte angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schwellwertschalter (13,

14) mit einer Schaltungsanordnung (13a, Ha) zum Einstellen der Schwellwerte versehen ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswerten der Ausgänge der Schwellwertschalter (13, 14) eine Schaltmatrix (15) vorgesehen ist, an deren Ausgängen Schaltstufen (10) für die Phasenschieberkondensatoren angeschlossen sind.