DE2853358A1

DE2853358A1 - Steuerbarer phasenschieber

Info

Publication number: DE2853358A1
Application number: DE19782853358
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Glavitsch; Gerhard Dipl Ing Gueth
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-11-26
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1980-06-04
Also published as: CA1130860A; FR2442526B1; CH633658A5; FR2442526A1; US4302716A; DE2853358C2

Description

Steuerbarer Phasenschieber

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Phasenschieber für ein Wechselstrom-Uebertragungssysteni_s insbesondere für ein Leitungsnetz, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die hiernach vorausgesetzten Merkmale finden sich z.B. bei den allgemein bekannten, mittels Halbleiter-Schaitventilen, insbesondere Thyristor-* oder Triac-Schaltventilen, zwischen Anzapfungen umschaltbaren oder für steuerbare Intervalle periodisch einschaltbaren Drosselspulen, deren wirksame Induktivität somit steuerbar ist. Derartige Reaktanzelemente werden beispielsweise im Zuge von Energieübertragungsleitungen zur Verbesserung der üebertragungseigenschaften eingesetzt. Ferner werden entsprechend aufgebaute Reaktanztransformatoren beispielsweise für die transiente Erhöhung des Drehmomentes an Synchrongeneratoren und zwecks Verbesserung der Stabilität des Verbundbetriebes eingesetzt.

Die genannten Einrichtungen sind mit vergleichsweise hohem Aufwand verbunden, insbesondere bei Verwendung von'Drosseloder Transformatoren mit Anzapfungen, was ihrer wünschenswert breiten Anwendung im Zuge von Leitungsnetzen und für andere Anwendungen entgegensteht. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines steuerbaren Phasenschiebers, der sich durch vergleichsweise einfachen Aufbau bei stetiger Steuerbarkeit des Phasendrehwinkels sowie durch frei steuerbaren Drehsinn der Phasenverschiebung auszeichnet. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Phasenschieber der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Ein steuerbarer Phasenschieber mit einem solchen Aufbau kann

030023/0515

BBC Baden

" 5 " 153/78

grundsätzlich ohne besonderen Transformator mit festen Drosseln und/oder Kondensatoren aufgebaut werden, wobei die variable Steuerung der Ein- und Ausschaltintervalle der Ventilschalteinrichtung eine variable Phasenverschiebung in beiden Richtungen ermöglicht. Als Ventilsehalteinrichtung kommt einfacherweise ein Wechselstrom-Halbleiterventil (Triac oder antiparallel geschaltete Thyristoren, gegebenenfalls auch Schalttransistoren) mit variabler Phasenanschnittsteuerung oder- mit Pulsbreitenmodulation gemäss veränderlichem Tastverhältnis in Betracht. Insbesondere die letztgenannte Ausführung: ermöglicht auf einfache Weise eine Geringhaltung störender Oberschwingungen infolge des Schaltbetriebes.

Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.·

Hierin zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführung eines steuerbaren Phasenschiebers für ein Dreiphasen-Wechselstromsystem,

Pig· 2 den Prinzipaufbau des Querschaltungszweiges eines Phasenschiebers nach Pig. I mit reaktiven Impedanzen, Ventilschalteinrichtung und Steuereinrichtung für letztere,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Schaltungsteils nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung der damit erzielbaren, variablen Phasenverschiebung im Mehr-

030023/OSiS

BBC Baden

- 6 - 153/78

Phasensystem,

Fig. 5 das Prinzipschaltbild einer anderen Ausführung eines steuerbaren Phasenschiebers für ein Dreiphasensystem₃

Fig. 6 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Phasenschiebers nach Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Ausführung: eines Querschaltungszweiges mit komplementär reaktiven Impedanzen und Serienvent ils chalt einrichtung,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines Querschaltungszweiges mit Parallel-Ventilsehalteinrichtung und

Fig. 9 den Aufbau eines Querschaltungszweiges mit kombinierter Serien- und Parallelschaltung von Ventilschalteinrichtungen für variable Phasenverschiebung.

Der Phasenschieber nach Fig. 1 umfasst drei Querschaltungszweige QSZ₁, QSZ_p und QSZ-, die zwischen den primärseitigen Phasenanschlüssen R₃ S₃ T des Dreiphasensystems im Dreieck angeschlossen sind und je einen Abgriff als sekundärseitigen Anschluss R¹, S^f ₃ T' aufweisen. Zu jedem Querschaltungszweig gehört eine Steuereinrichtung STE₁ bzw. STE_ bzw. STE-, die über zugehörige Ventilschalteinrichtungen durch periodisches Ein- und Ausschalten von reaktiven Impedanzen den sekundärsextigen Anschluss des betreffenden Querschaltungszweiges im Mittel über die Schaltperioden in Abhängigkeit von dem Ein- und Ausschaltverhältnis (Tastverhältnis) stärker mit dem einen oder anderen der beiderseitigen primär-

030023/0515

- 7 - 153/78

seitigen Anschlüsse des betreffenden Qüerschaltungszweiges koppelt. Die Steuereinrichtungen sind mit einer gemeinsamen Zentralsteuereinrichtung ZST verbunden, die für eine koordinierte Steuerung gemäss den Erfordernissen des Mehrphasensystems sorgt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau beispielsweise des Qüerschaltungszweiges QSZ im einzelnen. Danach ist beiderseits des sekundärseitigen Anschlusses R' je eine reaktive Impedanz Za bzw. Zb angeordnet, und zwar in Serie zwischen den primärseitigen Anschlüssen R und S. Im Beispielsfall, der eine Ausführung mit dem Vorteil besonderer Einfachheit darstellt, ist nur auf einer Seite des sekundärseitigen Anschlusses eine in Serie angeordnete Ventilschalteinrichtung VSE₁ vorgesehen, die von der zugehörigen Steuereinrichtung STE im Sinne einer periodischen Ein- und Ausschaltung mit vorgegebenem Tastverhältnis angesteuert wird. Im einfachsten Fall kommt hierfür eine Phasenanschnittsteuerung in Betracht, die bei Einsatz üblicher Thyristor- oder Triacventile lediglich einer Zündsteuerung bei vorgegebenen Phasenwinkeln der Netζwechselspannung erfordert. Die Amplitude der Grundschwingung des über die zugehörige Impedanz, hier Zb, fliessenden Wechselstromes und damit der wirksame Betrag dieser Impedanz lässt sich damit entsprechend dem HaIbschwingungs-Tastverhältnis kontinuierlich steuern, d.h.

das wirksame Teilerverhältnis des durch den Querschaltungszweig gebildeten Spannungsteilers.

Ausgehend von den durch die Impedanzen Za und Zb unmittelbar gegebenen TeilerverAfiltnis bei Vollaussteuerung der Ventilschalteinrichtung kann dieses Teilerverhältnis im vorliegenden Fall bei nur einer Ventilschalteinrichtung selbstverständlich nur in einer Richtung verändert werden,

030023/0515

BBC Baden

- 8 - 153/7S

und zwar bis zur ausschliessliehen Kopplung von R¹ mit R über Za bei dauernd sperrender Ventilschalteinrichtung bzw. beim Betrag Unendlich der Impedanz auf der Seite des primärseitigen Anschlusses S.

Wenn der - mit dem. Tastverhältnis veränderliche - Oberschwingungsgehalt des Querstromes und damit der Sekundärspannung stört j kann mit Vorteil eine bezüglich der Netzfrequenz höherfrequente Pulsbreitenmodulation an sich üblicher Art mit veränderlichem Tastverhältnis angewendet werden. Der etwa erforderliche Aufwand an Filtermitteln zur Unterdrückung der Oberschwingungen ist dann vergleichsweise gering.

Fig. 3 veranschaulicht die Phasenverschiebung der Sekundärspannung U_R, in bezug auf die Primärspannungen U_R, U₃. Für die in den beiden Abschnitten des Querschaltungszweiges und im Sekundäranschluss fliessenden Ströme Ir₃₁₃ Ι_ΟΊ , I₁₃₁ gelten die in Fig. 2 eingetragenen Bezugspfeile. Die Darstellung bezieht sich selbstverständlich nur auf die netzfrequenten Grundschwingungen der Ströme und Spannungen sowie auf die für diese Grundschwingungen wirksamen Impedanzen.

Wegen der im Beispielsfall nach Fig. 2 komplementär, d.h. induktiv und kapazitiv, reaktiven Impedanzen Za und Zb ergeben sich bei der angenommenen Phasengleichheit von U«, und I_R, (reine sekundärseitige Wirkbelastung) die in Fig.

eingetragenen Querspannungen U„ und U„ , welche Betrag und Phasenlage der Sekundärspannung IL,, bestimmen. Durch Veränderung des wirksamen Betrages von beispielsweise Zb mittels der Ventilschalteinrichtung VSE kann der Steuerphasenwinkel wst ersichtlich verändert werden. Der mögliche Aenderungsbereich des" Steuerphasenwinkels ist unter anderem

(330023/0545

BBC Baden.

auch von dem Primärphasenwinkel wpp zwischen den zu dem feetreffenden Quer s ehalt ungszweig- gehörenden Primär spannungen ¹OU" und üg abhängig,, .Bei der vorliegenden einfachen Ausführung mit unmittelbar am Quersehaltungszweig liegenden Primäransehlüssen ist der Primärphasenwinkel wpp gleich dem Zwisehenphasenwinkel wzp des Mehrphasensystems.

Insgesamt ergeben sich für das Dreiphasensystem gemäss Fig. 1 die in fig. k angedeuteten Verhältnisse für die Phasenverschiebung der Sekundärspannungen Uj.,., Üqu TL·,, in bezug auf die Primärspannungen ü_₃ Ug, ü™.

Grundsätzlich könnten innerhalb eines Querschaltungszweiges beiderseits des Abgriffes bzw. Sekundäranschlusses gleichartig reaktive Impedanzen vorgesehen werden. Die Verwendung VOn komplementär reaktiven Impedanzen ergibt jedoch den Vorteilj dass die reaktive Belastung des Systems in einem mittleren Bereich des Spannungsteilerverhältnisses, d.h. bei vergleichsweise wenig verschiedenen Beträgen der wirksamen Reaktanzen beiderseits des Abgriffs, vergleichsweise gering gehalten werden kann.

Die Verwendung des Zwischenphasenwinkels als Primärphasenwinkel, d.h. der Anschluss der Quersehaltungszweige unmittelbar an die Primärphasen des Systems, führt zu vergleichsweise starken Aenderungen der Sekundärspannung mit der Phasenverschiebung,: was im allgemeinen unerwünscht ist.

Äusserdem kommt eine weitgehende Ausnutzung des durch den grossen Primärphasenwinkel entsprechend dem Zwischenphasenwinkel gegebenen Aussteuerbereiches für den Steuerphasenwinkel selten in Betracht. Demgemäss bietet sich als besonders vorteilhaft eine Ausführung an, bei der mindestens ein Paar von jeweils einem Sekundäranschluss zugeordneten

030023/051S

BBG Baden

- 10 - 153/78

Primäranschlüssen Spannungen führen, die gegeneinander um einen von dem Zwischenphasenwinkel des Mehrphasensystems verschiedenen, vorzugsweise gegenüber diesem kleineren Primärphasenwinkel verschoben sind.

Fig. 5 zeigt eine solche Ausführung, bei der ein Primärphasenwinkel von 60° mit Hilfe eines primärseitigen Netztransformators T mit zwei im Stern geschalteten, gegensinnig, gepolten bzw. gewickelten Sekundärwicklungssystemen erzielt wird. Es stehen somit paarweise gegensinnig gepolte bzw. um 180 gegeneinander phasenverschobene Primäranschlüsse R und -R, S und -S, T und -T zur Verfügung. In Fig. 5 ist der TJebersichtliehkeithalber lediglich ein Querschaltungszweig QSZ mit Sekundäranschluss R' zwischen den Primäranschlüssen R und -T-entsprechend den Sekundärwicklungen TRa und TTb des Netztransformators angedeutet. Die anderen Phasen des Systems werden entsprechend beschaltet«

Im Zeigerdiagramm gemäss Fig. 6 ist dazu der Primärphasenwinkel wpp von 60° mit einem indessen mittenliegenden Steuerphasenwinkel wst angedeutet. Die Konstruktion des Zeigerdiagramms entspricht Fig. 3j wobei anstelle der Primärspannung TJ₀ nun TJ „ und anstelle von Ι_σ, I _m tritt. Im übrigen gilt für die Querspannungen:

^üZa ^{= 1}R ' ^J* ^Za
ü_Zb = I__T * Zb/j

Ersichtlich weicht hier die Amplitude der Sekundärspannung TJo, im Aussteuerbereich nur wenig von den Amplituden der

030023/0515

- 11 - 153/78

Primär Spannungen ab..

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Querschaltungszweig.es mit komplementär reaktiven Impedanzen Za und Zb sowie im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 2 auch Je einer Ventilsehalteinrichtung VSEa bzw. VSEb beiderseits des Sekundäranschlus&es R'. Diese Ventilsehalteinrichtungen sind in Serie im Querschaltungszweig angeordnet und erlauben bei einer bezüglich des Tastverhältnisses gegensinnigen oder komplementären Steuerung eine Phasenver-Schiebung in beiden Richtungen, ausgehend von der durch die Impedanzen Za und Zb unmittelbar gegebenen Ausgangsphasenlage der Sekundärspannung bezüglich der Primärspannung. .

Besondere Vorteile bietet in manchen Anwendungsfällen eine Anordnung der Ventilschalteinrichtungen parallel zu den zugehörigen Impedanzen im Querschaltungszweig.

Fig. 8 zeigt eine solche Ausführung mit Ventilschalteinrichtungen VSEa' bzw. VSEb'. Im Hinblick auf den Entladestromstoss beim Ueberbrücken einer kapazitiven Impedanz Zb durch das Schaltventil VSEb' ist eine in Serie in den Ventilschaltzweig eingefügte Hilfsimpedanz Zh zwecks Strombegrenzung eingefügt. Bei entsprechender Bemessung ändert die-s nichts am kapazitiven Charakter der Gesamtimpedanz auf dieser Seite des Sekundäranschlusses R'.

25. Die parallel zur zugehörigen Impedanz angeordneten Ventilschalt einrichtungen ermöglichen ein vollständiges oder annäherndes Kurzschliessen der betreffenden. Impedanz,, so dass der Primärphasenwinkel- - in Fig. 8 also zwischen den Primär anschluss ent R und —T - vollständig bzw- weitgehend

BBC Baden

153/78

für den Steuerphasenwinkel ausgenutzt werden kann. Auch hier wird zweckmässig eine gegensinnige oder komplementäre Steuerung des Tastverhältnisses der Ventilschalteinrichtungen beiderseits des Sekundäranschlusses vorgesehen. Im übrigen kommt bei vereinfachten Ausführungen mit Phasenverschiebung in nur einer Richtung bezüglich der Ausgangslage eine Ventilschalteinrichtung nur auf einer Seite des Sekundäranschlusses in Betracht.

Endlich zeigt Fig. 9 eine kombinierte Ausführungsform mit den Merkmalen gemäss Pig. 7 und Fig. 8, d.h. mit in Serie sowie parallel zu den Impedanzen Za und Zb angeordneten Ventilschalteinrichtungen. Mit einer solchen Schaltung, wiederum mit gegensinniger oder komplementärer Tastverhältnissteuerung, kann zusätzlich der induktive oder kapazitive Charakter und der Betrag der wirksamen Impedanzen und damit die reaktive Belastung des Systems ausser der Phasenverschiebung entsprechend den jeweiligen Anwendungserfordernissen im Netz beeinflusst werden.

Claims

153/78

BBC Aktiengesellschaft ' Fd/dh

Brown₃ Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)

Patentansprüche

f 1. !steuerbarer Phasenschieber für ein Wechselstrom-Uebertragungssystem, insbesondere für ein Leitungsnetz, umfassend eine Mehrzahl von mit den Leitern des Uebertragungssystems verbundenen, reaktiven Impedanzen sowie eine gemäss dem einzustellenden Phasendrehwinkel steuerbare Ventilschalteinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei primärseitigen Anschlüssen (R, S) des Uebertragungssystems, die gegeneinander phasenverschobene Spannungen (U_R, Ug) führen, ein Querschaltungszweig (QSZ-) angeordnet ist, der mindestens zwei in Serie verbundene, reaktive Impedanzen (Za, Zb) und einen zwischen diesen Impedanzen angeordneten Abgriff als sekundärseitiger Anschluss (R') sowie mindestens eine Ventilschalteinrichtung (VSE,) aufweist, und dass für die Ventilschalteinrichtung (VSE-) eine Steuereinrichtung (STE,) zur Einstellung von veränderlichen Ein- und/oder Ausschaltintervallen vorgesehen ist.

2. Steuerbarer Phasenschieber für ein Mehrphasen-Uebert^;ragungssystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei primärseitigen Phasenanschlüssen (R, S, T) des Uebertragungssystems je ein Querschaltungszweig (QSZ₁, QSZ_?, QSZ ) mit je einem Abgriff (R¹, S¹, T¹) als sekundärseitigem Phasenan-Schluss vorgesehen ist.

3. Steuerbarer Phasenschieber für ein Mehrphasen-Uebertragungssystem, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar von jeweils einem sekundär seitigen Anschluss CR¹) zugeordneten primärseitigen

030023/0515

ORIGINAL INSPECTED

153/78 - 2 -

Anschlüssen (R, S) Spannungen (U_R, U__.) führen, die gegeneinander um einen von dem Zwischenphasenwinkel (wzp) des Mehrphasensystems verschiedenen, vorzugsweise gegenüber diesem kleineren Primärphasenwinkel (wpp) verschoben sind.

4. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einem sekundärseitigen Anschluss (R^f) zugeordneten primärseitigen Anschlüsse (R, -T) an je eine Phasenwicklung (TRa, TTb) zweier um einen vorgegebenen Primärphasenwinkel (wpp) gegeneinander verschobenen Sekundärwicklungssysteme eines Netztransformators (T) angeschlossen sind.

5. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Querschaltungszweig (QSZ₁) vorgesehen ist, der beiderseits seines als sekundärseitiger Anschluss (R^?) vorgesehenen Abgriffes zueinander komplementär reaktive Impedanzen (Za, Zb) umfasst.

6. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der vorangehenden* Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Seite eines als sekundärseitiger Anschluss (R¹) vorgesehenen Abgriffes eines Querschaltungszweiges eine in Serie zu einer reaktiven Impedanz (Za) angeordnete Ventilschalteinrichtung (VSEa) vorgesehen ist.

7· Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des sekundärseitigen Anschlusses (R*) in Serie zu je einer reaktiven Impedanz (Za, Zb) eine Ventilschalteinrichtung (VSEa, VSEb) vorgesehen ist.

030023/0515

- 3 - 153/78

8. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere auch nach Anspruch 6 oder I₃ dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Seite eines als sekundärseitiger Anschluss (R¹) vorgesehenen Abgriffes eines Querschaltungszweiges eine parallel zu einer reaktiven Impedanz (Za) angeordnete Ventilschalteinrichtung (VSEa¹, VSEb¹) vorgesehen ist.

9. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits des sekundärseitigen An-Schlusses (R') parallel zu einer reaktiven Impedanz (Za, Zb) eine Ventilschalteinrichtung (VSEa¹, VSEb') vorgesehen ist.

10. Steuerbarer Phasenschieber nach Anspruch 7 oder S₃ dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschalteinrichtungen (VSEa, VSEb bzw. VSEa¹, VSEb') zu beiden Seiten des sekundärseitigen Anschlusses (R') mit gegensinnig veränderlichen Ein- und Ausschaltintervallen steuerbar sind.

11. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit Phasenanschnittsteuerung arbeitende Ventilschalteinrichtung vorgesehen ist.

12. Steuerbarer Phasenschieber nach einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit Pulsbreitenmodulation und veränderlichem Tastverhältnis steuerbare Ventilschalteinrichtung vorgesehen ist.

030023/0515