DE2853358A1 - Steuerbarer phasenschieber - Google Patents
Steuerbarer phasenschieberInfo
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Description
Steuerbarer Phasenschieber
Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Phasenschieber für ein Wechselstrom-Uebertragungssystenis 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
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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-
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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, QSZp und QSZ-, die zwischen den primärseitigen
Phasenanschlüssen R3 S3 T des Dreiphasensystems im Dreieck
angeschlossen sind und je einen Abgriff als sekundärseitigen Anschluss R1, Sf 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-
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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,
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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
UR, in bezug auf die Primärspannungen UR, U3. Für
die in den beiden Abschnitten des Querschaltungszweiges und im Sekundäranschluss fliessenden Ströme Ir313 ΙΟΊ , 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 IR, (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
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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
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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 Ισ, I m tritt.
Im übrigen gilt für die Querspannungen:
üZa = 1R ' J* Za
üZb = I_T * Zb/j
üZb = I_T * Zb/j
Ersichtlich weicht hier die Amplitude der Sekundärspannung TJo, im Aussteuerbereich nur wenig von den Amplituden der
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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
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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 (12)
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BBC Aktiengesellschaft ' Fd/dh
Brown3 Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)
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 (UR, 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
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ORIGINAL INSPECTED
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Anschlüssen (R, S) Spannungen (UR, 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 (Rf) 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.
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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
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