DE3608704C2

DE3608704C2 -

Info

Publication number: DE3608704C2
Application number: DE3608704A
Authority: DE
Inventors: James S. Dipl.-Ing. Radford Va. Us Whited
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1985-03-13
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1993-03-18
Also published as: GB2172417A; US4645997A; GB2172417B; GB8605592D0; KR860007765A; DE3608704A1; JPS61253519A; EP0194574A2; EP0194574B1; EP0194574A3; DE3686825D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors für den Betrieb bei mehrphasigen Wechselstromnetzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Zu- und Abschalten von induktiven Lasten führt in mehrphasigen Wechselstromnetzen bekanntlich zu teilweise erheblichen Veränderungen des Leistungsfaktors und damit dazu, daß bei anwachsendem Blindstromanteil im Versorgungsnetz eine höhere Leistung zur Verfügung zu stellen ist. Dies wiederum bedingt im Hinblick auf die hohen Stromkosten eine wesentliche finanzielle Belastung des Stromerzeugers beim anwachsenden Betreiben induktiver Lasten wie Elektromotoren und Induktionsöfen.

Es ist ganz allgemein bekannt, durch Zuschalten bzw. Abschalten kapazitiver Lasten, nämlich von Kondensatorbatterien, den Verlustwinkel und damit den Leistungsfaktor entsprechend zu korrigieren. Derartige Zu- und Abschaltvorgänge von Kondensatorbatterien mittels mechanischer Schalter führen jedoch zu außerordentlich unerwünschten Einschwingvorgängen und Spannungsspitzen im Wechselstromnetz.

Aus der US-PS 43 56 440 ist eine Leistungsfaktor-Korrektur mit geschlossenem Regelkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der das Aufschalten von in Dreieckschaltung angeordneten Kondensatoren auf ein mehrphasiges Leiternetzwerk mit zeitveränderlichen, nicht ausgeglichenen induktiven Lasten erfolgt. Für induktive Lasten, die durch eine dreieckgeschaltete Kapazität nicht genau ausgeglichen werden können, wird durch diese Korrektur der effektive Blindstrom minimiert.

Die bekannte Schaltung geht jedoch von einer Impulsbreitenmodulation aus, deren Signale eine Leitungs-Neutralspannung zum Erzeugen eines zwei Zustände aufweisenden Ausgangssignals wiedergeben und zum Demodulieren von Signalen, die das Integral der Ströme beinhalten und mit den Ausgangssignalen die jeweiligen Leistungsfaktorsignale vorgeben.

Auf eine Schaltungsanordnung, welche die Impulsbreitenmodulation zur Grundlage hat, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 nicht gerichtet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Korrekturschaltung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß damit in einfacher und zuverlässiger Weise mittels vorgesehener Kondensatorbatterien der Leistungsfaktor verbessert und der Blindstrom im Netz minimiert werden kann und zwar unter Vermeidung von Einschwingvorgängen und Spannungsspitzen beim Zu- oder Abschalten der Kondensatorbatterien.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors ist mit jeder Phase des Mehrphasennetzes verbunden. Die Strom- und Spannungssignale für jede Phase werden miteinander verglichen, um die Phasenverzögerung zwischen ihnen festzustellen und ein von dieser abhängiges Zeitsignal zu liefern. Die zeitabhängigen Signale werden einem von einem Mikroprozessor gesteuerten Schaltkreis zugeführt, der sie zunächst in Winkelwerte und schließlich in deren Kosinuswerte umwandelt. Der Kosinuswert wird dann mit dem Faktor hundert multipliziert, um so einen Leistungsfaktor vorzugeben, der digital angezeigt werden kann. Der mikroprozessorgesteuerte Schaltkreis steuert des weiteren ein Schalternetzwerk, das Batterien von in Dreieckschaltung angeordneten Kondensatoren dem Netz auf- bzw. von diesem abschaltet. Mit sich verringerndem Leistungsfaktor werden Kondensatorbatterien zugeschaltet und wird so der Leistungsfaktor störungsfrei verbessert.

Die Schaltkreise enthalten jeweils zwei Thyristoren für jede Kondensatorbatterie. Die Kondensatorbatterien können jederzeit, unabhängig von der an ihnen liegenden Spannung zugeschaltet werden, ohne daß hohe Spitzenströme bzw. Spannungsspitzen auftreten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsdiagramm der Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors,

Fig. 2 ein Blockdiagramm für die Schaltsteuerkreise, Netzleitungen und die in Dreieckschaltung angeordneten Kondensatorbatterien,

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm des Schaltsteuerkreises von Fig. 2, und

Fig. 4 bis 7 Ablaufdiagramme eines Rechnerprogramms zur Korrektur des Leistungsfaktors mittels der Schaltungsanordnung.

Die Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors nach Fig. 1 ist mit einem mehrphasigen Wechselstromnetz mit Phasen 11, 12 und 13, die von einem Transformator 14 ausgehen, verbunden. Die Einrichtung enthält weiterhin als Spannungsmeßeinrichtung einen Spannungswandler 15 mit drei Einphasen- Transformatoren, die ihrerseits drei Ausgangssignale V_a, V_b und V_c liefern, welche die Spannungsdifferenz der Phasen 11, 12 und 13 angeben. Gleichfalls mit den Phasen 11, 12 und 13 verbundene Transformatoren 17, 18 und 19 als Strommeßeinrichtungen liefern Ausgangssignale I_a, I_b und I_c, welche eine Angabe für die Stromdifferenzen in der betreffenden Phase 11, 12 und 13 darstellen. Die Ausgangssignale V_a, V_b und V_c und I_a, I_b und I_c werden jeweils Baugruppen (Komparatoren) 21 bis 26 zugeführt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht zwischen den sinusförmigen Wellenzügen von V_a und I_a eine Phasenverschiebung. Die Komparatoren 21 bis 26 wandeln die sinusförmigen Eingangssignale in Rechtecksignale 27 und 28 um. Die Ausgänge der Komparatoren 21 bis 26 werden einer programmierbaren Zeitschaltung 30 zugeführt, deren Ausgänge mit einem Datenbus 31 und einem Adreßbus 32 verbunden sind. Die Ausgangssignale der programmierbaren Zeitschaltung 30 sind zeitabhängige Signale, die ein Maß für die Phasenverzögerung zwischen Spannung und Strom in den Phasen 11, 12 und 13 sind. Der Adreßbus 32 und der Datenbus 31 sind weiterhin mit einem Schaltkreis 30′ verbunden, der einen Analogschalter 33, einen Effektivwert/Gleichstromumsetzer 34 und einen Analog/Digital-Wandler 35 enthält. An den Eingängen des Analogschalters 33 liegen die Stromsignale I_a, I_b und I_c an, die über den Effektivwert/Gleichstromumsetzer 34 und den A/D-Wandler 35 in Digitalsignale umgewandelt werden. Wenn diese unter einen bestimmten Wert absinken, wird ein Signal erzeugt, welches bewirkt, daß die Korrektur des Phasenwinkels abgeschaltet und ein Fehlercode gebildet wird.

Eine Rechnereinrichtung (Mikroprozessor) 36 ist beispielsweise ein 8-Bit- Prozessor der mit dem Datenbus 31 und dem Adreßbus 32 verbunden ist. Der Mikroprozessor 36 wird von einem Programm gesteuert, das in einem Lesespeicher (PROM) 37 abgespeichert ist. Der Mikroprozessor 36 ist des weiteren mit einer Auswahlschaltung 38 und über eine Pufferschaltung 40 mit einem Anzeigegerät 53 verbunden. Ein Peripherie- Anpassungsglied 41 als Schnittstellenadapter PIA ist über eine Pufferschaltung 42 und eine entsprechende Anzahl von zusätzlichen Optokopplern 43 mit Schaltsteuerkreisen 44 verbunden, die Kondensatorbatterien den Phasen 11, 12 und 13 zuschalten bzw. von diesen abtrennen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden acht zusätzliche Optokoppler 43, sechzehn Schaltsteuerkreise 44 und acht jeweils in Dreieckschaltung angeordnete Kondensatorbatterien benutzt. Eine Anzeigetafel 50 des Anzeigegeräts 53 enthält eine Anzahl von lichtemittierenden Dioden 51 (Nr. 1 bis 8), die anzeigen, welche der acht Kondensatorbatterien jeweils den Phasen 11, 12 und 13 zugeschaltet sind. Die Anzeigetafel 50 enthält weiterhin zwei Sätze von weiteren lichtemittierenden Dioden 52, die jeweils mit A, B und C bezeichnet sind und die eine Information über den Status der Phasen 11, 12 und 13 liefern. Eine Digitalanzeige 54 gibt den Prozentwert für den Leistungsfaktor an.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild mit einer in Dreieckschaltung angeordneten Kondensatorbatterie 60, bestehend aus Kondensatoren 61, 62 und 63 und ihren Nebenschlußwiderständen 64, 65 und 66. Die Kondensatorbatterie 60 ist über Induktivitäten 67 und 68 mit Thyristor- Halbleiterschaltern 71 und 72 verbunden. Diese bestehen in einer bevorzugten Ausgestaltungsform jeweils aus zwei gegensinnig gepolten Thyristoren. Die Thyristor- Halbleiterschalter 71 und 72 werden jeweils über Schaltsteuerkreise 44a, 44b gesteuert, wobei für jede Kondensatorbatterie 60 ein Schaltsteuerkreis 44a und ein Schaltsteuerkreis 44b vorgesehen ist. Die Kondensatorbatterie 60 ist über die Thyristor-Halbleiterschalter 71 und 72 mit den Phasen 11, 12 und 13 mittels eines Anschlusses 73 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Sicherungen 74, 75 und 76 in den Leitungen zwischen dem Anschluß 73 und der Korrektur-Schaltungsanordnung vorgesehen.

Das schematische Blockdiagramm von Fig. 3 zeigt die Details des Schaltsteuerkreises 44a.

Der Schaltsteuerkreis 44b ist analog zum Steuerkreis 44a aufgebaut. Im folgenden wird lediglich der Schaltsteuerkreis 44a beschrieben. Der Schaltsteuerkreis 44a ist mit einem Optokoppler 43, dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 und dem Schaltsteuerkreis 44b in der dargestellten Weise verbunden. Ein erstes Eingangssignal wird von der Pufferschaltung 42 über den zusätzlichen Optokoppler 43 zum Schaltsteuerkreis 44a geliefert. Ein zweites Eingangssignal wird von einem Optokoppler 80 vorgegeben, der mit dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 verbunden ist. Der Ausgang des Optokopplers 43 ist mit einem Selbst-Rückstellglied 81 sowie einer 0,5 Sekunden-Zeitschaltung 82 und über diese mit einem UND-Glied 83 verbunden. Der Ausgang des Optokopplers 80 ist mit einem Selbst-Rückstellglied 84 und einer 50 µsec-Zeitschaltung 85 und über diese ebenfalls mit einem Eingang des UND-Gliedes 83 verbunden.

Die Ausgangssignale des Optokopplers 80 sind Rechteckimpulse 88, die die Gleichheit zwischen der Spannung der Phasen 11, 12 und 13 und der Spannung an den Kondensatoren 61, 62 und 63 anzeigt, d. h. die anzeigen, daß die Spannung über dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 Null ist.

Der Schaltsteuerkreis 44a kann den Thyristor-Halbleiterschalter 71 in jedem Zeitpunkt auslösen, in dem die Spannung über dem Thyristor-Halbleiterschalter 71 Null ist. Der Zweck der Selbst-Rückstellglieder 81, 84 besteht darin, zu vermeiden, daß Störsignale zur Auslösung des Schaltkommandos für die Thyristor-Halbleiterschalter 71 führen, die über Gleichspannungs-Torsteuerkreise 86 und 87 übertragen werden können.

Der Ausgang des UND-Gliedes 83 steuert über die Gleichspannungs-Torsteuerkreise 86 und 87 die Thyristor-Halbleiterschalter 71. Das Eingangssignal für den Mikroprozessor und das Nulldurchgangssignal stehen kontinuierlich an, bis die Zeitschaltungen 82 und 85 gesperrt sind. Jede Störspannung setzt die Zeitschaltungen 82 und 85 zurück. Das Einschaltsignal für den Schaltsteuerkreis 44b ist um 0,5 sec gegenüber dem Eingangssignal vom zusätzlichen Optokoppler 43 verzögert, so daß der Einschaltbefehl entsprechend versetzt ist.

In den Fig. 4 bis 7 sind Flußdiagramme gezeigt für das im Lesespeicher 37 gespeicherte Rechnerprogramm, das die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Schaltungsanordnung steuert und den Mikroprozessor 36 in die Lage versetzt, den in der Digitalanzeige 54 angezeigten Leistungsfaktor zu berechnen. Die Berechnung erfolgt dergestalt, daß die Phasenverzögerung zwischen den Spannungen V_a, V_b bzw. V_c und den Strömen I_a, I_b bzw. I_c in ein zeitabhängiges Signal umgewandelt wird, das seinerseits in Gradwerte und diese in entsprechende Kosinuswerte mittels einer im Lesespeicher 37 enthaltenen Tabelle umgesetzt werden.

Die Kosinuswerte werden sodann mit dem Faktor hundert multipliziert, um so den in der Digitalanzeige 54 dargestellten Leistungsfaktor zu erhalten.

Als Funktion des errechneten Wertes bewirkt der Mikroprozessor 36, daß mindestens eine der dreieckgeschalteten Kondensatorbatterien 60 aufgeschaltet wird. Anschließend errechnet der Mikroprozessor 36 erneut den sich damit ergebenden Leistungsfaktor. Ergibt sich dabei nicht, daß der Leistungsfaktor geringfügig größer ist als ein gesetzter Sollwert, beispielsweise 96% für einen Sollwert von 95%, so wird keine weitere Kondensatorbatterie 60 zugeschaltet. Die Anordnung der Kondensatorbatterien 60 ist dergestalt gewählt, daß ein weitgehend gleichmäßiger bzw. stufenloser Anstieg der Kapazitätswerte erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Werte in einer binären Progression geordnet, das heißt, sind beispielsweise acht Kondensatorbatterien 60 vorgesehen, so können damit 256 verschiedene Kombinationen von Kapazitätswerten den Phasen 11 bis 13 aufgeschaltet werden.

Die Flußdiagramme der Fig. 4 bis 7 enthalten eine Anzahl von Programmteilen, deren Funktion in der nachfolgenden Tabelle näher dargelegt ist.

Tabelle

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Korrektur des Leistungsfaktors für den Betrieb bei mehrphasigen Wechselstromnetzen durch Zu- oder Abschalten von Kondensatorbatterien (60) mit jeweils einer jeder Phase (11, 12, 13) zugeordneten Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen (17, 18, 19 bzw. 15), deren analoge Ausgangssignale dann an den Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen (17, 18, 19 bzw. 15) nachgeschaltete Baugruppen (21 bis 26) gelegt sind, an deren Ausgängen die analogen Eingangssignale in digitaler Form anstehen und an eine programmierbare Zeitschaltung (30) weitergeleitet sind, welche die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung (I_a, I_b, I_c bzw. V_a, V_b, V_c) jeder Phase (11, 12, 13) bestimmt und ein der jeweiligen Phasendifferenz entsprechendes Signal an einen Daten- und Adreßbus (31 bzw. 32) abgibt, mit einer an dieser angeschlossenen Rechnereinrichtung (36) zum Umsetzen dieser der jeweiligen Phasendifferenz entsprechenden Signale in Winkelgrade und zum Berechnen des entsprechenden Kosinus- Wertes für den Leistungsfaktor und von Schaltbefehlen für Schaltsteuerkreise (44) zur Zündung von Thyristoren von Thyristor-Halbleiterschaltern (71, 72), welche die Kondensatorbatterien (60) mit den einzelnen Phasen (11, 12, 13) des mehrphasigen Wechselstromnetzes verbinden oder von diesen abtrennen.
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Schaltsteuerkreis (44a, 44b) einen Optokoppler (80) aufweist zum Feststellen des Spannungszustandes Null an den zugeordneten Thyristor-Halbleiterschaltern (71, 72), der bei Gleichheit von Netzspannung und der Spannung an der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) auftritt, daß ein Schaltkreis (30′) vorhanden ist, der die einzelnen Phasenströme (I_a, I_b und I_c) bei Überschreiten eines vorgebbaren Strompegels in deren Effektivwerte in digitaler Form umwandelt, die ihrerseits bei Unterschreiten des Strompegels Steuersignale zum Abschalten der jeweiligen Kondensatorbatterie (60) von den Phasen (11, 12, 13) des Wechselstromnetzes liefert, wobei diese Steuersignale über einen Mikroprozessor als Rechnereinheit (36), ein Peripherie-Anpassungsglied (41), eine Pufferschaltung (42) und einen zusätzlichen Optokoppler (43) zusammen mit Ausgangssignalen des Optokopplers (80) jeweils über eine Zeitschaltung (82, 85) mit zugeordnetem Selbst- Rückstellglied (81, 84) an ein UND-Glied (83) gelegt sind, dessen Ausgang über je einen Gleichspannungs-Torsteuerkreis (86, 87) mit den Thyristoren des jeweiligen Thyristor-Halbleiterschalters (71, 72) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtungen (17, 18, 19 als mit jeder Phase (11, 12, 13) des Wechselstromnetzes verbundene Transformatoren und die Spannungsmeßeinrichtung (15) als Leistungstransformator mit mehreren Einphasen-Transformatoren ausgebildet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigetafel (50) zur Anzeige des Leistungsfaktors vorgesehen ist.