WO2012107242A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum betreiben einer last - Google Patents

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WO2012107242A1
WO2012107242A1 PCT/EP2012/000626 EP2012000626W WO2012107242A1 WO 2012107242 A1 WO2012107242 A1 WO 2012107242A1 EP 2012000626 W EP2012000626 W EP 2012000626W WO 2012107242 A1 WO2012107242 A1 WO 2012107242A1
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WO
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load
circuit arrangement
arrangement according
compensation capacitor
power transformer
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PCT/EP2012/000626
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English (en)
French (fr)
Inventor
Viktor ARESTOV
Original Assignee
Permotors Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1835—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • H02J3/1864—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein the stepless control of reactive power is obtained by at least one reactive element connected in series with a semiconductor switch
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/10—Flexible AC transmission systems [FACTS]

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a load on an AC supply.
  • the aim of the invention is to increase the overall efficiency of the circuit arrangement or to achieve optimum power savings and form the circuit arrangement of the type mentioned in such a way that the load is operated as efficiently as possible.
  • a second load is provided for this purpose.
  • This load is formed by a power transformer with primary and secondary windings and an electrical load connected to the secondary winding. It is essential here that the second load is connected to the first load in such a way that the two loads are connected in series, and that, just as in the first load, a compensation capacitor is arranged parallel to the respective load.
  • the circuit arrangement according to the invention operates particularly efficiently when the connected load is not operated with its rated power, but with significantly lower values.
  • the circuit arrangement operates particularly efficiently when the idle power is about 10% of the rated power.
  • the series connection of the loads is realized in that the two primary windings of the two power transformers are connected in series with each other.
  • the first compensation capacitor in parallel with the primary winding of the first power transformer and the second compensation capacitor in parallel with the second primary winding of the second power transformer.
  • the first compensation capacitor is connected in parallel to the secondary winding of the first power transformer and the second compensation capacitor is connected in parallel with the second secondary winding of the second power compensator.
  • Particularly high efficiency is achieved when the capacitance of the first compensation capacitor is adjusted so that the reactive component of the first load is in current resonance with the first compensation capacitor, and if the capacitance of the second compensation capacitor is adjusted so that the reactive component of the second load in Current resonance with the second compensation capacitor is.
  • voltage resonance occurs via the series connection of the two loads. It thus sets a double resonance. According to the invention thus the first load and the second load are in current resonance, these two current resonances are coupled together by the voltage resonance of the series circuit.
  • the surprising effect occurs that the current resonance in the first or in the second load circuit is maintained even when the load is changed.
  • experiments have shown that an electric motor that has been connected as an electrical load can be braked to zero speed without the current resonance disappearing.
  • the capacitance of the second compensation capacitor is adapted so that the input voltage at the primary winding of the first power transformer corresponds to the rated voltage of the AC power supply network.
  • the first and the second power transformer may have the same nominal power, and in each case an air gap may be arranged in the magnetic circuit of the first and the second power transformer.
  • the invention is not limited to two power transformers or two loads, but it can also be provided a larger number. It is only necessary to ensure that the other loads are arranged in series with the first and second load. In this case, each of the further loads must be formed from a power transformer with primary and secondary windings and an electrical load connected to the secondary winding, and a compensation capacitor must be connected in parallel to each additional load.
  • the circuit arrangement according to the invention is suitable for a load which is formed from a power transformer with primary and secondary winding, with at least one electrical load connected to the secondary winding, such as electric motors or incandescent lamps.
  • a feedback chain can be provided, which supplies a control current to another reactive circuit element. This also makes it possible to reduce the power consumption of the load from the supply network, in particular to regulate. In this way, a reactor for electromagnetic consumption optimization can be created.
  • the efficiency of the circuit arrangement is particularly increased when the connected load is operated at much lower values than their rated power.
  • the size of the reactance of the compensation capacitor can be equal to or almost equal to the size of the reactance of the load, wherein in load-related changes of the impedance of the load of the control current to the other circuit element acts, that the parallel circuit of load and a further circuit element has a reactance, which corresponds in terms of its amount to the compensation capacitor.
  • a current transformer is used to decouple the control current.
  • This current transformer can be arranged in the load circuit.
  • the current transformer may be designed such that there is a linear and in-phase relationship between the current flowing on the primary side and the voltage induced by this primary side current on the secondary side.
  • care must be taken that the magnetic core does not saturate due to the intended primary-side rated current.
  • the further circuit element is for example a choke with coils arranged in opposite directions on a common magnetic core, wherein the primary coil is arranged parallel to the compensation capacitor and to the load and the secondary coil is supplied with the control current.
  • the further circuit element is formed by two reactors whose primary coils are connected in series with each other.
  • the series connection of the primary coils is again arranged parallel to the compensation capacitor and to the load.
  • the secondary coils are also connected in series and are thus flowed through by the same control current.
  • the cores of the throttles preferably have an air gap.
  • the arrangement of the secondary coils on the choke can be chosen such that the voltage induced by the control current in the secondary coils is directed to the current flow in the counteracts primary coil of the throttle.
  • a rectifier in particular a bridge rectifier, can be connected to the secondary winding of the current transformer, which in turn can be connected on the output side to a variable resistor.
  • the rectified, pulsating output voltage of the secondary coil of the at least one throttle can be supplied.
  • the variable resistor of adjustment and stabilization of the operating point of the compensation can serve.
  • the invention further relates to a method for adapting and operating a circuit arrangement according to the invention.
  • transformers used in the circuit arrangement according to the invention can be designed as autotransformers.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the invention
  • Fig. 2 shows another circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement shown in Fig. 1 is connected to the input terminals to an electrical supply network and supplied with an input AC voltage U E.
  • a first compensation capacitor C1 1 is connected, which is thus acted upon by the supply voltage.
  • the primary winding of a first power transformer LTr1 is traversed by a current Ii.
  • the primary winding of a second power transformer LTr2 lies the primary winding of a second power transformer LTr2.
  • At the entrance of men is another first compensation capacitor C12 connected, which is thus parallel to the primary winding of the second power transformer LTr2.
  • the output terminals of the secondary winding of the power transformer LRr1 are connected to the electrical load - symbolically represented here only as a resistor Rk.
  • an output AC voltage is present at the output terminals of the power transformer LTr1.
  • the output circuit of the power transformer LTr1 is formed of the secondary winding and the actual load.
  • the power transformer LTr1 in particular when it has an air gap, is able to act as a kind of storage choke. It can thus form the inductive part of the current resonance circuit of the first load.
  • Parallel to the secondary winding of the first power transformer LTr1 is another, namely the second compensation capacitor C21 of the power transformer LTr1.
  • This compensator C21 together with the inductive component of the power transformer LTr1 and optionally the inductive component of the consumer Rk, are decisive for the current resonance.
  • the secondary side of the power transformer LTY2 is similar to the power transformer LTr1.
  • the electrical consumer is also shown here only symbolically by a resistor RB.
  • the capacitor C22 which corresponds in terms of its function and arrangement to the capacitor C21, together with the inductive component of the power transformer LTr2 and possibly the inductive component of the consumer RB governing the current resonance.
  • the measuring point 1 detects the voltage at the primary winding of the first power transformer LTrl
  • measuring point 2 detects the input voltage of the primary winding of the second power transformer LTY2 and measuring point 3, the output voltage at the secondary winding of the power transformer LTr2.
  • the AC voltage was taken from a 230 V network.
  • the main drive was adjusted so that a current resonance in the secondary circuit with a motor of 230 V and 0.125 A and a lamp 9 W in conjunction with the capacitor C21 adjusts.
  • the best possible efficiency has been set, i. a minimum power consumption at nominal load. This was achieved with 0.5 pF for the capacitor C21 with a power consumption of 0.15A. Experiments have shown that the resonance disappears as expected when the engine is loaded.
  • a second 86 VA transformer was connected in series to the first group, with the same motor connected in parallel to the second winding.
  • the voltage was distributed as usual in series connection. Each transformer was supplied with approx. 115V. Thereafter, resonance was also generated in the secondary circuit of the second transformer by adjusting the capacitor C22, wherein the capacitor C22 was further adapted, that is adjusted, although the resonance had already set. It was thus possible to apply approx. 230 V input voltage to the first transformer; the current resonance was retained in both secondary circuits.
  • the second transformer had an input voltage of 80V. The current remained the same at 0.15 A.
  • a 7.3 pF capacitor group was incorporated as capacitor C22. After that, both the first and second motors were loaded by slowing them down, even to a standstill. When braking or loading the main motor, the voltage at the loaded motor fell to 220 V, the current went up to 0.155 A. At the other transformer, the voltage automatically went up by 10 V to 90 V. In total, the voltage was always 310 V.
  • the second attempt used 500 VA transformers and 140 W motors. After adjustment of the two transformers there were 180 V and 170 V as input voltage to the primary windings. The voltage in the series resonant circuit remained constant at 370 V. When the motors were loaded the same effect as before occurred, the current resonances persisted. Also, the connection of a third transformer with 100 VA transformers and light bulbs as electrical consumers was successful in that it has been shown that a once set resonance was maintained regardless of the load. This means that a superimposed voltage resonance occurs when current resonances are generated in at least two groups connected in series with each other.
  • the circuit arrangement according to the invention can be used, for example, in electric cars. In this case, the AC power supply is formed from a DC voltage source or an accumulator whose DC voltage is converted into an AC voltage in an inverter.
  • FIG. 2 shows a further circuit arrangement according to the invention, in which a feedback chain is provided.
  • the secondary winding of the power transformer LTr has a tap which forms a winding section.
  • the secondary winding and the winding section constitute an autotransformer.
  • the power transformer has an air gap in its iron and ferrite core.
  • the output terminals of the secondary winding of the power transformer LTr2 are connected to the actual load RB.
  • the output AC voltage U A is thus applied to the output terminals of the power transformer LTY2.
  • the output circuit of the power transformer which is formed from the secondary winding and the actual load, there is further a current transformer StTr whose primary winding is flowed through by the load current I L.
  • This current I L induces in the secondary winding of the current transformer StTr a voltage which, together with the voltage which is tapped off at the winding section of the power transformer LTr 2, forms the input voltage for a rectifier GL.
  • the rectifier GL which is designed as a bridge rectifier and thus provides a pulsating DC voltage is connected via a variable resistor R with secondary coils S 12 , S 22 of two throttles Dr1 and Dr2. These secondary coils S 12 , S 22 of the throttles Dr1 and Dr2 are flowed through by a control current I st .
  • the primary coils S, S 21 of the two throttles Dr1 and Dr2 are connected to each other in series, wherein the series connection of these two reactors Dr1 and Dr2 is in turn connected in parallel to the compensation capacitor C and to the primary winding of the power transformer LTr2.
  • Both chokes Dr1 and Dr2 have two coils Sn, S 2 , S 2 i, S 22 , which are each arranged on a common magnetic core of iron or ferrite. In order to be able to store the magnetic energy well and to prevent the throttles Dr1 and Dr2 from becoming saturated, the cores each have an air gap.
  • the load RB is connected to the supply network via the power transformer LTr2. If the load contains inductive components, this can also be connected without the interposition of a power transformer. This is the case in particular with synchronous machines and asynchronous machines. It should also be noted that in the case of idling, the power transformer LTY2, due to its air gap, is able to act as a kind of storage choke. It thus forms the inductive part of the resonant circuit when idling.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last an einer Wechselspannungs-Versorgung mit einem parallel zu einer ersten Last angeordneten Kompensationskondensator, wobei die erste Last gebildet ist aus einem Leistungstransformator (LTr1) mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher (Rk). Erfindungsgemäß ist eine zweite Last vorgesehen, wobei die zweite Last aus einem Leistungstransformator (LTr2) mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher gebildet ist, wobei die zweite Last derart mit der ersten Last verschaltet ist, dass die beiden Lasten in Serie miteinander verbunden sind und dass parallel zur zweiten Last ein zweiter Kompensationskondensator angeordnet ist.

Description

„Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last"
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last an einer Wechselspannungs-Versorgung.
Es ist bekannt, eine Last, welche gebildet ist, aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher an einem Wechselspannungs-Versorgungsnetz zu betreiben. Ferner ist bekannt, dass die Blindanteile, auch reaktive Komponenten genannt, des Verbrauchers bzw. des Leistungstransformators durch Zuschalten eines parallel zur Last angeordneten Kompensationselements kompensiert werden können. Grundgedanke der Blindleistungskompensation ist nämlich, dass der von der Last benötigte Blindleistungsanteil nicht durch den Netzversorger zur Verfügung gestellt werden muss - was die Netzleitungen höher belasten würde - sondern, dass diese Blindleistung zwischen Last und Kompensationselement praktisch nur auf der Verbraucherseite hin- und herpendelt.
Nachteil bekannter Anordnungen zur Blindleistungskompensation ist, dass diese nicht oder nur unzureichend in der Lage sind, auf Änderungen des Blindleistungsbedarfs der Last zu reagieren. Mit anderen Worten: Die Kompensation der Blindleistung wird nur für einen stationären Betriebszustand der Last ausgelegt, die Kompensation an sich ist somit statisch. Üblicherweise wird hierbei ein cos φ von 0,85 bis 0,95 angestrebt. Kompensationselement und Last bilden einen Parallelschwingkreis und sind hierbei nahezu in Resonanz.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ziel der Erfindung ist es, die Gesamteffizienz der Schaltungsanordnung zu erhöhen bzw. eine optimale Stromeinsparung zu erreichen und die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Last möglichst effizient betrieben wird.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine zweite Last vorgesehen. Diese Last ist gebildet aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher. Wesentlich ist hierbei, dass die zweite Last derart mit der ersten Last verschaltet ist, dass die beiden Lasten in Serie miteinander verbunden sind, und dass ebenso wie bei der ersten Last parallel zur jeweiligen Last ein Kompensationskondensator angeordnet ist.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass eine Steigerung der Effizienz der Gesamtanordnung dadurch erreicht werden kann. Bei den Versuchen der Anmelderin war die Primärwicklung in Serie zur restlichen Schaltungsanordnung geschaltet und die Sekundärwicklung mit einem RC-Glied, also mit einem ohmschen Widerstand und einer Kapazität belastet. Alternativ kann der Widerstand des RC-Glieds auch durch einen Elektromotor ersetzt werden.
Ferner haben Versuche der Anmelderin gezeigt, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die angeschlossene Last nicht mit ihrer Nennleistung betrieben wird, sondern mit deutlich geringeren Werten. Insbesondere bei Verwendung eines Leistungstransformators hat sich gezeigt, dass die Schaltungsanordnung besonders effizient arbeitet, wenn die Leerlaufleistung bei etwa 10% der Nennleistung liegt. Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass gegenüber der Stromaufnahme aus dem Netz ein betragsmäßig zehnfach erhöhter Strom zwischen Kompensationskondensator und Last, also innerhalb des Reaktors, fließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Serienschaltung der Lasten dadurch realisiert, dass die beiden Primärwicklungen der beiden Leistungstransformatoren in Serie zueinander geschaltet sind.
Es ist möglich, den ersten Kompensationskondensator parallel zur Primärwicklung des ersten Leistungstransformators und der zweite Kompensationskondensator parallel zur zweiten Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators zu schalten. Bevorzugt aber ist der erste Kompensationskondensator parallel zur Sekundärwicklung des ersten Leistungstransformators und der zweite Kompensationskondensator parallel zur zweiten Sekundärwicklung des zweiten Leistungskompensators geschaltet. Besonders hohe Effizienz wird erreicht, wenn die Kapazität des ersten Kompensationskondensators so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der ersten Last in Stromresonanz mit dem ersten Kompensationskondensator ist, und wenn die Kapazität des zweiten Kompensationskondensators so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der zweiten Last in Stromresonanz mit dem zweiten Kompensationskondensator ist. Versuche der Anmelderin haben nämlich gezeigt, dass sich in diesem Fall Spannungsresonanz über die Serienschaltung der beiden Lasten einstellt. Es stellt sich folglich eine doppelte Resonanz ein. Erfindungsgemäß befinden sich somit die erste Last und die zweite Last in Stromresonanz, wobei diese beiden Stromresonanzen durch die Spannungsresonanz der Serienschaltung miteinander verkoppelt sind.
Hierdurch tritt der überraschende Effekt auf, dass die Stromresonanz im ersten bzw. im zweiten Lastkreis selbst dann erhalten bleibt, wenn die Last verändert wird. Beispielsweise haben Versuche gezeigt, dass ein Elektromotor, der als elektrischer Verbraucher angeschlossen wurde, bis auf eine Drehzahl von Null gebremst werden kann, ohne dass die Stromresonanz verschwindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität des zweiten Kompensationskondensators so angepasst, dass die Eingangsspannung an der Primärwicklung des ersten Leistungstransformators der Nennspannung des Wechselspannungs-Versor- gungsnetzes entspricht.
Der erste und der zweite Leistungstransformator können die gleiche Nennleistung aufweisen, und im magnetischen Kreis des ersten und des zweiten Leistungstransformators kann jeweils ein Luftspalt angeordnet sein.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf zwei Leistungstransformatoren oder zwei Lasten, sondern es kann auch eine größere Anzahl vorgesehen sein. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, dass die weiteren Lasten in Serie zur ersten und zweiten Last angeordnet sind. Jede der weiteren Lasten muss hierbei aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher gebildet sein und jeder weiteren Last muss ein Kompensationskondensator parallel geschaltet sein.
Es sei hier vermerkt, dass unter Betrieb bei Resonanz nicht nur Betriebszustände zu verstehen sind, die bei exakter Resonanz vorliegen, sondern auch Betriebszustände, die nur nahe an der Resonanz liegen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist geeignet für eine Last, die aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung gebildet ist, mit wenigstens einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise Elektromotoren oder Glühlampen. Um einen an sich kritischen Betriebszustand zu beherrschen, kann vorzugsweise eine Rückkopplungskette vorgesehen sein, die einen Steuerstrom einem weiteren reaktiven Schaltungselement zuführt. Hierdurch ist es außerdem möglich, die Stromaufnahme der Last aus dem Versorgungsnetz zu reduzieren, insbesondere zu regulieren. Auf diese Weise kann ein Reaktor zur elektromagnetischen Verbrauchsoptimierung geschaffen werden. Die Effizienz der Schaltungsanordnung ist besonders erhöht, wenn die angeschlossene Last mit deutlich geringeren Werten als mit ihrer Nennleistung betrieben wird.
Um eine verbesserte Blindleistungskompensation zu erreichen, kann bei konstanter Frequenz der Versorgungsspannung bevorzugt die Größe des Blindwiderstandes des Kompensationskondensators gleich groß oder nahezu gleich groß sein wie die Größe des Blindwiderstandes der Last, wobei bei lastbedingten Änderungen des Scheinwiderstandes der Last der Steuerstrom derart auf das weitere Schaltungselement wirkt, dass die Parallelschaltung aus Last und einem weiteren Schaltungselement einen Blindwiderstand aufweist, der hinsichtlich seines Betrages dem Kompensationskondensator entspricht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient ein Stromtransformator der Auskopplung des Steuerstroms. Dieser Stromtransformator kann im Lastkreis angeordnet sein. Der Stromtransformator kann so ausgelegt sein, dass ein linearer und phasenrichtiger Zusammenhang zwischen dem primärseitig fließenden Strom und der durch diesen primärseitigen Strom induzierten Spannung auf der Sekundärseite gegeben ist. Bei der Auslegung des Stromtransformators kann darauf geachtet werden, dass der magnetische Kern durch den vorgesehenen primärseitigen Nennstrom nicht in die Sättigung gelangt.
Das weitere Schaltungselement ist beispielsweise eine Drossel mit auf einem gemeinsamen magnetischen Kern gegensinnig angeordneten Spulen, wobei die primäre Spule parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist und die sekundäre Spule mit dem Steuerstrom beaufschlagt ist.
In einer besonders effizienten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Schaltungselement durch zwei Drosseln gebildet, deren primäre Spulen zueinander in Serie geschaltet sind. Die Serienschaltung der primären Spulen ist wiederum parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet. Auch die sekundären Spulen sind in Serie geschaltet und werden somit vom selben Steuerstrom durchflössen. Um mehr magnetische Energie speichern zu können, weisen die Kerne der Drosseln bevorzugt einen Luftspalt auf. Um die angesprochene Effizienz noch weiter zu steigern, kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Anordnung der sekundären Spulen an der Drossel so gewählt sein, dass die durch den Steuerstrom in den sekundären Spulen induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie dem Stromfluß in der primären Spule der Drossel entgegenwirkt.
Beide zuvor genannten Maßnahmen können dazu führen, dass die durch das weitere Schaltungselement verbrauchte Verlustleistung minimiert werden kann, weil der Stromfluß in der bzw. in den primären Spulen möglichst klein gehalten werden kann.
Ausgangsseitig kann an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, angeschlossen werden, der wiederum ausgangsseitig mit einem Stellwiderstand verbunden sein kann. Über diesen Stellwiderstand kann die gleichgerichtete, pulsierende Ausgangsspannung der sekundären Spule der wenigstens einen Drossel zugeführt werden. Damit kann der Stellwiderstand der Anpassung und Stabilisierung des Arbeitspunktes der Kompensation dienen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Anpassen und Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Es sei außerdem noch darauf hingewiesen, dass alle in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwendeten Transformatoren als Spartransformatoren ausgeführt sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung wird mit den Eingangsklemmen an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossen und mit einer Eingangswechselspannung UE versorgt. Parallel zu den Eingangsklemmen ist ein erster Kompensationskondensator C1 1 geschaltet, der somit mit der Versorgungsspannung beaufschlagt ist. Wiederum parallel zum ersten Kompensationskondensator C1 1 liegt die Primärwicklung eines ersten Leistungstransformators LTr1 , welche von einem Strom Ii durchflössen wird. In Serie zur Primärwicklung des ersten Leistungstransformators LTr1 liegt die Primärwicklung eines zweiten Leistungstransformators LTr2. An deren Eingangsklem- men ist ein weiterer erster Kompensationskondensator C12 geschaltet, der somit parallel zur Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators LTr2 liegt.
Die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LRr1 sind mit dem elektrischen Verbraucher - hier symbolisch nur als Widerstand Rk dargestellt - verbunden. An den Ausgangsklemmen des Leistungstransformators LTr1 liegt somit eine Ausgangswechselspannung an. Der Ausgangskreis des Leistungstransformators LTr1 ist gebildet aus der Sekundärwicklung und der eigentlichen Last. Festzuhalten ist noch, dass der Leistungstransformator LTr1 insbesondere dann, wenn er einen Luftspalt aufweist, in der Lage ist, als eine Art Speicherdrossel zu fungieren. Er kann damit den induktiven Teil des Stromresonanzkreises der ersten Last bilden. Parallel zur Sekundärwicklung des ersten Leistungstransformators LTr1 liegt ein weiterer, nämlich der zweite Kompensationskondensator C21 des Leistungstransformators LTr1. Dieser Kompensator C21 ist zusammen mit dem induktiven Anteil des Leistungstransformators LTr1 und gegebenenfalls dem induktiven Anteil des Verbrauchers Rk maßgebend für die Stromresonanz.
Die Sekundärseite des Leistungstransformators LTY2 ist gleichartig wie beim Leistungstransformator LTr1 aufgebaut. Der elektrische Verbraucher ist auch hier lediglich symbolisch durch einen Widerstand RB dargestellt. Der Kondensator C22, der hinsichtlich seiner Funktion und Anordnung dem Kondensator C21 entspricht, ist zusammen mit dem induktiven Anteil des Leistungstransformators LTr2 und gegebenenfalls dem induktiven Anteil des Verbrauchers RB maßgebend für die Stromresonanz.
Die Anmelderin hat Versuche mit dieser Schaltungsanordnung durchgeführt. In der Fig. 1 sind Messpunkte gezeigt, die im Folgenden erläutert werden. Außerdem ist festzuhalten, dass die in Serie zu den Kondensatoren C1 1 , C12, C21 und C22 angeordneten Schalter lediglich den Versuchsaufbau wiedergeben und für die eigentliche Erfindung ohne Bedeutung sind.
Der Messpunkt 1 erfasst die Spannung an der Primärwicklung des ersten Leistungstransformators LTrl Messpunkt 2 erfasst die Eingangsspannung der Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators LTY2 und Messpunkt 3 die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr2.
Im Folgenden werden zwei Versuchsaufbauten und deren Ergebnis wiedergegeben, wobei festzuhalten ist, dass die den Kondensatoren C11 und C12 zugeordneten Schalter geöffnet und die den Kondensatoren C21 und C22 zugeordneten Schalter geschlossen waren. Im ersten Versuch wurden zwei Trafos 86 VA (Eingang 230 V - Ausgang 239 V) verwendet. Die Primärwicklung dieser Trafos wurden seriell zueinander geschaltet und getrennt konfiguriert.
Die Wechselspannung wurde einem 230 V-Netz entnommen.
Zuerst wurde beim ersten Leistungstransformator der Hauptantrieb derart angepasst, dass sich eine Stromresonanz im Sekundärkreis mit einem Motor mit 230 V und 0,125 A und einer Lampe 9 Watt in Verbindung mit dem Kondensator C21 einstellt. Es wurde der bestmögliche Wirkungsgrad eingestellt, d.h. ein minimaler Stromverbrauch bei Nominalbelastung. Dies wurde erreicht mit 0,5 pF für den Kondensator C21 bei einem Stromverbrauch von 0,15A. Versuche haben gezeigt, dass die Resonanz erwartungsgemäß verschwindet, wenn der Motor belastet wird. Im zweiten Schritt wurde ein zweiter Trafo 86 VA seriell an die erste Gruppe angeschlossen, wobei parallel an der zweiten Wicklung der gleiche Motor angeschlossen wurde.
Die Spannung verteilte sich wie üblich bei Serienschaltung. Jeder Trafo wurde mit ca. 115 V versorgt. Danach wurde auch im Sekundärkreis des zweiten Trafos Resonanz durch Anpassen des Kondensators C22 erzeugt, wobei der Kondensator C22 noch weiter angepasst, also verstellt wurde, obwohl sich die Resonanz bereits eingestellt hatte. Es konnte damit erreicht werden, dass am ersten Trafo ca 230 V Eingangsspannung anlagen, die Stromresonanz blieb in beiden Sekundärkreisen erhalten. Bei dem zweiten Trafo lag eine Eingangsspannung von 80 V an. Der Strom blieb gleich bei 0,15 A. Hier war eine 7,3 pF-Kondensatorengruppe als Kondensator C22 eingebaut. Danach wurden sowohl der erste als auch der zweite Motor belastet, indem man sie langsam abbremste, sogar bis zum Stillstand. Beim Abbremsen bzw. Belasten des Hauptmotors fiel die Spannung am belasteten Motor auf 220 V, der Strom geht hoch auf 0,155 A. Am anderen Trafo ging die Spannung automatisch um 10 V hoch auf 90 V. In Summe betrug die Spannung immer 310 V.
Beim zweiten Versuch wurden 500 VA Trafos und 140 W Motoren verwendet. Nach Anpassung der beiden Trafos lagen dort 180 V bzw. 170 V als Eingangsspannung an den Primärwicklungen. Die Spannung im Serienresonanzkreis blieb konstant bei 370 V. Bei Belastung der Motoren trat der gleiche Effekt wie zuvor auf, die Stromresonanzen blieben bestehen. Auch die Zuschaltung eines dritten Trafos mit 100 VA Trafos und Glühbirnen als elektrischen Verbrauchern war insofern erfolgreich, als dass sich gezeigt hat, dass eine einmal eingestellte Resonanz unabhängig von der Belastung erhalten blieb. Das heißt, es stellt sich eine überlagerte Spannungsresonanz ein, wenn in mindestens zwei seriell miteinander verschalteten Gruppen Stromresonanzen erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann beispielsweise in Elektroautos Anwendung finden. In diesem Fall wird die Wechselspannungs-Versorgung gebildet aus einer Gleichspannungsquelle oder einem Akkumulator, deren/dessen Gleichspannung in einem Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt wird.
Die Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der eine Rückkopplungskette vorgesehen ist. Die Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr weist eine Anzapfung auf, welche einen Wicklungsabschnitt bildet. Die Sekundärwicklung und der Wicklungsabschnitt stellen einen Spartransformator dar. Der Leistungstransformator hat in seinem Eisen- und Ferritkern einen Luftspalt.
Die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Leistungstransformators LTr2 sind mit der eigentlichen Last RB verbunden. An den Ausgangsklemmen des Leistungstransformators LTY2 liegt somit die Ausgangswechselspannung UA an. Im Ausgangskreis des Leistungstransformators, welcher aus der Sekundärwicklung und der eigentlichen Last gebildet ist, befindet sich des Weiteren ein Stromtransformator StTr, dessen Primärwicklung vom Laststrom lL durchflössen wird.
Dieser Strom lL induziert in der Sekundärwicklung des Stromtransformators StTr eine Spannung, welche zusammen mit der Spannung, welche am Wicklungsabschnitt des Leistungstransformators LTr2 abgegriffen wird, die Eingangsspannung für einen Gleichrichter GL bildet. Der Gleichrichter GL, welcher als Brückengleichrichter ausgeführt ist und somit eine pulsierende Gleichspannung liefert, ist über einen Stellwiderstand R mit sekundären Spulen S12, S22 zweier Drosseln Dr1 und Dr2 verbunden. Diese sekundären Spulen S12, S22 der Drosseln Dr1 und Dr2 werden von einem Steuerstrom lst durchflössen.
Die primären Spulen S , S21 der beiden Drosseln Dr1 und Dr2 sind zueinander in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung dieser beiden Drosseln Dr1 und Dr2 wiederum parallel zum Kompensationskondensator C und zur Primärwicklung des Leistungstransformators LTr2 geschaltet ist. In diesen beiden primären Spulen Sn, S2i der Drosseln Dr1 und Dr2 fließt der Strom \ . Beide Drosseln Dr1 und Dr2 haben zwei Spulen Sn, S 2, S2i, S22, welche jeweils auf einem gemeinsamen magnetischen Kern aus Eisen oder Ferrit angeordnet sind. Um die magnetische Energie gut speichern zu können und zu verhindern, dass die Drosseln Dr1 und Dr2 in Sättigung kommen, weisen die Kerne jeweils einen Luftspalt auf.
Wichtig ist nun, dass die sekundären Spulen S12, S22 einen Wicklungssinn aufweisen, der dazu führt, dass das durch den pulsierenden Gleichstrom induzierte magnetische Feld dem magnetischen Feld, welches durch den Strom h in den primären Spulen S-\ , S21 verursacht wird, entgegenwirkt. Hierbei ist dies für die Drossel Dr2 dann der Fall, wenn die primäre Spule S2i von einem Strom durchflössen ist, der sich als negative Halbwelle darstellen lässt oder anders ausgedrückt, wenn dessen Stromrichtung entgegen der Pfeilrichtung von Ii gerichtet ist. Die Spule S22 ist so angeschlossen, dass der Steuerstrom lst eine Spannung in der Spule S2i induziert, welche dem über dieser Spule anliegenden Netzspannungsanteil während eines Halbwellenpulses entgegenwirkt. Während der positiven Halbwelle des Stromes h tritt dieser regelnde Effekt in der Drossel Dr1 auf. Somit ist eine Regelstrecke bzw. eine Rückkopplungskette geschaffen, die dafür sorgt, dass über die primären Spulen S12, S2 immer ein Strom in einer Größe fließt, dass dieser der Verstimmung des aus Last RB in Verbindung mit dem Leistungstransformator LTr2 und Kompensationskondensator C gebildeten Parallelschwingkreis infolge von Laständerungen entgegenwirkt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Last RB über den Leistungstransformator LTr2 an das Versorgungsnetz angeschlossen. Sofern die Last induktive Komponenten enthält, kann diese auch ohne Zwischenschaltung eines Leistungstransformators angeschlossen werden. Dies ist insbesondere bei Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen der Fall. Festzuhalten ist noch, dass im Leerlauffalle der Leistungstransformator LTY2 aufgrund seines Luftspaltes in der Lage ist, als eine Art Speicherdrossel zu fungieren. Er bildet damit im Leerlauf den induktiven Teil des Resonanzkreises.

Claims

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last an einer Wechselspannungs- Versorgung mit einem parallel zu einer ersten Last angeordneten Kompensationskondensator oder einem technisch gleichwirkenden Bauteil, wobei die erste Last gebildet ist aus einem Leistungstransformator (LTr1) mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher (Rk), dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Last vorgesehen ist, dass die Zweite Last gebildet ist aus einem Leistungstransformator (LTr2) mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher (RB), wobei die zweite Last derart mit der ersten Last verschaltet ist, dass die beiden Lasten in Serie miteinander verbunden sind, und dass parallel zur zweiten Last ein zweiter Kompensationskondensator oder technisch gleichwirkendes Bauteil angeordnet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der Last dadurch realisiert ist, dass die beiden Primärwicklungen der beiden Leistungstransformatoren (LTr1 , LTr2) in Serie zueinander geschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompensationskondensator (C11) parallel zur Primärwicklung des ersten Leistungstransformators (LTr1) und der zweite Kompensationskondensator (C12) parallel zur zweiten Primärwicklung des zweiten Leistungstransformators (LTr2) geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompensationskondensator (C21) parallel zur Sekundärwicklung des ersten Leistungstransformators (LTr1) und der zweite Kompensationskondensator (C22) parallel zur zweiten Sekundärwicklung des zweiten Leistungstransformators (LTr2) geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des ersten Kompensationskondensators (C21) so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der ersten Last in Stromresonanz mit dem ersten Kompensationskondensator (C21) ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des zweiten Kompensationskon- densators (C22) so angepasst ist, dass die reaktive Komponente der zweiten Last in Stromresonanz mit dem zweiten Kompensationskondensator (C22) ist.
7. Schaltungsanordnung nach dem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des zweiten Kompensationskondensators (C22) so angepasst ist, dass die Eingangsspannung an der Primärwicklung des ersten Leistungstransformators (LTr1) der Nennspannung des Wechselspannungs-Versorgungs- netzes entspricht.
8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Last mit dem ersten Kompensationskondensators (C21) und die zweite Last mit dem zweiten Kompensationskondensator (C22) so zueinander angepasst sind, dass sich über der Serienschaltung Spannungsresonanz einstellt.
9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Leistungstransformator (LTr1 , LTr2) die gleiche Nennleistung aufweisen.
10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im magnetischen Kreis des ersten und des zweiten Leistungstransformators (LTr1 , LTr2) jeweils ein Luftspalt angeordnet ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Lasten in Serie zur ersten und zweiten Last angeordnet sind, wobei jeder der weiteren Lasten jeweils gebildet ist aus einem Leistungstransformator mit Primär- und Sekundärwicklung und einem an die Sekundärwicklung angeschlossenen elektrischen Verbraucher und jeder weiteren Last ein Kompensationskondensator parallel geschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Schaltelement mit reaktiver Charakteristik parallel zur Last (LTr2) bzw. zum Kompensationskondensator angeordnet ist, dass ein dem Laststrom proportionaler Steuerstrom aus dem Laststrom abgeleitet wird, wobei der Steuerstrom derart mit dem weiteren Schaltungselement verkoppelt ist, dass er einer Veränderung des reaktiven Anteils der Last entgegenwirkt.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Frequenz der Versorgungsspannung die Größe des Blindwiderstandes des Kompensationskondensators gleich groß oder nahezu gleich groß ist wie die Größe des Blindwiderstandes der Last, wobei bei lastbedingten Änderungen des Scheinwiderstandes der Last der Steuerstrom derart auf das weitere Schaltungselement wirkt, dass die Parallelschaltung aus Last und weiterem Schaltungselement einen Blindwiderstand aufweist, der dem Kompensationskondensator entspricht.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auskopplung des Steuerstroms ein Stromtransformator im Lastkreis angeordnet ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Schaltungselement eine Drossel (Dr1 , Dr2) mit auf einem gemeinsamen magnetischen Kern gegensinnig angeordneten Spulen ist, wobei die primäre Spule parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist und die sekundäre Spule mit dem Steuerstrom beaufschlagt ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Schaltungselement durch zwei Drosseln (Dr1 , Dr2) gebildet ist, deren primäre Spule zueinander in Serie geschaltet sind, wobei die Serienschaltung der primären Spulen parallel zum Kompensationskondensator und zur Last angeordnet ist, und dass die sekundären Spulen in Serie geschaltet und mit dem Steuerstrom beaufschlagt sind.
17. Schaltungsordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Steuerstrom in der sekundären Spule induzierte Spannung so gerichtet ist, dass sie dem Strom in der primären Spule der Drossel (Dr1 , Dr2) entgegenwirkt.
18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (Dr1, Dr2) einen Luftspalt im magnetischen Kern aufweisen.
19. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig an die Sekundärwicklung des Stromtransformators ein Gleichrichter, insbesondere ein Brückengleichrichter, angeordnet ist.
20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung des Leistungstransformators (LTr2) eine Anzapfung aufweist, die mit dem Gleichrichter verbunden ist.
21. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters über einen Stellwiderstand den sekundären Spulen der Drosseln (Dr1 , Dr2) zugeführt werden.
22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator (LTr2) im Eisenkreis einen Luftspalt aufweist.
23. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Last aus einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine gebildet ist.
24. Verfahren zum Anpassen und Betreiben einer Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch das Ausführen folgender Schritte: a) Zuschalten eines elektrischen Verbrauchers an die Sekundärwicklung eines ersten Leistungstransformators (LTr1). b) Zuschalten eines ersten Kompensationskondensators (C21) parallel zum ersten elektrischen Verbraucher, c) Erhöhen der Kapazität des ersten Kompensationskondensators (C21) bis sich Stromresonanz einstellt, d) Zuschalten eines zweiten elektrischen Verbrauchers an die Sekundärwicklung eines zweiten Leistungstransformators (LTr2), e) Zuschalten eines zweiten Kompensationskondensators (C22) parallel zum zweiten elektrischen Verbraucher, f) Erhöhen der Kapazität des zweiten Kompensationskondensators (C22) bis sich Stromresonanz zwischen einerseits Kompensationskondensator und andererseits Leistungstransformator und Blindanteil des elektrischen Verbrauchers und gleichzeitig Spannungsresonanz in der Serienschaltung einstellt, g) gegebenenfalls weiteres Erhöhen der Kapazität des ersten oder zweiten Kompensationskondensators (C21 , C22) bis sich eine gewünschte Spannungsverteilung über den beiden Primärwicklungen einstellt, h) gegebenenfalls wiederholtes Betreiben der elektrischen Verbraucher an einer gemäß den Schritten a) bis g) angepaßten Schaltungsanordnung, solange bis die Schaltungsanordnung von der Wechselspannungs-Ver- sorgung getrennt wird.
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