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Thyristorgeschalteter Leistungskondensator Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Ein- und Aussch-ltez eines Leistungskondensators mit einem an
ein Wechse1spannunsnetz angeschlossenen elektronischen Schalter. Tnyristorgeschaltete
Leistungskondensatoren sind bekannt und werden insbesondere zur Blindstromkompensation
bzw. zur dynamischen Spannungsstabilisierung verwendet. Dies ist insbesondere in
Netzen erforderlich, in denen große induktive Leistungsschwankungen auftreten, was
beim Anschluß von Arbeitsmaschinen oder Anlagen mit großer Leistungsaufnahme der
Fall seir. kann.
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Zur Kompensation des Blindleistungsverbrauchs in Industrienetzen ist
es bekannt, Kondensatoranlagen mit Thyristorschaltgliedern vorzusehen (vgl. K. Heumann,
Grundlagen der Leistungselektronik, Verlag B. G. Teubner, Stuttgart, 1975, Seiten
184 - 188).
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Während eine feste Kondensatorbatterie eine konstante kapazitive Blindleistung
liefert und sich deshalb nur für Anlagen mit nahezu gleichbleibende Blindleistungsverbrauch
eignet, kann man mit einer Kondensatorbatterie, bei der Teile der Batterie mit geeigneten
Schaltgeräten zu- und abgeschaltet werden, auch symmetrische und unsymmetrische
Lastschwankunqen ausgleichen.
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Aus der ASEA-Zeitschrift 197, 6, Seiten 140 - 144 sind Kondensatoranlagen
mit Thyristorschaltgliedern zur Blindleistungskompensation bekannt, bei denen antiparallelgeschGltece
Thyr5storen in Reihe zu einem Kondensator und einer Droselspule an jede Phase des
zu kompensierenden Netzes geschatet sind (Figur 1). Der Kondensator wird dabei auf
das Netz ge- Net schaltet, wenn die Netzspannung gleich der Kondensatorspannung
ist. Die Stromführung wird abwechselnd von einen der beican kr oder T antiparallelgeschalteten
Thyristoren übernommen. Bei dieser bekannten Anordnung bleiben, wie in Figur 2d
anhand des zeitlichen Verlaufs von Kondensatorspannung Uc und Netzspannurg U dargestellt,
die Kondensatoren im nichteingeschalteten Zustand bis zum Zeitpunkt t1 auf dem positiven
oder negativen Scheitelwert der Netzspannung aufgeladen und werden innerhalb einer
halben Wechselspannungsperiode umgepolt (t4 - t5). Der Einschaltaugenblick t1 wird
so gewählt, daß die Netztspannung U über dem betreffenden Zweig nach dem Augenblickswert,
der dem
Scheitelwert der Netzspannung entspricht, und der Polarität
mit der Kondensatorspannung Uc übereinstimmt. Auf diese Weise wird beim natürlichen
Nulldurchgang des in Figur 2b dargestellten Stromes eingeschaltet.
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Beim Abschalten eines Kondensators werden die Zündimpulse der Thyristoren
unterbrochen. Der den Strom führende Thyristor sperrt dann, sobald der Strom auf
Null abgeklungen ist (Zeitpunkt t2). Der Kondensator bleibt danach auf dem Scheitelwert
der Spannung aufgeladen und steht für einen neuen Einschaltvorgang bereit. Um die
Ladezustand des Kondensators und damit die Kondensatorspannung Uc zu erhalten, wird
während des Bereitschaftszustandes immer dann ein kurzer Zeitimpuls an den Thyristor,
der den Strom zuletzt geleitet hat, abgegeben, wenn die Netzspannung U wieder gleich
der Kondensatorspannung Uc ist (Zeitpunkt t3).
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Da der Kondensator immer dann auf das Netz geschaltet wird, wenn die
Netzspannung gleich der Kondensatorspannung ist, um im natürlichen Nulldurchgang
des Stromes einzuschalten und damit Ausgleichsschwingungen zu verhindern, kann bei
dieser bekannten Anordnung zwischen der Abgabe eines in Figur 2c dargestellten Zuschaltbefehls
zum Zeitpunkt t0 bis zum eigentlichen Zuschaltaugenblick, d. h. dem Augenblick der
Übereinstimmung von Netz- und Kondensatorspannung, im ungünstigsten Fall eine Zeitdauer
von maximal einer ganzen
Periodendauer T des Wechsel stromes vergehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein ausgleichsschwingungsfreies
und weitestgehend verlustfreies elektronisches Ein- und Ausschalten von Leistungskondensatoren
zu ermöglichen, bei dem die größtmögliche Zeitdauer zwischen Abgabe eines Befehls
zum Zuschalten des Leistungskondensators und dem tatsächlichen Zuschaltaugerblick
bei Übereirstimmung von Netz- und Kondensatorspannung stets kleiner oder höchstens
gleich einer halben Periodendauer der Netzwechselspannung ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgeiräß dadurch gelöst, da3 der elektronische
Schalter aus einer Einphasen-Brückenschaltung mit zumindest in einer Richtung steuerbaren,
antiparallelgeschalteten Halbleiter-Stromrichterelevant-n in den Brückenzweigen
besteht und über eine erste Drosselspule mit dem Wechselspannungsnetz verbunden
ist, und daß in die Brucker.-diagonalen der Leistungskondensator in Reihe zu einer
zweiten Drosselspule geschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung stellt durch wechsel weises Zünden der
in den einzelnen Brückenzweigen befindlichen Thyristoren sicher, daß die größtmögliche
"Totzeit", d.h. die Zeit zwischen Abgabe des Zuschaltbefehls und tatsächlicher Zuschaltung,
eine halbe Periodendauer beträgt. Diese Lösung
stellt ebenso wie
die bekannten Anordnungen ein ausgleichs-, schwingungs- und verlustfre es Schalten
der zur Kompensation dienenden Leistungskondensatoren sicher. Verlustfreies Schalten
bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die erfindungsgemäße unordnung grundsätzlich
auch bei verlustfreien, d.h. widerstandslosen Schaltkreiselementen bzw. bei beliebig
kleiner Dämpfung des Kondensatorzweiges anwendbar ist und daß bei einem verlustbehafteten
Kondensatorzweig, wie er in der Praxis immer auftritt, beim Ein- und Ausschalten
des Leistur.gskondensators keine zusätzlichen Schaltverluste auftreten.
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Anhand von in den Figuren 3 bis 7 dargestellten k-sfhrungsbeispielen
der Erfindung für Wechsel- und Gleichs?znnungs-Leistungskondensatoren soll der der
Erfindung zug-ur.deliegence Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen Figur 3 eine Kompensationsanordnung mit einem ein- und ausschaltbaren
Wechselspannungs-Leistungskondensator, die Figur 4 bis 9 Kompensationsanordnungen
mit ein- und ausschaltbaren Gleichspannungs-LBstungskondensatoren und Figur 2d den
zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung nach Abgabe eines Zuschaltbefehls bei
Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die in Figur 3 dargestellte Anordnung zum elektronischen in und Ausschalten
eines Wechselspannungs-Leistungskondenstors 1 enthält eine Einphasen-Brückenschaltung
3 mit antiparallelgeschalteten Thyristoren 31 - 34, sogenannten Thyristor-Wechselwegpaaren,
die über eine erste Drosselspule 4 Lfl das Wechselspannungsnetz 5 anceschlossen
ist. Der Wechselpannung-Leistungskondensator 1 ist in Reihe mit einer kleie Drosselspule
6 zur Kurzschlußstrombegrenzung in die Brückendiagonale der Einphasen-Brückenschaltung
3 geschaltet. Die erste Drosselspule 4 bestimmt dabei im wesentlichen die netzseite
wirksame Reihenresonanzfrequenz der gesamten Anordnung. Durch eine geeignete Wahl
der Induktivität L der ersten Dresselspuleule 4 und der Kapazität C des Wechselspannuncs-Leistnx;desarvr
I kann ein abgestimmter, gesteuerter Filterkreis oder auch ein gesperrter, gesteuerter
Leistungskondensator gebiet werden.
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Die antiparallelgeschalteten Thyristoren 31 - 34 werden in dieser
Anordnung bipolar beansprucht. Entsprechend der gestelten Aufgabe beträgt die Totzeit
der Steuerung zwischen Abgase de= Zuschaltbefehls und dem Zuschalten des Wechselspannungs-Leistungskondensators
1 maximal eine halbe Periodendauer.
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Die in Figur 4 dargestellte Anordnung eines thyristorgesteuerten Gleichspannungskondensators
2 besteht analog zur Anordnung nach Figur 3 aus einer über eine erste Drosselspule
4 an ein
Wechselspannungsnetz 5 angeschlossenen Einphasen-Brücken
schaltung 7, die in diesem Fall jedoch aus antiparallelgeschalteten Dioden und Thyristoren
71 - 74 in den einzelnen Brückenzweigen aufgebaut ist. An die gleichspannungsseitige
Brückendiagonale ist die Reihenschaltung einer zweiten Drosselspule 8 und des Gleichspannungs-Leistungskondensators
2 angeschlossen.
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Physikalisch betrachtet, ist diese Anordnung sowie die .r.3-ånungen
der nachfolgend beschriebenen Figuren 5, 6 und 7 eine neuartige Ausführungsform
eines einphasigen kapazitiven 3indleistungsstromrichters mit verstecktem Löschkreis.
Der Gleich spannungskontiensator 2 bildet mit der zweiten Drosselspule 8 in der
gleichspannungsseitigen Brückendiagonalen auch den gemeinsamen Löschkreis für die
vier in den Brückenzweigen der Einphasen-Brückenschaltung 7 befindlichen Thyristoren,
die periodisch mit doppelter Netzfrequenz gezündet und gelöscht werden. Die den
Thyristoren antiparallelgeschalteten Dioden dienen sowohl als Leistungsdioden in
den Hauptstromzweigen als auch als Umschwingdioden in den Löschstromkreisen.
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Die Anordnung nach Figur 5 stellt einen Sonderfall der Anordnung nach
Figur 4 dar, und enthält ebenfalls eine über eine erste Drosselspule 4 an ein Wechselspannungsnetz
5 angeschlosene Einphasen-Brückenschaltung 7 mit antiparallelgeschalteten dioden
und Thyrisotren in den Brückenzweigen. Die gleichspannugsseitie
Reihenschaltung
von zweiter Drosselspule 8 und Gleichspannungs Leistungskondensator 2 nach Figur
4 ist hier durch einen Kettenleiter aus gleichspannungsseitigen Drosselspulen 8a
bis 8e und Gleichspannungs-Leistungskondensatoren 2a bis 2e ersetzt, die einen annähernd
rechteckförmigen Umschwing- bzw. Löschstrom mit minimaler Amplitude, d.h. auch minimalen
Verlusten und maximaler Umschwingdauer, d.h. maximaler Schonzeit für die Thyristoren
liefert.
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Eine spezielle, einfache Form der Einphasen-Brückenschcltung nach
Figur 4 ergibt sich bei der Verwendung von in Bruckenschaltung 9 aufgebauten, rückwärtsleitenden
Thyristoren, die ebenfalls über eine erste Drosselspule 4 an ein Wechselspannungsnetz
5 angeschlossen sind und deren gleichstrort=-itige Brückendiagonale die Reihenschaltung
einer zweiten Drose1srule und des Gleichspannungs-Leistungskondensators 2 aufeist.
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Da der räumlichen Verteilung der Schaltungs- und Streuinduktivi täten
insbesondere beim Aufbau der Anordnung im Bereich größerer Leistungen eine erhöhte
Bedeutung zukommt, sind in den Figuren 7a bis 7c Beispiele von Anordnungen zum elektronischen
Ein- und Ausschalten eines Gleichspannungs-Leistungskondensators mit verteilten
Induktivitäten aufgezeigt.
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In Figur 7a ist die Kommutierungsdrossel in Einzelinduktivitäten 81
bis 88 aufgeteilt und sowohl den rückwärtsleitenden Thyristoren
91
bis 94 in den einzelnen Brückenzweigen vor- bzw. nachgeschaltet als auch dem Gleichspannungs-Leistungskonaesator
2 in Reihe geschaltet. Uber eine erste Drosselspule 4 ist die Einphasen-Brückenschaltung
an das Wechselspannungsnetz 5 angeschlossen.
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Die Anordnungen nach den Figuren 7b und 7c zeigen zwei zoglich keiten,
die erste Drosselspule 4 zur Kurzschlußstrombegrenzung und -aufteilung bei einem
Netzkurzschluß in einzelne Incuktivitäten 41 bis 43 symmetrisch in der Einphasen-Brückenschaltung
mit den ruckwärtsleitenden Thyristoren 91 bis 94 in den Brückenzweigen anzuordnen.
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In Figur 2d wird anhand des Verlaufs der Spannung U am Leistue kondensator
verdeutlicht, wie nach Abgabe des Zuschaltbefehls zum Zeitpunkt t0 maximal die Zeitdauer
einer halben Periodendauer T/2 vergeht bis die tatsächliche Zuschaltung des Leistunc;-kondensators
an das Wechselspannungsnetz erfolgt.
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