Vorrichtung zur Konstanthaltung der Spannung eines Lastschwankungen unterworfenen, ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzes

Abstract

 Zur Konstanthaltung der Spannung eines Netzes, das beispielsweise einen Lichtbogenschmelzofen speist, ist zwischen je zwei Leiter des Netzes eine Reihenschaltung aus einem Wechselstromsteller (6) und einer Drosselspule (9) geschaltet. Die steuerbaren Ventile (7, 8) werden in Abhängigkeit von dem Vergleich der Spannungszeitfläche, die mittels eines Integrators während jeder Halbschwingung aus der Netzspannung ermittelt wird, mit einem vorgegebenen Sollwert vorzeichenrichtig gezündet. Danach dem Zündzeitpunkt des Wechselstromstellers noch ein auf die Reaktanz der Drosselspule zurückzuführender Anteil der Spannungszeitfläche wirksam ist, wird dieserAnteil berechnet und zu dem vom Integrator ermittelten Anteil vor dem Vergleich mit dem Sollwert addiert.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Spannung zwischen je zwei Leitern eines Lastschwankungen unterworfenen, ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzes mitteils einer an die beiden Leiter je einer Phase angeschlossenen Reihenschaltung aus einer Drosselspule und einem Wechselstromsteller, dessen antiparallel geschalteten steuerbaren Ventilen Zündimpulse zugeführt sind, die aus der Abweichung zwischen einem vorgegebenen Sollwert und einer aus der Netzspannung mittels eines Integrators gebildeten Größe der Spannungszeitfläche über mindestens einen Grenzwertmelder abgeleitet sind.

[0002] Eine Vorrichtung dieser Art für den Einsatz in beispielsweiseLichtbogenschmelzöfen oder Stromrichterantriebe von Walzwerken speisenden Netzen ist aus der europäischen Patentanmeldung 26 260 bekannt. Die genannten Verbraucher sind erheblichen Lastschwankungen unterworfen und rufen daher Spannungsschwankungen im Versorgungsnetz hervor, die sich beispielsweise als sogenannte Flickererscheinungen auf die Helligkeit von ebenfalls an das Versorgungsnetz angeschlossenen Glühlampen auswirken. Sinn und Zweck der Vorrichtung ist es, die Spannung des Versorgungsnetzes möglichst konstant zu halten, zumindest aber die Spannungsschwankungen soweit zu unterdrücken, daß sie nicht mehr als störend empfunden werden. Hierzu wird die konstant zu haltende Spannung gemessen und während jeder halben Schwingungsperiode der Netzspannung mittels eines Integrators die Spannungszeitfläche ermittelt. Erreicht die Spannungszeitfläche der halben Periode einen vorgegebenen Sollwert, der beispielsweise dem Mittel- oder Effektivwert der Spannungszeitfläche der Halbschwingung entspricht, so wird über einen Grenzwertmelder mit nachgeschaltetem Impulsformer das dem Vorzeichen der Halbschwingung entsprechend gepolte Ventil des Wechselstromstellers gezündet, so daß die beiden Leiter des Netzes über die dem Wechselstromsteller vorgeschaltete Drossel leitend miteinander verbunden sind. Durch die Drosselspule wird der über den Steller fließende Kurzschlußstrom begrenzt. Die an der Drossel nach der Zündung des Ventils verbleibende Spannung führt für die Netzspannung zu einer Spannungszeitfläche, die größer als die dem vorgegebenen Sollwert entsprechende Spannungszeitfläche ist. Die dadurch verursachte Fehlerfläche kann durch ein dem Integrator zusätzlich zugeführtes Ausgangssignal eines weiteren Integrators mit einstellbarer Zeitkonstante ausgeglichen werden, der eine dem Kurzschlußstrom in der Reihenschaltung aus Drossel und Steller entsprechende Meßgröße integriert.

[0003] Zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche der Netzspannung müßte die Impedanz der als Stabilisator wirkenden Reihenschaltung aus Drosselspule und Wechselstromsteller Null sein. Eine kleine Induktivität der Dosselspule bringt jedoch den Nachteil_;mit sich, daß die vom Steller erzeugten Oberschwingungen groß sind. Das bedingt einen erhöhten Aufwand an Filterkreisen.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, während jeder Halbschwingung der Netzspannung deren Spannungszeitfläche einschließlich der durch die Drossel bedingten Fehlerfläche im voraus zu bestimmen und für den Befehl zur Zündung des Stellers zu berücksichtigen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Istwert der Spannungszeitfläche der Netzspannung die Summe aus der vom Integrator gebildeten Größe und einer in einer Rechenschaltung laufend ermittelten, von der Reaktanz der Reihenschaltung abhängigen Restgröße der Spannungszeitfläche ist.

[0005] Ein mit dem Stand der Technik vergleichbar gutes Ergebnis bezüglich der Konstanthaltung der Netzspannung kann mit wesentlich größeren Stabilisatorimpedanzen erreicht werden (d.h. Erzeugung kleinerer Oberschwingungen) oder bei gleichbleibenden Stabilisatorimpedanzen können wesentlich bessere Ergebnisse bezüglich der Konstanthaltung der Netzspannung erreicht werden.

[0006] An Hand der in der.Zeichnung dargestellten Figuren wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung,

Fig. 2 den Verlauf der Netzspannung, der Spannung an der Drossel und des Stromes im Stabilisator während einer halben Periode der Netzspannung,

Fig. 3 die Spannungszeitfläche und ihre Zusammensetzung aus zwei Komponenten in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.

[0007] In Fig. 1 sind zwei Leiter 1, 2 eines ein- oder mehrphasigen Netzes zur Versorgung eines starken Lastschwankungen unterworfenen Verbrauchers 4, z.B. eines Lichtbogenschmelzofens, dargestellt. In einem einphasigen Netz führt der Leiter 2 Massepotential. Die Lastschwankungen wirken sich im Versorgungsnetz als Spannungsschwankungen aus, vor denen andere Verbraucher 5, insbesondere Glühlampen, deren Helligkeitsschwankungen im Bereich zwischen 3 und 10 Hz vom menschlichen Auge als besonders störend empfunden werden, geschützt werden sollen. Zu diesem Zweck sind die beiden Leiter, bzw. im mehrphasigen Netz je zwei Leiter über eine Reihenschaltung (Stabilisator) aus einem antiparallel geschaltete Thyristoren 7, 8 enthaltenden Wechselstromsteller 6 und einer Drosselspule 9 miteinander verbunden. Die Zündimpulse für die Thyristoren liefert eine Steuereinrichtung 10, die an einem die Netzspannung u_N erfassenden Meßglied 11 angeschlossen ist und - wie im Zusammenhang mit Fig. 4 näher beschrieben - unter anderem einen Integrator, Grenzwertmelder und Impulsformer enthält. Zur Unterdrückung von Oberschwingungen sind aus Spulen 12 und Kondensatoren 13 bestehende Filter vorgesehen. Die Drosselspule 9 begrenzt den über den Wechselstromsteller 6 fließenden Kurzschlußstrom und ihre Reaktanz X_s bildet zusammen mit der mit X_N bezeichneten Reaktanz 3 des Netzes einen Spannungsteiler, wenn der Wechselstromsteller durch Zündung eines der Thyristoren leitend ist.

[0008] Ist der Wechselstromsteller nicht leitend, dann entspricht die Netzspannung uN in jedem Augenblick der Spannung u_o, wenn der Laststrom vereinfachend vernachlässigt wird (Fig. 2). Ist der Steller dagegen leitend, so teilt sich die Spannung u₀ unter Vernachlässigung der Impedanz der Verbraucher 4 und 5 entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis auf. Es ist dann also:

[0009] Der Verlauf der Netzspannung u_N zwischen 0 und + t_w und zwischen t_x und tπ wird von der gestrichelt gezeichneten Spannung u_D an der Drossel 9 bestimmt. Nach Zündung des Wechselstromstellers im Zeitpunkt t_x fällt in Folge des durch die Drosselspule fließenden Stromes i_s noch der eng schraffierte Anteil b der Spannungszeitfläche an. Die gesamte Spannungszeitfläche der Netzspannung ist also die Summe aus dem weitschraffierten Teil a und dem Anteil b.

[0010] Der zeitliche Verlauf des gemessenen Teils a (t), des errechneten Anteils b(t) und der daraus zusammengesetzten Spannungszeitfläche f während einer Halbschwingung der Netzspannung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Integrator in der Steuereinrichtung hat, wenn der Wechselstromsteller im Zeitpunkt t_X gezündet wird, nur den Anteil

dt erfaßt.

[0011] Der nach der Zündung des Wechselstromstellers für die Spannungszeitfläche noch wirksame Anteil b ergibt sich zu

[0012] Darin ist U_N der Scheitelwert und ω die Kreisfrequenz der Netzspannung u_N.

[0013] Zur Steuerung der Netzspannung wird der auf diese Weise gewonnene Istwert Φ der Spannungszeitfläche mit einem Sollwert Φ* verglichen. Ist die Abweichung zwischen diesen beiden Werten Null, wird der Steller gezündet (Zündzeitpunkt t_x). Nach der Zündung (t_x) des Stellers ist die Spannungszeitfläche der Netzspannung um das zwischen der durchgezogenen und der strichpunktierten Linie liegende Dreieck c geringer als die Spannungszeitfläche der Spannung u_o. Die sich ergebende Gesamt-Spannungszeitfläche der Netzspannung u_N ist gleich dem Sollwert

[0014] Für die Berechnung des Anteils b(t) an der Spannungszeitfläche ist vorausgesetzt, daß

1.) der Scheitelwert U_N der Netzspannung sich nicht wesentlich ändert,

2.) die Netzspannung uN sich nach dem Zündzeitpunkt t nur sinusförmig ändert,

3.) die Kreisfrequenz sich nicht ändert und

4.) die Reaktanz X_N und damit die Kurzschlußleistung des Netzes konstant bleibt.

[0015] Obwohl diese Voraussetzungen in der Regel zutreffen, führen sie dazu, daß die Berechnung von b(t) nur eine Näherungsrechnung darstellt.

[0016] Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel den Aufbau einer in der Vorrichtung nach Fig. 1 zu verwendenden, analog arbeitenden Steuereinrichtung 10, der als Eingangsgröße die von dem Meßglied 11 erfaßte Netzspannung u_N zugeführt ist. Das Meßsignal wird zunächst in einem Betragsbildner 14 gleichgerichtet und gleichzeitig in einem Vektoridentifizierer 15 in einen Sinus-und einen Cosinusanteil zerlegt. Aus dem im Betragsbildner gleichgerichteten Meßsignal wird in einem Integrator 16 die Größe a(t) = X U_N dt gebildet. Ein aus dem normierten Sinusanteil des Meßsignals über einen Grenzwertmelder 17 und eine Zeitstufe 18 abgeleiteter Nullsetzimpuls setzt den Integrator am Ende jeder Halbschwingung im Zeitpunkt t π - T/2 durch Betätigung eines Schalters 19 zurück und gibt ihn wieder frei. Zu dem normierten Cosinusanteil des Vektoridentifizierers wird im Summierpunkt 20 eine Konstante mit dem Wert 1 addiert und die Summe in einem Multiplizierer 21 mit dem konstanten, an einem Potentiometer 22 einstellbaren Faktor

multipliziert. Das Produkt ist die Größe b(t), die einem Summierglied 23 zugeführt wird, in dem die den Istwert der Spannungszeitfläche darstellende Summe aus den Größen a(t) und b(t) mit einem Sollwert Φ* verglichen wird. Überschreitet der Istwert den Sollwert, dann kippt ein dem Summierglied nachgeschalteter Grenzwertmelder 24 und zündet über Zeitstufen 25, 26 den Wechselstromsteller 6. Über eine Verbindungsleitung gelangt das Ausgangssignal des Grenzwertmelders 17, der in jedem Nulldurchgang der Spannung u_N kippt, an je einen Eingang der Zeitstufen 25 und 26 und sorgt dafür, daß jeweils nur derjenige Thyristor 7 oder 8 gezündet wird, der der Polarität der Spannungshalbschwingung entspricht.

[0017] Anstelle der bisher betrachteten Integralbildung kann das Integral jeder anderen Funktion von u_N beispielsweise

dt gebildet werden. Dabei sollte y ganzzahlig sein, damit die Realisierung einfach bleibt.

[0018] Da die Arbeitsweise der Steuereinrichtung auf mathematischen Operationen beruht, können anstelle einer analogen Rechenschaltung auch digitale Rechenschaltungen oder Mikroprozessoren eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Konstanthaltung der Spannungszeitfläche zwischen je zwei Leitern eines Lastschwankungen unterworfenen, ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzes mittels einer an die beiden Leiter je einer Phase angeschlossenen Reihenschaltung aus einer Drosselspule und einem Wechselstromsteller, dessen antiparallel geschalteten, steuerbaren Ventilen Zündimpulse zugeführt sind, die aus der Abweichung zwischen einem vorgegebenen Sollwert und einer aus der Netzspannung mittels eines Integrators gebildeten Größe der Spannungszeitfläche über mindestens einen Grenzwertmelder abgeleitet sind, dadurch gekennzeichnet , daß der Istwert der Spannungszeitfläche der Netzspannung die Summe aus der vom Integrator (16) gebildeten Größe und einer in einer Rechenschaltung (15, 20, 21) laufend ermittelten, von der Reaktanz der Reihenschaltung (6, 9) abhängigen Restgröße der Spannungszeitfläche ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung aus einem Vektoridentifizierer (15) dessen einer Ausgang ein dem Cosinus-anteil der Netzspannung entsprechendes Signal liefert, einem nachgeschalteten Summierglied (20), dem eine Konstante mit dem Wert "1" zugeführt ist, und einem Multiplizierer (21) besteht, dessen-Ausgangsgröße das Produkt aus der im Summierglied gebildeten Summe und aus einem an einem Potentiometer (22) eingestellten, aus der Netzspannung , der Netzfrequenz und dem Verhältnis der Netzreaktanz zur Reaktanz der Reihenschaltung gebildeten Faktor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem dem Sinusanteil der Netzspannung entsprechenden Ausgangssignal des Vektoridentifizierers (15) mittels eines Grenzwertmelders (17) und einer Zeitstufe (18) ein den Integrator (16) jeweils im Nulldurchgang der Spannung zurückstellendes Signal gebildet ist.

Zeichnung