DE3423332C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Blindleistungsgenerator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der Veröffentli­ chung von L. GYUGYI: "Reactive Power Generation and Control by Thyristor Circuits", IEEE Transactions on Industry Applications, Band IA-15, Nr. 5, September/Oktober 1979, S. 521-532 bekannt. Eine Klasse der dort beschriebenen statischen Blindleistungsgeneratoren sind die sogenannten Stromquellen-Blindleistungsgeneratoren. Sie enthalten gewöhnlich einen Dreiphasen-Doppelweg-Gleichrichter, dessen Wechselstromanschlüsse mit Wechselstromleitungen verbunden sind und dessen Gleichstromanschlüsse durch eine Gleich­ stromdrossel kurzgeschlossen sind. Bei einem speziellen Typ dieser Klasse enthält der Dreiphasen-Doppelweg-Gleich­ richter einen gesteuerten Thyristor-Stromrichter.

In der gleichrangigen Patentanmeldung entsprechend DE 34 23 334 A1 wird ein statischer Blindleistungsgenerator vorgeschlagen, der bei konstantem Zündwinkel in kapazitivem Bereich als fester Kondensator wirkt.

Aus der DE 29 05 986 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erzeugung und Einspeisung einer Blindlei­ stung in ein Wechselstromsystem eines Lichtbogenofens bekannt, bei welchem sich die Rechenzeit für die Bestimmung des Zündwinkels bis in die Halbwelle hineinerstrecken kann, in der die Blindstromkorrektur erfolgen soll.

Aus der DE 32 21 260 A1 ist ein statischer Blindleistungs­ generator bekannt, bei welchem kapazitive Blindwiderstände in das Wechselstrom-Netzwerk zur Korrektur des Leistungs­ faktors einschaltbar sind, um dadurch Ausgleichsspannungen im System auf ein Minimum zu reduzieren.

Nachteilig an den bekannten statischen Blindleistungsgenera­ toren ist die hochgradige Nichtlinearität ihrer Steuerkenn­ linie.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Linearisieren der nichtlinearen Betriebskennlinie eines statischen Blind­ leistungsgenerators der eingangs genannten Art anzugeben, welche ein lineares und gleichmäßiges dynamisches Verhalten über dem gesamten Lastbereich von hoher induktiver Blindlei­ stung über Null bis zu hoher kapazitiver Blindleistung ge­ währleistet. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die vorliegende Schaltungsanordnung gewährleistet ein lineares und gleichmäßiges dynamisches Verhalten im gesamten Last- und Blindleistungsbereich.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild eines bekannten zwangskommutierten Stromquellenblindlei­ stungsgenerators,

Fig. 2 ein Diagramm, das die Steuerkennlinie eines zwangskommutierten Stromquellenblind­ leistungsgenerators der in Fig. 1 gezeig­ ten Art veranschaulicht,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausfüh­ rungsform einer Schaltung nach der Erfin­ dung zum Linearisieren der Steuerung der in Fig. 1 gezeigten Stromquelle, und

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild, das eine Schal­ tungsanordnung zum Implementieren der Blind­ leistungsgeneratorregelung nach Fig. 3 zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 10 eine dreiphasige Wechselstromquelle, die lokale induktive Reaktanzen 12, 14 und 16 aufweist und mit einem als Stromquelle wirkenden zwangskommutierten Strom­ richter 20 über Wechselstromleitungen 22, 24 und 26 verbunden ist, die an Wechselstromklemmen 23, 25 und 27 angeschlossen sind. Der Stromrichter 20 besteht aus einer bekannten zwangskommutierten Thyristor-Brücken­ schaltung, die sechs Thyristoren 28₁, 28₂ . . . 28₆, in Reihe geschalteten Dioden 30₁, 30₂ . . . 30₆ und sechs Kreuzkopp­ lungskondensatoren 32₁, 32₂ . . . 32₆ enthält. Weiter ist ge­ mäß der Darstellung in Fig. 1 eine Drossel 34 an Gleich­ stromausgangsklemmen 33 und 35 der Thyristor-Brückenschaltung über Anschlußleitungen 36 und 38 angeschlossen. Eine Thy­ ristorsteuer- oder -zündschaltung (in Fig. 1 nicht dargestellt) ist mit den Steuerelektroden der Thyristoren 28₁, 28₂ . . . 28₆ zu deren sequentiellen Zünden bei einem vorbe­ stimmten Verzögerungswinkel α verbunden, der ab dem frü­ hesten Punkt der Selbstkommutierung gemessen wird und sich auf die Nulldurchgänge der verketteten Spannungen in einem dreiphasigen Wechselstromsystem bezieht.

Weiter bildet, wie bekannt, der zwangskommutierte Strom­ richter 20, der durch die Drossel 34 induktiv be­ lastet ist, einen Blindleistungsgenerator, der in der Lage ist, entweder kapazitive oder induktive Blindleistung (VAR) zu liefern, um eine entgegengesetzte Lastreaktanz einer Lastimpedanz (nicht dargestellt) zu kompensieren, die mit der Wechselstromquelle 10 verbunden ist. Eine solche Last­ impedanz enthält typisch relativ große nacheilende (induk­ tive) Lasten, wie beispielsweise elektrische Maschinen und netzkommutierte Stromrichterantriebe mit Thyristoren. Durch Liefern einer Blindleistungskomponente, die zu der Blind­ leistungskomponente der Last entgegengesetzt gerichtet und im wesentlichen gleich derselben ist, wird ein kompensiertes System geschaffen, das im wesentlichen wie eine ohmsche Wechselstromimpedanz erscheint, mittels welcher sich eine maximale Energieübertragung zu der Last erreichen läßt. Der Blindleistungsgenerator kann nach einer anderen Strate­ gie gesteuert werden, so daß sich nicht der Leistungsfaktor eins ergibt, beispielsweise eine Strategie zum Erzielen einer minimalen Spannungsstörung aufgrund einer sich än­ dernden Last.

Der in Fig. 1 gezeigte, als Blindleistungsgenerator arbeitende Stromrichter 20 hat eine Betriebskennlinie, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Kennlinie ist einem Diagramm dargestellt, welches die induktive und die kapazitive Blindleistung als Funktion der Zündverzögerung, d. h. dem Verzögerungswinkel α der Thyristoren 28₁ . . . 28₆ zeigt. Diese Kennlinie kann folgendermaßen erklärt werden. Wenn es sich bei der Schaltungskonfiguration nach Fig. 1 um eine ein­ fache Brückenschaltung der sechs Thyristoren 28₁ . . . 28₆ ohne die Reihendioden 30₁ . . . 30₆ und die Kommutierungskondensatoren 32₁ . . . 32₆ handeln würde, so würde diese einfach als steuerbarer Gleich­ richter arbeiten, der an die Drossel 34 eine Gleichspannung abgibt, die durch Verändern der Verzögerung beim Ansteuern der Thyristoren 28₁ . . . 28₆ steuerbar ist. Durch Ansteuern der Thyri­ storen 28₁ . . . 28₆ nahe bei 90° nacheilend, d. h. dort, wo der Strom der Leitungsspannung nacheilt, wird eine Gleichspan­ nung von nahezu null Volt erzeugt, und der Gleichstrom in der Drossel 34 kann durch geringfügige Änderungen, bei­ spielsweise durch Vorrücken des Steuerwinkels so ge­ steuert werden, wie es durch einen linearen Teil 40 der Kenn­ linie dargestellt ist. Wenn die Dioden 30₁ . . . 30₆ und die Kondensatoren 32₁ . . . 32₆ vorhanden sind, ist jedoch ein Abschalten der Thyristoren 28₁ . . . 28₆ möglich, welches das Ansteuern derselben über dem gesamten Zündwin­ kelbereich von 0°-360° gestattet, weshalb eine Quelle ka­ pazitiver Blindleistung erzielbar ist. Wenn demgemäß das Ansteuern auf 90° voreilend geändert wird, was 270° nacheilend in Fig. 2 entspricht, wird die Ausgangsgleichspannung ebenso wie bei der 90°- Nacheilung null sein. Die Stromstärke in der Drossel 34 ist aber durch die Wahl des Steuerwinkels weiterhin steuerbar, aber ein Vorrücken des Steuerwinkels, d. h. eine Rückwärts­ bewegung ab 270° wird den Strom gemäß dem nichtlinearen Kennlinienteil 42 der in Fig. 2 gezeigten tatsächlichen Kennlinie verkleinern. Dieser nichtlineare Kennlinienteil 42 Voreilkennlinie wird durch die Zeit bestimmt, die nötig ist, die Spannung an dem betreffenden Kommutierungskondensator 32₁ . . . 32₆ jedes­ mal dann umzukehren, wenn ein Thyristor 28₁ . . . 28₆ im Voreilbetrieb aufgesteuert wird. Diese Zeit beträgt typisch 30° bei maxi­ malem Gleichstrom bei 60 Hz. Diese Zeit ist darüber hinaus die Verzögerung zwischen dem Ansteuern eines Thyristors 28₁ . . . 28₆ und dem Einleiten des Stroms in der entsprechenden Reihendiode 30₁ . . . 30₆.

Zum Aufnehmen von Strom aus der Wechselstromleitung müssen die Dioden 30₁ . . . 30₆ bei 90° voreilend angesteuert sein oder bei 270° gemäß der Dar­ stellung in Fig. 2 zu leiten beginnen. Bei maximaler kapa­ zitiver Blindleistung werden deshalb die Thyristoren 28₁ . . . 28₆ bei α=240° nacheilend angesteuert, was 30° vor 270° nachei­ lend, d. h. 90° voreilend liegt.

Die Verzögerung zwischen der Thyristor- und Diodenkommutie­ rung ist ungefähr proportional zu dem Kehrwert des Gleich­ stroms. Diese Charakteristik gilt, bis ein Strom erreicht wird, bei dem die Verzögerung im Leiten der Dioden 30₁ . . . 30₆ 120° ist, die vorhanden ist, wenn das Ansteuern der Thyristoren 28₁ . . . 28₆ bei 270°-120°=150° erfolgt, und was in einem Punkt 44 der in Fig. 2 gezeigten Kennlinie erfolgt. Der Strom nimmt nicht unter diesen Mindestwert ab, obgleich der Steuerwinkel in Richtung auf 90° geändert wird, was durch einen Teil 46 der Kennlinie gezeigt ist, und zwar wegen des Vorhandenseins der Kommutierungskapazität. Der Wert des Mindeststroms ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

wobei die Spitzenleitungsquellenspannung, ω die Quel­ lenfrequenz in rad pro Sekunde und C_Δ die Kapazität einer der Kommutierungskondensatoren 32₁ . . . 32₆ ist.

Wenn die Aussteuerung weiter vorrückt und sich 90° nach­ eilend nähert (Fig. 2), überlappen sich die Stromfluß­ perioden der Dioden 30₁ . . . 30₆, bis fünf oder sechs Dioden 30₁ . . . 30₆ immer leiten und die Kondensatoren 32₁ . . . 32₆ auf­ hören, als Kommutierungskondensatoren zu wirken, wodurch sich der oben dargelegte steuerbare Gleichrichterbetrieb ergibt. Die leitenden Dioden 30₁ . . . 30₆ verbinden die Kondensatoren 32₁ . . . 32₆ direkt mit der Wechselstromquelle 10 und den Thyristoren 28₁ . . . 28₆, so daß Gleichstrom unbehindert zu der Drossel 34 fließen kann, was den linearen Kennlinienteil 40 ergibt. Die Steuerwinkelbereiche 48 und 50 sind Bereiche übermä­ ßigen Stroms, die nicht benutzt werden, weil sie eine große positive Gleichspannung an der Drossel 34 und daher einen übergroßen Gleichstrom bewirken.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, durch die der als Stromquelle wirkende Stromrichter 20 nach Fig. 1 mit einer Kennlinie der in Fig. 2 dargestell­ ten Art zu einem Blindleistungsgenerator weitergebildet wird, der bei Erzeugung sowohl induktiver als auch kapazitiver Blindleistung ein im wesent­ lichen lineares gleichförmiges dynamisches Verhalten aufweist. Der zwangskommutierte Strom­ richter 20 nach Fig. 1 ist in Fig. 3 verbunden mit einer Thyristorzündschaltung 52 gezeigt, aufgrund welcher er eine Blindleistungsschaltung 44 bildet, die mit der dreiphasigen Wechselstromquelle 10 über die Wechselstromleitungen 22, 24 und 26 und Trenndrosseln 23a, 25a, 27a verbunden ist. Die Wechselstrom­ quelle 10 ist weiter mit einer Last 56, bei der es sich hier beispielshalber um einen Motor handelt, über dreipha­ sige Versorgungsleitungen 58, 60 und 62 verbunden, und eine feste Kondensatorbatterie 64 ist mit den Motorklemmen über Leitungen 59, 61 und 63 verbunden. Die feste Kondensator­ batterie 64 dient zum teilweisen Kompen­ sieren der Induktivität der Last 56.

Da die Last 56 in Form eines Motors eine Reaktanzcharak­ teristik hat, die sich während ihres Betriebes in einem relativ weiten Bereich ändert, ist eine variable Kompensations­ quelle erforderlich, die hier durch den Stromrichter 20 gebildet wird. Dieser wird durch ein Zündwinkel-Sollwertsignal α* ge­ steuert, das aus einem Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* und einem Blindleistungs-Istwertsignal VAR FDBK erzeugt wird.

Das Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* kann bei dem Blindleistungsgenerator gemäß Fig. 3 so erzeugt werden, daß sich der Lei­ stungsfaktor eins ergibt. Eine Blindleistungs­ rechenschaltung 67 mißt die Ströme I_L und die Spannun­ gen V_T, um die gesamte Blindleistung in der Last 56 und in der Kondensatorbatterie 64 im wesentlichen wie nach der bekannten 2-Wattmeter-Methode zu berechnen. Dieses Si­ gnal LAST VAR erscheint auf einer Leitung 69. Es wird durch einen Invertierer 71 invertiert und als das VAR*-Signal über eine Leitung 73 an den Blindleistungsgenerator angelegt. Dadurch, daß der Blindleistungsgenerator so gesteuert wird, daß er Blindleistungen erzeugt, die das Negative der Blind­ leistungen in der Last 56 und in den Kondensatoren sind, wird insgesamt eine Blindleistung von null aus der Wechselstrom quelle 10 aufgenommen, und die Last 56 erscheint so, als habe sie den Leistungsfaktor eins.

Das Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* kann für andere Zwecke als zum Erzielen des Leistungsfaktors eins benutzt werden, beispielsweise um den Spannungswert der Wechsel­ spannungsquelle 10 unabhängig von Veränderungen der Last 56 zu halten.

Das Blindleistungs-Istwertsignal VAR FDBK wird durch eine weitere Blindleistungsrechen­ schaltung 66 erzeugt, die der Blindleistungsrechenschaltung 67 gleicht und ebenfalls wie eine herkömmliche 2-Wattmeter-Anordnung aufgebaut sein kann, die auf zwei der Leitungsströme I_V und auf zwei der Leitungsspannungen V_T anspricht, welche bei­ spielsweise auf den Wechselstromleitungen 22 und 26 erscheinen, die den Stromquellenstromrichter 20 mit der Wechselstromquelle 10 verbindet. Bei Bedarf kann eine elektronische Maßschaltung benutzt werden.

Das Zündwinkelsignal α* besteht gemäß Fig. 3 aus der Summe von zwei α-Signalen, die an einen Summierpunkt 68 angelegt werden, wobei das erste Signal durch eine line­ are Rückführungsschaltung (erster Zweig) 70 erzeugt wird, während das zweite Signal durch eine nichtlineare Vorwärts­ schaltung (zweiter Zweig) 72 erzeugt wird. Die Rückführungsschal­ tung 70 steuert vor allem die Erzeugung des Zündwinkels α in Abhängigkeit vom Fehler zwischen dem Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* und dem Blindleistungs-Istwertsignal VAR FDBK wohin­ gegen die Vorwärtsschaltung 72 das Steuersignal α FDFWD in Abhängigkeit von der Summe der Signale VAR* und VAR FDBK erzeugt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist die Steuerkennlinie für induktive Blindleistung im wesentlichen linear, wohin­ gegen die Steuerkennlinie für kapazitive Blindleistung nichtlinear ist. Demgemäß enthält die lineare Rückfüh­ rungsschaltung 70 eine lineare Reglerschaltung 74, deren Eingangssignal das Differenz- oder Fehlersignal zwischen dem Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* und dem Blindlei­ stungs-Istwertsignal VAR FDBK ist und an dem Ausgang eines Summierpunktes 76, an den diese beiden Signale angelegt werden, abgegeben wird. Die lineare Reglerschaltung 74 ist als ein PI-Regler dargestellt, der beispielsweise aus einem Ope­ rationsverstärker besteht, welcher so geschaltet ist, daß er als Verstärker arbeitet, welcher die Übertragungsfunktion

hat, wobei S ein LaPlace-Operator, T eine Zeitkonstante und K eine Verstärkungskonstante ist. Dieser Verstärker könnte bei Bedarf auch eine einfache Verstärkung haben. Das Ausgangssignal der linearen Reglerschaltung 74 wird an eine Signalbegrenzungsschaltung 78 angelegt, die das variable Ausgangssignal der linearen Reglerschaltung 74 begrenzt.

Die Vorwärtsschaltung 72 enthält eine nichtlineare aktive Schaltung (Regler) 80, die so ausgelegt ist, daß sie eine Signal­ übertragungsfunktion hat, welche mit der tatsächlichen sta­ tischen Kennlinie nach Fig. 2 übereinstimmt. Sie spricht hauptsächlich auf das Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* an. Blöcke 82 und 84 der Vorwärtsschaltung 72 stellen Signalumsetzvorrichtungen (Skalierglieder) dar, die eine Verstärkung von K bzw. 1-K haben, wobei K zwischen 0,5 und 1,0 liegt. Wenn K gleich eins ist, dann besteht die Funk­ tion des ersten Blockes 72 darin, dem Summierpunkt 68 den richtigen Wert des Steuerwinkels α zu liefern, der dem Blindlei­ stungs-Sollwert entspricht. Die Rückführungsschaltung 70 wird daher für den dynamischen Verlauf und die genaue Fehlerkorrektur auf den Wert von α sorgen, während die Vor­ wärtsschaltung 72 den statischen Sollwert ergibt.

Zum Aufrechterhalten des gleichen dynamischen Verhaltens sowohl im kapazitiven als auch im induktiven Betrieb ist es notwendig, den dynamischen Betrieb der nichtlinearen Schaltung 80 zu begrenzen, da die Übergangsfunktion ein Gebiet sehr hoher Verstärkung nahe bei der Blindleistung null in dem kapazitiven Quadranten aufweist. Diese hohe Verstärkung kann relativ große Winkel-Sollwerte bei kleinen Änderungen des Blindleistungssollwerts in diesem Gebiet ergeben. Dieser Effekt wird verhindert, indem ein Eingangssignal an die nichtlineare Schaltung 80 angelegt wird, das zum Teil aus dem Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* besteht, welches durch das erste Skalierglied 82 ange­ legt wird, und zum Teil aus dem Blindleistungs- Istwertsignal VAR FDBK, welches durch das zweite Skalierglied 84 angelegt wird, wobei die Skalier- oder Verstärkungsfaktoren der beiden Blöcke 82 und 84 so gewählt werden, daß ihre Summe gleich eins ist, indem sie gleich K bzw. 1-K gemacht werden. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sind die beiden Blöcke 82 und 84 über einen Summierpunkt 86 verbunden, der ein zusammengesetztes Ansteuersignal erzeugt, welches dann an den Eingang der nichtlinearen Schaltung 80 angelegt wird.

Im stationären Zustand, in welchem das Blindleistungs-Sollwert­ signal VAR* und das Blindleistungs-Istwertsignal VAR FDBK im wesentlichen gleich sind, ist daher das zusam­ mengesetzte Eingangssignal an der nichtlinearen Schaltung 80 gleich dem Arbeitspunkt, der durch das Blindleistungs-Sollwertsignal VAR* verlangt wird, und das Ausgangssignal derselben wird auf das geeignete Zünd­ winkelsignal α* eingestellt. Wenn sich das Blindlei­ stungs-Sollwertsignal VAR* dynamisch ändert und wenn der als Blindleistungsgenerator arbeitende Stromrichter 20 noch nicht angesprochen hat, wird die Zwangsfunktion, die die nichtlineare Schaltung 80 erzeugt, um den Faktor K reduziert. Durch Einstellen der Skalierfaktoren K und 1-K auf die richtigen Größen, ty­ pisch auf K=0,75 und 1-K=0,25, kann das transiente Ver­ halten im kapazitiven Betrieb gleich dem im induktiven Be­ trieb gemacht werden, so daß das transiente Verhalten insge­ samt in allen Arbeitspunkten im wesentlichen gleichförmig ist.

Es sei beachtet, daß die Regelung, die durch die Kombination der linearen Rückführungsschaltung 70 und der nichtlinearen Vorwärtsschaltung 72 erfolgt, eine Regelung der Blindleistung und nicht des Gleichstroms bewirkt. Wenn der in der Drossel 34 fließende Gleichstrom geregelt würde, müßte die Regelung nach der Erfindung eine Richtungsumkehr bei dem Übergang von kapazitiven auf induktiven Betrieb erfahren und wäre daher bei der Blindleistung null schwierig betreibbar. Weiter ergibt die Verwendung einer Kombination aus einer nichtlinearen Vorwärtsregelung und einer linearen Rückfüh­ rungsregelung eine genaue Regelung, die schnell anspricht, linear und stabil ist.

Eine Schaltungsanordnung zum Implementieren der in Fig. 3 vereinfacht dargestellten Blindlei­ stungsregelschaltung ist in Fig. 4 genauer dargestellt. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 und unter der Annahme, daß null Volt für das Zündwinkelsignal α* einem Steuerwinkel von 180° entspricht und daß ein Signal positiver Polarität ein Vorrücken um einen Verzögerungswinkel α in Richtung auf induktive Blindleistung, d. h. in Richtung auf 90° (Fig. 2) bedeutet, während eine negative Polarität einen Verzögerungswinkel α in Richtung auf kapa­ zitive Blindleistung bedeutet, d. h. in Richtung auf 270° nach­ eilend (Fig. 2), wird das Blindleistungs-Sollwertsingal VAR* beispielshalber an eine Klemme 88 angelegt während das Blindleistungs-Istwertsignal VAR FDBK an eine Klemme 90 angelegt wird. Es wird zuerst die lineare Rückführungs­ schaltung 70 betrachtet, deren lineare Reglerschaltung 74 aus einem Opera­ tionsverstärker 92 besteht, welcher zwei Eingänge 93, 100 hat, von denen einer ein invertierender Eingang 93 und einer ein nicht­ invertierender Eingang 100 ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist der invertierende Eingang 93 direkt mit dem Sum­ mierpunkt 76 verbunden, welcher seinerseits mit den Klemmen 88 und 90 über Widerstände 94, 95 verbunden ist. Zwischen der Klemme 88 und dem Wi­ derstand 95 befindet sich jedoch ein einfacher signalinver­ tierender Operationsverstärker 96. Ein Trennwiderstand 97 ist darüber hinaus zwischen die Klemme 88 und den Eingang des invertierenden Verstärkers 96 geschaltet. Der Operationsverstärker 92 der linearen Reglerschaltung 74 enthält ferner eine Widerstands-Kondensator-Reihenrück­ kopplungsschaltung 98, die zwischen den Ausgang 99 und den invertierenden Eingang 93 geschaltet ist. Der nichtinver­ tierende Eingang 100 ist über einen Festwiderstand 101 mit Masse verbunden.

Eine bipolare Signalklemmschaltung 78 ist mit dem Ausgang 99 des Operationsverstärkers 92 verbunden und enthält ein Paar entgegengesetzt gepolter Dioden 102 und 103, die über den Summierpunkt 76 gemeinsam mit dem invertierenden Ein­ gang 93 verbunden sind. Die entgegengesetzten Klemmen der Dioden 102 und 103 sind mit Zwischenabgriffen einer Span­ nungsteilerschaltung verbunden, welche in Reihe geschalte­ te Widerstände 104, 105, 106 und 107 enthält, die zwischen +V und -V an Bezugsspannungsklemmen 108 und 109 geschaltet sind. Gemäß der Darstellung sind die Widerstände 104 und 107 einstellbare Widerstände zum Steuern der an die Dioden 102 bzw. 103 angelegten Vorspannungen, welche durch den Spannungswert an dem Ausgang 99 des Operationsverstärkers 92 überwunden werden müssen, um dabei leitend zu werden und die gewünschte Klemmwirkung zu erzeugen, da der Aus­ gang 99 des Operationsverstärkers 92 mit der gemeinsamen Verbindung zwischen den Widerständen 105 und 106 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 92 wird dann an den Summierpunkt 68 über einen Widerstand 110 angelegt.

Zum Erzielen der richtigen Signalpolarität sowie einer Signalverstärkung für das Zündwinkelsignal α* ist der Summierpunkt 68 mit dem invertierenden Eingang 111 eines Operationsverstärkers 112 verbunden, dessen nichtinvertie­ render Eingang 114 direkt mit Masse verbunden ist. Das Zünd­ winkelsignal α*, das zur Steuerung der Thyristor­ zündschaltung 52 nach Fig. 3 dient, wird daher am Aus­ gang 113 des Operationsverstärkers 112 abgegeben.

Die nichtlineare Schaltung 80, die die Betriebscharakteristik des Blindleistungsgenerators 20 im Modell nachbil­ det, ist mit dem Summierpunkt 68 und dem Operationsver­ stärker 112 über einen Widerstand 116 verbunden. Die nichtlineare Schaltung 80 setzt sich aus mehreren einzelnen aktiven Schaltungselementen zusammen, zu denen ein nichtlinearer Verstärker 117, eine aktive Schaltung 118, eine Sprungfunktionsschaltung 119 und ein Summierverstärker 120 gehören. Der nicht­ lineare Verstärker 117 besteht aus einem Operationsver­ stärker 121, der einen invertierenden Eingang 122 hat, welcher mit einem Verstärkungseinstellpotentiometer 123 verbunden ist, das seinerseits mit dem Ausgang eines als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers 124 ver­ bunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang 125 direkt mit dem Schleifer eines Potentiometers 126 verbunden ist, mittels welchem sich die Skalierglieder 82 und 84 für K bzw. 1-K nach Fig. 3 sowie der Summierpunkt 86 imple­ mentieren lassen. Der nichtlineare Verstärker 117 hat wei­ ter eine Rückkopplungsschaltung, die eine Diode 127 auf­ weist, welche zwischen den Operationsverstärkerausgang 128 und den invertierenden Eingang 122 geschaltet ist und mit­ tels einer Widerstandsschaltung vorgespannt wird, die aus einem Potentiometer 129 besteht, das an ein Referenzpoten­ tial +V angeschlossen ist, und aus zwei Spannungsteiler­ widerständen 130 und 131. Die Diode 127 hat die Aufgabe, einen Signalknickpunkt zu erzeugen, wenn sie leitend wird, um eine ansonsten lineare Ausgangscharakteristik so zu ver­ ändern, daß sich das Analogon zum nichtlinearen Teil 42 der tatsächlichen Kennlinie (Fig. 2) ergibt. Weitere Schaltungen ähnlich denen, die aus der Diode 127 und den Widerständen 129, 130 und 131 bestehen, können bei Bedarf hinzugefügt werden, um weitere Knickpunkte zum Verbessern der Genauigkeit der Nachbildung der nichtlinearen Funktion zu schaffen.

Die aktive Schaltung 118 dient dem Zweck, den linearen Teil 40 der Kennlinie in dem Gebiet von 90° nacheilend (Fig. 2) nachzubilden, während die Sprungfunktionsschal­ tung 119 dem Zweck dient, den Teil 46 der Kennlinie nachzubilden. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 be­ steht die Schaltung 118 aus einem Operationsverstärker 132, dessen invertierender Eingang 133 mit dem Ausgang 134 des Summierverstärkers 120 verbunden ist, welcher aus einem Operationsverstärker 135 besteht. Die Kopplung zwischen dem Ausgang 134 und dem Eingang 133 besteht aus einem Festwider­ stand 136. Der Ausgang 137 des Operationsverstärkers 132 ist mit dem invertierenden Eingang 122 des Operationsverstärkers 121 des nichtlinearen Verstärkers 117 über eine Diode 138 und einen Kopplungswiderstand 139 verbunden. Außerdem ist mit dem invertierenden Eingang 122 ein Potentiometer 140, das an eine Referenzspannung -V angeschlossen ist, über einen Festwiderstand 141 verbunden. Das Potentiometer 140 dient zum Einstellen eines Vorwärts-Offset in der nichtline­ aren Kennlinie.

Die Klemmschaltung 118 arbeitet folgendermaßen. Die Refe­ renzspannung, die durch das Potentiometer 143 geliefert wird, stellt den Wert von α=90° dar. Der tatsächliche Wert des Zündwinkelsignals α*′ ist am Ausgang 134 des Operationsverstärkers 135 vorhanden. Dieses Signal hat die umgekehrte Polarität. Der tatsächliche Wert (invertiert) und der Referenzwert werden zu dem invertierenden Eingang 133 des Operationsverstärkers 132 über Widerstände 136 bzw. 144 zurückgeführt. Diese Verbin­ dung bewirkt, daß der Ausgang 137 des Operationsverstärkers 132 auf die Differenz zwischen den Spannungen am Potentiometer 143 und am Ausgang 134 des Operationsverstärkers 135 anspricht. Die Spannung an dem Ausgang 137 wird negativ sein, wenn das am Ausgang 137 anstehende Signal entsprechend einem Winkel α größer als 90° ist. Das hat zur Folge, daß die Diode 138 sperrt und so die Schaltung 118 unwirksam macht. Wenn jedoch am Ausgang 134 des Operationsverstärkers 135 α=90° ist, gelangt der Ausgang 137 in den positiven Bereich. Das hat zur Folge, daß die Diode 138 leitend wird und dadurch die Schaltung 118 akti­ viert. Es wird ein Signal in den Summierpunkt 122 eingege­ ben, welches ein weiteres Vorrücken des Signals am Ausgang 134 des Operationsverstärkers 135 über α=90° hinaus verhindert. Der Widerstand 145 legt die Ver­ stärkung des Operationsverstärkers 132 fest und macht dessen Klemmwir­ kung linear. Jedes weitere Signal, das eine induk­ tive Blindleistung verlangt, nachdem die Schaltung 118 aktiv ist, wird eine Spannung am Ausgang 134 des Operationsverstärkers 135 erzeugen, die einen etwas vorrückenden Wert von α darstellt. Die Steigung des linearen Teils 40 der tatsächlichen Kennlinie wird daher durch den Widerstand 145 in Verbindung mit den anderen Widerstands­ werten in der Schaltung 118 gesteuert. Der Kondensa­ tor 146 sorgt für einen stabilen Betrieb der Regelkreis­ klemmfunktion.

Die Sprungfunktionsschaltung 119 besteht im wesentlichen aus einem Spannungskomparator 147, der vorgesehen ist, um eine elektronische Schaltvorrichtung 148 zu aktivieren, damit eine vorbestimmte Spannung +V an den Summierpunkt 149 zu­ sammen mit dem Ausgangssignal des nichtlinearen Operations­ verstärkers 117 angelegt wird, wobei das Ausgangssignal über einen Widerstand 150 angelegt wird, während die Spannung +V von der Schaltvorrichtung 148 über einen Wider­ stand 152 angelegt wird.

Weiter ist in der Sprungfunktionsschaltung 119 der inver­ tierende Eingang 153 des Komparators 147 mit einem Potentio­ meter 154, das an eine Referenzspannungsquelle +V ange­ schlossen ist, über einen Widerstand 155 verbunden. Der nicht­ invertierende Eingang 156 ist mit der Klemme 88 über einen Festwiderstand 157 und einen an Masse liegenden Kondensator 158 verbunden. Ein Festwiderstand 159 verbindet den Ausgang 160 des Operationsverstärkers 147 mit dem nichtinvertierenden Eingang 156, um eine Hysterese zu erzeugen. Ein Kondensator 161 ist ebenfalls an die beiden Eingänge 153 und 156 zum Unterdrücken von Rau­ schen angeschlossen. Wenn die Amplitude des Blindleistungs-Sollwertsignals VAR* den Wert übersteigt, der durch das Potentiometer 154 ein­ gestellt ist, ist der Ausgang des Komparators 157 mit der Schaltvorrichtung 148 verbunden. Die Signalkopplung erfolgt mittels eines Widerstands 162 und einer Diode 163, die gemäß der Darstellung mit Masse verbunden und durch einen Widerstand 164 vorgespannt ist, welcher mit dem Referenzpotential +V über einen Widerstand 164 verbunden ist. Die Schaltvorrichtung 148 ist weiter mit dem Widerstand 152 durch einen Kopplungswiderstand 165 und einen Filterkondensator 166 verbunden. Die Schaltvorrichtung 148 wird aktiviert, wenn der Ausgangswert des Komparators 147 negativ wird und die posi­ tive Vorspannung an der Diode 163 überwindet, welche die invertierende Eingangsklemme 167 der Schaltvorrichtung 148 bildet.

Da der Summierpunkt 149 mit dem invertierenden Eingang 168 des Operationsverstärkers 135 verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang 169 mit Masse verbunden ist, bildet das Ausgangssignal an dem Ausgang 134 ein elektri­ sches Analogon der in Fig. 2 gezeigten Betriebskennlinie, das, wenn es an den Summierpunkt 68 und an den Opera­ tionsverstärker 112 angelegt wird, ein Zündwinkelsi­ gnal α* erzeugt, welches ein im wesentlichen lineares Ver­ halten des Blindleistungsgenerators im kapazitiven und in­ duktiven Blindleistungsbetrieb bewirkt.

Wenn gemäß Fig. 3 die Last 56 , die mit der dreiphasigen Wechselstromquelle 10 verbunden ist, eine induktive Last ist, wie beispielsweise ein Motor, stellt sich die Frage des Erfordernisses einer sowohl induktiven als auch kapazi­ tiven Blindleistungserzeugung zur Kompensation, da eine Last in Form eines Motors eine Lastimpedanz mit induktiver Reaktanz darstellt, welche hauptsächlich eine kapazitive Blindleistungskompensation erfordert. Es sei jedoch ange­ merkt, daß die Kondensatorbatterie 64, die an die Last 56 angeschlossen ist, ihrerseits eine Kompensation ver­ langt, wenn die Last 56 unwirksam wird und praktisch ver­ schwindet, so daß die Wechselstromquelle 10 effektiv kapa­ zitiv belastet wird, was eine induktive Blindleistungskom­ pensation verlangt. Mit der in den Fig. 3 und 4 dargestell­ ten Steuerschaltungsanordnung erfolgt daher eine lineare Steuerung über dem gesamten Lastbereich von hohen induk­ tiven Blindleistungen über null bis zu hohen kapazitiven Blindleistungen.

Es sind zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß die beschriebene Regelung bei Bedarf auch in einem digitalen Rechenregler implementiert werden könnte.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Linearisieren der nichtlinearen Betriebskennlinie eines statischen Blindleistungsgenerators (54), welcher

• (a) eine mit einer Wechselstromquelle (10) verbundene, mehrere Thyristoren (28₁-28₆) aufweisende Thyristor-Brücken­ schaltung (20), die mit einer Induktivität (34) belastet ist,
• (b) eine durch ein Zündwinkelsignal (α*) gesteuerte Zünd­ schaltung (52), welche an die Thyristoren (28₁-28₆) der Thyristor-Brückenschaltung (20) Zündsignale liefert, und
• (c) eine Schaltung (70, 72) zum Erzeugen des Zündwinkel­ signals (α*) in Abhängigkeit von einem Blindleistungs- Sollwertsignal (VAR*),

enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (70, 72) zum Erzeugen des Zündwinkelsignals (α*) einen Regler (80) mit einer nichtlinearen Signalüber­ tragungsfunktion enthält, welcher zumindest einen Teil der Betriebskennlinie des Blindleistungsgenerators (54) nach­ bildet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Regler (80) nachgebildete Teil der Betriebs­ kennlinie des Blindleistungsgenerators (54) einen Sprung­ funktions-Kennlinienbereich und einen an diesen angrenzenden, einer nichtlinearen Funktion entsprechenden Kennlinienbereich umfaßt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (70, 72) zum Erzeugen des Zündwinkelsignals (α*) zwei parallele Zweige enthält,
daß das Blindleistungs-Sollwertsignal (VAR*) und ein Blindleistungs-Istwertsignal (VAR FDBK) dem ersten Zweig (70) subtraktiv und dem den Regler (80) enthaltenden zweiten Zweig (72) über Skalierglieder (82, 84) additiv zugeführt werden und
daß die Ausgangssignale der beiden Zweige (70, 72) einem Summierpunkt (68) zur Bildung des Zündwinkelsignals (α*) zugeführt sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Skalierglieder (82, 84) für eine Skalierung des Blindleistungs-Sollwertsignals (VAR*) mit einem Faktor (K) bzw. des Blindleistungs-Istwertsignals (VAR FDBK) mit einem Faktor (1-K) ausgebildet sind, wobei K gleich oder kleiner als 1 ist.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zweig (70) eine im wesentlichen lineare Über­ tragungsfunktion hat.