AT397160B

AT397160B - Power supply unit with a three-phase supply

Info

Publication number: AT397160B
Application number: AT55490A
Authority: AT
Inventors: Friedrich Ing Kalny
Original assignee: Uher Ag
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1994-02-25
Also published as: ATA55490A

Abstract

A power supply unit with a three-phase supply for control, tariff and monitoring appliances with low consumption. The phase currents IR, IY, IB or the line currents of three capacitors C1, C2, C3 arranged in a star or delta circuit are passed via primary windings WR, WS, ... WRS of a transforming adding circuit, whose output current on the secondary side is equal to the vectorial sum IR + IY - IB of three currents which are mutually shifted through 60 degree and 120 degree. <IMAGE>

Description

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Dreiphasig gespeistes NetzgerätThree-phase power supply

Die Erfindung betrifft ein dreiphasig gespeistes Netzgerät, das besonders für Kleinverbraucher, wie Tarif· und Steuergeräte geeignet ist.The invention relates to a three-phase power supply unit, which is particularly suitable for small consumers, such as tariff and control units.

Bei dreiphasigen Verbrauchern kann der Fall eintreten, daß durch ausgelöste Sicherungen oder durch Kurzschlüsse (beispielsweise durch spannungslose Phasenleiter) die Stromversorgung über eine oder zwei Phasen ausfällt. Wenn ein solcher Stromausfall z. B. ein dreiphasig gespeistes Tarifgerät zur Messung dieses Verbrauchers betrifft, dann kann u. U. der Fall eintreten, daß eine richtige Vergebührung dieses Verbrauchers unmöglich wird und der Energiebezug bei unsymmetrischer Belastung von mechanischen Elektrizitätszählem erfaßt, von elektronischen Geräten aber nicht registriert werden kann. Zur Speisung von Steuer·, Überwachungs- und Tarifgeräten sind Drehstrom-Transformatoren mit Drehstrom-Brückengleichrichtem bzw. Schaltungen mit drei Einphasen-Transformatoren mit drei angeschlossenen Vollweggleichrichterbrücken bekannt. Der Einsatz von Vorschaltkondensatoren mit anschließender Gleichrichtung war bisher nur dort möglich, wo der Gleichstrombedarf direkt aus der Gleichrichterschaltung (aus einer Phase) gedeckt werden kann. Ferner sind Systeme bekannt, bei denen die Netzspannung zunächst direkt dreiphasig gleichgerichtet und danach durch einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler transformiert und geregelt wird.In the case of three-phase consumers, it can happen that the fuse is tripped or short-circuited (for example by dead phase conductors) and the power supply fails over one or two phases. If such a power failure z. B. concerns a three-phase fed tariff device for measuring this consumer, then u. U. the case occur that a correct charging of this consumer is impossible and the energy consumption is recorded with asymmetrical loading of mechanical electricity meters, but can not be registered by electronic devices. Three-phase transformers with three-phase bridge rectifiers or circuits with three single-phase transformers with three connected full-wave rectifier bridges are known for supplying control, monitoring and tariff devices. Up to now, the use of series capacitors with subsequent rectification was only possible where the direct current requirement can be covered directly from the rectifier circuit (from one phase). Furthermore, systems are known in which the mains voltage is initially rectified directly in three phases and then transformed and regulated by a DC-DC converter.

Eine spezielle Ausführung eines mehrphasig gespeisten Netzgerätes ist in der US-PS 4,106,089 beschrieben. Es handelt sich hierbei um einen Transformator zur Umwandlung von Strömen eines Mehrphasennetzes in Ströme eines anderen Mehrphasennetzes, wobei diese Mehrphasennetze unterschiedliche Phasenanzahlen aufweisen. Durch eine spezielle Anordnung und Beschaltung entsprechend vieler Transformatorwicklungen werden weitgehend oberwellenfreie Ausgangsströme erzielt.A special embodiment of a multi-phase powered power supply is described in US Pat. No. 4,106,089. It is a transformer for converting currents from a multiphase network into currents from another multiphase network, these multiphase networks having different numbers of phases. Due to a special arrangement and wiring of a corresponding number of transformer windings, largely harmonic-free output currents are achieved.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein dreiphasig gespeistes Netzgerät in Drei- und Vierleiter-Drehstromversorgung für die angegebenen Zwecke zu schaffen, das funktionsfähig bleibt, wenn auch nur eine einzige Phase ausreichend Spannung führt und das überdies ein geringes Volumen und Gewicht aufweist und kostengünstig herstellbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß über drei in Stern- oder Dreieckschaltungen angeordnete Vorschaltimpedanzen, z. B. Kondensatoren, die zugehörigen Phasenströme bzw. verketteten Ströme geleitet sind und daß diese Ströme Primärwicklungen einer transformatorischen Summierschaltung speisen, aus der durch Verkettung der Primärströme sekundärseitig ein Ausgangsstrom gewonnen ist, der gleich ist der vektoriellen Summe von drei um 60° bzw. 120° gegeneinander versetzten Strömen.The invention has for its object to provide a three-phase power supply in three- and four-wire three-phase power supply for the specified purposes, which remains functional, even if only a single phase carries sufficient voltage and which also has a small volume and weight and inexpensive can be produced. The invention is characterized in that arranged in three star or delta series ballast impedances, for. B. capacitors, the associated phase currents or chained currents are conducted and that these currents feed primary windings of a transformer summing circuit, from which an output current is obtained on the secondary side by chaining the primary currents, which is equal to the vectorial sum of three by 60 ° or 120 ° currents offset against each other.

Da in der erfindungsgemäßen Schaltung nur solche Ströme in der transformatorischen Summierschaltung primärseitig auftreten, die mit dem Netz über die Kondensatoren verbunden sind, ergibt sich der weitere Vorteil, daß keine netzspannungsfesten Primärwicklungen (mit hoher Windungszahl, geringem Drahtquerschnitt und zusätzlich stoßspannungsfest ausgebildet) erforderlich sind. Die vorgesehenen Transformatoren können auch zugleich der Anpassung des Laststromes an den Wechselstrom des betreffenden Kondensators dienen, wobei überdies bei Bedarf auch eine galvanische Trennung zwischen dem Netzgerät und der Netzspannung erzielt wird.Since in the circuit according to the invention only such currents occur on the primary side in the transformer summing circuit that are connected to the network via the capacitors, there is the further advantage that no primary windings which are fixed to the mains voltage (with a high number of turns, a small wire cross section and additionally designed to withstand surge voltage) are required. The transformers provided can also serve to adapt the load current to the alternating current of the capacitor in question, and, if necessary, a galvanic separation between the power supply and the mains voltage is also achieved.

Wenn die Vorschaltimpedanzen nicht durch Kondensatoren, sondern von den Spannungsspulen eines Drehstromzählers gebildet werden, ergibt sich der Vorteil, daß diese Elemente bei Einbau in Tarifgeräten in Ferariszähler bereits vorhanden sind und daß dann auf Stoßspannungs-begrenzende Bauelemente verzichtet werden kann.If the ballast impedances are not formed by capacitors, but by the voltage coils of a three-phase meter, the advantage is that these elements are already present when installed in tariff devices in Feraris meters and that components that limit surge voltage can then be dispensed with.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Summierschaltung mindestens zwei Primärwicklungen auf, die von drei in ihrer vektoriellen Summe Null ergebenden Strömen durchflossen sind, die mit einer Sekundärwicklung magnetisch verkettet sind, in die zwei dieser Ströme gleichsinnig und einer gegensinnig transformiert sind. Wenn die Kondensatoren in Sternschaltung angeordnet sind, erweist es sich als zweckmäßig, die Ströme zweier Phasen über eine gemeinsame Primärwicklung und den Strom der dritten Phase über eine eigene Primärwicklung zu führen. Wenn die Kondensatoren in Dreieckschaltung angeordnet sind, erweist es sich zweckmäßig, den verketteten Strom zwischen zwei Phasen über eine Primärwicklung und den Strom der dritten Phase über eine zweite Primärwicklung zu führen. Wenn zwischen Primär- und Sekundärstromkreisen keine galvanische Trennung erforderlich ist, erweist es sich als vorteilhaft, die Wicklungen der Summierschaltung als Autotransformatorwicklungen zu schalten. Hierbei kann auch eine der Wicklungen mit einer Anzapfung für den Ausgangsstrom versehen werden. Zur Regelung des Ausgangsstromes ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dem Ausgangskreis ein vom angeschlossenen Gerät (Tarif- oder Überwachungsgerät) gesteuerter Überlauf-Schaltstromkreis parallel zu schalten.According to a further feature of the invention, the summing circuit has at least two primary windings, through which three currents resulting in zero in their vectorial sum flow, which are magnetically linked with a secondary winding, into which two of these currents are transformed in the same direction and one in opposite directions. If the capacitors are arranged in a star connection, it proves expedient to conduct the currents of two phases via a common primary winding and the current of the third phase via a separate primary winding. If the capacitors are arranged in a delta connection, it proves expedient to conduct the chained current between two phases via a primary winding and the current of the third phase via a second primary winding. If no galvanic isolation is required between primary and secondary circuits, it proves to be advantageous to switch the windings of the summing circuit as autotransformer windings. One of the windings can also be tapped for the output current. To regulate the output current, an overflow switching circuit controlled by the connected device (tariff or monitoring device) is to be connected in parallel to the output circuit in accordance with a further feature of the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist anhand der Fig. 1 erklärt. Fig. 2 zeigt ein Netzgerät gemäß der Erfindung, bei dem die Kondensatoren in einer Dreieckschaltung angeordnet sind. Die Anordnung der Kondensatoren in Sternschaltung zeigen die Fig. 3,4 und 5. Weitere Anordnungen der Kondensatoren in Dreieckschaltung sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Bei den in Fig. 6, 8 und 9 gezeigten Ausführungen dient als Summierschaltung je ein Autotransformator. In Fig. 10 ist eine Schaltung zur Regelung der Ausgangsspannung dargestellt.Embodiments of the invention are shown in the drawing. The principle underlying the invention is explained with reference to FIG. 1. Fig. 2 shows a power supply according to the invention, in which the capacitors are arranged in a delta connection. FIGS. 3, 4 and 5 show the arrangement of the capacitors in a star connection. Further arrangements of the capacitors in a delta connection are shown in FIGS. 6 and 7. In the embodiments shown in FIGS. 6, 8 and 9, an autotransformer is used as the summing circuit. 10 shows a circuit for regulating the output voltage.

Die Fig. 1 zeigt zwei Vektordiagramme von Dreiphasenströmen (Jr), (J§), (Jy) und zwar im linken -2-1 shows two vector diagrams of three-phase currents (Jr), (J§), (Jy), namely in the left -2-

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Diagramm die Summe dieser Ströme, die bei symmetrischer Last gleich Null ist. Das rechte Vektordiagramm zeigt die Summe von drei Strömen (Jr), (J§), (-Jf), bei denen einer, nämlich der Strom (Jj) gegenüber der ursprünglichen Phasenlage um 180° phasenverschoben ist Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß der Strom 0-Jt) gegenüber dem Strom (¾) um 60° vorauseilend und gegenüber dem Strom (Jg) um 60° nacheilend in der 5 Phase verschoben ist Die Phasendifferenz zwischen den Strömen (Jr) und (Jg) beträgt im linken sowie im rechten Diagramm 120°. Der Erfindungsgedanke besieht nun darin, aus den drei in ihrer Summe den Wert Null ergebenden Strömen (Jr), (Jg) und (Jj) durch eine transformatorische Summierschaltung einen Summenstrom (Jr + Jg · Jf) zu gewinnen, der, außer bei allphasigem Netzausfall, niemals verschwindet, auch wenn eine oder zwei Phasen ausfallen. Somit kann aus diesem Summenstrom mittels des Netzgerätes immer eine Spannung 10 gewonnen werden, die für die Speisung des angeschlossenen Kleingerätes ausreicht Im folgenden sind die diversen Schaltungen zur Gewinnung dieser Speisespannung bzw. des entsprechenden Speisestromes beschrieben.Diagram the sum of these currents, which is zero for a symmetrical load. The right vector diagram shows the sum of three currents (Jr), (J§), (-Jf), in which one, namely the current (Jj) is 180 ° out of phase with respect to the original phase position. The diagram shows that the Current 0-Jt) is ahead of the current (¾) by 60 ° and is lagging behind the current (Jg) by 60 ° in the 5 phase. The phase difference between the currents (Jr) and (Jg) is in the left and in the right Diagram 120 °. The idea of the invention now consists in obtaining a total current (Jr + Jg * Jf) from the three currents (Jr), (Jg) and (Jj) resulting in the sum of zero by means of a transformer summing circuit, which, except in the case of an all-phase power failure , never disappears, even if one or two phases fail. This means that a voltage 10 can always be obtained from this total current by means of the power supply unit, which is sufficient for supplying the connected small unit. The various circuits for obtaining this supply voltage or the corresponding supply current are described below.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 bilden drei Kondensatoren (CI), (C2) und (C3) eine Dreieckschaltung, die aus dem Dreiphasennetz (R), (S), (T) über drei Primärwicklungen (WR), (WS) und (WT) gespeist wird. Die IS letztgenannten Primärwicklungen bilden zusammen mit einer sekundären Ausgangswicklung (A) eine transformatorische Summierschaltung, in der alle vier Wicklungen einen gemeinsamen Magnetkern besitzen. In dieser Schaltung sind die Wicklungen (WR) und (WS) gleichsinnig und die Wicklung (WT) gegensinnig gewickelt Dadurch ergibt sich über die Ausgangswicklung (A) ein Ausgangsstrom, der der im rechten Vektordiagramm der Fig. 1 dargestellten Summe von drei Strömen entspricht, die um 60° bzw. 120° 20 gegeneinander phasenverschoben sind, wenn die drei die Primärwicklungen (WR), (WS) und (WT) durchfließenden Ströme ihrerseits die Vektorsumme null ergeben. Mit (RI), (R2) und (R3) sind drei zwischen die Phasen geschaltete Überspannungsableiter bezeichnet, mittels derer die Maximalspannung begrenzt werden kann. In die Netzzuleitungen sind Sicherungen (SD eingeschaltet2, three capacitors (CI), (C2) and (C3) form a delta connection which consists of the three-phase network (R), (S), (T) via three primary windings (WR), (WS) and (WT) is fed. The IS last-mentioned primary windings together with a secondary output winding (A) form a transformer summing circuit in which all four windings have a common magnetic core. In this circuit, the windings (WR) and (WS) are wound in the same direction and the winding (WT) is wound in the opposite direction. This results in an output current via the output winding (A) which corresponds to the sum of three currents shown in the right-hand vector diagram in FIG. 1, which are out of phase with each other by 60 ° or 120 ° 20 when the three currents flowing through the primary windings (WR), (WS) and (WT) in turn result in the vector sum zero. (RI), (R2) and (R3) designate three surge arresters connected between the phases, by means of which the maximum voltage can be limited. Fuses (SD are switched on in the mains supply lines

Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind die Kondensatoren (CI), (C2) und (C3) zusammen mit den 25 Primärwicklungen (WR), (WS) und (WT) in einer Sternschaltung angeordnet. Die transformatorische Summierschaltung ist ebenso wie die bei der Ausführung nach Fig. 2 ausgebildet. Auch die Bezeichnungen der übrigen Bauteile entsprechen denen der Fig. 2,3, the capacitors (CI), (C2) and (C3) together with the 25 primary windings (WR), (WS) and (WT) are arranged in a star connection. The transformer summing circuit is designed in the same way as that in the embodiment according to FIG. 2. The designations of the other components also correspond to those of FIG. 2,

Die Ausführung nach Fig. 4 entspricht im wesentlichen der nach Fig. 3 mit dem Unterschied, daß der Stempunkt die interne Gerätemasse darstellt und in diesem Sinn geerdet ist. In einem Drehstrom-30 Vierleitemetz wird dieser Punkt zweckmäßigerweise mit dem Mittelpunktleiter (Mp) verbunden. Einen ähnlichen Aufbau weist auch die Ausführung nach Fig. 5 auf. Bei dieser sind jedoch die Ströme zweier Phasen, wie der Phasen (R) und (S), über eine gemeinsame Primärwicklung (WRS) geführt, während für den Strom der Phase (T) eine eigene Wicklung (WT) vorgesehen ist. Zusätzlich ist hier die Verbindung mit dem Mittelpunktleiter eingezeichnet. 35 Fig. 6 zeigt drei in einer Dreieckschaltung angeordnete Kondenstoren (CI), (C2) und (C3), die durch die Wicklung (WRS) unmittelbar an die Phasen (R) und (S) und zum anderen Teil über die Wicklungen (WRS) bzw. eines Autotransformators an die dritte Phase (T) angeschlossen sind. Über die Wicklung (WRS) sowie über den Kondensator (C3) fließt der zwischen den Phasen (R) und (S) verkettete Strom, während die verketteten Ströme der Zweige (RT) und (ST) über die Wicklung (WT) geführt sind. Der Ausgangsstrom wird 40 von der Wicklung (WT) über den mit (A*) bezeichneten Ausgang abgenommen. Zwei gegensinnig gepolte Dioden (Dl), (D2) im Ausgangskreis ermöglichen z. B. die Abnahme gleichgerichteter Ströme entgegengesetzter Polaritäten. Durch eine Anzapfung im Autotransformator (WT) kann zusätzlich eine Strom- bzw. Spannungsanpassung durchgeführt werden.4 corresponds essentially to that of FIG. 3 with the difference that the star point represents the internal device mass and is grounded in this sense. In a three-phase four-wire network, this point is expediently connected to the center conductor (Mp). The embodiment according to FIG. 5 has a similar structure. In this case, however, the currents of two phases, such as phases (R) and (S), are routed via a common primary winding (WRS), while a separate winding (WT) is provided for the current of phase (T). In addition, the connection to the center conductor is shown here. Fig. 6 shows three condensers (CI), (C2) and (C3) arranged in a delta connection, which through the winding (WRS) directly to the phases (R) and (S) and on the other part via the windings (WRS ) or an autotransformer are connected to the third phase (T). The current chained between the phases (R) and (S) flows via the winding (WRS) and the capacitor (C3), while the chained currents of the branches (RT) and (ST) are conducted via the winding (WT). The output current is drawn 40 from the winding (WT) via the output labeled (A *). Two oppositely polarized diodes (Dl), (D2) in the output circuit enable e.g. B. the decrease in rectified currents of opposite polarities. A tap in the autotransformer (WT) can also be used to adapt the current or voltage.

Eine ähnlich aufgebaute, jedoch mit einem normalen Transformator ausgestattete Schaltung zeigt die Fig. 7. 45 Auch hier sind die Kondensatoren (CI), (C2) und (C3) in Dreieckschaltung angeordnet und die transforma-torische Summierschaltung weist zwei Primärwicklungen auf, von denen die Wicklung (WST) einen Strom führt, während die zweite Wicklung (WR) von zwei verketteten Strömen durchflossen wird. Der Ausgangsstrom wird über eine sekundäre Ausgangswicklung (A) abgenommen.A circuit of a similar design, but equipped with a normal transformer, is shown in FIG. 7. 45 Here, too, the capacitors (CI), (C2) and (C3) are arranged in a delta connection and the transformer summing circuit has two primary windings, one of which the winding (WST) carries a current, while the second winding (WR) has two interlinked currents flowing through it. The output current is taken from a secondary output winding (A).

Mit einem Autotransformator mit den Wicklungen (WRS) und (WT) ist auch die Ausführung nach Fig. 8 50 ausgestattet, bei der die Kondensatoren (CI), (C2) und (C3) in Sternschaltung angeordnet sind. Die Ströme der Phasen (R) und (S) fließen über die gemeinsame Wicklung (WRS), die mit der nur vom Phasenstrom der Phase (T) durchflossenen Wicklung (WT) verkettet ist Die Verbindungsstelle beider Wicklungen (WRS) und (WT) liegt am Nullpotential (Mp). Der Ausgangsstrom wird von der Wicklung (WRS) äbgenommen.An autotransformer with the windings (WRS) and (WT) is also equipped in the embodiment according to FIG. 8 50, in which the capacitors (CI), (C2) and (C3) are arranged in a star connection. The currents of phases (R) and (S) flow via the common winding (WRS), which is linked to the winding (WT) through which only the phase current of phase (T) flows. The connection point between the two windings (WRS) and (WT) at zero potential (Mp). The output current is taken from the winding (WRS).

Die Schaltung der Fig. 9 entspricht der der Fig. 8 bis auf den Unterschied, daß der Ausgangsstiom nur von 55 einem Teil der Wicklung (WRS) abgenommen wird, die dazu mit einer Anzapfung versehen ist Der Autotrafo könnte ebenso spannungserhöhend wirken.The circuit of FIG. 9 corresponds to that of FIG. 8 except for the difference that the output current is only taken from 55 part of the winding (WRS), which is provided with a tap for this purpose. The autotransformer could also have a voltage-increasing effect.

Fig. 10 zeigt eine Sternschaltung mit drei primären Phasenwicklungen (WR), (WS) und (WT) und mit einer Auskopplungswicklung (A). Der Auskopplungswicklung (A) ist über zwei (HF-) Drosseln ein Schutzkondensator (C4) gegen hochfrequente Störungen parallel geschaltet Die Stromrichtung im Ausgangskreis ist 60 durch mindestens eine Diode (D3) bestimmt. Das in den Ausgangskreis geschaltete Gerät (Tarif-, Überwachungs- oder Steuergerät) ist mit (G) bezeichnet. Es hat einen vorgegebenen Strombedarf, der zur -3-Fig. 10 shows a star connection with three primary phase windings (WR), (WS) and (WT) and with a decoupling winding (A). The decoupling winding (A) has a protective capacitor (C4) connected in parallel against high-frequency interference via two (RF) chokes. The direction of current in the output circuit is determined by at least one diode (D3) 60. The device connected to the output circuit (tariff, monitoring or control device) is marked with (G). It has a specified power requirement, which for -3-

Claims

5 AT 397 160 B must be made available. In the simplest case, the storage capacitor (C4) is therefore connected in parallel with a zener diode (D4), which limits the current supply to the device (G) by drawing off excess current to the required extent. PATENT CLAIMS 10 1. Three-phase power supply unit for small consumers, especially for tariff and control devices, characterized in that three ballast impedances arranged in star or delta circuits, for. B. IS capacitors (CI, C2, C3) the associated phase currents or chained currents are conducted and that these currents feed primary windings (WR, WS, WT) of a transformer summing circuit. an output current is obtained by chaining the primary currents on the secondary side, which is equal to the vectorial sum of three currents offset by 60 ° or 120 ° from one another.

2. Power supply unit according to claim 1, characterized in that the summing circuit has at least two primary windings (WT ... WRS) which are flowed through by three currents (Jr, Jg, Jj) resulting in zero in their vectorial sum such that two currents ( Jr, Jg) are superimposed in the same direction and one (Jj) in opposite directions and the sum is magnetically linked with a secondary winding (A).

3. Power supply according to claim 1 or 2, characterized in that three capacitors (CI, C2, C3) are arranged in a star connection and the currents (Jr, Jg) of two phases via a common primary winding (WRS), and the current of the third phase are routed through their own primary winding (WT). (Fig. 5)

4. Power supply after opening 1 or 2, characterized in that three capacitors (CI, C2, C3) are arranged in a delta connection and that the chained current between two phases via a primary winding (WR) and the current of the third phase via a second Primary winding (WST) are performed. (Fig-7)

5. Power supply according to claim 3 or 4, characterized in that the windings (WRS, WT) of the 35 summing circuit are connected as autotransformer windings. (Fig. 6, 8)

6. Power supply according to claim 5, characterized in that one of the windings (WRS) is provided with a tap for the output current. (Fig. 9)

7. Power supply according to one of the preceding claims, characterized in that an overflow switching circuit (D4) is connected in parallel to the output circuit for regulating the output voltage. (Fig. 10) 45 Including 3 sheets of drawings -4-