DE102014116846A1 - Electromagnetic mains voltage regulation and Smart Grid application - Google Patents
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- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/12—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac
- G05F1/32—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is ac using magnetic devices having a controllable degree of saturation as final control devices
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- H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias
Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zur Bereitstellung einer geregelten Netzspannung (UR) insbesondere in 400V Ortsnetzen mit Überspannungen von bis zu 20%. Die Vorrichtung (10) benutzt eine elektromagnetische Steuerspule (23) auf einem Steuermagnetkern (43) und steuert damit den komplexen Spannungsabfall von Leistungsspulen (11, 12), durch die der zu regelnde Wechselstrom fließt, wobei der magnetische Kreis der Leistungsspulen (11, 12) durch den Steuermagnetkern (43) fließt und die Vormagnetisierung des Steuermagnetkerns (43) im Sinne der Regelung variiert wird. Somit gelingt auf überraschend einfache und zuverlässige Weise eine sichere Netzspannungsregelung auf elektromagnetischer Basis ohne empfindliche und teure elektronische Leistungshalbleiter. Die Netzspannungsregelung wird insbesondere eingesetzt, um Netzspannungsschwankungen auszugleichen oder gezielt im Sinne einer Smart Grid Regelung eine geeignete lokale Netzspannung einzustellen.The present invention describes a device (10) and a method for providing a regulated line voltage (UR) in particular in 400V local networks with overvoltages of up to 20%. The device (10) uses an electromagnetic control coil (23) on a control magnetic core (43) and thus controls the complex voltage drop of power coils (11, 12) through which the alternating current to be controlled flows, the magnetic circuit of the power coils (11, 12 ) flows through the control magnetic core (43) and the bias of the control magnetic core (43) is varied in the sense of regulation. Thus, in a surprisingly simple and reliable manner, a safe mains voltage control on an electromagnetic basis without sensitive and expensive electronic power semiconductors. The mains voltage control is used in particular to compensate for mains voltage fluctuations or to set a suitable local grid voltage in the sense of a smart grid control.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine wartungsarme und effiziente Vorrichtung zur Netzspannungsregelung und auf ein Verfahren zur Smart Grid Anwendung zum Zweck der Spannungsstabilisierung z.B. in Industriegebieten. Die Vorrichtung ist geeignet, auch stark schwankende Netzspannungen mit geringem Aufwand auf den Sollwert zu stabilisieren und auch Überspannungen von mehr als 10% oberhalb des Sollwertes auf Werte im Sollbereich abzusenken. Die Erfindung ist vor allem im Niederspannungsbereich unter 1000V nutzbar, bevorzugt für lokale 400V Netze. Die Erfindung dient insbesondere der Steuerung der Netzspannung, die Verbrauchern zur Verfügung steht, indem der Sollwert der Spannungsregelung entsprechend vorgegeben wird.The invention relates to a low-maintenance and efficient device for mains voltage regulation and to a method for smart grid application for the purpose of voltage stabilization, e.g. in industrial areas. The device is suitable for stabilizing even strongly fluctuating mains voltages with little effort to the setpoint and also to lower overvoltages of more than 10% above the setpoint to values in the setpoint range. The invention can be used above all in the low-voltage range below 1000V, preferably for local 400V networks. The invention is used in particular to control the mains voltage, which is available to consumers by the setpoint of the voltage regulation is set accordingly.
Die Aufgabe der Spannungsstabilisierung entsteht seit etwa dem Jahr 2000 verstärkt durch die dezentral einspeisenden Energiequellen wie Photovoltaik- Anlagen und Windkraft-Anlagen. Diese erzeugen bei Hochleistung erhöhte Spannungen von mehr als 440V bis hin zu 460V und mehr. Und dies obwohl maximal 400V + 10% = 440V Netzspannung zulässig sind. Gleichzeitig sind an diesen lokalen Netzen elektrische Motoren von Pumpen, Kompressoren und andere Verbraucher angeschlossen, die für Spannungen von 380V +– 5% ausgelegt sind, also für 360 ... 400V. Die nun seit Zulassung der erhöhten Spannungen auftretenden ca. 20% höheren Spannungen führen zur Fehlbelastung der Motoren, zu reduziertem Wirkungsgrad, zu verkürzter Lebensdauer und zu steigendem Ausfallrisiko. Im Extremfall erlischt sogar die Betriebserlaubnis, wie z.B. bei explosionsgeschützten Vorrichtungen. Die durch zu hohe Netzspannungen erzeugten Wertverluste der Anlagen durch Mehrverbrauch, kürzere Lebensdauer und vermehrten Wartungsaufwand betragen bis zu 50 Prozent.Since around 2000, the task of voltage stabilization has been increasingly created by the decentrally feeding energy sources such as photovoltaic systems and wind power plants. At high power, these generate increased voltages of more than 440V up to 460V and more. And this although maximum 400V + 10% = 440V mains voltage are allowed. At the same time, electrical motors of pumps, compressors and other consumers connected to voltages of 380V + - 5%, ie for 360 ... 400V, are connected to these local networks. The higher voltages, which are now around 20% higher since the increased voltages are admitted, result in incorrect motor loads, reduced efficiency, shortened service life and increasing failure risk. In extreme cases, even the operating permit expires, as e.g. in explosion-proof devices. The value losses of the systems due to excess power consumption, shorter service life and increased maintenance costs caused by excessive mains voltages amount to up to 50 percent.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist dem Fachmann bekannt, die Netzspannung mit einem Transformator auf einen gewünschten Wert zu transformieren. Dazu werden elektromagnetische Vorrichtungen benutzt, die mindestens eine Primärwicklung haben und mindestens eine Sekundärwicklung. Im Sonderfall (Spartrafo) kann die Sekundärwicklung teilweise identisch mit der Primärwicklung sein. From the prior art, it is known to the person skilled in the art to transform the mains voltage with a transformer to a desired value. For this purpose, electromagnetic devices are used which have at least one primary winding and at least one secondary winding. In a special case (autotransformer), the secondary winding can be partially identical to the primary winding.
Neue Entwicklungen, wie die der Firma Magtech aus Norwegen 2007 (
Steuerbare Induktivitäten wurden auch ca. 1920, also vor hundert Jahre für die Amplitudenmodulation benutzt. Z.B. die Pungs Drossel der Lorenz AG zur Amplitudenmodulation hochfrequenter Funksignale (AM Radio).Controllable inductors were also used around 1920, ie one hundred years ago for amplitude modulation. For example, the Pungs choke of Lorenz AG for the amplitude modulation of high-frequency radio signals (AM Radio).
Problemstellung problem
Die heute üblichen und verfügbaren Regelvorrichtungen für die Spannungsstabilisierung hingegen benutzen elektronische Regler und elektronische Halbleiterbauelemente, um die Spannung konstant zu halten. Diese hoch belasteten Bauteile haben eine im Vergleich zu konventionellen Ortsnetztrafos sehr geringe Lebensdauer, ein hohes Ausfallrisiko und damit hohe Wartungskosten und Risiken. Deshalb werden bisher meist nur konventionelle Ortsnetztrafos (ONT) eingesetzt. Die Folge ist, dass in den Netzleitungen, an denen die dezentralen Energiequellen angeschlossen sind, bei Hochleistung sehr hohe Spannungen anfallen. Diese sehr hohen Spannungen treten schwankend für einige Minuten bis einige Stunden auf, müssten also dringend durch geeignete Regelvorrichtungen stabilisiert werden.On the other hand, the control devices for voltage stabilization that are customary and available today use electronic regulators and electronic semiconductor components in order to keep the voltage constant. These highly loaded components have a very short lifespan compared to conventional local power transformers, a high failure risk and thus high maintenance costs and risks. Therefore, mostly only conventional local network transformers (ONT) are used. The consequence is that in the power lines to which the decentralized energy sources are connected, at high power very high voltages occur. These very high voltages fluctuate for a few minutes to a few hours, so should urgently be stabilized by appropriate control devices.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wartungsarme, extrem zuverlässige, langlebige und sichere Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung zur Verfügung zu stellen und ein verfahren, um damit die auftretenden zu hohen und ggfs. auch zu geringen Spannungen im lokalen Netz auszugleichen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8.The object of the present invention is to provide a low-maintenance, extremely reliable, durable and safe device for voltage stabilization and a method to compensate for the occurring too high and possibly. Too low voltages in the local network. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 8.
Die erfindungsgemäße Technologie ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wickelgutes auf einem Steuermagnetkern, der durch einen Steuerstrom teilweise oder ganz in die magnetische Sättigung gebracht wird, in Kombination mit mindestens einer, bevorzugt mit zwei entgegengesetzt durchflossenen Leistungswicklungen, deren magnetischer Kreis zumindest teilweise durch den teilweise gesättigten Steuermagnetkern verläuft.The inventive technology is characterized by the use of a winding material on a control magnetic core, which is brought by a control current partially or completely in the magnetic saturation, in combination with at least one, preferably with two oppositely flowing power windings whose magnetic circuit at least partially by the partially saturated Control magnetic core runs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
Die Regeleinheit
Der Steuerstrom
Dem Regler
Die Aktivierung des vorgeschalteten Trafos
Ausführungsbeispieleembodiments
Im bevorzugten Ausführungsfall besteht die elektromagnetische Regelvorrichtung aus einem mehrteiligen Magnetkern
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel benutzt zudem einen langlebigen und wartungsfreien analogen Stromsteller
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform benutzt alternativ zum analogen Regler einen digitalen PI Regler, um den Steuerstrom
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform benutzt einen Vorschalt- Transformator
Das Verfahren zur Regelung der zur Verfügung gestellten Spannung umfasst folgende Schritte:
- a) Aufnahme eines Spannungssignales
32 inden Regler 30 , bevorzugt Aufnahme des Spannungs-Signals vom Ausgang 15 der Vorrichtung 10 oder alternativ Spannungssignal direkt vom Verbraucher. - b)
Falls Spannung 32 dort imVergleich zum Sollwert 39 zu hoch: Reduzierung des Steuerstroms34 durch Spule23 zur Reduzierung derSättigung im Steuerkern 43 , zurück zu a) - c)
Falls Spannung 32 imVergleich zum Sollwert 39 zu niedrig: Erhöhung des Steuerstroms34 zur Erhöhung derSättigung im Steuermagnetkern 43 , zurück zu a) - d)
Falls Steuerstrom 34 gleich Maximalwert: der Spannungsabfall anVorrichtung 10 ist minimal. Keine weitere Regelungsfunktion inVorrichtung 10 möglich. Optional wird Vorschalt-Trafo 60 wird aktiviert.
- a) recording a
voltage signal 32 into theregulator 30 , preferably recording the voltage signal from theoutput 15 thedevice 10 or alternatively voltage signal directly from the consumer. - b) If
voltage 32 there compared to thesetpoint 39 too high: reduction of the control current34 through coil23 to reduce saturation in thecontrol core 43 back to a) - c) If
voltage 32 compared to thesetpoint 39 too low: increasing the control current34 to increase the saturation in the controlmagnetic core 43 back to a) - d) If control current
34 equal to maximum value: the voltage drop across thedevice 10 is minimal. No further control function indevice 10 possible. Optionally,ballast transformer 60 is activated.
Das besonders bevorzugte Verfahren für die Vorrichtung mit Vorschalt-Trafo umfasst zusätzlich die Schritte:
- e)
Falls Steuerstrom 34 fast maximal oder maximal: Aktivierung des Vorschalt-Trafos 60 und Hochtransformation der Netzspannung UN auf UT - f) Nun zurück zu a)
- g) Erfassung der Netzspannung UN. Falls diese wieder ansteigt: Deaktivierung des Vorschalt-
Trafos 60 bei der nächsten Gelegenheit - h) Nächste Gelegenheit ist bei stufenlos schaltbaren Trafos
60 sofort, bei nur leistungslos schaltbaren Trafos60 der nächste leistungslose Fall, z.B. ein einer Arbeitspause des Verbrauchers.
- e) If control current
34 almost maximum or maximum: Activation of theballast transformer 60 and high transformation of the mains voltage UN to UT - f) Now back to a)
- g) detection of the mains voltage UN. If this increases again: deactivation of the
ballast transformer 60 at the next opportunity - h) The next opportunity is with continuously
variable transformers 60 Immediately, with only powerlessswitchable transformers 60 the next powerless case, eg a break in the work of the consumer.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Elektromagnetische Vorrichtung Electromagnetic device
- 1111
- Leistungswicklung 1 Power winding 1
- 1212
- Leistungswicklung 2 Power winding 2
- 13 13
- Leitungsbrücke L1 L2Cable bridge L1 L2
- 1414
- Spannungseingang netzseitig Voltage input on the mains side
- 1515
- Spannungsausgang verbraucherseitig Voltage output on the consumer side
- 1616
- interner Anschluss Leistungsspule L1 internal connection of power coil L1
- 1717
- interner Anschluss Leistungsspule L2 internal connection power coil L2
- 2323
- Steuerspule S Control coil S
- 24 24
- Masse für Steuerspannung Gleichstrom Ground for control voltage DC
- 2525
-
Steuerspannung Gleichstrom eingestellt von SR Regelvorrichtung
30 Control voltage DC adjusted bySR control device 30 - 3030
-
Regelvorrichtung für Einstellung des Steuerstroms
34 an Klemme25 Control device for setting the control current34 atterminal 25 - 3131
- Anschluss für Messsignal Wechselspannung UR Connection for measuring signal AC voltage UR
- 3232
-
Messleitung Spannungsmessung an Klemme
15 Test lead Voltage measurement atterminal 15 - 3333
-
Anschluss für Steuerstrom
34 zur elektromagnetischen Vorrichtung Connection for control current34 to the electromagnetic device - 3434
-
Steuerstrom Gleichstrom für Steuerspule
23 Control current DC for control coil23 - 3535
-
Spannungsversorgung der Regelvorrichtung
30 Power supply of thecontrol device 30 - 3737
-
Schnittstelle für Sollwertsignal
39 Interface forsetpoint signal 39 - 3838
-
Übertragungselement für Sollwertsignal
39 Transmission element forsetpoint signal 39 - 39 39
- SollwertvorgabeSetpoint
- 4040
- Magnetkern zusammengesetzt Magnet core assembled
- 41 41
- Aufnahmebereich für L1Recording area for L1
- 4242
- Aufnahmebereich für L2 Recording area for L2
- 4343
- Aufnahmebereich für S und Steuermagnetkern Recording area for S and control magnetic core
- 50 50
- Nullleiterneutral
- 5151
- Referenz Nullleiter für Netzspannung Reference neutral for mains voltage
- 5252
- Referenz Nullleiter für Regelspannung Reference neutral for standard voltage
- 60 60
- Vorschalttransformatorballast transformer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 60215381 T2 [0004] DE 60215381 T2 [0004]
- DE 1690597 [0004] DE 1690597 [0004]
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EP15190513.0A EP3024003B1 (en) | 2014-11-18 | 2015-10-20 | Device for adjusting a voltage with at least one electromagnetic device |
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DE102014116846.1A DE102014116846A1 (en) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Electromagnetic mains voltage regulation and Smart Grid application |
Publications (1)
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DE102014116846A1 true DE102014116846A1 (en) | 2016-05-19 |
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ID=54345421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102014116846.1A Withdrawn DE102014116846A1 (en) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | Electromagnetic mains voltage regulation and Smart Grid application |
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2015
- 2015-10-20 EP EP15190513.0A patent/EP3024003B1/en active Active
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EP3024003A2 (en) | 2016-05-25 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |