DE112004002002T5

DE112004002002T5 - Gleichrichtungssystem zur Verbesserung der Qualität von Stromversorgungssystemen

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Publication number: DE112004002002T5
Application number: DE112004002002T
Authority: DE
Inventors: Bulent Torrance Sarlioqlu; Colin E. Longmont Hugget
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-10-05
Also published as: WO2005039014A1; US20050077887A1; US6995993B2

Abstract

Harmonische zirkulierender Spartransformator (15), der Folgendes umfasst:
eine erste Seite mit mehreren Eingängen (11, 12, 13), wobei jeder Eingang wenigstens sechs Wicklungssegmente (201, 210, 203, 213, 218C, 216C, oder 204, 211, 206, 214, 216A, 217A, oder 207, 212, 209, 215, 217B, 218B) aufweist, wobei jedes Wicklungssegment dazu angepasst ist, einen Spannungsvektor zu erzeugen, der einem Wicklungsverhältnis jedes Wicklungssegments entspricht, wobei jeder Eingang an einen Punkt der Wicklungssegmente gekoppelt ist;
eine innere Dreiecksschaltung (20), wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs (11, 12, 13) in der inneren Dreiecksschaltung angeordnet ist, um wenigstens einen Zirkulationsweg für Triplen-Harmonische-Kurvenformen zwischen den Eingängen bereitzustellen;
wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs (11, 12, 13) eine Schaltung zwischen wenigstens einem Eingang und der inneren Dreiecksschaltung (20) bildet; und
eine zweite Seite mit mehreren Ausgängen (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109), wobei jeder Ausgang an einen Punkt der Wicklungssegmente gekoppelt ist;...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spartransformator für ein Gleichrichtungssystem, wie es allgemein in Stromversorgungssystemen von Flugzeugen in Luft- und Raumfahrtanwendungen gefunden wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Spartransformators, der eine Wicklungsschaltung zum Eliminieren von Oberschwingungen aufweist, wie z. B. eine innere Dreieckswicklungsschaltung, die die Auswirkungen von Oberschwingungen in der Eingangsphasen-Stromkurvenform des Spartransformators zirkuliert und minimiert.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Zivilluftfahrtsysteme wenden üblicherweise ein Konstantfrequenz-Wechselstrom-(AC)-Leistungsverteilungsnetzwerk an, wobei verschiedene elektrische Motoren an einen AC-Bus gekoppelt sein können. Wenn solche Vorrichtungen direkt an den AC-Bus gekoppelt werden, ist es leider üblich, dass beim Starten der Ausrüstung ein Einschaltstromstoß vorhanden ist.
Wie normalerweise bei einem solchen System festzustellen ist, wird die variable Geschwindigkeit des Haupttriebwerks über eine mechanische Kopplungsstellenvorrichtung, die zwischen das Haupttriebwerk und verschiedene Hilfsgeräte gekoppelt ist, wie z. B. einen AC-Generator oder eine oder mehrere Hilfstriebwerke und verschiedene Schmierpumpen, in einen konstanten Frequenzausgang umgewandelt. Eine Welle, die am Ausgang dieser mechanischen Vorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit läuft, wird benutzt, um die Hilfsgeräte einschließlich des Haupttriebwerkgenerators zu drehen, so dass ein Konstantfrequenz-AC-Bus bereitgestellt wird. Indem jedoch Fortschritte in der Flugzeugsystemtechnik Wirklichkeit werden, wird darüber nachgedacht, auf den Konstantfrequenz-AC-Bus zu verzichten, um die Eliminierung der mechanischen Kopplungsstelle zwischen dem Haupttriebwerk und dem oben beschriebenen Generator zu ermöglichen. Solche Fortschritte könnten ferner ein System ermöglichen, das den AC-Generator über eine Getriebevorrichtung direkt an die Haupttriebwerksausgangswelle koppeln würde.
Das Ergebnis einer solchen direkten Kopplung ist ein AC-Bus-Frequenzwert, der proportional zu der Triebwerksgeschwindigkeit wäre, und wobei die Stärke der AC-Bus-Spannung über eine Generatorsteuervorrichtung (Generator Control Unit – GCU) auf einen Konstantwert reguliert würde. Die Abmessung der Hilfsmotoren, wie z. B. derjenigen, die für Pumpen und Ventilatoranwendungen für die Konstantspannung/Variable-Frequenz-Systeme benutzt werden, wird wesentlich größer, wenn jeder direkt an das Konstantspannung/Variable-Frequenz-Verteilungssystem angeschlossen ist. Ebenso können die Einschaltstromstoß-Anforderungen aufgrund dieser Vorrichtung beträchtlich sein, wie es in herkömmlichen Zivilluftfahrt-Stromversorgungssystemen der Fall ist.
Aus all diesen Gründen ist es nicht möglich, diese elektrischen Maschinen direkt an den Konstantspannung/Variable-Frequenz-AC-Bus zu koppeln. Allerdings können diese Maschinen über ein Gleichrichtungs- und Umrichtungssystem, wie z. B. einen einfachen 6-Impuls-Brückengleichrichter an den Bus angeschlossen werden. Aufgrund der nichtlinearen Natur des Betriebs des 6-Impuls-Gleichrichtungsschemas kann der Eingangsstrom von dem AC-Verteilungssystem jedoch leider relativ verzerrt sein. Die Frequenzen, bei denen von einem solchen Eingangsgleichrichter charakteristische Oberschwingungen erzeugt werden, können formuliert werden, wie es in der unten stehenden Gleichung (1) dargestellt ist. fH = (kxq ± 1)xf1 (1)
Bei Gleichung (1) ist f_H = charakteristische Oberschwingung, H = Anzahl der Oberschwingungen, k = eine ganze Zahl beginnend mit 1, q = eine ganze Zahl, die die Anzahl von Kommutationen pro Zyklus darstellt, und f₁ die Grundfrequenz.
Die charakteristischen Oberschwingungen eines Systems wie eines 6-Impuls-Gleichrichtungssystems mit einer fünften, siebten, elften, dreizehnten, siebzehnten und neunzehnten Oberschwingung können beträchtliche Stärke aufweisen. Die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonics Distortion THD) des Stroms kann deshalb relativ hoch sein und kann in einigen Anwendungen 40 % des Basisstromwerts übersteigen. Die Oberschwingungen sind aus verschiedenen Gründen in dem Verteilungssystem nicht erwünscht und können leicht die vorgegebenen Anforderungen überschreiten. Solche unerwünschten Oberschwingungen können zu erhöhten Leistungsverlusten führen und deshalb eine Erhöhung der kVA-Leistung sowohl des Leistungserzeugungs- als auch Verteilungssystems erforderlich machen. Zusätzlich können die Stromoberschwingungen die Spannungskurvenform an einem Regulierungspunkt verzerren. Aus diesen Gründen verlangen Hersteller eine wesentliche Reduzierung dieser Oberschwingungsstromwerte.
Es besteht also Bedarf an einem Spartransformatorsystem und – verfahren, das das Anschließen elektrischer Maschinen an einen AC-Bus ermöglicht, während die benötigte wesentliche Reduzierung der oben beschriebenen Oberschwingungswerte bereitgestellt wird.
Zusammenfassung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spartransformator bereitzustellen, der in jeder herkömmlichen Dreiphaseneingangs-AC/DC-Umrichtungsschaltung benutzt werden kann, wie z. B. in einer Schaltung zwischen einem Konstantspannung/Variable-Frequenz-AC-Bus und einem Gleichrichtungs- und Umrichtungssystem zum Bereitstellen einer wesentlichen Reduzierung erzeugter Oberschwingungen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spartransformator bereitzustellen, der eine innere Dreieckswicklungsschaltung aufweist, die zum Zirkulieren von Oberschwingungen elektrisch an eine äußere Sternwicklungsschaltung gekoppelt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spartransformator bereitzustellen, der eine innere Dreieckswicklungsschaltung aufweist, die variable Spannungsvektorwerte aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spartransformator bereitzustellen, der eine innere Dreieckswicklungsschaltung aufweist, die dazu konfiguriert ist, eine wesentliche Reduzierung der äquivalenten kVA-Leistung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spartransformator bereitzustellen, der dazu konfiguriert werden kann, die Sekundärspannungen und damit die DC-Verbindungsspannung des Gleichrichtungssystems tief zu setzen und/oder hoch zu setzen, während eine wesentliche Reduzierung der erzeugten Oberschwingungen bereitgestellt wird.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden im Wesentlichen durch Bereitstellen eines Systems und eines Verfahrens für einen Spartransformator erreicht, der mehrere Wicklungen und Wicklungsverbindungen aufweist, die dazu konfiguriert sind, eine Serie von Ausgangsspannungsvektoren bereitzustellen, die im Wesentlichen 40 Grad voneinander beabstandet sind, während außerdem in einer inneren Dreieckswicklungsschaltung harmonische Ströme zirkuliert werden, um die Auswirkungen auf Eingangsstromkurvenformen zu reduzieren. Das System und Verfahren weist einen Serie von Sternwicklungen auf, die dazu konfiguriert sind, einen Spannungsvektor konstanter Länge für jede gegebene Eingangsspannung bereitzustellen, sowie eine Serie von Dreieckswicklungen, die dazu konfiguriert sind, anhand von Wicklungswindungsverhältnissen einen Spannungsvektor variabler Länge bereitzustellen. Die Dreieckswicklungsschaltung ist elektrisch an die Sternwicklungsschaltung gekoppelt, um die Zirkulation von harmonischen Stromwerten, darunter auch Triplen-Harmonischen, zu ermöglichen, wodurch die Auswirkung auf Eingangsstromkurvenformen so reduziert wird, dass der Wert der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) reduziert wird. Das System und das Verfahren führt zu einem Spartransformator, der eine äquivalente kVA-Leistung benötigt, die wesentlich niedriger ist als in Anwendungen des Standes der Technik, was ferner zu Einsparungen in Größe, Gewicht und Kosten für den Spartransformator führt, die in vielen Anwendungen, wie z. B. in Luft- und Raumfahrtanwendungen über dem Nennwert liegen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Diese und andere Aufgaben, Vorteile und neuartigen Merkmale der Erfindung sind anhand der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren besser nachvollziehbar, wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel eines Gleichrichtungssystems für Stromversorgungsqualität darstellt, in das ein Spartransformator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung integriert ist;
2 ein Vektorblockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Wicklungsschaltung für einen Spartransformator zeigt, der in 1 angewandt ist und der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet;
3 ein Vektordiagramm ist, das die Sekundärspannungsausgangsphasenbeabstandung der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigt;
4 ein Schema ist, das ein Beispiel einer Verbindungsschaltung für die Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigt;
5 ein Schema ist, das ein Beispiel einer Verbindungsschaltung für die Gleichrichtungsvorrichtung aus 1 zeigt;
6 eine Serie von Darstellungen ist, die ein Beispiel der Wicklungsschaltungs-Sekundärausgangsspannungswerte pu der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigen;
7 eine Serie von Darstellungen ist, die ein Beispiel der primären Eingangsphasenstromwerte der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigen;
8 eine Serie von Darstellungen ist, die ein Beispiel der Wicklungsströme zeigen, die der inneren Dreieckswicklungsschaltung der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zugeführt werden;
9 eine Serie von Darstellungen ist, die ein Beispiel der Wicklungsströme zeigen, die der inneren Dreieckswicklungsschaltung der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zugeführt werden;
10 eine Serie von Darstellungen ist, die ein Beispiel der Wicklungsströme in der inneren Dreieckswicklungsschaltung der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigen;
11 eine Darstellung ist, die ein Beispiel der Triplen-Komponente des inneren Dreieckswicklungsschaltungs-Stroms zeigt, der in 10 dargestellt ist;
12 ein Vektorblockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Wicklungsschaltungsanordnung für einen Hochsetz-Spartransformator zeigt, der in 1 angewandt ist, und der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet; und
13 ein Vektorblockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Wicklungsschaltungsanordnung für einen Tiefsetz-Spartransformator zeigt, der in 1 angewandt ist, und der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die unten beschriebene vorliegende Erfindung weist eine Spartransformatorschaltung zur Verwendung in einer Gleichrichterschaltung auf, die Oberschwingungen bis zu den und einschließlich der fünften, siebten, elften und dreizehnten der Eingangsphasenstromkurvenform in einem AC-Verteilungssystem minimiert. Die vorliegende Erfindung weist einen Spartransformator auf, der wenigstens eine innere Dreieckswicklungsschaltung aufweist, die dazu konfiguriert ist, Triplen-Harmonische zu zirkulieren, und die zu einer reduzierten gesamten harmonischen Verzerrung und einer äquivalenten Transformator-kVA-Leistung führt, die wesentlich niedriger sind als die von üblichen Spartransformatoren in ähnlichen Schaltungen. Diese Reduzierung der äquivalenten kVA-Leistung führt zu Einsparungen in Größe, Gewicht und Kosten im Zusammenhang mit dem Spartransformator.
Der Spartransformator der unten beschriebenen Ausführungsform weist mehrere Wicklungen auf, die dazu konfiguriert sind, eine Serie von Ausgangsspannungsvektoren bereitzustellen, die etwa 40 elektrische Grad voneinander beabstandet sind, während in einer inneren Dreieckswicklungsschaltung harmonische Ströme zirkuliert werden, um harmonische Auswirkungen auf Eingangsstromkurvenformen zu reduzieren. Das System und das Verfahren weist eine Serie von Sternwicklungen auf, die dazu konfiguriert sind, einen Spannungsvektor konstanter Länge für jede gegebene Eingangsspannung bereitzustellen, sowie eine Serie von Dreieckswicklungen, die dazu konfiguriert sind, anhand des Dreieckswicklungs-Windungsverhältnisses einen Spannungsvektor variabler Länge bereitzustellen. In der unten beschriebenen Ausführungsform ist die Dreieckswicklungsschaltung elektrisch an die Sternwicklungsschaltung gekoppelt, um eine Zirkulierung harmonischer Stromwerte einschließlich Triplen-Harmonischen zu ermöglichen und so die Auswirkung auf Eingangsstromkurvenformen zu reduzieren.
In 1 ist ein Blockdiagramm dargestellt, das eine Gleichrichterschaltung zeigt, wobei eine Gleichrichtungsvorrichtung, wie z. B. ein 18-Impuls-Brückengleichrichter, benutzt wird, um einen Punkt bereitzustellen, an dem verschiedene elektrische Maschinen über einen Leistungselektronikumrichter an einen Mehrphasen-AC-Bus mit variabler Frequenz gekoppelt werden können. In dem Blockdiagramm aus 1 ist ein Spartransformator 14 als elektrisch zwischen einem Mehrphasen-Leistungsverteilungssystem 25 und einer Gleichrichtungsvorrichtung 35 gekoppelt gezeigt. Das Leistungsverteilungssystem 25 kann beispielsweise einen AC-Generator, der an eine Haupttriebwerksausgangswelle gekoppelt ist, aufweisen, der so einen dreiphasigen Systemausgang mit Konstantspannung und variabler Frequenz bereitstellt. Ein zusätzlicher Dreiphasen-Induktanz- und/oder EMI-Filter 45 kann, gekoppelt zwischen die primären Wicklungen des Spartransformators 15 und das Leistungsverteilungssystem 25, benutzt werden, um die harmonische Verzerrung des Stroms weiter auszugleichen und dazu beizutragen, EMI- und Stromversorgungs-Qualitätsanforderungen zu erfüllen.
Um eine DC-Stromschiene bereitzustellen, wird eine Gleichrichtungsvorrichtung 35, wie z. B. ein 18-Impuls-Brückengleichrichter, an die sekundären Wicklungen des Spartransformators gekoppelt, um eine DC-Spannung an angeordnete elektrische Ausrüstung (nicht dargestellt) an Ausgangsanschlüssen 65 bereitzustellen. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann die Gleichrichtungsvorrichtung 35 aufgebaut sein, indem Halbleitervorrichtungen in einer Mehrbrückenanordnung verbunden werden, um einen DC-Spannungsausgang bereitzustellen. Wenn Dioden zur Gleichrichtung in einem 18-Impuls-Brückengleichrichter benutzt werden, gibt es 18 Dioden, wobei jede eine Anode und eine Kathode aufweist, wobei neun Diodenpaare, die elektrisch in Serie gekoppelt sind, ferner parallel gekoppelt sind, wie an späterer Stelle genauer beschrieben werden soll.
Wie in der Anwendung von 1 gezeigt, ist der Spartransformator 15 elektrisch zwischen das dreiphasige Leistungsverteilungssystem 25 und den 18-Impuls-Brückengleichrichter 35 gekoppelt und kann eine Serie von Ausgangsspannungsvektoren bereitstellen, die jeweils etwa 40 elektrische Grad voneinander beabstandet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie deutlicher in 2 und 4 dargestellt, resultieren diese Ausgangsspannungsvektoren aus einer Serie von primären und sekundären Wicklungen, die elektrisch gekoppelt sind, wie an späterer Stelle genauer beschrieben wird. 2 ist ein Vektorblockdiagramm, das ein Beispiel einer Wicklungsschaltungsanordnung für einen in 1 angewandten Spartransformator zeigt. 4 ist ein Schema, das ein Beispiel einer Verbindungsschaltung für die Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigt. Insbesondere stellt die elektrische Koppelung der primären und sekundären Wicklungen eine Serie zugeordneter Ausgangsanschlüsse 101 bis 109 her, die weiter an die Mittelpunktverbindung jeder seriell verbundenen Diode der Gleichrichtungsvorrichtung 35 angeschlossen werden können, wie in 5 genauer dargestellt ist. Zurückkehrend zu 1, kann außerdem eine beliebige Anzahl von AC- und/oder DC-Filtern 45 und 55 vorgesehen sein, um die harmonische Verzerrung des Stroms weiter auszugleichen und um dazu beizutragen, die EMI- und Stromversorgungs-Qualitätsanforderungen zu erfüllen.
Aufgrund der nichtlinearen Natur des Betriebs eines 6-Impuls-Gleichrichtungsschemas, das der Gleichrichtungsvorrichtung zugeordnet ist, kann der Eingangsstrom, der von dem AC-Verteilungssystem bezogen wird, relativ verzerrt sein, was dazu führt, dass die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonics Distortion – THD) relativ hoch sein kann. Der Begriff THD wird benutzt, um die Verzerrung der Kurvenform als einen Prozentsatz der Basis- oder reinen Sinuskurve der Spannungs- und Stormkurvenform auszudrücken. Dies ergibt sich üblicherweise aus der Addition der harmonischen Kurvenformen und der Basiskurvenform.
Für die unten beschriebene Ausführungsform und ihre Ergebnisse, kann der THD-Wert wie in Gleichung (2) dargestellt definiert werden.
In Gleichung (2) ist I₁ die Basis des Stroms, und h ist die ganze Zahl, welche die Oberschwingungen darstellt, die nicht die Basis bilden. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die unten beschrieben werden soll, dient der Spartransformator 15 dazu, die charakteristischen Oberschwingungen zu minimieren und dadurch die THD zu reduzieren und die äquivalente kVA-Leistung durch die Benutzung einer inneren Dreieckswicklungsschaltung zu verbessern.
Ein Vektorblockdiagramm 30, das ein Beispiel einer Spartransformatoranordnung 15 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, ist in 2 dargestellt. In dem Vektorblockdiagramm 30 ist jede primäre und sekundäre Wicklung und Wicklungsverbindung des Spartransformators 15 dargestellt, wobei jede Wicklung als ein Vektorblock dargestellt ist, der elektrisch gekoppelt und hinsichtlich des Windungsverhältnisses relativ zu und entsprechend dem Spannungsvektorwert für die jeweilige Wicklung zu den übrigen Vektorblöcken skaliert ist. Diagramm 30 zeigt die allgemeine skalierte Beziehung jedes Spannungsvektors, die zu dem Windungsverhältnis proportional ist, wobei allerdings eine tatsächliche Beziehung zwischen dem Windungsverhältnis jeder einzelnen Wicklung genauer anhand der Spannungsvektorgleichungen (3) bis (9) bestimmt wird, die an späterer Stelle genauer beschrieben werden sollen.
In 2 weist das Vektorblockdiagramm 30 des Spartransformators 15 wenigstens 6 Wicklungen pro Phase A, B und C auf, und eine innere Dreieckswicklungsschaltung 20, die teilweise aus Wicklungen von jeder Phasen A, B und C ausgebildet ist. Die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 ist vorgesehen, um sowohl Triplen-Harmonische als auch einen Teil des Basisstroms zwischen den Phasen A, B und C zu tragen, um die Auswirkung harmonischer Ströme auf die Eingangsstromkurvenform zu reduzieren, wie im Folgenden genauer erläutert werden soll.
Wie dem Fachmann bekannt ist, weist der Spartransformator wenigstens eine primäre und eine sekundäre Seite auf, die zugeordnete primäre und sekundäre Abzweigungen oder elektrische Koppelungspunkte zum Anschließen primärer und sekundärer Leiter aufweisen. Bei der Spartransformatorschaltung ist jede Abzweigung über eine oder mehrere Serien von Wicklungen, die aus einem oder mehreren elektrischen Leitern von verschiedener Abmessung ausgebildet sind, welche um ein Kernmaterial angeordnet oder gewickelt sind, an eine andere gekoppelt. Im Gegensatz zu einem magnetisch gekoppelten Transformator fehlt einem Spartransformator eine separate magnetisch gekoppelte und elektrisch isolierte sekundäre Wicklung, die an einem Punkt entlang sowohl der primären als auch der sekundären Wicklungen durch eine oder mehrere sekundäre Abzweigungen ersetzt ist, die ausreichend sind, um die benötigte Sekundärspannung bereitzustellen. Dies eliminiert eine große Menge von Konstruktionsmaterial, was die Größe und das Gewicht des Spartransformators reduziert und eine höhere Effizienz und bessere Regulierung des Spartransformators bereitstellt, da ein reduzierter Widerstand und ein geringerer Leckwiderstand vorliegen.
Wie von dem Vektorblockdiagramm 30 aus 2 dargestellt, weist der Spartransformator 15 der vorliegenden Erfindung wenigstens achtzehn quantitative Wicklungsvektorblöcke und zwölf Abzweigungen auf. Obwohl zu Zwecken der folgenden Erläuterungen Wicklungssegmente separat beschrieben und bezeichnet werden, können eine oder mehrere Wicklungen als eine fortlaufende Wicklung oder ein Wicklungsstab vorgesehen sein, und es können eine oder mehrere Abzweigungen an einem bestimmten Punkt entlang der Wicklung aufweisen, der dazu in der Lage ist, den gewünschten Sekundärspannungsvektorwert zu erzeugen. Zusätzlich sind, wie in 4 gezeigt, Wicklungen an jedem Zweig, nämlichen einem E-Kern-Zweig A, einem E-Kern-Zweig B, und einem E-Kern-Zweig C eines Kerns gruppiert und angeordnet. Jeder Vektorblock weist ferner einen Spannungsvektor pro Einheit auf, der zu dem Windungsverhältnis für die Wicklung proportional ist, die der Vektorblock darstellt.
Wie in dem gezeigten Vektorblockdiagramm 30 aus 2 und der Verbindungsschaltung 34 aus 4 gezeigt, ist der Spartransformator 15 der vorliegenden Erfindung als eine Sterntransformatorschaltung ausgebildet, die wenigstens eine innere Dreiecksschaltung 20 aufweist, die als eine gemeinsame Verbindung für jeden Eingangsanschluss dient. Drei Eingangsanschlüsse 11, 12 und 13 sind als Dreiphasenabzweigungen (z. B. Phase A, B bzw. C) für die primäre Seite des Spartransformators 15 vorgesehen und können an ein dreiphasiges Leistungsverteilungssystem angeschlossen sein, wie es in 1 bis 4 gezeigt und beschrieben wurde. Neun Ausgangsanschlüsse 101 bis 109 sind als Abzweigungen für die sekundäre Seite des Spartransformators 15 vorgesehen und können an eine Gleichrichtungsvorrichtung angeschlossen werden, wie sie in 1 und 5 dargestellt ist. 5 ist ein Schema, das ein Beispiel einer Verbindungsschaltung für die Gleichrichtungsvorrichtung aus 1 zeigt.
Wie in 2 und 4 gezeigt, ist der Eingangsanschluss 11 über Vektorblöcke 201, 210 bzw. 203 jeweils elektrisch an die Ausgangsanschlüsse 101, 102 bzw. 103 gekoppelt. Der Eingangsanschluss 12 ist über Vektorblöcke 204, 211 bzw. 206 jeweils elektrisch an die Ausgangsanschlüsse 104, 105 bzw. 106 gekoppelt, und der Eingangsanschluss 13 ist jeweils über Vektorblöcke 207, 212 bzw. 209 elektrisch an die Ausgangsanschlüsse 107, 108 bzw. 109 gekoppelt. Zusätzlich sind Ausgangsanschlüsse 102, 105 bzw. 108 über Vektorblöcke 213, 214 bzw. 215 elektrisch an die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 gekoppelt.
Die innere Dreiecksschaltung 20 des Spartransformators 15 aus 2 weist ferner wenigstens sechs Vektorblöcke 217a, 217b, 218b, 218c, 216a und 216c auf, die elektrisch in Serie gekoppelt sind und eine Regelkreis-Dreiecksschaltung in der oben beschriebenen Sterntransformatorschaltung bilden. Vektorblock 213 ist elektrisch über Vektorblöcke 218c und 216c an die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 gekoppelt. Vektorblock 214 ist über Vektorblöcke 216a und 217a an die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 gekoppelt, und Vektorblock 215 ist zwischen den Vektorblöcken 217b und 218b an die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 gekoppelt.
Die Vektorblöcke aus 2 stellen einen Bezugsspannungsvektor dar, welcher dem Windungsverhältnis entspricht, das von einer elektrischen Transformator-Wicklungsanordnung dargestellt wird, wie deutlicher in 4 gezeigt werden soll, und zu einer Spannung oder einem Spannungsvektorwert an jedem Ausgangsanschluss 101 bis 109 führt, die oder der dazu konfiguriert ist, einen Phasenverschiebungsabstand von im Wesentlichen 40 elektrischen Grad von jedem folgenden Ausgangsanschluss zu erreichen, wie in 3 dargestellt. Dies ist durch Überlagerung einer Koordinatenkarte dargestellt, die in gestrichelten Linien über der Wicklungsschaltkreisanordnung aus 2 gezeigt ist und die elektrische Trennung der einzelnen Ausgänge darstellt, die von der Anordnung bereitgestellt wird.
Wie oben für 1 erwähnt, kann die Gleichrichtungsvorrichtung 35 als eine Mehrbrückenanordnung ausgebildet sein, wobei Ausgangsanschlüsse 101 bis 109 des Spartransformators 15 jeweils an die Mittelpunktverbindung jedes Diodenpaars angeschlossen werden können, wie in 5 klarer dargestellt. Jede Diode der Gleichrichtungsvorrichtung 35 weist eine endliche Vorwärtsstromführungsperiode auf, wobei die Stromführungsperiode für jeden sekundären Ausgang im Wesentlichen 40 elektrische Grad beträgt, was als rechteckige Form angenähert werden kann, wie in 6 gezeigt, wo eine AC-Induktanz von null angenommen wird. 6 ist eine Serie von Darstellungen 66, die ein Beispiel von Sekundärwicklungsschaltungs-Ausgangsstromwerten (z. B. Ein- und Aus-Perioden) für jeden Ausgangsanschluss 101 bis 109 der oben beschriebenen Ausführungsform zeigen, wobei eine Stromführungsperiode für jeden Ausgangsanschluss 101 bis 109 gezeigt ist. Der DC-Strom (Idc), der von der Gleichrichtungsvorrichtung 35 bereitgestellt wird, kann aufgrund einer ausreichenden DC-Verbindungsinduktanz und einer konstanten Last zu Berechnungszwecken als ein konstanter Wert (1 pro Einheit) angenähert werden.
In einer praktischen Anwendung allerdings kann der Strom aufgrund der endlichen AC-Induktanz jeder Wicklung nicht sofort geändert werden, und die Stromkurvenform weist deshalb während der Übergänge zwischen Stromführungsperioden an den Ausgangsanschlüssen 101 bis 109 des Spartransformators 15 eine endliche Steilheit erster Ordnung auf. Aus diesem Grund weisen die Phasenströme der Primärseite, die an den Eingangsanschlüssen 11, 12 und 13 gemessen werden, und deren Darstellungen in 7 gezeigt sind, eine glatte Kurvenform mit Senkung des THD insgesamt auf, doch aufgrund der Oberschwingungen sind die Kurvenformen immer noch verzerrt. Wie allerdings in den folgenden Berechnungen gezeigt werden soll, dient die innere Dreieckswicklungsschaltung 20 dazu, diesen Effekt zu minimieren.
Bei den folgenden erläuternden Berechnungen ist die Stärke der primären Wicklungsleitung an den neutralen Spannungsvektor auf den Wert einer Leistungseinheit (power unit – p.u.) in einem normierten System eingestellt, und die verbleibenden Spannungsvektorstärken jeder Wicklung können als ein Prozentsatz dieses Wertes bestimmt werden. Für Wicklungen außer den inneren Dreiecksschaltungswicklungen zeigen sich die Spannungsvektoren als Festwerte. Für eine ausgeglichene Last des Spartransformators 15 aus 2 sind die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 201, 203, 204, 206, 207 und 209 gleich, und die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 210, 211 und 212 sind gleich, wie von der Größe der Vektorblöcke aus 2 und den unten stehenden Gleichungen (3) und (4) bestätigt, wobei N einen Bezugsspannungsvektorwert darstellt, der durch die Wicklung aufgestellt wird und dem Windungsverhältnis des Vektorblocks entspricht. N201 = N203 = N204 = N206 = N207 = N209 = 0,65270 p.u. Festwert (3) N210 = N211 = N212 = 0,12061 p.u. Festwert (4)
Für die innere Dreiecksschaltung 20 zeigen sich die Spannungsvektoren in einem variablen Verhältnis. Für eine balancierte Last des Spartransformators aus 2 sind die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 213, 214 und 215 gleich, die Spannungsvektoren von 216c, 217a und 218b sind gleich, und die Spannungsvektoren von 218c, 216a und 217b sind gleich, wie von der Abmessung der Vektorblöcke aus 2 und den unten stehenden Gleichungen (5), (6) und (7) bestätigt, wobei N einen Bezugsspannungsvektorwert darstellt, der durch die Wicklung aufgestellt wird und dem Windungsverhältnis des Vektorblocks entspricht. N212 = N214 = N215 = 0,61272 p.u. variables Verhältnis (5) N213 = N217a = N218b = 0,26667 p.u. variables Verhältnis (6) N218c = N216c = N217b = 0,5333 p.u. variables Verhältnis (7)
Ferner ist das Verhältnis der Spannungsvektoren der Vektorblöcke 216c/216a, 217a/217b und 218b/218c gleich, wie in der unten stehenden Gleichung (8) gezeigt ist. N216c/N216a = N217a/N217b = N218b/N218c = 0,5 (8)
Das variable Verhältnis der obigen Spannungsvektorwerte für die innere Dreiecksschaltung 20, das in den Gleichungen (6) und (7) gezeigt ist, ergibt sich teilweise aus einem variablen Windungsverhältnis für jede Wicklung, das eine Funktion der gewählten Größe jedes inneren Dreiecksschaltungsspannungsvektors ist. Beispielsweise kann eine innere Dreiecksschaltung 20 ausgebildet sein, wobei der rms-Wert des Dreiecksschaltungsstroms annähernd an die rms-Stromeingänge an die Dreiecksschaltung 20 von der Sternschaltung angeglichen werden kann. Das heißt, der Strom der Vektorblöcke 216, 217 und 218 kann an den Strom der Blöcke 213, 214 und 215 angeglichen werden, wie im Folgenden in Gleichung (9) gezeigt. [I216 = I217 = I218] = [I213 = I214 = I215] (9)
In der vorliegenden Erfindung ist die Größe jedes Spannungsvektors des Spartransformators 15 direkt proportional zu der Anzahl von Windungen in dem Vektorblock oder der Wicklung. Aufgrund der ganzen Zahl von Windungen, bei der praktischen Ausführung des Spartransformators benötigt werden, sind die genauen Windungsverhältnisse angenähert, und es ist ein endlicher Fehler vorhanden, wenn nicht ein gemeinsamer Nenner ermittelt werden kann, um perfekte Windungsverhältnisse zu erzielen.
Die Spannungsvektoren, welche die Deltaanordnung bilden, dargestellt durch Vektorblöcke 216c, 216a, 217a, 217b, 218b und 218c, können durch die gegebene Eingangsspannung vergrößert oder verkleinert werden, wobei allerdings bei dem Aufbau der inneren Dreiecksschaltungsanordnung mehrere Faktoren berücksichtigt werden sollten. Wenn die Spannungsvektoren, die sich aus den Dreieckswicklungen ergeben, groß gehalten werden, wären die Windungsverhältnisse dieser Wicklungen größer, und der rms-Strom in den Dreieckswicklungen wäre kleiner. Beim Bestimmen der Größe der Dreieckswicklung führt eine kleinere Wicklung zu weniger Spannung, aber zu höheren rms-Stromwerten, und eine größere Wicklung führt zu mehr Spannung, aber zu weniger rms-Strom.
Das Windungsverhältnis der inneren Deltaschaltung 20 kann auch benutzt werden, um die Induktanz des Spartransformators 20 zu modifizieren oder einzustellen. Das Windungsverhältnis kann benutzt werden, um eine rms- Leistung des Stroms der inneren Dreiecksschaltung 20 zu erzielen, die gleich oder im Wesentlichen gleich der rms-Leistung des Stroms in der Sternschaltung ist, wie oben beschrieben. Dies ermöglicht einen gemeinsamen Querschnittsbereich der Kupferwicklung, die bei der Herstellung des Spartransformators benutzt wird.
Zusätzlich können ein Tiefsetzen und Hochsetzen der resultierenden DC-Spannung durch weiteres Skalieren der Wicklungsverbindungen der Spartransformator-Ausführungsform aus 2 erzielt werden. Allerdings verändert eine Änderung der Größe der Spannungsvektoren, welche die Delta-Anordnung ausbilden, die äquivalente kVA-Leistung des Spartransformators der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich, was es dem Hersteller der hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht die gleiche Drahtstärke für jede Wicklung oder Anwendung (z. B. Tiefsetzen oder Hochsetzen) zu benutzen.
Beispielsweise ist ein Vektorblockdiagramm, das eine Spartransformator-Hochsetzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in 12 dargestellt. Wie bei 2 zeigt das Vektorblockdiagramm 75 aus 12 jede primäre und sekundäre Wicklung und Wicklungsverbindung eines beispielhaften Spartransformators, wobei jede Wicklung als ein Vektorblock dargestellt ist, der elektrisch gekoppelt und hinsichtlich des Windungsverhältnisses, der Induktanz und des Widerstands eines jeden relativ zu und entsprechend dem Spannungsvektorwert für die jeweilige Wicklung zu den übrigen Vektorblöcken skaliert ist. Wie bei 2 weist der Spartransformator 75 aus 12 wenigstens 6 Wicklungen pro Phase A, B und C auf, einschließlich einer Dreiecksschaltung, die teilweise aus Wicklungen der Phase A, B und C ausgebildet ist, und die vorgesehen ist, um sowohl Triplen-Harmonische als auch einen Teil des Basisstroms zwischen den Phasen A, b und C zu tragen, um die Auswirkung harmonischer Ströme auf die Eingangsstromkurvenform zwischen den Phasen A, B und C zu reduzieren, wie oben erläutert. Wie in 2 sind in 12 ebenfalls Anschlüsse 11, 12 und 13 für primäre Spannungseingänge und 101 bis 109 für sekundäre Spannungseingänge vorgesehen.
In der Anordnung aus 12 sind Ausgangsspannungen der sekundären Wicklungen im Vergleich zu denen der Anordnung, die in 2 gezeigt ist, auf einen höhere Spannung eingestellt. Auf diese Weise können alle Vektorblöcke 310, 311 oder 312 oder Vektorblöcke 313, 314 oder 315 weiter abgeteilt oder eingeteilt werden, um die primären Wicklungsanschlüsse einzuführen, um die gewünschte Hochsetzstärke der sekundären Spannungen einzustellen. Wie beispielsweise aus 12 ersichtlich, ist die Anzahl von Windungen des Vektorblocks 213 aus 2 bei dem Hochsetz-Spartransformator aus 12 in zwei Gruppen von Wicklungen eingeteilt und als Vektorblöcke 313 und 319 dargestellt. Dies wird für jede Phase wiederholt.
In 12 sind die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 301, 303, 304, 306, 307 und 309 gleich, und die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 310, 311 und 312 ist gleich, wie von der Abmessung der Vektorblöcke von 12 und den unten stehenden Gleichungen (10) und (11) bestätigt wird, wobei N einen Bezugsspannungsvektorwert darstellt, der durch die Wicklung aufgestellt wird und dem Windungsverhältnis des Vektorblocks entspricht. N301 = N303 = N304 = N306 = N307 = N309 = 0,65270 p.u. Festwert (10) N310 = N311 = N312 = 0,12061 p.u. Festwert (11)
Für die innere Dreiecksschaltung zeigen sich die Spannungsvektoren in einem variablen Verhältnis. Für eine ausgeglichene Last des Spartransformators aus 12 sind die Spannungsvektoren der Vektorblöcke 313, 314 und 315 gleich, die Spannungsvektoren von 319, 320 und 321 sind gleich, die Spannungsvektoren von 316c, 317a und 318b sind gleich, und 318c, 316a und 317b sind gleich, wie von der Abmessung der Vektorblöcke aus 12 und den unten stehenden Gleichungen (12), (13), (14) und (15) bestätigt, wobei N einen Bezugsspannungsvektorwert darstellt, der durch die Wicklung aufgestellt wird und dem Windungsverhältnis des Vektorblocks entspricht. Obwohl in dem unten gezeigten Beispiel alle Spannungsvektoren jeder Gruppe gleich sind, sind die Spannungsvektoren der Gleichungen (14) und (15) tatsächlich variabel, und Spannungsvektoren der Gleichungen (12), (13), (16) und (17) sind tatsächlich zum Hochsetzen zur Aufrechterhaltung einer Beabstandung von 40 Grad anpassbar.
Wenn in der Ausführungsform aus 12 die Eingangsleitungs-Neutralspannung 1 p.u. ist, können die folgenden Verhältnisbeispiele der Gleichungen (12) bis (17) benutzt werden, um eine Hochsetzleistung zu erzielen und die benötigte Phasenbeabstandung von 40 Grad bei den Sekundärwicklungsausgängen aufrechtzuerhalten. X313 = X314 = X315 = 0,646 zum Hochsetzen anpassbar (12) X319 = X320 = X321 = 0,496 p.u. zum Hochsetzen variabel (13) X316c = X317a = X318b = 0,353 p.u. variables Verhältnis (14) X318c = X316a = X317b = 0,706 p.u. variables Verhältnis (15) X310 = X311 = X312 = 0,16 zum Hochsetzen anpassbar (16) X301 = X303 = X304 = X306 = X307 = X309 = 1,088 zum Hochsetzen anpassbar (17)
Ferner ist das Verhältnis von Spannungsvektoren der Vektorblöcke 316c/316a, 317a/317b und 318b/318c gleich, wie unten in Gleichung (18) dargestellt. X316c/X316a = X317a/X317b = X318b/X318c = 0,5 (18)
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Vektorblockdiagramm, das eine Tiefsetz-Spartransformatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, in 13 gezeigt. Wie bei 2 und 12 zeigt das Vektorblockdiagramm 85 von 13 jede primäre und sekundäre Wicklung und Wicklungsverbindung eines beispielhaften Spartransformators, wobei jede Wicklung als ein Vektorblock dargestellt ist, der elektrisch gekoppelt und hinsichtlich des Windungsverhältnisses relativ zu und entsprechend dem Spannungsvektorwert für die jeweilige Wicklung zu den übrigen Vektorblöcken skaliert ist. Bei der Anordnung von 13 sind die Ausgangsspannungen der sekundären Wicklungen im Vergleich zu denjenigen der Anordnung auf eine niedrigere Spannung von 2 eingestellt. Beispielsweise kann die Anzahl der Windungen der Wicklungen von Vektorblöcken 419, 420 und 421 angepasst werden, um die gewünschte Stärke des Tiefsetzens der sekundären Spannungen einzustellen, und sie wird in einer ähnlichen Weise bestimmt, wie in den Gleichungen (10) bis (18) für 12 beschrieben. Wie oben bezüglich 12 erwähnt, sind in 13 Anschlüsse 11, 12 und 13 für primäre Spannungseingänge und Anschlüsse 101 bis 109 für sekundäre Spannungsausgänge gedacht, wobei die Spannungsvektoren variiert werden können, um das Tiefsetzen so anzupassen, dass ein Phasenabstand von 40 Grad aufrechterhalten wird.
Zusätzlich zu den Beispielen aus 12 und 13 können weitere Verhältnisse in Gleichungen (10) bis (18) implementiert werden, um andere Tiefsetz- oder Hochsetzwerte zu erzielen, wobei die Wicklungsanordnung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insgesamt intakt bleibt. Insbesondere können die Vektorblöcke ferner dazu konfiguriert werden, die Phasenbeabstandung zu erfüllen und ein Tiefsetzen oder Hochsetzen zu erreichen, indem die innere Dreieckswicklung implementiert wird, um die Vorteile zu erzielen, die im Folgenden ausgeführt und genauer beschrieben werden sollen.
Zurückkehrend zu 2 ist die Länge der Spannungsvektoren, die von den Vektorblöcken 201, 203, 204, 206, 207, 209, 210, 211 und 212 dargestellt werden, für jede gegebene Eingangsspannung konstant, wie in Gleichungen (3) und (4) oben gezeigt, und Spannungsvektoren, die von den Vektorblöcken 213, 214, 215, 216c, 216a, 217a, 217b, 218b und 218c dargestellt werden, können in dem oben beschriebenen Umfang variiert werden. Die neun sekundären Ausgangsanschlusswerte, die sich aus diesen Wicklungen ergeben, können an einem Kreis durch Verbinden der Punkte 101 bis 109 von 2 dargestellt werden, wie in 3 gezeigt, wobei der Spannungsvektor jedes Ausgangs im Wesentlichen um 40 elektrische Grad von dem vorangehenden und nachfolgenden Spannungsvektor beabstandet ist. Die innere Dreiecksschaltung 20 ist aus variablen Spannungsvektoren gebildet, die durch die gegebene Eingangsspannung vergrößert oder verkleinert werden können und dazu dienen, die Triplen-Harmonischen zu zirkulieren, die von der Gleichrichtungsvorrichtung zwischen den Eingangsphasen erzeugt werden. Auf diese Weise kann die geeignet abgemessene Dreiecksschaltung 20 durch Minimieren der charakteristischen Oberschwingungen die kVA-Äquivalenz des Spartransformators 15 in 2, 12 und 13 wesentlich verbessern.
Um diese Verbesserung darzustellen, die sich aus dem Implementieren der oben beschriebenen Ausführungsform ergibt, ist im Folgenden eine beispielhafte Berechnung angegeben. Zu Darstellungszwecken kann eine Dreiphasenspannung an die primären Eingangsanschlüsse 11, 12 und 13 des Spartransformators 15 aus 2 gekoppelt sein, und ein Strom in jedem Vektorblock oder jeder Wicklung des Spartransformators kann erzielt und ein rms-Wert berechnet werden, wie in den resultierenden 7 bis 10 dargestellt.
7 ist eine Serie von Darstellungen 68, die ein Beispiel der primären Eingangsphasen-Stromwerte der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 zeigen. 8, 9 und 10 sind eine Serie von Darstellungen 70, 72 bzw. 74, die jeweils ein Beispiel der Wicklungsströme zeigen, die von der inneren Dreiecksschaltung der Wicklungsschaltungsanordnung aus 2 bereitgestellt und zirkuliert werden.
Für die Zwecke dieses Beispiels kann angenommen werden, dass die Spitze der sekundären Ströme an den Ausgangsanschlüssen 101 bis 109 ein I_dc = 1 p.u. ergibt. Die rms-Stromwerte für Eingangsanschluss 11 oder Phase A sind unten in Gleichung (19) angegeben, und Beispiele sind in den Darstellungen 68 in 7 gezeigt, wobei I_n den in Vektorblock n vorhandenen Strom repräsentiert. I11(rms) = 0,8165 p.u. I210(rms) = 0,5804 p.u. I201(rms) = I203(rms) = 0,4741 p.u. I213(rms) = 0,2315 p.u.(19)
Die rms-Stromwerte I_12(rms) und I_13(rms) können für Eingangsanschlüsse 12 und 13 in ähnlicher Weise berechnet werden, und Beispiele sind ebenfalls in den Darstellungen 68 in 7 gezeigt. I12(rms) = 0,8165 p. u. I211(rms) = 0,5804 p.u. I204(rms) = I206(rms) = 0,4741 p.u. I214(rms) = 0,2315 p.u.(20) I13(rms) = 0,8165 p. u. I212(rms) = 0,5804 p.u. I207(rms) = I209(rms) = 0,4741 p.u. I215(rms) = 0,2315 p.u.(21)
Ein Beispiel eines berechneten rms-Stromwerts I_210(rms) und I_212(rms) ist in Darstellungen 70 in 8 gezeigt, und ein Beispiel eines berechneten rms-Stromwerts I_213(rms), I_214(rms) und I_215(rms) ist in Darstellungen 72 in 9 gezeigt.
Der Stromwert, der in der inneren Dreiecksschaltung 20 vorhanden ist, kann deshalb unten in Gleichung (22) berechnet und in Darstellungen 74 in 10 als rms-Stromwert I_216(rms), I_218(rms) bzw. I_217(rms) dargestellt werden. I216(rms) = 0,2951 u.p. (22)wobei I_216(rms) = I_218(rms) = I_217(rms).
Die Triplen-Harmonische-Komponente des Stromwertes, der in der inneren Dreiecksschaltung 20 vorhanden ist, wird unten in Gleichung (23) berechnet und in Darstellung 76 in 11 gezeigt. Itriplen(rms) = 0,2631 p.u. (23)
Um einen 18-Impuls-Gleichrichtungsprozess zu erzielen, wobei die fünfe, siebte, elfte und dreizehnte Harmonische eliminiert werden und die sekundären Ströme 40 Grad führen, wird der innere Deltaschaltkreis 20 für die Zirkulation von Triplen benötigt. Ohne eine solche Dreiecksschaltung können die Triplen nicht zirkuliert werden.
Der Ausgangs-DC-Verbindungsstrom, der von der Gleichrichtungsvorrichtung 35 bereitgestellt wird, kann bezüglich eingehender Primärleitungs-Neutralspannung an den Anschlüssen 11, 12 und 13 wie in Gleichung (24) vorgesehen ausgedrückt werden. Vdc = 2,44VLeitung-Neutral (24)
Die äquivalente kVA-Leistung des Spartransformators 15 kann anhand von Gleichung (25) berechnet werden.
wobei Σ V11(rms)I11(rms) = 3 V201(rms)I201(rms) + 3 V203(rms)I203(rms) +3 V210(rms)I210(rms) +3 V213(rms)I213(rms) +3 V216c(rms)I216c(rms) +3 V216a(rms)I216a(rms) und wobei 3 V201(rms)I201(rms) = 3 × 0,65270 × =,4098 Vdc × 0,4741 Idc 3 V203(rms)I203(rms) = 3 × 0,65270 × =,4098 Vdc × 0,4741 Idc 3 V210(rms)I210(rms) = 3 × 0,12061 × 0,4098 Vdc × 0,5804 Idc 3 V213(rms)I213(rms) = 3 × 0,61272 × 0,4098 Vdc × 0,2315 Idc 3 V216c(rms)I216c(rms) = 3 × 0,26667 × 0,4098 Vdc × 0,2951 Idc 3 V216a(rms)I216a(rms) = 3 × 0,5333 × 0,4098 Vdc × 0,2951 Idc
Für die oben beschriebenen Ausführungsformen wird die resultierende äquivalente kVA des Spartransformators 15 dann mit Hilfe der Gleichung (26) ermittelt. Äquivalente kVA = 0,6545 VdcIdc
Eine äquivalente kVA, die üblicherweise im Stand der Technik zu finden ist, kann mit Hilfe desselben Verfahrens berechnet werden. Äquivalente kVA = 0,6762 VdcIdc (26)
Das Verhältnis der äquivalenten kVA-Werte des Stands der Technik und der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt 0,968, was einer annähernden Einsparung von 3,2 % der äquivalenten kVA-Leistung des Spartransformators entspricht. Eine solche niedrige kVA-Leistung wiederum führt zu Einsparungen in Größe, Volumen und Kosten und verbesserter Effizienz.
Obwohl nur einige wenige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung genau beschrieben wurden, werden Fachleute sofort verstehen, dass viele Modifizierungen der Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne grundsätzlich von der neuartigen Lehre und den Vorteilen dieser Erfindung abzuweichen. Entsprechend gelten alle solchen Modifizierungen als im Umfang der Erfindung enthalten, wie sie in den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG
System und Verfahren für eine Spartransformatoranordnung 15, die mehrere Wicklungen 201 bis 218 aufweist, die dazu benutzt werden können, eine wesentliche Reduktion von Oberschwingungen zu erzielen. Der Spartransformator 15 weist eine Serie von Sternwicklungen 201 bis 212 auf, die dazu konfiguriert sind, einen Spannungsvektor konstanter Länge für jede gegebene Eingangsspannung bereitzustellen, sowie eine Serie von Dreieckswicklungen 213 bis 218, die einen Spannungsvektor variabler Länge aufweisen, der auf dem Windungsverhältnis basiert. Der Dreieckswicklungsschaltkreis 20 ist elektrisch an den Sternwicklungsschaltkreis gekoppelt, um eine Zirkulation von Triplen-Harmonischen zu ermöglichen, wodurch die Auswirkung auf die Eingangsstromkurvenform derart reduziert wird, dass die gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion – THD) reduziert wird, und wodurch eine äquivalente kVA-Leistung erzeugt wird, die niedriger ist als in Anwendungen des Stande der Technik, was zu Einsparungen in Größe, Gewicht und Kosten führt.

Claims

Harmonische zirkulierender Spartransformator (15), der Folgendes umfasst: eine erste Seite mit mehreren Eingängen (11, 12, 13), wobei jeder Eingang wenigstens sechs Wicklungssegmente (201, 210, 203, 213, 218C, 216C, oder 204, 211, 206, 214, 216A, 217A, oder 207, 212, 209, 215, 217B, 218B) aufweist, wobei jedes Wicklungssegment dazu angepasst ist, einen Spannungsvektor zu erzeugen, der einem Wicklungsverhältnis jedes Wicklungssegments entspricht, wobei jeder Eingang an einen Punkt der Wicklungssegmente gekoppelt ist; eine innere Dreiecksschaltung (20), wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs (11, 12, 13) in der inneren Dreiecksschaltung angeordnet ist, um wenigstens einen Zirkulationsweg für Triplen-Harmonische-Kurvenformen zwischen den Eingängen bereitzustellen; wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs (11, 12, 13) eine Schaltung zwischen wenigstens einem Eingang und der inneren Dreiecksschaltung (20) bildet; und eine zweite Seite mit mehreren Ausgängen (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109), wobei jeder Ausgang an einen Punkt der Wicklungssegmente gekoppelt ist; wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs (11, 12, 13) eine Schaltung zwischen jedem Eingang und jedem Ausgang bildet, wobei die Schaltung einen Spannungsvektor jedes Ausgangs um 40 elektrische Grad beabstandet.
Spartransformator (15) nach Anspruch 1, wobei: jeder Eingang (11, 12, 13) ferner wenigstens ein Wicklungssegment aufweist, das dazu angepasst ist, einen konstanten Spannungsvektor relativ zu einer Eingangsspannung zu erzeugen; und die innere Dreiecksschaltung (20) ferner wenigstens ein Wicklungssegment aufweist, das dazu angepasst ist, einen variablen Spannungsvektor relativ zu einer Eingangsspannung zu erzeugen.
Spartransformator (15) nach Anspruch 2, wobei der variable Spannungsvektor variiert werden kann, um rms-Ströme in der inneren Dreiecksschaltung (20) zu steuern, um eine Reduzierung von Oberschwingungen bereitzustellen, die in der inneren Dreiecksschaltung zirkuliert werden.
Spartransformator (15) nach Anspruch 1, wobei der Zirkulationsweg für Triplen-Harmonische-Kurvenformen zwischen den Eingängen (11, 12, 13) eine gesamte harmonische Verzerrung eines Spannungsvektors in wenigstens einem der Wicklungssegmente der inneren Dreiecksschaltung (20) erhöht.
Spartransformator (15) nach Anspruch 1, wobei der Zirkulationsweg für Triplen-Harmonische-Kurvenformen zwischen den Eingängen (11, 12, 13) eine gesamte harmonische Verzerrung eines Spannungsvektors in wenigstens einem der Wicklungssegmente senkt.
Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen von Oberschwingungen auf eine Eingangsphasenstromkurvenform mit Hilfe eines Spartransformators (15), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Koppeln von mehreren Eingängen (11, 12, 13) an einen Primärseiteneingang eines Spartransformators (15), wobei jeder Primärseiteneingang wenigstens sechs Wicklungssegmente (201, 210, 203, 213, 218C, 216C, oder 204, 211, 206, 214, 216A, 217A, oder 207, 212, 209, 215, 217B, 218B) aufweist, wobei jedes Segment einen Spannungsvektor erzeugt, der zu einem Wicklungsverhältnis jedes Wicklungssegments proportional ist; Koppeln jedes Eingangs (11, 12, 13) an eine innere Dreiecksschaltung (20) über wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs, um wenigstens einen Zirkulationsweg für Triplen-Harmonische-Kurvenformen zwischen den Eingängen bereitzustellen; wobei der Zirkulationsweg eine gesamte harmonische Verzerrung eines Spannungsvektors in wenigstens einem der Wicklungssegmente der inneren Dreiecksschaltung erhöht und eine gesamte harmonische Verzerrung eines Spannungsvektors in wenigstens einem der Eingangswicklungssegmente senkt; und Koppeln einer Last an eine Sekundärseite des Spartransformators, wobei die Sekundärseite mehrere Ausgänge (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) aufweist, wobei wenigstens ein Wicklungssegment jedes Eingangs eine Schaltung zwischen jedem Eingang (11, 12, 13) und jedem Ausgang bildet, wobei die Schaltung einen Spannungsvektor jedes Ausgangs um 40 elektrische Grad beabstandet.
Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen von Oberschwingungen auf eine Eingangsphasenstromkurvenform mit Hilfe eines Spartransformators (15) nach Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: Erzeugen eines konstanten Spannungsvektors relativ zu einer Eingangsspannung in wenigstens einem Wicklungssegment des Eingangs (11, 12, 13); und Erzeugen eines Spannungsvektors mit variablem Verhältnis relativ zu einer Eingangsspannung in wenigstens einem Wicklungssegment der inneren Dreiecksschaltung (20).
Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen von Oberschwingungen auf eine Eingangsphasenstromkurvenform mit Hilfe eines Spartransformators (15) nach Anspruch 7, das ferner Folgendes umfasst: Variieren des Spannungsvektors mit variablem Verhältnis, um rms-Ströme in der inneren Dreiecksschaltung (20) zu steuern, um eine Reduzierung der Oberschwingungen bereitzustellen, die in der inneren Dreiecksschaltung zirkuliert werden.
Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen von Oberschwingungen auf eine Eingangsphasenstromkurvenform mit Hilfe eines Spartransformators (15) nach Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Ausgangsspannungswerts, der niedriger als ein oder gleich einem Eingangsspannungswert ist.
Verfahren zum Minimieren der Auswirkungen von Oberschwingungen auf eine Eingangsphasenstromkurvenform mit Hilfe eines Spartransformators (15) nach Anspruch 6, das ferner Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Ausgangsspannungswerts, der höher ist als ein Eingangsspannungswert.