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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Regeln einer Lastspannung in Leistungsverteilungsstromkreisen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein System, das geeignet ist zur automatischen Anpassung einer Spannung, mit der mindestens eine Last von einem Leistungsverteilungsstromkreis beaufschlagt wird, indem sie ihren Wert gemäß den Abweichungen der Messwerte der elektrischen Signale besagter Last entweder verringert oder erhöht.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Regeln der Lastspannung in Leistungsübertragungs- und -verteilungsstromkreisen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In elektrischen Leistungsübertragungs- und verteilungsstromkreisen ist es unerlässlich, dass die Spannung die dem Nutzer zur Verfügung gestellt wird, konstant gehalten wird, um Störungen wie z. B. Fehlfunktionen und Beschädigungen an industriellen Anlagen, Haushaltsgeräten, elektronischen Geräten und Computern zu verhindern. Folglich werden bereits Geräte verwendet, mit denen die Spannung je nach Bedarf erhöht oder verringert werden kann. Aufgrund verschiedener Faktoren, wie z. B. Spannungsschwankungen, werden Spannungsregler und/oder -transformatoren verwendet, die mit Schaltern verbunden sind, die unter Last die Spannung automatisch regulieren können, ohne die Stromzufuhr zum Nutzer zu unterbrechen.
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Der Spannungsregler weist im Wesentlichen einen Transformator mit einer Spule auf, die Nebenschlüsse (Shunts) oder Abnehmer mit einem bestimmten Spulenverhältnis aufweist, der mit einem unter Last stehenden mechanischen Schalter verbunden ist. Normalerweise ist der mechanische Schalter auf der Innenseite eines Behälters angebracht, bestehend aus dem Transformator, welcher in Isolieröl (Mineralöl) untergetaucht ist. Daher sollte das Volumen des Behälters aufgrund der Notwendigkeit, das Schaltelement in seinem inneren Bereich anzubringen, überdimensioniert sein, was somit auch ein erhöhtes Volumen an Isolierflüssigkeit bedeutet.
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Einige Typen von Spannungsreglern weisen auch eine Drosselspule auf, die mit den Schaltkontakten verbunden ist, um den elektrischen Strom zu begrenzen und eine intermediäre Spannung zwischen zwei Positionen der erwähnten Abnehmer bzw. Anzapfungen herzustellen.
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Üblicherweise wird die Verbindungseinstellung der Anzapfungen zu einem mechanischen Schalter durch ein Steuersystem automatisch geschaltet, welches den Laststrom von einer elektronischen Schalttafel aus misst und den Antrieb des Schalters steuert, in Abhängigkeit von der Spannung der Last. Das Schalten zu einem Abnehmer durch das Kontrollsystem erfolgt mechanisch durch die Verschiebung der beweglichen Kontakte, die über die Oberfläche der festen Kontakte, die kreisförmig angebracht sind, gleiten, und vermeidet so die Unterbrechung des Erregerstroms. Die erwähnte Verschiebung zwischen den Anzapfungen benötigt einen elektrischen Motor und andere mechanische Teile, wie unter anderem Getriebe und Halterungen. Jeder Wechsel der Abnehmer verursacht einen Lichtbogen zwischen dem beweglichen Kontakt und dem festen Kontakt.
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Der erwähnte Lichtbogen entfernt Metallpartikel von den Kontakten, verursacht so deren Verschleiß und trägt zur Bildung von entflammbaren Gasen bei, welche das Isolieröl kontaminieren, dessen Isolationsfähigkeit senken und unter bestimmten Bedingung sogar zu einem Explosionsrisiko führt.
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Desweiteren gibt es Spannungsregler, die die Richtung des Stromflusses in den Anzapfungen verändern können, wobei sie ihre Polarität verändern und ermöglichen, dass die Einstellung die Spannung, die je nach Position der Abnehmer benötigt wird, angehoben oder abgesenkt wird, wobei jede Anzapfung einem bestimmten Spulenverhältnis entspricht und so gemäß der Polarität des Schaltung hinzugefügt oder herausgenommen wird.
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Da der Schalter jedoch mechanisch ist und über die Wicklungen des Transformators gedreht wird, besteht der Nachteil, dass zusätzlich zur bereits vorher erwähnten Erzeugung eines Lichtbogens bei jeder Änderung der Position, die Anpassung der Ausgangsspannung auf eine festgelegte und begrenzte Anzahl von Schaltungspositionen begrenzt werden muss.
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Dementsprechend sind die Schalter einem konstanten Verschleiß ausgesetzt und benötigen somit regelmäßige Wartungen, bei der diese gesäubert oder sogar ausgetauscht werden, was den Transport des Reglers an einen geeigneten Ort erforderlich macht und unerwünschte Kosten und Störungen verursacht. Dieser Transport trägt zur Erhöhung des Risikos eines Auslaufens des Isolierungsöls und einer möglichen Unfallsituation bei, wodurch Umwelt und Personen gefährdet werden können. Desweiteren erfordert der Transport Aufwendungen im Bereich Personal, Anlagen, Fahrzeuge, Treibstoff und anderer Gegenstände. Diese Aufwendungen werden über zusätzliche Steuern an die Abnehmer weitergegeben.
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Solche Gefahrensituationen sowie die hohen Aufwendungen, die mit der häufigen Wartung des Spannungsreglers verbunden sind, könnten gesenkt und/oder vermieden werden, wenn der mechanische Schalter durch ein System ersetzt wird, das die Ausgangsspannung erhöht oder absenkt ohne einen Lichtbogen zu erzeugen oder Isolieröl zu verwenden.
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Einige der oben aufgezeigten Probleme sind bereits von den nachfolgend aufgezeigten, im Stand der Technik beschriebenen Lösungen bekannt.
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Die
brasilianische Patentschrift PI 011005-0 beschreibt einen Schaltungstransformator der mit den Eingangsklemmen einer geregelten Spannungsquelle V
E verbunden ist. Besagter Transformator verfügt über ein variables Spulenverhältnis k, um so sekundär eine Spannung kV
E zu erzeugen. Dieses Spulenverhältnis wird durch eine Kontroll- und Steuerbefehlseinrichtung gesteuert, die auf der ausgehenden Spannung V
S des Spannungsadapters basiert. Die Spannung kV
E wird dann in einen zweiten Transformator gespeist, der ein festes Spulenverhältnis k' hat und in Serie mit der Adapterausgangsspannung verbunden ist. Der Transformator erzeugt sekundär eine Spannung k'kV
E, welche der Adapterspannung V
S zugeführt wird. Diese Anordnung ist nur bei einem Niederspannungsnetz anwendbar und benötigt zusätzlich mechanische Schalter, die den Nachteil haben, dass sie die Regulierung der Ausgangsspannung auf eine bestimmte Anzahl aktivierter Schalter begrenzen und bei jeder Betätigung der Schaltung immer noch Lichtbögen erzeugt werden.
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Das britische Dokument
UK 2324389 beschreibt einen Transformator, der sekundär in Serie mit einer gesteuerten Spannungsleitung verbunden ist, um die Spannung auf der Leitung zu erhöhen oder von ihr wegzunehmen. Der Primärkreis des Transformators ist mit einem Schaltungsnetzwerk verbunden, welches aus einem Transformator mit variablem Spulenverhältnis besteht und durch einen Regelkreis, der einen Mikroprozessor und 4-Relais enthält, gesteuert wird. Diese Anordnung umfasst auch geschlossene Relaiskontakte, die die Schwankung der Ausgangsspannung auf eine bestimmte Anzahl von aktivierten Kontakten begrenzen; außerdem werden bei der Betätigung der Schalter Lichtbögen erzeugt.
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Dementsprechend beschreiben die Dokumente des Standes der Technik keine vollständige und zufriedenstellende Lösung, um die existierenden Probleme, neben den offensichtlich gegebenen hohen Realisierungs- und Instandhaltungskosten, zu lösen.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine erste Aufgebe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zur Verfügung zu stellen, das automatisch eine elektrische Spannung regeln kann, welche einer Last bzw. einem Leistungsabnehmer zur Verfügung gestellt wird, bestehend aus einem elektrischen Leistungsverteilungsstromkreis, ohne dabei die Stromversorgung zur Last unterbrechen zu müssen und so die Wartung und die Auswechselungen, die von Systemen gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, zu reduzieren und zu vereinfachen und damit auch die Kosten und Risiken für Umwelt und Personen zu senken.
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Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Regeln einer elektrischen Spannung, die an eine Ladung (Charge) geliefert wird, die aus einem elektrischen Leistungsverteilungsstromkreise besteht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Systems zum Regeln einer Lastspannung in Leistungsverteilungsstromkreisen, das mindestens Folgendes enthält: einen Regeltransformator mit einer primären Wicklung und einer sekundären Wicklung, wobei die sekundäre Wicklung des Regeltransformators in Serie zwischen der Stromquelle und der Last angeordnet ist, dabei kann die Stromquelle der Last eine Versorgungsspannung liefern; eine Messvorrichtung, welche bestimmungsgemäß mit der Last verbunden ist, die Messvorrichtung kann wenigstens einen Wert eines elektrischen Signals der Last messen; eine Steuereinrichtung, die bestimmungsgemäß mit der Messvorrichtung verbunden ist, die Steuereinrichtung, die den Wert des elektrischen Signals der Last mit einem vorher festgelegten Referenzwert vergleichen kann und ein elektrisches Korrektursignal erzeugt; eine Betätigungsvorrichtung, die bestimmungsgemäß mit der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Betätigungsvorrichtung eine Ausgleichsspannung proportional zum elektrischen Korrektursignal zur Verfügung stellen kann, die Ausgleichsspannung ist dabei auf feste elektrische Anzapfungen der primären Wicklung des Regeltransformators anwendbar, die festen elektrischen Anzapfungen sind so konfiguriert, dass sie unbewegliche bleiben, wenn es eine Abweichung in der Ausgleichsspannung gibt, der Regeltransformator kann die Ausgleichsspannung, die auf der ersten Spule liegt, so transformieren, dass sie auf der zweiten Spule anliegt, die Regelspannung wird dabei in Modul und Phase zur Versorgungsspannung hinzugefügt.
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Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch die Bereitstellung eines Verfahrens, das folgende Schritte aufweist: i) Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die Last; ii) Messen von mindestens einem Wert eines elektrischen Signals der Last; iii) Abgleich zwischen mindestens einem Wert des elektrischen Signals der Last und einem im Schritt ii erhaltenen Referenzwert; iv) Berechnen und Zurverfügungstellung eines elektrischen Korrektursignals; v) Zurverfügungstellung einer Ausgleichsspannung von dem im Schritt iv erhaltenen elektrischen Korrektursignal; vi) Transformieren der im Schritt v erhaltenen Ausgleichsspannung in eine Regelspannung; vii) Hinzufügen in Modul und Phase der im Schritt iv erhaltenen Regelspannung zur Versorgungsspannung; und viii) Zurverfügungstellung der im Schritt vii erhaltenen Summe der Spannungen für die Last.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen nachfolgend näher beschrieben:
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1 zeigt eine schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zum Regeln einer Lastspannung in Leistungsverteilungsstromkreisen; und
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Regeln einer Lastspannung in Leistungsverteilungsstromkreisen.
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Detailliere Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zum Regeln der Spannung einer Last C in Leistungsverteilungsstromkreisen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Der Leistungsverteilungsstromkreis besteht vorzugsweise aus einem Stromkreis, der der Last C, z. B. Wohnhäuser, Haushalte, Gebäude, Eigentumswohnungen, Fabriken, Industrieanlagen sowie Kraftwerken und Umspannwerken, elektrische Energie zur Verfügung stellen kann. Deswegen ist das System zum Regeln der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auf Hochspannungsstromkreise wie beispielsweise solche mit 13800 V, 24200 V oder 34500 V anwendbar. Wahlweise kann das System auch bei Stromkreisen mit mittleren und/oder niedrigen Spannungen angewendet werden.
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Wie aus 1 ersichtlich weist das System mindestens eine Stromquelle F zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung VAL für die Last C auf.
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Die Last C ist mit einem Regeltransformator 2 verbunden, der eine primäre Wicklung und eine sekundäre Wicklung aufweist, welche bestimmungsgemäß in Serie zwischen der Stromquelle F und der Last C angebracht sind.
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Die Last C ist bestimmungsgemäß ebenfalls mit einer Messvorrichtung 5 verbunden, welche mindestens einen Wert eines elektrischen Signals der Last SCA messen kann.
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Die Messvorrichtung 5 besteht vorzugsweise aber nicht notwendigerweise aus einem Multimeter, welches das Spannungssignal der Last und/oder ein Stromsignal der Last messen kann.
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Die Spannungsmessvorrichtung 5 ist bestimmungsgemäß mit einer Steuervorrichtung 4 verbunden, welche den Wert des elektrischen Signals der Last SCA mit einem vorher festgelegten Referenzwert vergleichen kann. Dieser Referenzwert besteht aus einem Wert, der als exzellent betrachtet wird, proportional zu einem idealen Spannungswert, welcher wünschenswerterweise der Last C zugeführt werden sollte.
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Die Steuervorrichtung 4 kann ebenfalls ein korrektes elektrisches Signal SCO zur Verfügung stellen, welches eine Spannung oder ein elektrischer Strom sein kann, abhängig von der Art des angewandten Systems.
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Vorzugsweise kann die Steuervorrichtung 4 mindestens einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller enthält, welcher ein Computerprogramm ablaufen lassen kann, das die Bereitstellung eines elektrischen Korrektursignals SCO erzeugt. Das elektrische Korrektursignal SCO besteht aus einem digitalen und/oder analogen elektrischen Signal, das direkt durch einen Ausgangsanschluss des Mikroprozessors oder Mikrocontrollers oder durch einen mit dem erwähnten Ausgangsanschluss verbunden Filter (Stromkreiskomponente oder elektrische Komponente) bereitgestellt werden kann. Das Computerprogramm kann in einem externen Speicher abgespeichert werden, der mit dem Mikroprozessor oder Mikrokontroller verbunden ist, oder einem internen Speicher des Mikroprozessors oder Mikrocontrollers.
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Dementsprechend werden der Vergleich, die Berechnung und Bereitstellung des elektrischen Korrektursignals SCO durch einen Regelalgorithmus, der in dem Computerprogramm enthalten ist, ausgeführt.
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Desweiteren ist es auch möglich, einen erlaubten Toleranzwert (Fehler) festzulegen, wobei die Steuervorrichtung 4 so konfiguriert ist, dass sie das elektrische Korrektursignal SCO nur dann zur Verfügung stellt, wenn es eine Extrapolation des Wertes des elektrischen Signals der Last SCA gibt, wenn diese über die Begrenzungen, die durch diese Toleranz festgelegt ist, hinaus geht. Wahlweise kann die Steuervorrichtung 4 so konfiguriert werden, dass sie das elektrische Korrektursignal konstant zur Verfügung stellt, unabhängig von der Größenordnung des Unterschiedes zwischen dem elektrischen Signal der Last SCA und dem vorher festgelegten Referenzwert. Desweiteren können, falls notwendig, auch andere Parameter mit einbezogen werden.
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Offensichtlich können beide, der vorher festgelegte Referenzwerte und der Toleranzwert an die gewünschten und benötigten Anwendungen angepasst und geändert werden.
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Die Steuervorrichtung 4 umfasst außerdem eine Bedieneroberfläche zur Interaktion mit einem Anwender. Die Bedieneroberfläche verfügt über eine Visualisierungseinrichtung (z. B. LCD-Bildschirm) und Bedienknöpfe/schalter.
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Alternativ können in die Steuervorrichtung 4 auch integral analoge elektronische Komponenten und/oder integrierte Schaltungen (Chips) eingebaut sein, die bestimmungsgemäß untereinander verbunden sind, um diese mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller zu benutzen.
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Die Steuervorrichtung 4 ist bestimmungsgemäß mit einer Betätigungsvorrichtung 3 verbunden, die dem Regeltransformator 2 eine Ausgleichsspannung VAJ proportional zum elektrischen Korrektursignal SCI zur Verfügung stellt. Genauer gesagt, eine Ausgleichsspannung VAJ, die auf feste elektrische Anzapfungen der primären Wicklung des Regeltransformators 2 anwendbar ist. Diese Ausgleichspannung VAJ wird durch den Regeltransformator 2 in die Regelspannung VRE umgewandelt und auf die sekundäre Wicklung aufgebracht.
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Da die sekundäre Wicklung des Regeltransformators seriell zwischen der Stromquelle F und der Last C geschaltet ist, wird die Regelspannung VRE in Modul und Phase zur Versorgungsspannung VAL hinzugefügt, um so die Spannung, die der Last C zur Verfügung gestellt wird, nach den Erfordernissen, die sich aus den Anforderungen und Veränderungen des Leistungsverteilungsstromkreises ergeben, zu korrigieren oder anzupassen. Daher bleiben die festen elektrischen Anzapfungen unverändert, wenn es eine Abweichung in der Ausgleichsspannung VAJ gibt. Die Korrektur (Anpassung) der Spannung, die der Last C zur Verfügung gestellt wird, wird ausschließlich elektronisch durchgeführt, ohne jegliche Art von Bewegung mechanischer Teile zu beinhalten.
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Daher verwendet das System der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bisher bekannten Systemen, keine beweglichen mechanischen Kontakte, die Lichtbögen erzeugen, die den Verschleiß beschleunigen und häufige Wartungen notwendig machen.
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Desweiteren kommt das System der vorliegenden Erfindung ohne Isolieröl aus und vermeidet so das Risiko einer Kontaminierung der Umwelt, sowie von Feuer und Explosion aufgrund von Implementation, von Wartung und Transport, sofern erforderlich.
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Außerdem kommt das System der vorliegenden Erfindung ohne die Verwendung eines elektrischen Motors und anderer mechanischen Teilen aus, wie Getriebe, Halterungen u. a., was die Endkosten für die Realsierung und Wartung vereinfacht und reduziert.
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Desweiterein wird die Änderung der Ausgleichsspannung VRE kontinuierlich durchgeführt, ohne Spannungsspitzen, wobei feinere Spannungsanpassungen mit mehr Präzision durchgeführt werden können, wodurch die Leistung der Anlage optimiert und mit Energie effizient umgegangen wird.
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Ebenfalls ist es wichtig festzustellen, dass die Vorgänge des Messens, Vergleichens, Korrigierens/Anpassens, Transformierens (Wandelns), Hinzufügens und Verstärkens der korrigierten Spannung zur Last C vom System automatisch, aufgrund der Messungsabweichungen der Spannung oder Stroms der Last C, ohne jegliche Unterbrechung der Stromzufuhr, durchgeführt werden.
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Die Betätigungsvorrichtung 3 weist mindestens einen Stromkreislauf auf, der das elektrische Korrektursignal SCO verwalten kann, um die Ausgleichsspannung VAJ zur Verfügung zu stellen. Wie bereits vorher beschrieben, ist der Wert der Ausgleichspannung VAJ proportional zu dem Wert des elektrischen Korrektursignals SCO.
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Der interne Stromkreislauf hat beispielsweise mindestens einen Gleichstrom/Wechselstromwandler (AC/DC) und/oder Wechselstrom/Gleichstromwandler (DC/AC) und/oder Erweiterungskreise. Die Gleichstrom/Wechselstrom, Wechselstrom/Gleichstromwandler und die Erweiterungskreise sind aus dem Stand der Technik weitgehend bekannt und werden hier nicht weiter diskutiert.
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Daher kann die Spezifikation der Konfiguration der Betätigungsvorrichtung 3 variieren, je nach Bedarf und Notwendigkeit, und es ist somit nicht erforderlich, diesen Bereich des Schutzes der Erfindung näher zu erläutern.
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Die Betätigungsvorrichtung 3 wird, wie aus 1 zu ersehen ist, elektrisch durch einen Hilfstransformator 1 angetrieben. So kann der Hilfstransformator, der bestimmungsgemäß zwischen der Stromquelle F und der Betätigungsvorrichtung 3 angebracht ist, der Betätigungsvorrichtung 3 eine Hilfsspannung VAU zur Verfügung stellen.
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Der Hilfstransformator 1 besteht vorzugsweise aus einem Netztransformator. Der Transformator hat eine Hochspannungsseite (primäre Wicklung), die mit der Stromquelle F verbunden ist, und eine Niederspannungsseite, die mit der Betätigungsvorrichtung 3 verbunden ist.
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Somit ist es möglich, das Unfallrisiko beim Anschalten und/oder bei der Durchführung von Wartungsarbeiten an der Betätigungsvorrichtung 3, Steuervorrichtung 4 und an dem Regeltransformator 2 zu reduzieren, da die gesamte Steuerung der Zurverfügungstellung des Regelspannung VRE auf der Niederspannungsseite ausgeführt wird.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm der vom System der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schritte. Diese Schritte bilden/umfassen eine Verfahren zum Regeln der Spannung der Last C in Leistungsverteilungsstromkreisen.
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Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte:
- i) Bereitstellen einer Versorgungsspannung VAL für die Last C;
- ii) Messen mindestens eines Wertes eines elektrischen Signals der Last SCA;
- iii) Vergleich zwischen mindestens einem Wert des im Schritt ii erhaltenen elektrischen Signals der Last SCA mit einem vorher festgelegten Referenzwert;
- iv) Berechnen und Zurverfügungstellung eines elektrischen Korrektursignals SCO, vorzugsweise, falls das Ergebnis des Vergleichs gemäß Schritt iii nicht in der vorher festgelegten Toleranz liegt;
- v) Zurverfügungstellung einer Ausgleichsspannung VAJ vom im Schritt vi erhaltenen elektrischen Korrektursignal VRE;
- vi) Transformieren der im Schritt v erhaltenen Ausgleichsspannung VAJ in eine Regelspannung VRE;
- vii) Hinzufügen der im Schritt iv erhaltenen Regelspannung VRE zu der Versorgungsspannung VAL in Modul und Phase; und
- viii) Zurverfügungstellung der im Schritt vii erhaltenen Summe der Spannungen für die Last C.
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Im oben beschriebenen Schritt iii ist es möglich, einen Vergleich anzustellen, z. B. durch die Berechnung der Differenz in Modul und Phase zwischen dem elektrischen Signal der Last SCA und dem vorher festgelegten Referenzwert.
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Da ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, sollte verständlich sein, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung auch andere mögliche Variationen umfasst und nur durch den Inhalt der Ansprüche beschränkt wird, mögliche Äquivalente sind dagegen eingeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- BR 011005-0 [0013]
- UK 2324389 [0014]
