DE1438667A1 - Dreiphasen-Ferroresonanzvorrichtung - Google Patents

Description

DR. F. ZUM8TEIN - DR. E. ASSMANN - DR. R. KOENIQSBERQER PATENTANWÄLTE

TELEFON, 88847«

POSTSCHECKKONTO: MONOHEN 91189

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHKUSER

Hö>
2>

iö/Zw. '-/2/1

25 637

Yawata Iron. & Steel Company, Limited, Tokyo/Japan Dreiphasen-Perroresonanzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Dreiphasen-Ferroresonanzvorrichtung, bei der insbesondere Dreiphasen-Sättigungsdrosseln mit dreischenkeligem Kern in einem Teil der Schaltung verwen det werden, wobei gemäß der Erfindung die Querschnittsfläche eines Teils eines jeden Schenkels dieser Drosseln vom restlichen Teil verschieden ist.

Ein Ziel der Erfindung betrifft die Verbesserung der Leistungefähigkeit einer Dreiphaeen-JPerroresonanzvorrichtung.

Beispieleweise Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in der:

909812/0186

Fig. 1 in einer Ansicht eine Schaltung einer Dreiphasen-Ferroresonanzvorrichtung zeigt.

.Fig. 2 stellt in einer Ansicht einen Einphasen-Ferroresonanzkreis dar.

Fig. 3 bis 10 erläutern ein Prinzip, wonach die Wellenform des Ausgangs der Vorrichtung der Fig. 1 sinoidal ist.

Figo 11 zeigt in einer Skizze eine Parallel-Resonanz-Ferroresonanzvorrichtung, die ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Fig. 12 "bis 16 dienen zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig_e 11 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 17 zeigt schematisch eine Dreiphasen-Ferro-Resonanzvorrichtung mit Serienresonanz, die eine andere Ausführungsform der Erfindung darstellt.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Dreiphasen-i'erroresonanzvorrichtung dargestellt, wobei ein Kern für lineare Drosseln mit Wicklungen 2, 3 und 4 für die linearen Drosseln der Phasen R, S bzw. T versehen ißt und ein Kern 5 für sättigbare Drosseln, die Wicklungen 6,7 und 8 der sättigbaren Drosseln für die Phasen R, S und T enthält und Kondensatoren 9» 10 und .11 in Parallelresonanz zu den Wicklungen 6, 7 und 8 der. sättigbaren Drosseln geschaltet sind. Wenn an die Klemmen der

909812/0186 . ,, ,

Phasen H, S und T dieser Vorrichtung eine Dreiphasen-Wechselspannung gegeben wird und an den Klemmen ü, V und W Belastungen liegen, dann ändert sich die Klemmenspannung an der Belastung nicht merklich, selbst wenn die Speisespannung schwankt.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung kann im Prinzip als Kombination "von drei Einphasen-Perroresonanzkreisen aufgefaßt werden, wie einer in Pig. 2 dargestellt ist, wobei die Arbeitsweise der in Pig. 1 gezeigten Vorrichtung an der Einphasenschaltung der Pig. 2 erläutert werden kann·

Bei der in Pig« 2 gezeigten Schaltung ist 1 eine lineare Drossel, 2 eine Sättigungsdrossel, 3 ein Parallel-Resonanzkondensator, 4 eine Wechselstromspannungsquelle und 5 ,stellt die Belastung dar. Der Grund dafür, daß die Klemmenspannung an der Belastung bei dieser Schaltung im wesentlichen konstant und unabhängig von Schwankungen der Speisespannung ist, wird im folgenden Erklärt. Wenn die Speise-Spannung ansteigt, dann steigt auch die an der Sättigungsdrossel 2 liegende Spannung und der Erregerstrom der Sättigungsdrossel nimmt merklich zu. Es fließt also ein nacheilender Strom durch die lineare Drossel 1 und infolgedessen wird eine Spannung in der linearen Drossel 1 induziert. Infolgedessen wird die Spannung an den Klemmen V und S an der Belastungsseite praktisch konstant gehalten. Wenn die Speisespannung sinkt, dann nimmt der Erregeretrom der Sättigungs-2 ab. In der linearen Drossel 1 strömt daher ein

909812/0186

-A-

■voreilender Strom infolge des Kondensators, die Spannung steigt an und die Klemmenspannung an der Belastung wird praktisch konstant gehalten,, Die Klemmenspannung an der Belastung wird also unabhängig von der Speisespannung durch den Einphasen-Ierroresonanzkreis der Pigur 3 praktisch kon-' stant gehaltene Die Vorrichtung der Pig.» 1 entsteht durch Kombination von drei Kreisen, wie sie in Pig· 2 dargestellt sind, wobei diese Kreise auf der Seite der Ilemne Έ der Fig»2 zu einem schwimmenden Keutralpunkt zusammengefaßt sindo Dieser Heutralpunkt wird jedoch so genau auf dsm Potential des Heutralpunktes der Spannungsquelle gehalten, so daß es nicht erforderlich ist j diesen Meutralpitnkt mit dem Weutralpunkt der Spannungsquelle zu verbinden»

Die obigen Ausführungen dienten zur Erläuterung des Grundprinzips der Arbeitsweise der in Jig« 1 dargestellten Drei— phasen-Perroresonanzvorrichtung. Damit die Erfindung besser erläutert werden kann, werden die Welienformen des Stromes und der Spannung in den entsprechenden Seilen der Vorrichtung der Pig« 1 im folgenden näher erläuterte

Bekanntlich, wird bei einer Einphasen-Perroresonanzvorrichtung die Ausgangswellenform sehr stark verzerrt. Da auch die Vorrichtung der Pig. t eine Ferreresönanzvorrichtung ist, so besteht Gefahr, daß auch hier die Ausgangswellenform vexiserrt wird. Bei der in Pig» 1 gezeigten; Vorrichtung kann jedoch die Porm der Ausgangswelle praktisch verzerrungsfrei und sinus-

909812/0186

— Eiförmig sein, wenn gemäß der Erfindung verfahren wird, die Begründung hierfür wird später gegeben»

Die Form der Ausgangswelle der Einphasen-Ferroresonanzvorrichtung wird deshalb verzerrt, weil der Erregerstrom der Sättigungsdrossel SR höhere harmonische Komponenten enthält, die auf der nichtlinearen Magnetisierung des Kerns beruhen. Wenn die Wellenform des Erregerstromes der Sättigungsdrossel SR etwa sinusförmig gemacht werden kann, dann wird auch die I'orm der Ausgangswelle etwa sinusförmig» Bei der Breiphasen-Ferroresonanzvorriehtung der Figo 1 werden die Formen der Erregerströme der Sättigungsdrosseln 6, 7 und 8 aus folgendem Grund etwa sinusförmig.

Bei der folgenden Erläuterung wird auf die Figo 3 Bezug genommen, wobei in Fig. 3(a) drei unabhängige Sättigungsdrosseln L in die entsprechenden Phasen eingesetzt sind, und ihre Restindüktanzen während der Zeit der Sättigung sind mit Lo bezeichnet und als getrennte Induktanzen eingezeichnet, so daß die Zeichnung verständlicher wird. Es soll nun überlegt werden, welcher Erregerstrom fließt, wenn diese Sättigungsdrosseln im Stern geschaltet sind. Bei der in Fig» 3(a) dargestellten Schaltung fließt, wenn die Induktanz für eine Phase nicht gesättigt ist, praktisch kein Strom. Kur wenn die Induktanzen für zwei Phasen beide gesättigt sind, wie dies in Fig. 3(b) angedeutet ist, dann fließt ein starker Strom. Es existiert also immer eine Phase, durch die praktisch kein

909812/0186

Strom fließtο Die Erregerströme io, ig und i„ verlaufen also so, wie dies in den I¹Ig. 4(a), 4(b) und 4(o) dargestellt isto Wenn für die entsprechenden Induktanzen Sekundärwicklungen vorgesehen und im Dreieck geschaltet sind, wie dies in Figo 5 gezeigt ist, dann fließt ein Strom, auch wenn nur eine Phase der Drossel gesättigt- ist. Y/enn in der Drossel beispielsweise die Phase E. gesättigt ist, dann liegen die Verhältnisse der I¹Xg₀ 5("b)

vor und i_R = 1, i_g = ~ ■* und i™ = _o Die Erregerströme der

entsprechenden Phasen haben in diesem Jail einen Verlauf, wie er in den Figuren 6(a) bis 6(c) dargestellt ist«

Wenn daher eine richtig bemessene Serieninduktanz Ls in den Dreieckskreis der Sekundärwicklungen eingeschaltet wird,, wie dies in Figo 7 gezeigt ist, dann verläuft der Erregerstrom in jeder Phase praktisch sinusförmig zwischen der Wellenform, die bei der delta-Schaltung auftritt und derjenigen, wie sie auftritt, wenn keine solche Schaltung angewandt wird, wie dies in Fig« 8 gezeigt ist» In Praxis wird an Stelle der Sekundärwicklungen oder der Einschaltung von Serieninduktanzen in delta-Schaltung der in Fig„ 9 gezeigte dreischenkelige Kern verwendet« Die dreischenkelige Ausbildung entspricht der Ausführungsform der Fir. 5(a), jedoch tritt hier kein magnetische Streufluß φ^ 'auf, sondern der magnetische Fluß φα ist ebenso wie bei der Ausführungsform der Fig. 7.. Bei einer Konstruktion mit richtigem ^ hat der Erregerstrom einer jeden Phase praktisch Sinusform,

909812/0186 -

Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß die Wellenform des Erregerstromes der Sättigungsdrossel bei dreischenkeligem Kern, der eo konstruiert ist, daß kein magnetischer Streufluß auftritt, praktisch sinusförmig ist. Die obigen Ausführungen gelten jedoch nur dann, wenn die Phasenspannungen der Sättigungsdroeseln 6, 7 und 8 genau die gleiche Amplitude haben. Wenn die Dreiphasenapannungen vollständig ausgeglichen sind, dann können keine dritten Harmonischen im Erregerstrom einer jeden Phase fließen, weil die drei Phasen so vollständig ausgeglichen sind, daß dann, wenn die dritten Harmonischen in jeder Phase der Drossel fließen würden, alle am Neutralpunkt N in Phase wären und wenn eine Rtickleitung vom Neutralpunkt N zum Neutralpunkt der Spannungsquelle vorhanden wäre, dann wurden sie durch diese Rückleitung strömen, jedoch im vorliegenden Fall können diese dritten Harmonischen nicht auftreten, weil ein schwimmender Neutralpunkt N angewendet wird« Wenn jedoch nur die Phasenspannungen der drei Phasen hoch sind, dann könnte der dritte harmonische Strom i, fließen, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. In einem solchen Fall wäre die Wellenform des Erregerstromes einer jeden Phase nicht so sinusförmig, wie dies durch die gestrichelte Linie (als Mittellinie bezeichnet) in Fig« 8 angedeutet ist, sondern die dritten Harmonischen wären in der sinusförmigen !eile enthalten. Wenn der Erregerstrom verzerrt ist, dann erhält man eine noch größere Verzerrung in dem Spannungsabfall, der dadurch in der linearen Drossel verursacht wird. Die Klemmenspannung an der Belastung weicht also stark von der Sinusform ab. 909812/0186

Derartige* Nachteile werden gemäß der Erfis-dung beseitigt« Gemäß der Erfindung ist ein leil' eines jeden Schenkels des Kerns der dreischenkeligen Sättigungsdrossel in einer Dreiphasen-Perroresonanzvorriehtung, wie sie "beispielsweise in Pigβ 1 dargestellt ist, im Querschnitt kleiner ausgeführt, wie dies durch die schraffierten Seile der Pig. 11 angedeutet ist, und die Länge des im Querschnitt dünneren Teils und das Ausmaß der Verjüngung des Querschnitts sind so bemessen, daß die oben beschriebenen Störungen durch die dritten Harmonischen beseitigt werden«, Die Verringerung des Querschnitts in einem Teil des Sehenkelkerna, wie dies in Figo 11 gezeigt ist und die Beseitigung der dritten Harmonischen scheint zunächst nicht miteinander in Beziehung zu stehen* Eine solche Beziehung wird, jedoch durch die folgenden Ausführungen gezeigt« Wenn bei einer Dreiphasensättigungsdrossel mit dreischenkeligem Kern kein magnetischer Streifluß auftritt ₉ dann hat der Erregerstrom in jeder Halbwelle drei Gipfel, wie dies durch die ausgezeichnete Linie in Pig* 8 dargestellt 1st« Es liegt also der gleiche Fall vor wie bei den in Pig» 5 dargestellten, im Dreieck geschalteten Sekundärwicklungen. Obwohl die Fig. 5 bereits erläutert wurde, so soll die Arbeitsweise mit dreischenkeligem Kern aum besseren Verständnis der Erfindung nochmals erläutert werden_o Wenn ^er Kern der Drossel nur einer Phase, z.B. der Phase R der arei Phasen gesättigt ist, dann hat man die Verhältnisse der Pig. 12(a)j in der durch eine Schraffur angedeutet ist, daß.der Kern gesättigt ist. Der äquivalente Kreis entspricht in einem

9098 12/0186

solchen Pall der Pig· 12(b), wobei der Strom i„ der Phase R genau in zwei Hälften aufgeteilt wird, die durch die Phasen S und T strömen, weil, wenn genau die halben Ströme fließen, die Ampere-Windungen der Phasen S und T, die durch die Wicklungen der Drossel gegeben sind, gegeneinander aufgehoben werden, wie dies durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellt ist und es

wird kein Beitrag zur elektromotorischen Kraft durch den Strom geliefert· Bei Fig. 12(b) ist die Magnetisierung des Kerns

der Drossel der Phase R so im Zustand der Sättigung, wie dies dem Abschnitt zwischen den Punkten P und Q der Pig. 13 entspricht. Die Wicklungen der Drosseln der Phasen S und T sind in einem ungesättigten Zustand, wie er dem Abschnitt der Kurve zwischen den Punkten M und H der Pig. 13 entspricht.» Wenn jedoch die dritten Harmonischen durch die Wicklungen der Drosseln der Phasen S und T so strömen, daß sie in der gleichen Phase liegen, wie am Neutralpunkt N, dann werden Ampere-Wicklungen i,N durch einen Strom der dritten Harmonischen in einer Richtung erzeugt, in der der Magnetfluß durch den gesättigten Schenkel der Phase R strömt, wie dies durch den Pfeil in Pig. 12(a) gezeigt ist. Soweit es einen solchen Strom der dritten Harmonischen betrifft, sind die Drosseln der beiden iji Phasen S und T ebenso, wie im gesättigten Zustand im Abschnitt zwischen den Punkten P und Q der Pig. 13. Wenn daher nur eine der Drosseln der drei Phasen bezüglich der dritten Harmonischen immer gesättigt ist, dann ist die Drossel einer ^eden Phase genau so wie wenn nur eine Induktanz vorhanden wäre, die durch einen solchen» gesättig-

909812/0186

- ίο -

ten Zustand bestimmt wird, der 'dem Abschnitt der Kurve zwischen den Punkten P und Q der Pig. 13 entspricht. Wenn die dritte harmonische Komponente durch die Parallelresonanzschwingkreise strömt, die aus den Sättigungsdrosseln und den parallel-geschalteten Resonanzkondensatoren der Pig«. 1 bestehen, dann liegen Verhältnisse vor, wie sie in Pig» H gezeigt sind. Die Ströme der dritten Harmonischen in den Schwingkreisen der entsprechenden Phasen sollten alle die gleichen Phasen und Amplituden aufweisen, weil, wenn dies nicht der Pail ist, die Ampere-Windungen durch den Strom der dritten Harmonischen der Phase S und durch den Strom der Phase ! nicht gegeneinander aufgehoben werden, sondern einen Ausgleich untereinander zwischen den Phasen S und T suchen und diese Ausgleichswirkung läuft im Kreis, so daß sie zwischen den Phasen S und T, zwischen den Phasen T und R, zwischen den Phasen R und T, ...... je nach den Schenkeln die der Reihe nach gesättigt werden, zur Wirkung kommt _o Es soll daher nur eine Phase betrachtet werden, vergleiche Pig» 15> wobei M\j und Np die Windungszahlen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der Sättigungsdrossel darstellen,, i, ist eine Stromquelle der dritten Harmonischen» Eine Spannung e^ soll an beiden Enden der Quelle induziert werden» Z ist eine Impedanz der elektrischen Stromquelle. Ein Strom i soll durch die Impedanz Z fließen "und sieh in zwei Ströme i^ und i,, verzweigen. Wenn der Gradient zwischen den Punkten P und Q in Fig„ 13 mit k bezeichnet wird, dann beträgt die Änderung ψ des Magnetflusses für den Strom der dritten Harmonischen

i₁ - N₂I₂) ...*.,.. (1)

U38667

Wenn die dadurch in der Wicklung induzierte Spannung "betrachtet und das Kirohhoff»sehe Gesetz angewendet wird, dann erhält man

(N₁ + H₂) |f+ e_E-l i₂dt = 0 ... (2)

^iz =

i = I₁ + I₂ ...· (4)

Wenn durch symbolische Rechnung d nach dt durch S ersetzt wird und die Gleichung (1) injdie Gleichung (2) eingesetzt wird, dann erhält man

+ H₂)(N₂Si₁ - N₂Si₂) + e^ - -^ ig = 0 (5)

Ebeneο wird Gleichung (3) zu

(N₁Si₁ - ^H2^Si2^ + e, + iZ = 0 ........ (6)

Wenn die Gleichung (6) von der Gleichung (5) abgezogen wird, dann erhält man

kN₂ H₁Si₁ - N₂Si₂ -Jg ig - iZ = 0 ...... (7)

Wenn die Gleichung (4) darin eingesetzt wird,

kH₂ N₁Si₁ - N₂S(i -I₁) - Jg (i - I₁) - iZ « 0. ...(8)

Wenn die Ausdrücke für 1 auf die linke Seite gebracht werden und die Ausdrücke* für I₁ auf die rechte Seite der Formel, dann erhält man j äO 9812/0186

E) =

Damit man Verhältnisse erhält, bei denen kein Strom der dritten Harmonischen auf der Seite der Spannungsquelle oder durch die Impedanz fließt, kann i zu Null gemacht werden« In der Gleichung (9) hat man also

i = 0 (10)

und, damit man eine reguläre Lösung erhält

S = 3d» (11.)

wobei to = 2r|

γ= Frequenz der Speisespannung,

dann ergibt sich

9 N₁ /
Mf (1 + J-) C = -rlr £ (12)

Wenn ein konstanter Wert, der durch die Zahlen N₁ und Np der Windungen der Wicklungen und durch die Kapazität des Kondensators bestimmt wird, für die magnetische Leitfähigkeit k nach der Sättigung des Kerns angenommen wird, dann kann die dritte Harmonische nur im Schwingkreis strömen, ohne daß der Strom der dritten Harmonischen auf der Seite der elektrischen Spannungsquelle auftreten kann. Damit in einem solchen Fall die Gleichung (12) aufgestellt werden kann, selbst wenn eine unausgeglichenheit der Dreiphasenquelie verursacht wird, der Strom der dritten

909812/0186

Harmonischen nur im Schwingkreis fließen, nicht jedoch außerhalb dieses Schwingkreises. Der Erregerstrom der Dreiphasen-Sättigungsdrossel hat praktisch Sinusform. Die Wellenform an den Klemmen an der Belastungseeite der Dreiphasen-Perroresonanz· vorrichtung, wie sie in Pig. 1 dargestellt ist, ist daher praktisch sinusförmig.

Der Gradient des gesättigten Teils der Magnetisierungscharakteristik des Kerns der Sättigungsdrossel hat eine bemerkenswerte Beziehung zur Ausgangswellenform der Dreiphasen-Perroresonanzvorrichtung. Damit daher eine gute Dreiphasen-Perroresonanzvorrichtung konstruiert werden kann, muß der Gradient des gesättigten Teils der Magnetisierungscharakteristik des Kerns einen solchen Wert haben, wie er sich aus den Konstanten N₁, IT₂ ^und ° errechnet, die konstruktiv vorgegeben werden können. Gemäß der Erfindung kann diese Berechnung durchgeführt werden. Fig,11 zeigt eine Vorrichtung, mit der dies durchgeführt werden kann. Dies bedeutet, wenn ein Teil des Schenkels für eine Länge d dünner gemacht wird, dieeer dünnere Teil früher gesättigt wird als der verbleibende Teil des Schenkels. Wenn jedoch die Magnetisierung des Teiles d, die durch die Kurve 1 in flg. 16 dargestellt wird, nach Sättigung dieses Teils eine Magnetisierungsoharakteristik aufweist, die der Hagnetisierungscharakteristik des Spalts gleichwertig ist, dann wird eine weitere Änderung des Magnetflüsse· durch die gerade Linie 2 in fig. 16 dargestellt.

-H-

Eer Kern hat also offensichtlich derartige Magnetisierungscharakt er is tiken, wie sie durch die Kurve 3 dargestellt sind, die durch Kombination der Kurven 1 und 2 entsteht. Wenn die Länge d des dünneren Teils größer gemacht wird, dann wird die Neigung der geraden linie 2 in Fig. 16 geringer und die der Kurve 3 wird nach der Sättigung ebenfalls geringer. Im Gegensatz hierzu wird, wenn die Länge d kleiner gemacht wird, diese Neigung steiler. Wenn die Neigung der Kurve 3 in Figo 16 daher aus den Werten N- und Np und C berechnet wird und diese Länge d so gewählt wird, daß sie dieser Neigung entspricht, dann fließt kein Strom der dritten Harmonischen aus dem Schwingungskreis heraus und man erhält eine günstige Form der Ausgangswelle.

Es ergibt sich außerdem noch der Vorteil, daß der zu sättigende Teil kleiner wird, wodurch die Kernverluste abnehmen und der Wirkungsgrad beachtlich verbessert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher klein und wirtschaftlich.

Der oben beschriebene Grundsat« i»t in genau der gleichen Weise bei Oreiphasen-Ferroresonanzvorrichtungen anwendbar, die in Serienresonanz geschaltet Bind. Dies bedeutet, daß dann, wenn die Gleichung (12) aufgestellt ist, kein Strom der dritten Harmonischen in den Belaetungswiderstand 9 der Fig. 17 strömt.

909812/0106

Claims (1)

1. Patentanspruch

   Drtiphaitn-PerroreeonaniYorriohtune, toi der Dreiptaaeen-Efittigunuedroeeeln mit eine» dreieohenkeligon Kern In einen Teil der Schaltung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daS die Quersonnittefläche eines feile eines jeden Sehenkel· der Dreiechenkel-Dreiphmeen-iiättißungBdroßeGln. von der Queraohnitteflfiche dee restlichen Toils der Schenkel Toreohieden ist.

   9 0 9812/0186

   BAD