DE2155903B2

DE2155903B2 - Anordnung zur Beseitigung der Unsymmetrie oder Instabilität einer Mehr-

Info

Publication number: DE2155903B2
Application number: DE19712155903
Authority: DE
Inventors: Kazuo Honda; Takeo Maeda; Yasuo Matsuda; Norikazu Miyasita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-11-11
Filing date: 1971-11-10
Publication date: 1975-03-13
Also published as: DE2155903A1; DE2155903C3; JPS5114132B1; GB1369448A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Beseitigung der Unsymmetrie oder Instabilität einer Spannung mit mehreren mit den Phasenspannungen einer Mehrphasenwechselstromquelle verbundenen Primärwicklungen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Phasen ist, mit mehreren Sekundärwicklungen, deren Anzahl pro Phase gleich der Anzahl der Phasen ist, und mit einem Kern zur magnetischen Kopplung der Sekundärwicklungen mit den Primärwicklungen.

Bei einer Mehrphasenwechselstromquelle, deren Spannung durch die Rückkopplung der Ausgangsapannung geregelt wird, muß der Steuerkreis der Stromquelle schnell auf die Rückkopplungsspannung ansprechen, um rasch eine unerwünschte Änderung der Ausgangsspannung zu unterdrücken, die auf augenblicklichen Schwankungen der Spannung der Mehrphasenwechselstromquelle und den zugeordneten Lasten oder Verbrauchern beruht. Damit der ^λ Steuerkreis in der Stromquelle schnell auf die Rückkopplungsspannung ansprechen kann, sollte der Rückkopplungskreis, in dem die Ausgangsspannung Für die Rückkopplung zur Stromquelle durch ein Filter gleichgerichtet wird, eine kleine Zeitkonstante und einen großen Verstärkungsfaktor haben.

Bei einer Dreiphasenwechselstromquelle treten zwei Arten der Welligkeit auf, wenn eine Unsymmetrie im Dreiphasenausgang vorhanden ist. Sie entstehen beispielsweise dann, wenn eine unsymmetrische Last und so ein unsymmetrischer Ausgang zur Rückkopp lung der Stromquelle angelegt und gleichgerichte wird. Eine Art der Welligkeit wird im Laufe de Gleichrichtung des Dreiphasenwechselstroms erzeug und hat eine Frequenz von 2-3/ = 6/, wobei j die Frequenz der Wechselspannung ist, während di andere Art der Welligkeit infolge der Unsymmetri im Dreiphasenausgang auftritt und eine Frequen von \ -6J =2/ besitzt, wobei angenommen wird daß eine der drei Phasen gestört ist. Die im Zug der Gleichrichtung erzeugte Welligkeit der Fre quenzo/ kann im wesentlichen durch ein Filte im Rückkopplungskreis mit kleiner Zeitkonstanti entfernt werden, da die Periodendauer dieser Wellig keit relativ kurz ist. Dagegen kann die durch di Unsymmetrie in der Ausgangsspannung erzeugt Welligkeit der Frequenz 2/ nicht durch das Filte im Rückkopplungskreis mit kleiner Zeitkonstanti entfernt werden, da die Periodendauer dieser Wellig keit ziemlich lang ist.

Wenn ein schnelles Ansprechen erreicht werder soll, indem die Zeitkonstante des Rückkopplungs kreises der Spannung klein und dessen Verstärkungs faktor groß gemacht wird, dann kann das Filter in Rückkopplungskreis die durch den unsj mmeirischer Ausgang erzeugte Welligkeit der Frequenz 2/ nich entfernen Diese Welligkeit beeinflußt ihrerseits un günstig die Funktion des Steuerkreises in der Strom quelle; die Schwankung d-r Ausgangsspannung dei Stromquelle wird groß. Dieses Problem kann aucl bei einer unsymmetrischen Stromquelle dann gelös werden, wenn eine abgeglichene Ausgangsspannunj erzeugt und der Einfluß der durch die Unsymmetri« erzeugten Welligkeit der Frequenz 2/ verhinder wird. Zur Erzeugung einer abgeglichenen Ausgangs spannung können bekannte Vorrichtungen verwende werden (vgl. US-PS 22 10 805 und 24 88 628). In diesen Fall ist es jedoch erforderlich, den Anschluß der Se kundärwicklungen und deren Wicklungsverhältnii so vorzusehen, daß die Unsymmetrie der Ausgangs spannung der Stromquelle in jeder Phase gleich auf tritt.

Im einzelnen ist eine mit einer Transduktorsteue rung versehene, jedoch durch zyklische Verteilung von Phasenwicklungen auf alle drei Phasen eine Sta bilität und Symmetrie anstrebende Schaltung bekann (US-PS 22 10805), die jedoch keine Sekundärwick lungen aufweist. Diese Schaltung soll den Einflul von unsymmetrischen Wechselströmen auf eine Gleich strom-Steuerwicklung verhindern, die die Wechsel Stromstärke durch Veränderung der Impedanzen dei Wechselstromwicklungen steuert. Bei einem erster Ausfuhrungsbeispiel ist eine Drosselspule vorgesehen bei der für jede Phase zwei Wechsektromwicklunger in Serie geschaltet und zueinander entgegengesetz gewickelt sind, so daß die Wechselströme nicht di< Gleichstromwicklung beeinflussen. Diese Wechsel Stromwicklungen haben ein Wicklungsverhältnis vor 1 :1, so daß der Mittelwert der durch beide Phaser fließenden Ströme ausgeglichen wird. Bei einen zweiten Ausiuhrungsbeispiel ist eine Dreiphasendros sei mit einem Kern mit vier Schenkeln vorgesehen wobei drei Wechselstromwicklungen Tür die dre Phasen um einen mittleren Schenkel gewickelt sind so daß eine Gleichstromwicklung auf dem mittlerer Schenkel nicht durch die Wechselströme beeinfluß wird.

mn ist auch die eingangs beschriebene Anrfnunc bekannt (US-PS 2488628), bei der die Särwicklungen in Sternschaltung und die Sekun- «rwteklungen in Dreieck- und Zickzackschaltung nreesehen sind. Bei dieser Anordnung besteht daher •ht nur eine Phasenverschiebung \on 30° zwischen Γ7 primärspannung und der Sekundärspannung, ändern auch ein stabiler neutraler Punkt. Weiterhin A die Wicklungen magnetisch mit einem Kern

⁶⁶Rs^iSt daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hei einer Anordnung der eingangs genannten Art eine Unsymmetrie in der Ausgangsspannung einer Mehrphasenwechselstromquelle dadurch zu vermeiden daß die Unsymmetrie in der Ausgangsspannung der Stromquelle in jeder Phase gleich auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Sekundärwicklungen auf dem Kern so 'geordnet sind, daß jeweils eine ersle Sekundärwicklung einer Phase mit je einer der übrigen Se- «, kundärwicklungen der jeweils anderen Phasen in Reihe geschaltet ist, und daß die Windungszahl der jeweils ersten Sekundärwicklung mit denen der jeweils übrigen Sekundärwicklungen ein Verhältnis von 1 · „ η bildet, wobei π ganzzahlig ist.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die Sekundärwicklungen mit einem Wicklungsverhältnis von 1 : η η in Serie geschaltet, so daß dadurch auf einfache Weise eine Unsymmetrie vermieden werden kann Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet somit seh, vor-

^Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

ρ _ig 1 eine erfindungsgemaße Anordnung zur Beseitigung der Unsymmetrie der Spannung.

Fig 2a und 2b Vektordiagramme Tür die bei der Anordnuue der Fig. 1 auftretenden Spannungen,

F i g 3 eine graphische Darstellung der Eingangs-Ausgangs-Charakteristiken der Anordnung gemäß

Fig. 1 und *°

Fig 4a und 4b schematische Diagramme fur andere Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung.

Fig I zeigt eine mögliche Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung am Beispiel eines Fühlers der zur Beseitigung der Unsymmetrie der Soannung in einem Spannungsregelkreis geeignet ist Die Kerne Fl, F2 und F3 sind jeweils für eine Phase A eine Phase B und eine Phase C vorgesehen. Auf diesen Kernen Fl, F2 und F3 befinden sich drei Primärwicklungen Al, Bl und C1, an die jeweils die ₅c den Phasen A, B und C entsprechenden Spannungen angelegt sind. Um den Kern Fl sind mehrere Sekundärwicklungen A2, z43 und A4 gewickelt, die mit der Primärwicklung Al für die Phase A magnetisch gekoppelt sind. Um den Kern F2 sind weiterhin mehrere Sekundärwicklungen B2, B3 und ß4 gewickelt, die für die Phase B mit der Primärwicklung ß 1 magnetisch gekoppelt sind. Auf gleiche Weise sind auch mehrere Wicklungen Cl, C3 und C4um den Kern f gewickelt, die mit der Primärwicklung C1 fur die Phase C magnetisch gekoppelt sind.

Eine Ausgangswicklung AA umfaßt die Serienverbindung von drei Sekundärwicklungen Al ß3 und CA in aer der Anschluß2 der Sekundärwicklung Al mit dem Anschluß 3 der Sekundärwicklung ß3 und der Anschluß 4 der Sekundärwicklung B3 mit dem Anschluß 5 der Sekundärwicklung C4 verbunden ist. Eine andere Ausgangswicklung ßß umfaßt die Serienverbindung der drei Sekundärwicklungen B2, C3 und /44, in der der Anschluß 2 der Sekundärwicklung ß2 mit dem Anschluß 3 der Sekundärwicklung C 3 und der Anschluß 4 der Sekundärwicklung C 3 mit dem Anschluß 5 der Sekundärwicklung ,44 verbunden ist. Auf ähnliche Weise umfaßt eine andere Ausgangswicklung CC die Serienverbindung der drei Sekundärwicklungen CX A3 und B4, wobei der Anschluß 2 der Sekundärwicklung C2 mit dein Anschluß 3 der Sekundärwicklung A3 und der Anschluß 4 der Sekundärwicklung/43 mit dem Anschluß 5 der Sekundärwicklung B4 verbunden ist. Die Wicklungsverhältnisse dieser Primär- und Sekundärwicklungen betragen: Al: Al =1:1, B1:B2=1:1, C1:C2 = 1 :1, Al./43:/44= 1 :2:2, B2.B3: B4 = 1 : 2:2 und C2: C3: C4 = 1:2:2. Das Symbol ».« oder Punkt bezeichnet die positive Polarität der induzierten Spannung.

Wenn die dargestellte Anordnung von einer Stromquelle mit einer symmetrischen Dreiphasenspannung gespeist wird, dann sind die an den Ausgangswicklungen AA, BB und CC auftretenden Spannungen, wie in F i g. 2a dargestellt, jeweils gleich. Dies ist in Fig.2a durch die VektorenÜA~A~, UEB und OCC angedeutet. In Fig.2a stellen die Vektoren OA. UB und ÖT die jeweils an die Primärwicklungen A1. ß 1, C1 (F i &\) angelegten Spannungen dar. Die Vektoren Oa₂, c₂a₃, c₃a₄, Ob₂, a₂bj, a₃b₄, Oc₂. b₂c₃ und b₃t ₄ stellen die in den jeweiligen Wicklungen A 2. /43. A4, BX B3, B4, C2, C3. C4 (Fig. 1) induzierten Spannungen dar. Die Vektoren OAA, OBB und OCC veranschaulichen die an den jeweiligen Ausgangswicklungen AA, BB. CC (Fig. 1) auftretenden Spannungen.

Es soll nun angenommen werden, daß von der Stromquelle eine unsymmetrische Dreiphasenspannung eingespeist wird. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die an die Primärwicklung A I für die Phase A angelegte Spannung um einen Faktor Z kleiner ist als die an die Primärwicklungen B1 und Cl für die Phasen ß und C angelegten Spannungen Dann ist die in der Sekundärwicklung A 2 induzierte Spannung gegeben durch (1 -Z)V (wobei V der Normalspannungswert ist; dieser wird im folgenden vernachlässigt, da er für alle Fälle gleich ist), während die in den Sekundärwicklungen A3 und .44 induzierten Spannungen 2 (1 -Z) betragen. Durch die in F i g. 1 dargestellte Verbindung der Sekundärwicklungen treten an den Ausgangswicklungen .4.4. ßß und CC die durch die Vektoren in Fig. 2 b dargestellten Spannungen auf. In Fig. 2b stellen entsprechende Symbole wie in Fig. 2a die zwischen den Spannungen und Vektoren bestehenden Beziehungen dar.

In Fig. 2b ist die an der Ausgangswicklung AA auftretende Spannung durch einen Vektor OAA dargestellt. Dieser hat den Wert von 3 ^_Z. Dies ist die Summe aus dem durch den Vektor Ou₂ dargestellten Spannungswert 1 - Z. dem Spannungswert 2 cos ⁷ = 1, der durch den in Richtung des Vektors Ou₂

^I, d

liegenden Anteil des Vektors a₂b₃ gebildet wird, und _aus J_n Sp_annuni>swert 2cos V= K der durch den in Richtung des Vektors Oa₂ liegenden Anteil des Vektors/>₃c₄ gebildet wird. Die an der Ausgangswicklung ßß auftretende Spannung ist gleich der an der Ausgangswicklung CC auftretenden Spannung.

Die an der Ausgangswicklung CC auftretende Spannung ist durch den Vektor OCC dargestellt und hat den Wert /9 - 6Z + 4 Z². Dieser Wert kann, wie unten beschrieben, ermittelt werden: In X-Richtung

hat der Vektor OCC einen Anteil vony(3 — 4Z).

Dies ist die Summe aus dem Spannungswert sin-?-=y, der durch den X-Anteil des Vektors Uc₂ gebildet wird, und aus dem Spannungswert (1 - 2Z), der durch die Differenz des Spannungswerts 2 sin ^ = 1, der

durch den X-Anteil des Vektors a,/>₄ gebildet wird, und des Spannungswerts 2(1 - Z). der durch den Vektor c₂a₃ gebildet wird, dargestellt ist. Auf der anderen Seite beträgt der V-Anteil des Vektors OCC

2 |/X Dies ist die Summe aus dem Spannungswert

COS-T = ^r-, dargestellt durch den V-Anteil des Vek oj. to

tors UF₂, und dem Spannungswert 2 cos ~ = 3. dargestellt durch den V-Anteil des Vektors αφ_Α. Das Quadrat des Spannungswerts ^ (3 - 4Z), dargestellt

durch den X-Anteil des Vektors OCC, ist( | - 2z) =( χ — 6 Z + 4 Z²V während das Quadrat des Spannungswerts j fä, dargestellt durch den Y-Anteil des Vektors OCC, ( j-) = ^ beträgt. Aus der Quadratwurzel dieser Spannungswerte ergibt sich dann der Spannungswert j 9 - 6 Z + 4 Z² für den Vektor OCC. Es soll beispielsweise angenommen werden, daß die Verringerungsrate Z der an die Primärwicklung A1 für die Phase A angelegten Spannung 10% oder 0,1 beträgt, dann ist die an der Ausgangswicklung AA auftretende Spannung gegeben durch

3 - Z = 3 - 0,1 = 2,9.

In diesem Fall beträgt die an der Ausgangswicklung CC auftretende Spannung

1/9"6ZT^iZ² = \^r9 -~Ö76T0Ö4 * 2.905. und das Fehlerverhältnis ist gegeben durch 2,905 - 2,9

hat die an der Ausgangswicklung AA auftretende Spannung den Wert 3 - Z = 3 - 0,3 = 2,7. In diesem Fall beträgt die an der Ausgangswicklung CC auftretende Spannung

|/9 - 6Z + 4Z² = /9"- 1,8 + 0,36 ss 2,767,
und das Fehlerverhältnis ist gegeben durch

2,767 - 2,7
2,7

= 0,025.

2.9

= 0.0017

Aus dem in Fig.2b dargestellten Vektordiagramm ergibt sich sofort daß die an der Ausgangswicklung BB auftretende Spannung gleich ist der an der Ausgangswicklung CC aultretenden Spannung. Wenn die Ver- _Η ringerungsrate Z der an die Primärwicklung 41 angelegten Spannung 20% oder 0.2 beträgt, dann hat die Spannung an der Ausgangswicklung AA den Wert 3 - Z = 3 - 0.2 - 2.8. In diesem Fall beträgt die Ist-Spannung an der Ausgangswicklung CC

I 9 - 6Z~+ 4Z^J = \9 - 1,2 + (M(S * 2.821. und das Fehlerverhältnis ist gegeben durch

2.821 2.8

2.8

= 0.0075

Wenn die an die Primärwicklung A 1 Tür die Phase A angelegte Spannung um W_t verringert ist. dann F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Eingangs-Ausgangs-Charakterisliken des Fühlers (Fig. 1), wenn die an die Primärwicklung A1 für die Phase A angelegte Spannung in einem Bereich zwischen 0 und 30% verringert wird. Die Kurve α stellt das Fehlerverhältnis zwischen den an den Fühler angelegten Eingangsspannungen dar, während die Kurve [I das Fehlerverhältnis zwischen den vom Fühler gelieferten Ausgangsspannungen zeigt.

Der oben in seiner Konstruktion und Wirkungsweise beschriebene Fühler für die Ausgangsspannung wird dazu benutzt, um den Ausgang der Dreiphasenwechselstromquelle zu erfassen. Wenn eine Unsymmetrie am Dreiphasenausgang der Stromquelle auftritt, wird diese durch den Fühler auf ein Minimum reduziert. Die Wicklungszahlen der Sekundärwicklungen des Fühlers stehen im Verhältnis von

A2.A3.A4 - B2:B3:B4 - C2:C3:C4= 1:2:2

aus den folgenden Gründen: Es soll beispielsweise angenommen werden, daß die an die Primärwicklung .4 1 für die Phase A angelegte Spannung um den in F i g. 2 b dargestellten Betrag verringert ist. In diesem Fall werden die Vektoren Oa₂, c₂a₃ und c₃a_A kleiner als die entsprechenden Vektoren der anderen Phasen. Während die Größe des Vektors Oa₂, der einen Teil des Vektors OAA bildet, die gleiche bleibt, wird die Größe der Komponenten der Vektoren c₂a_y und C^. die einen Teil der Vektoren OCC und OBB

bilden, um einen Faktor cos ^ = ^ der Ursprünglichen Größe verringert Es ist deshalb notwendig, daß die Vektoren cyT₃ und c₃a^ etwa zweimal so groß sind wie der Vektor Ua₂. damit die unsymmetrischen Spannuiigskomponenten von etwa derselben Größe als Teile der Vektoren OA A. ÜBE und DTT erscheinen können.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß die durch den Fühler erfalken Spannungen der drei Phasen einander im wesentlichen gleich sind und daß am Ausgang eines Rückkopphmgskreises mit einem Gleichrichter eine Welligkeit der Frequenz 2 / mit einer langen Periodendauer nicht auftritt. Deshalb kann im Rückkopplungskreis ein Filter mit einer kleinen Zeitkonstanten \erwendet werden, damit die Welligkeit der Frequence/ entfernt wird, welche durch die Gleichrichtung auftritt und eine relativ kurze Periodendauer hat. Folglich ist die an die Dreiphasenwechselstromquelle angelegte Rückkopplungsspannung im wesentlichen frei von unerwünschten Welligkeiten, und «he Möglichkeit einer unerwünschten Instabilität ist im wesentlichen ausgeschlossen Da weiterhin das Filter zur Entfernung der Welligkeit der Frequenz 6 f eine kleine /eitkonstanie hat. kann die Dreiphasenwechselstromquelle schnell auf eine Änderung der Ausganpsspanmini! ansprechen Die Λ jsbildungsform des I ühlcrs

ist nicht auf die in F i g. 1 dargestellte Anordnung beschränkt.

Die Fig.4a und 4b zeigen andere Ausbildungsformen der vorliegenden Erfindung. Diese entsprechen im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Anord- 'S nung. Die in Fig.4a dargestellte Ausbildungsform weist einen Kern F mit drei Schenkeln auf, während in Fig.4b ein Kern mit drei Schenkeln F₁', F₂', Fj und einem freien Schenkel FF dargestellt ist.

Bei der Anordnung nach Fig.4a mit einem t« Kern F mit drei Schenkeln schneiden sich die den jeweiligen Phasen zugeordneten magnetischen Flußlinien gegenseitig. Dadurch wird die Unsymmetrie der Spannung weniger verringert. Aber der Kern F ist klein und hat verglichen mit den drei Kernen Fl,

VJ!

Fl und F3 für die jeweiligen Phasen (Fig. 1) ein geringes Gewicht.

Bei der in Fig.4b dargestellten Anordnung mit einem Kern mit drei Schenkeln und einem freien Schenkel ist der Kern etwas größer als bei der in Fig.4a dargestellten Anordnung mit einem Kern F mit drei Schenkeln. Da sich aber die den jeweiligen Phasen entsprechenden magnetischen Flußlinien weniger schneiden als bei der Anordnung gemäß Fig.4a, wird die Unsymmetrie der Spannung in einem erhöhten Maße verringert.

Die Erfindung wurde am Beispiel einer Dreiphasenwechselstromquelle erläutert. Sie kann in gleich vorteilhafter Weise auch bei jeder Mehrphasenwechselstromquelle verwendet werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 509 51U

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Beseitigung der Unsymmetrie oder Instabilität einer Spannung mit mehreren •lit den Phasenspannungen einer Mehrphasenwechselstromquelle verbundenen Primärwicklungen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Phasen «t, mit mehreren Sekundärwicklungen, deren Anzahl pro Phase gleich der Anzahl der Phasen IBt, und mit einem Kern zur magnetischen Kopplung der Sekundärwicklungen mit den Primärwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (/42, A3, A4; BX *3, B4; CX C3, C4) auf dem Kern so angeordnet «nd, daß jeweils eine erste Sekundärwicklung {AX BX Cl) einer Phase (/4, B, C) mit je einer der ftbrigen Sekundärwicklungen der jeweils anderen Phasen in Reihe geschaltet ist, und daß die Windungszahl der jeweils ersten Sekundärwicklung » mit denen der jeweils übrigen Sekundärwicklungen ein Verhältnis von 1 :«: η bildet, wobei π ganzzahlig ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern so ausgebildet ist, daß für jede Phase zumindest ein unabhängiger magnetischer Weg besteht (Fig. 1).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (F) mehrere Schenkel umfaßt, die den jeweiligen Phasen zugeordnet sind (F ig. 4a).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mehrere Jen jeweiligen Phasen zugeordnete Schenkel (F₁', F₁, Fj) und zumindest einen freien Schenkel (FF) umfaßt (F ig.4b).