DE2607883A1

DE2607883A1 - Vorschaltdrossel zur steuerung der energieversorgung einer instabilen elektrischen last

Info

Publication number: DE2607883A1
Application number: DE19762607883
Authority: DE
Inventors: George William New
Original assignee: Tioxide Group Ltd
Current assignee: Tioxide Group Ltd
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1976-02-26
Publication date: 1976-09-09
Also published as: FR2302580B1; US4158123A; ES445625A1; ZA76740B; GB1470902A; FR2302580A1; JPS51110663A; CA1052875A; AU1079976A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

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TIOXIDE GROUP LIMITED 1o Stratton Street
London W1A 4XP

Vorschaltdrossel zur Steuerung der Energieversorgung einer instabilen elektrischen Last

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorschaltdrosseln, die sich für die Steuerung der Energieversorgung für eine instabile elektrische Last eignen.

Vorschaltdrosseln eignen sich insbesondere für die Steuerung der Energie- oder Leistungszufuhr solch einer instabilen elektrischen Last, z.B. derjenigen, die ein kontinuierlich arbeitender Lichtbogen benötigt, da die Antwort oder Reaktion der Vorschaltdrossel bei der ReStabilisierung der Energiezufuhr nach einer zufälligen Veränderung der Last, beispielsweise des Widerstands des Lichtbogens, extrem schnell ist. Dabei wird die Reaktionsgeschwindigkeit mitzunehmender Anzahl der Phasen der Energieversorgung, beispielsweise von drei auf sechs, noch weiter erhöht. Gegenwärtig

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zur Verfügung stehende Vorschaltdrosseln besitzen jedoch verschiedene Nachteile. Sie sind beispielsweise übermäßig schwere und voluminöse Teile der Anordnung, da sie mit großen Ölmengen (als Kühlmittel) zusammen mit dieses enthaltenden Behältern (einschl. eines Puffertanks), Radiatoren (zum Kühlen des Öls) und einer Vorrichtung zur Explosionserfassung und Lüftung gekoppelt sind. Eine für die Steuerung einer Energieversorgung in der Größenordnung von etwa 4ooo kVA geeignete gegenwärtig zur Verfügung stehende Vorschaltdrossel kann daher 60 Tonnen wiegen. Wie oben angegeben, wird dieses Gewicht grundsätzlich von der Notwendigkeit einer äußeren Kühlung der Spulen der Drossel mittels eines speziellen Öls bestimmt, und zwar insbesondere durch das für eine angemessene Kühlung erforderliche große Ölvolumen und die mit dem öl verbundenen Einrichtungen. Dadurch, daß die Spulen von Öl umgeben sind, kann man außerdem erst an die Spulen herankommen, nachdem das Öl entfernt, d.h. abgelassen wurde. Es ergibt sich, daß das große Gewicht einer Vorschaltdrossel für die Steuerung einer großen Leistung es in vielen Fällen verhindern kann, die Drossel neben der zu versorgenden elektrischen Last anzuordnen, was unter wesentlicher finanzieller Einbuße zur Verwendung teurer Spezialkabel zwischen der Drossel und der zu versorgenden Last führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorschaltdrossel zu schaffen, bei der wenigstens einige der erwähnten Nachteile verringert werden.

Diese Aufgabe wird ,erfindungsgemäß durch eine llehrphasenvorschaltdrossel zur Steuerung der Energieversorgung einer instabilen elektrischen Last gelöst, die eine Anzahl untereinander verbundener Spulen aufweist, welche luftgefüllte Kerne umgeben und von denen jede Spule aus einer Anzahl von Teilspulen gebildet ist, jede Teilspule aus einer Vielzahl seitlich im Abstand befindlicher ebener Spiralen besteht, jede Spirale aus einem hohlen, elektrisch leitenden Material gebildet ist, jede Teilspule in einer solchen

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Weise gewickelt ist, daß der Spule zugeführter elektrischer Starkstrom die Spiralkomponenten der Teilspule in derselben Richtung durchfließt und in das Innere des eine Teilspule bildenden hohlen elektrischen Materials eingeführtes Kühlmittel durch die Spiralen der Teilspule strömt, bevor es herausgezogen wird; die Vorschaltdrossel enthält ferner eine Einrichtung zum Einleiten von Kühlmittel durch das Innere jeder Teilspule und zum Abnehmen von Kühlmittel von dieser sowie eine Einrichtung zum Anschließen der Spulen an eine gemeinsame Starkstromquelle und eine elektrische Last.

Die "Steuerzeit" oder Reaktionsgeschwindigkeit einer Vorschaltdrossel gegenüber zufälligen Änderungen der elektrischen Last hängt zum Teil von der Phasenzahl der Stromversorgung ab, und die Beziehung kann durchL/nR ausgedrückt werden, wobei L die Induktivität der Vorschaltdrossel, R der Widerstand der instabilen elektrischen Last und η die Phasenzahl der Strom- oder Energieversorgung ist. Es ergibt sich daraus, daß beispielsweise ein Wechsel von einem Dreiphasenstrom zu einem Sechsphasenstrom zu einer Steuerzeit führt, die zweimal so schnell ist, d.h. die Vorschaltdrossel wird in der Hälfte der Zeit reagieren. Da es umso besser ist, je schneller die Reaktion zur ReStabilisierung der elektrischen Last ist, sind Mehrphasen-Vorschaltdrosseln erforderlich t insbesondere, wenn die Energiezufuhr für einen Lichtbogen gesteuert wird, bei dem sehr schnelle Änderungen des Widerstands des Lichtbogens eine Lichtbogenunterbrechung herbeiführen können, wenn eine schnelle ReStabilisierung fehlt.

Der Ausdruck "luftgefüllter Kern" bezeichnet in üblicher Weise einen Kern, der nicht aus magnetisch empfindlichem Metall besteht. Der Kern kann beispielsweise aus einem organischen Polymer wie jenem in Fig. 4 gezeigten bestehen.

Die Drossel umfaßt eine Anzahl untereinander verbundener Spulen, von denen jede einen luftgefüllten Kern umgibt und die normalerweise zu Gruppen zusammengeschaltet sind, wie beispielsweise in

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den Figuren gezeigt. Die Endverbindungen jeder Spule laufen normalerweise zu Anschlüssen, damit die Vorschaltdrossei in gewünschter Weise bequem in den Stromkreis eingeschaltet werden kann. Zusätzlich zu den elektrischen Verbindungen ist jede Spule oder Teilspule mit einer KühlflüssigkeitsVersorgung, z.B. für Wasser, in einer solchen Weise verbunden, das Kühlmittel an einem Ende des hohlen elektrisch leitenden Materials, das die Spule oder Teilspule bildet, eingeleitet und am anderen Ende wieder abgenommen werden kann.

Die Spulen bestehen aus einer Anzahl von Teilspulen, die innerhalb der Spule in einer solchen Weise untereinander verbunden sind, daß die Spulen durchfließender Strom oder Starkstrom jede Teilspule (und von dieser jede Spiralkomponente) in der gleichen Richtung durchfließt, wodurch sichergestellt wird, daß in den von den Spulen umgebenen Kernen der maximale magnetische Fluß erzeugt wird. Die Teilspulen sind außerdem vorzugsweise in einer solchen Weise angeschlossen, daß die Kühlflüssigkeit in ein Ende des hohlen elektrisch leitenden Materials, das die Spiralen der Teilspule bildet, eingeführt werden kann und durch wenigstens zwei der Spiralen läuft, bevor sie wieder abgenommen wird. Wenn die Teilspule aus mehr als zwei Spiralen, beispielsweise weniger günstig aus vier oder sechs,· besteht, können sie so verbunden sein, daß das Kühlmittel durch alle Spiralkomponenten der Teilspule fließt, bevor es wieder abgenommen wird. Aus Sicherheitsgründen kann es günstig sein, daß die das Kühlmittel führenden Leitungen über elektrisch nicht leitende Verbindungsstücke an das die Spiralen, Teilspulen und/oder Spulen bildende hohle elektrisch leitende Material angeschlossen werden, damit die Kühlmittelleitung von· der elektrischen Energieversorgung isoliert ist.

Das die Spiralen, Teilspulen und Spulen bildende hohle elektrisch leitende Material ist normalerweise hohles Metallrohr, zum Beispiel hohles Kupferrohr, das vorzugsweise einen rechteckigen, beispielsweise quadratischen, äußeren Querschnitt besitzt (um das Wickeln und eine wirkungsvolle Magnetflußerzeugung zu erleichtern) und

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dessen zentraler Kanal einen kreisförmigen Querschnitt für das Kühlmittel aufweist.

Rohr mit einer Weite von 5 bis 13 mm (außen) und einem inneren Kanaldurchmesser in der Größenordnung von 2,5 bis 5 mm ist besonders geeignet. Die Windungsenden benachbarter Teilspulen können erwünschtenfalls geeignet in gemeinsamen hohlen Blöcken aus elektrisch leitendem Material befestigt werden, die sowohl als elektrische Verbindungsstücke als auch als Kühlmittelversorgungsblöcke dienen, wodurch alle Teilspulen in einem gemeinsamen Kreis innerhalb der Spulen liegen und daher an eine gemeinsame Stromquelle und eine gemeinsame Kühlmittelquelle angeschaltet werden können. Wenn jede Teilspule oder wenigstens kleine Gruppen von Teilspulen in Reihe an die Kühlmittelzufuhr geschaltet werden, ist das der bzw. den Teilspulen zugeführte Kühlmittel normalerweise kühler, als wenn das Kühlmittel durch eine größere Anzal von Teilspulen geleitet wird, bevor es wieder abgenommen und dem Kühlmittelversorgungskreis wieder zugeführt wird. Auf diese Weise werden die Teilspulen auf einer niedrigeren Temperatur gehalten, erhalten dadurch eine größere elektrische Leitfähigkeit und erzeugen so einen größeren magnetischen Fluß in ihrem Kern.

Bei der verbesserten Vorschaltdrossel ist es möglich, Spulen oder Teilspulen hinzuzufügen oder zu entfernen, umdLe Induktivität der Drossel in Anpassung an wechselnde Bedürfnisse zu erhöhen oder zu verringern. Weil die Spulen ausgetrennten Teilspulen gebildet sind und keine ölkühlung vorhanden ist (vor dem Zugang zu den Spulen also keine Notwendigkeit zur Entfernung von öl besteht), können diese Änderungen mit einem Minimum an Schwierigkeit und mit einer größeren Genauigkeit als bei bislang zur Verfügung stehenden Vorschaltdrosseln ausgeführt werden.

Durch die Verwendung eines innen zirkulierenden Kühlmittels kann die Ölkühlung zusammen mit dem mit ihr verbundenen Behälter, dem bzw. den Radiatoren, dem bzw. den Ausdehnungstanks und den Explosionserfassungs- und -Verhinderungseinrichtungen entfallen.

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Daher ist es möglich, das Gewicht der Drossel um einen Faktor von etwa fünf oder sechs zu verringern und eine konsequente Kostenverringerung zu erreichen. Wegen dieser Verringerung an Gewicht (und an Volumen) kann es möglich sein, die Drossel viel näher an der Einrichtung anzuordnen, die Anlaß für die instabile elektrische Last gibt, beispielsweise eine Plasmakanone, wodurch die Installationskosten wesentlich verringert werden.

Wenn die elektrische Last eine Gleichstromversorgung benötigt, wird die Vorschaltdrossel über einen Gleichrichter mit der Last verbunden, wobei es wegen der verminderten Größe und des verminderten Gewichts der erfindungsgemäßen Vorschaltdrossel und des Fehlens einer Ölkühlung möglich ist, die Drossel und den Gleichrichter (erwünschtenfalls mit einem gemeinsamen Kühlflüssigkeitssystem) in eine einzige Einheit einzusetzen, mit der daraus folgenden größeren Flexibilität der geometrischen Anordnung.

Die Hitze (relativ geringgradig), die als erhitzte Kühlflüssigkeit erhalten wird, eignet sich äußerst gut für eine nachfolgende Verwendung, beispielsweise bei Temperatursteuersystemen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine typische Schaltung, bei der eine Vorschaltdrossel eingesetzt ,werden kann,

Fig. 3 schematisch den Aufbau einer bekannten Vorschaltdrossel (mit Ölkühlung und zugehöriger Ausrüstung) und

Fig. 4 den Aufbau einer Teilspule mit Spiralkomponenten.

In Fig. 1 sind die Teilspulen der Spulen mit 1 bezeichnet. 2 sind die elektrischen Verbindungen der Spulen. Die Leitungen

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für das Kühlsystem sind mit 3 (für die Kühlmittelzufuhr) und 4 (für die Kühlmittelableitung) bezeichnet, von denen jede durch Verwendung eines nicht leitenden Verbindungsstücks 5 isoliert ist. Das Kühlmittel wird mittels einer Pumpe durch einen Wärmetauscher 6, der dazu verwendet werden kann, andere Einrichtungen gewünschtenfalls mit Wärme zu versorgen, in Umlauf gebracht. Die Spulen werden auf einer Grundplatte 7 getragen, die mittels Isolatoren 8 von Erde isoliert ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine typische Schaltung einer Mehrphasenenergieversorgung 9, einer instabilen elektrischen Last Io (z.B. einer Plasmakanone) und einer Vorschaltdrossel 11. In diesem Fall erfordert die elektrische Last Gleichstrom, und ein Gleichrichter ist zwischen die Vorschaltdrossel und die elektrische Last in den Kreis geschaltet, um den Wechselstrom von der Stromversorgung und der Vorschaltdrossel in Gleichstrom umzuwandeln.

Fig. 3 zeigt eine bekannte Vorschaltdrossel, bei der gemeinsam verwendete Spulen 13 in öl 14 in einem Stahlbehälter 15 eingetaucht sind. Das Öl wird mittels Konvektion durch Radiatoren 16 gekühlt. Es ist außerdem ein Ausdehnungstank 17 vorgesehen, unter dem sich eine Explosionsdetektoreinrichtung 18 befindet. Es sind außerdem Maßnahmen getroffen, um öl vom Tank durch die Entlüftung oder den Ablaß 19 abzulassen, um die Wirkung irgendeiner Explosion innerhalb des Tanks zu vermindern. Es sind normalerweise Verbindungskammern für Anzapfungen von den Spulen erforderlich, die den Zugang zu diesen Anzapfungen behindern. Bei den Vorschaltdrosseln der vorliegen den Erfindung sind'solche Verbindungskammern nicht erforderlich.

Fig. 4 zeigt eine Teilspule, die aus Spiralen 21 und 22 besteht, welche in Harz 23 eingebettet sind. Äußere Verbindungen 24 und 25 und innere Verbindungen 26 zwischen den Spiralen sind in einer solchen Weise ausgeführt, daß den äußeren Verbindungen zugeführter Strom in derselben Richtung durch beide Spiralen fließt. Der Durchgang oder Kanal für das Kühlmittel durch die Spiralen ist mit 27 gekennzeichnet.

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Claims

Patentansprüche

/ 1. Mehrphasen-Vorschaltdrossel zur Steuerung der Energieversorgung ν—^für eine instabile elektrische Last, gekennzeichnet durch eine Anzahl untereinander verbundener Spulen, die luftgefüllte Kerne umgeben, von denen jede Spule aus Teilspulen (1) gebildet ist, jede Teilspule aus einer Vielzahl seitlich im Abstand befindlicher je in einer einzigen Ebene liegender Spiralen (21, 22) besteht, jede Spirale aus einem hohlen elektrisch leitenden Material gebildet ist, jede Teilspule in solcher Weise gev/ickelt ist, daß der Spule zugeführter elektrischer Strom durch die Spiralenkomponenten (21, 22) der Teilspulen in der gleichen Richtung fließt und in das Innere des eine Teilspule bildenden hohlen elektrisch leitenden Materials eingeführtes Kühlmittel die Spiralen der Teilspule durchströmt, bevor es wieder abgenommen wird, durch Einrichtungen (3, 4, 5) zum Einleiten von Kühlmittel durch das Innere jeder Teilspule und zum Abführen des Kühlmittels von dieser und durch Einrichtungen (2) zum Anschließen der Spulen an eine gemeinsame Stromquelle und an eine elektrische Last.
2. Vorschaltdrossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Teilspule zwei seitlich im Abstand befindliche, je in einer einzigen Ebene liegende Spiralen (21, 22) aufweist.
3. Vorschaltdrossel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das hohle elektrisch leitende Material, das die Spiralen (21, 22) bildet, hohles Metallrohr mit einem rechteckigen äußeren Querschnitt ist.

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4. Vorschaltdrossel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das hohle elektrisch leitende Material hohles Metallrohr mit einem quadratischen äußeren Querschnitt ist.
5. Vorschaltdrossel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das hohle Metallrohr eine äußere Breite im Bereich von 5 bis 13 mm und einen inneren ringförmigen Kanal mit einem Durchmesser im Bereich von 2,5 bis 5 mm aufweist.
6. Vorschaltdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilspulen (1) in Reihe an eine gemeinsame Kühlmittelversorgung angeschlossen sind.
7. Vorschaltdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Lichtbogenheizvorrichtung mit einer Wechselstromquelle, einer Plasmakanone, die Elektroden enthält, zwischen denen ein Lichtbogen gebildet werden kann, wobei die Stromquelle über die Vorschaltdrossel mit den Elektroden der Plasmakanone verbunden ist.
8. Vorschaltdrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Liehtbogenheiζvorrichtung mit einer Wechselstromquelle, einem Gleichrichter und einer Plasmakanone, die Elektroden enthält, zwischen denen ein Lichtbogen gebildet werden kann, wobei die Stromquelle über (a) die Vorschaltdrossel und (b) den Gleichrichter mit den Elektroden der Plasmakanone verbunden ist.

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