DE568690C

DE568690C - Arrangement for achieving a symmetrical load distribution in the phases of a three-phase network that feeds a single-phase consumer

Info

Publication number: DE568690C
Application number: DEL70799D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Wilhelm Fischer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG; C Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG; C Lorenz AG
Priority date: 1928-01-22
Filing date: 1928-01-22
Publication date: 1933-01-30

Description

Anordnung zur Erzielung einer symmetrischen Belastungsverteilung in den Phasen eines Drehstromnetzes, welches einen einphasigen Verbraucher speist Es gibt eine große Zahl von Verbrauchern, welche ihrer Natur nach nur einphasig mit Wechselstrom gespeist werden können. Es sind dies in der Hauptsache elektrothermische Verbraucher, wie Schweißmaschinen u. dgl. Da die Starkstromnetze meist Drehstromnetze sind, so besteht die Schwierigkeit, daß es nicht möglich ist, das Drehstromnetz mit solchen Verbrauchern symmetrisch zu belasten. Es sind zwar verschiedene Kunstschaltungen vorgeschlagen worden, um Drehstrom unter möglichst symmetrischer Belastung in Einphasenstrom zu verwandeln. Diese Vorschläge geben aber nur sehr mäßige Annäherungen an eine Lösung der gestellten Aufgabe, welche mit der folgenden Anordnung -zugleich auch für beliebig gewünschte Belastungsverteilung gelöst wird.Arrangement to achieve a symmetrical load distribution in the phases of a three-phase network that feeds a single-phase consumer Es there are a large number of consumers, which by their nature only have a single phase Alternating current can be fed. These are mainly electrothermal ones Consumers, such as welding machines and the like. Since the high-voltage networks mostly three-phase networks are, there is the difficulty that it is not possible to use the three-phase network to load symmetrically with such consumers. It is true that there are different art circuits been proposed to convert three-phase current under as symmetrical a load as possible into single-phase current to transform. However, these suggestions are only very moderate approximations of one Solution to the problem posed, which-at the same time with the following arrangement is solved for any desired load distribution.

Das allgemeine Prinzip beruht darauf, daß durch Verwendung von Kapazitäten und Induktivitäten, welche zu zwei voneinander unabhängigen oder durch ein gemeinsames, magnetisches Feld miteinander verketteten und auf einen gemeinsamen Sekundärkreis arbeitenden Wicklungen zum Teil in Reihe, zum Teil parallel geschaltet sind, die Ströme in diesen Wicklungen, «-elche in V-Schaltung an verschiedenen Phasen des- Netzes liegen, gleichphasig mit dem Strom der ihnen gemeinsamen Phase gerichtet werden.The general principle is based on the fact that by using capacities and inductors, which can be two independent from each other or by a common, magnetic field chained together and on a common secondary circuit working windings are connected partly in series, partly in parallel, the Currents in these windings, "-which in V-connection at different phases of the- Network are in phase with the current of the phase common to them will.

Zur Erläuterung dient Abb. r, an Hand welcher die Verhältnisse für symmetrische Belastung eines Drehstromnetzes bei nur einphasigem Verbraucher dargestellt werden sollen. r, 2, 3 sind die drei Phasen des Drehstromnetzes. L1 und L3 seien die Induktanzen zweier in dem Beispiel durch ein gemeinsames magnetisches Feld miteinander gekoppelter Wicklungen, welche in der gezeichneten Lage in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind. Ls sei die mit dem gemeinsamen Feld gekoppelte Sekundärwicklung, an welcher Einphasenwechselstrom abgenommen werden soll. R1 und R3 seien die auf die Primärseite umgerechneten Belastungswiderstände des Transformators.Fig. R, which shows the relationships for symmetrical load of a three-phase network with only single-phase loads shown should be. r, 2, 3 are the three phases of the three-phase network. L1 and L3 are the inductances of two in the example by a common magnetic field with each other coupled windings, which in the position shown in the opposite sense are wrapped. Let Ls be the secondary winding coupled to the common field, at which single-phase alternating current is to be drawn. R1 and R3 are the ones on the primary side converted load resistances of the transformer.

Zu den beiden Wicklungen-L, und L;, sind die Kapazitäten Cl und C3 entsprechend in Reihe geschaltet. Dieselben dienen dazu, eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den Strömen Jio bzw. Jso und den zugehörigen Spannungen @ri2 bzw. U32 herzustellen. Diese Kondensatoren Cl und C3 sind so zu bemessen, daß die Ströme l" von a durch L, nach d und J" von c durch L3 nach d gleichphasig und in Gegenphase mit dem Strom J. sind. An die Stelle von C, muß unter Umständen eine Selbstinduktion L4 treten, wie weiter unten ausgeführt wird.For the two windings-L, and L ;, are the capacitances Cl and C3 connected in series accordingly. The same serve to establish a certain phase shift between the currents Jio or Jso and the associated voltages @ ri2 or U32. These capacitors C1 and C3 are to be dimensioned so that the currents I ″ from a through L, to d and J "from c through L3 to d in phase and in antiphase with the current J. are. In some circumstances, a self-induction must be used in place of C Kick L4 as explained below.

Es sei zunächst die Aufgabe gestellt, das Netz mit cos 9 = i zu belasten. Wie aus Abb. 2 ersichtlich,' eilt der Strom J2 bei svmmetrischer induktionsfreier Belastung (d. h. cos cp = i) der verketteten Spannung U21- -U12 um 30' vor, der Spannung U " um 30° nach. Die Kapazität Cl ist also so zu bemessen, daß der Strom Jlo der Spannung U12 um 30° voreilt. Da die Widerstände R1 und R3 und die resultierenden Induktanzen a) L1 und to L3 gegeben sind, ist damit Cl bestimmt. Für den Stromweg a-Cl-R,- Li d in Abb. i, ergibt sich also der Spannungsvektorzug i, 4, 5, 2 in Abb.2. Der Vektor i, 4 = ER, gibt die Richtung von Jlo, er liegt parallel zu J2. Damit eilt der Strom Jlo der Richtung, welche bei induktionsfreier Belastung der Strom 11 haben soll, um 6o° voraus. Diese Voreilung im Stromzweig a-d wird kompensiert durch einen parallel geschalteten, rein induktiven Stromzweig d-b mit der Selbstinduktion L12. Hierin fließt ein Strom J12, welcher der Spannung LT" um 9o° nacheilt. Wird die Selbstinduktion L12 richtig bemessen, so ergibt die Summe der Ströme Jla und J" einen Strom J1 in der richtigen Phase und Größe.The first task is to load the network with cos 9 = i. As can be seen from Fig. 2, the current J2 leads the line-to-line voltage U21- -U12 by 30 ' , the voltage U "by 30 °, with a symmetrical inductive load (ie cos cp = i). The capacitance Cl is thus like this to be measured so that the current Jlo leads the voltage U12 by 30 °. Since the resistances R1 and R3 and the resulting inductances a) L1 and to L3 are given, Cl is determined for the current path a-Cl-R, -Li d in Fig. i, the result is the voltage vector line i, 4, 5, 2 in Fig. 2. The vector i, 4 = ER, gives the direction of Jlo, it lies parallel to J2. Thus the current Jlo rushes the direction , which the current 11 should have by 60 ° in the case of an induction-free load. This lead in the current branch ad is compensated by a parallel-connected, purely inductive current branch db with the self-induction L12 ° lags. If the self-induction L12 is measured correctly, the sum of the currents Jla and J "results in a current J1 in the correct phase and size.

Entsprechend liegen die Verhältnisse, wenn man von der Phase 3 ausgeht. Wie oben gezeigt, muß J3o der Spannung um 30° nacheilen. Die Spannung Us2 setzt sich wieder zusammen aus der' Wirkspannung ER" der kapazitiven und Spannung E,s und der induktiven Spannung EL3. Der Strom Jso und die -Spannung ER, haben die gleiche Phase.The situation is accordingly if one starts out from phase 3. As shown above, J3o must lag the tension by 30 °. The voltage Us2 sets together again from the 'active voltage ER' of the capacitive and voltage E, s and the inductive voltage EL3. The current Jso and the voltage ER are the same Phase.

Die Kapazität C3 ist also so zu bemessen, daß der Winkel zwischen U32 und ER3 30° beträgt (vgl. in Abb. 2 den Spannungsvektorzug 3, 6, 7, 2).The capacitance C3 is to be dimensioned so that the angle between U32 and ER3 is 30 ° (cf. in Fig. 2 the voltage vector line 3, 6, 7, 2).

Ist die Induktanz coLs des Transformators im Verhältnis zu R3 so klein, daß der Punkt 7 zwischen 2 und 6 liegen würde, statt wie in Abb. 2 außerhalb, so müßte die Kapazität C, ersetzt werden durch eine zusätzliche Induktivität L4, so daß der Spannungsvektor 6, 7 = EL, dieselbe Richtung hat wie ELS und sich zu diesem addiert. Damit eilt J3o der Richtung, welche der Strom 1s haben sollte, um 6o° nach. Wie oben, sorgt auch hier ein Parallelstromzweig c-b, der jedoch hier rein kapazitiv ist, dafür, daß die Summe der Ströme 41 + J32-J3 die gewünschte Richtung und Größe ergibt.If the inductance coLs of the transformer is so small in relation to R3 that point 7 would be between 2 and 6, instead of outside as in Fig. 2, then the capacitance C would have to be replaced by an additional inductance L4 so that the voltage vector 6, 7 = EL, has the same direction as ELS and is added to this. This means that J3o lags the direction that the current 1s should have by 60 °. As above, a parallel current branch cb, which is purely capacitive here, ensures that the sum of the currents 41 + J32-J3 results in the desired direction and magnitude.

Wie aus dem Vektordiagramm (Abb.2) ohne weiteres hervorgeht, ist die Summe der Ströme Jlo -;- J12 + Jso + Jsz =- fs, d. h. auch der Strom der Phase 2 hat die verlangte Richtung und ist gleich groß wie J,, und J,. Die gestellte Aufgabe ist also mit dieser Schaltung gelöst. Da die Ströme Jlo und J3o in den Wicklungen L1 und L3 gleichgerichtete Felder erzeugen, ist T als Einphasentransformator zu betrachten.As can be seen from the vector diagram (Fig. 2), the Sum of the currents Jlo -; - J12 + Jso + Jsz = - fs, i.e. H. also the current of phase 2 has the required direction and is the same size as J ,, and J ,. The task at hand is solved with this circuit. Since the currents Jlo and J3o are in the windings L1 and L3 produce rectified fields, T is used as a single-phase transformer too regard.

Soll aus irgendeinem Grunde das Netz mit einem bestimmten, in allen drei Phasen gleichen Phasenwinkel 99 etwa mit voreilendem Strom belastet werden, so- verändern sich die Verhältnisse des Vektordiagrammes (-gbb. 2) etwas. Es gilt dann die Abb. 3. Die Richtungen der gewünschten Phasenströme sind hier gegen die entsprechenden Sternspannungen Im, 2m, 3m um den voreilenden Winkel (p verschoben. Wieder gilt für Cl die Bedingung, daß der Stromvektor Jlo in Gegenphase von J2 kommen soll, d. h. hier, daß er der Spannung U" um (30° -f- c9) vorauseilt. Entsprechendes gilt für C3, d. h. der Strom J" muß der Spannung Us2 =- U2s um (30° - @) nacheilen. Auch hier ist wieder, wie oben auseinandergesetzt, die Kapazität Cg durch eine Induktivität L4 zu ersetzen, falls der induktive Spannungsvektor 2,7 kleiner ist als die Strecke 2,6. Da die Ströme J" und J" wieder gleich groß gemacht werden sollen, müssen sich die Widerstände R1 und R3 wie die Spannungsvektoren 44 - ER, und 3,6 - ER, verhalten. Wie oben gesagt, bedeuten z. B. R1 und R3 die durch die Transformatorwicklungen L1 und L3 auf die Primärseiten übertragenen Beträge des gemeinsamen Verbraucherwiderstandes. Die übersetzungsverhältnisse der beiden Wicklungspaare LIILs und L3!Ls sind also entsprechend den Spannungsvektoren ER, = 1,4 und ER, = 3,6 zu wählen. Die Stromwege a, b und c, b geben wieder, wie vorher, entsprechend nach- bzw. voreilende Ströme J" bzw. J32. In diesem Fall ist es jedoch nötig, noch einen kapazitiven Stromweg Cl. einzufügen, wie er in Abb. i gestrichelt gezeichnet ist. Wie aus dem V ektordiagramm (Abb. 3) hervorgeht, gelingt es so, durch den in den Punkten i und 3 hinzutretenden Strom J13 = - Jsl wieder vollkommen symmetrische Belastung des Drehstromnetzes mit vorgegebener Phasenverschiebung #p zu erzielen. Ist q) negativ, d. h. ist Nacheilung gewünscht, so ist statt Cls eine entsprechende Selbstinduktion Lls einzusetzen. Wie aus denn Vektordiagramrn ohne weiteres zu beweisen ist, muß der Blindwiderstand dieses Stromweges 1,3 einen solchen Betrag haben, daß der Strom darin gleich ist dem fachen des Phasenstromes multipliziert mit sin 9).If, for whatever reason, the network is to be loaded with a certain phase angle 99 that is the same in all three phases, for example with a leading current, the relationships in the vector diagram (-gbb. 2) change slightly. Fig. 3 then applies. The directions of the desired phase currents are here shifted by the leading angle (p with respect to the corresponding star voltages Im, 2m, 3m. ie here that it leads the voltage U "by (30 ° - f - c9). The same applies to C3, ie the current J" must lag the voltage Us2 = - U2s by (30 ° - @) , as explained above, to replace the capacitance Cg by an inductance L4 if the inductive voltage vector 2.7 is smaller than the distance 2.6. Since the currents J "and J" are to be made equal again, the resistances must be equal R1 and R3 behave like the voltage vectors 44 - ER and 3,6 - ER, As stated above, R1 and R3, for example, mean the amounts of the common load resistance transferred through the transformer windings L1 and L3 to the primary sides two pairs of windings LIILs u nd L3! Ls must therefore be selected according to the voltage vectors ER, = 1.4 and ER, = 3.6. The current paths a, b and c, b show, as before, correspondingly lagging or leading currents J "and J32. In this case, however, it is necessary to add a capacitive current path Cl., As shown in Fig. I As can be seen from the vector diagram (Fig. 3), it is possible to achieve completely symmetrical loading of the three-phase network with a given phase shift #p by adding the current J13 = - Jsl at points i and 3. If q ) negative, ie if lag is desired, a corresponding self-induction Lls is to be used instead of Cls.As can be easily proven from the vector diagram, the reactance of this current path 1, 3 must have such an amount that the current in it is equal to times the phase current multiplied by sin 9).

Die Kopplung mit dem sekundären Belastungskreis kann auch in zwei getrennten Transformatoren mit den Primärwicklungen L1 bzw. L3 vorgenommen werden, deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Weiter können statt der Kondensatoren und Selbstinduktionen auch andere voreilenden oder nacheilenden Strom hervorrufende 'Mittel, wie kapazitiv belastete Transformatoren, Svnchronmotoren u. dgl. verwendet werden. Auch ist es mitunter vorteilhaft, bei sich änderndem Belastungswiderstand eine etwa notwendig erscheinende Nachregelung der Selbstinduktivitäten und Kapazitäten selbsttätig, z. B. durch sogenannte Phasenrelais oder gleichartig wirkende Mittel, zu bewirken. Ein Anwendungsgebiet bilden z. B. Induktionsöfen, bei welchen das Schmelzgut als solches den Sekundärkreis darstellt.The coupling with the secondary load circuit can also be in two ways separate transformers with the primary windings L1 or L3 are made, the secondary windings of which are connected in series. Can continue instead of capacitors and self-inductances, others leading or lagging Means producing electricity, such as capacitively loaded transformers, synchronous motors and the like can be used. It is also sometimes advantageous when the load resistance changes a possibly necessary adjustment of the self inductances and capacities automatically, e.g. B. by so-called phase relays or similarly acting means, to effect. One field of application form z. B. Induction furnaces in which the melting material as such represents the secondary circuit.

Claims

I'ATRNTTANSYRÜCHR: i. Circuit for achieving a symmetrical load distribution in the phases of a three-phase network, which feeds a single-phase consumer, characterized in that either a capacitor (Cl. C3) or a capacitance or inductance (Cl, L.1) are connected in series, which are dimensioned so that the currents in these windings are in phase with one another, and that in addition to the branches formed from the transformer winding and reactance, further reactances of this type and Size are connected in parallel so that the three mains currents form a symmetrical three-phase system. -

2. A circuit according to claim i, characterized in that the reactances are so dimensioned that the currents (J ", l30) in the two primary transformer windings (LM, L3) with the current flowing in the common phase (J2) according to size and direction will be the same.

3. Circuit according to claim i and 2, characterized in that that the one of the primary transformer winding (L1) and reactance (Cl) formed current branches parallel connected reactance an inductive (L12). the other is a capacitive resistor (C23). q ..

Circuit according to Claims i to 3 for achieving a phase angle (p) different from o, characterized by a further reactance connected to the outer leads of the V circuit of such an amount that the current in it is equal to times the phase current, multiplied with sin rf, where (p is to be taken positive for leading mains current, negative for lagging mains current, so that a capacitance (C13) is to be selected for leading and an inductance (L13) for lagging.

Circuit according to Claims i to, characterized in that the the two primary transformer windings (LM, I_3) are magnetically coupled to one another and have opposite winding directions.

6. A circuit according to claims i to d., Characterized by two separate transformers (L1, L3) with windings (Ls) connected in series and secondary jointly working on the consumer. ;. Circuit according to Claims 1 to 5, characterized in that the transformer secondary winding (L,) is formed directly by the melting or annealing material of an induction furnace. B. A circuit according to claim i to 7, characterized in that instead of the inductances and capacitances electrically equivalent members such. B. synchronous motors, capacitively loaded transformers are used. cg. Circuit according to Claims 1 to 8, characterized by automatic control of the reactance when the load changes.