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GEBIET DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen steuerbaren Induktor, der wenigstens einen röhrenförmigen Kern,
eine Hauptwicklung, die den Kern umgibt, und eine Steuerwicklung
aufweist, die im wesentlichen axial durch den Kern verläuft.
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Derartige steuerbare Induktoren können durch
die Hauptwicklung davon an irgendeine elektrische Schaltung, wie
beispielsweise eine Stromleitung, angeschlossen werden, um diese
Schaltung mit einer Induktivität
bereitzustellen, um, zum Beispiel, höhere Oberwellenströme auszulöschen, die
in der Schaltung erzeugt werden. Die magnetische Permeabilität des Kerns
und dadurch die Induktivität
des Induktors können
dann durch Änderung
des elektrischen Steuerstroms gesteuert werden, der dazu gebracht
wird, axial durch den Kern in der Steuerwicklung zu fließen. Durch
Anschließen
eines derartigen steuerbaren Induktors in Reihe an einen Kondensator
kann ein sogenannter Oberwellenfilter erhalten werden, der bereits
von beispielsweise der WO 94/11891 der Anmelderin bekannt ist und
in dem die Impedanz gesteuert werden kann, für bestimmte Frequenzen durch
Steuerung der Induktivität
des Induktors zum Ausschließen
von höheren
Oberwellenströmen
mit einer Frequenz niedrig zu sein, die ein Vielfaches, zum Beispiel
11, der Grundfrequenz in dem Netzwerk ist.
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Ein anderes denkbares Anwendungsgebiet für einen
steuerbaren Induktor dieses Typs ist, in dem Fall, dass dieser eine
Induktivität
liefern kann, die ausreichend hoch ist, das Einschalten davon in Wechselstrom-Stromleitungen,
die eine darin gespeicherte, hohe Kapazität haben, zum Beispiel Kabel-Netzwerke.
Durch eine Zwischenkopplung eines derartigen Induktors kann dann
eine Induktivität
einer gewünschten
Größe daran
angeschlossen werden und die Reaktanz der Stromleitung kann dadurch
für eine
effizientere Energieübertragung
durch die Leitung reduziert werden.
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Diese steuerbaren Induktoren haben
natürlich
nur einen nützlichen
Einfluss auf eine Wechselspannung, aber es ist nicht vollständig notwendig, dass
die Hauptwicklung mit einer Wechselspannung geschaltet ist, sondern
sie kann ebenfalls mit einer Gleichspannung mit einer überlagerten
Wechselspannung geschaltet sein. Ein bereits bekannter Nachteil
derartiger steuerbarer Induktoren besteht in der Tatsache, dass
die Wechselspannung in der Hauptwicklung eine Wechselspannung in
der Steuerwicklung mit einer Frequenz induziert, die zweimal die
Grundfrequenz in der Hauptwicklung ist. Diese Spannung verursacht
Oberwellenströme
in dem
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen steuerbaren, in der Einleitung definierten Induktor
bereitzustellen, in dem die vorstehend erwähnten Probleme zu einem großen Ausmaß gelöst wurden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
Anpassen eines derartigen Induktors zum Anschließen an ein Dreiphasen-Wechselstrom-Netzwerk
erreicht und er hat zu diesem Zweck für jede Phase eine Hauptwicklung
zum Anschließen
an die Phase, einen Kern und eine Steuerwicklung, wobei die Steuerwicklungen
der drei Phasen in Bezug zueinander elektrisch in Reihe geschaltet
sind.
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Durch die Bereitstellung von einem
und dem gleichen steuerbaren Induktor mit Mitteln – Hauptwicklung,
Kern und Steuerwicklung – zum
Anschließen
einer steuerbaren Induktivität
an alle drei Phasen eines Wechselstrom-Netzwerks und wobei die Steuerwicklung
der drei Phasen miteinander in Reihe geschaltet sind, kann ein Induktor
gebildet werden, in dem die Spannungen, die durch die Wechselspannung
in der jeweiligen Phase der jeweiligen Steuerwicklung induziert
werden, einander auslöschen,
weil die Summe davon in der Steuerwicklung, die in Reihe geschaltet
ist, aufgrund der Verschiebung der Wechselspannungen der Phasen
um 120 elektrische Grade in Bezug zueinander Null sein wird. Dadurch
werden die Probleme nicht gebildet, die vorstehend erwähnt sind
und sich von Spannungen ableiten, die in der Steuerwicklung induziert
werden, und der Steuerstrom in der Steuerwicklung wird nicht durch
das Wechselstrom-Netzwerk beeinflusst und, zum Beispiel, in dem
Fall eines Gleichstroms wird ein Gleichstrom verbleiben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung hat wenigstens einer der Kerne eine zweite Steuerwicklung,
die sich im wesentlichen axial durch ihn hindurch erstreckt, wobei
die zweite Steuerwicklung von der ersten Steuerwicklung, die in
Reihe geschaltet ist, getrennt ist, und die zweite Steuerwicklung
für sich
an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, um den Steuerstrom darin
unabhängig von
der Regulierung des Steuerstroms in den in Reihe geschalteten Steuerwicklungen
individuell zu regulieren. Eine Möglichkeit für eine Regulierung der magnetischen
Permeabilität
in allen drei Kernen durch eine Regulierung des Steuerstroms in
der Steuerwicklung, die in Reihe geschaltet ist, wird auf diese
Weise erreicht, während
eine Induktion von Wechselspannungen in dieser Steuerwicklung vermieden
wird, wobei gleichzeitig die Möglichkeit
einer individuellen Regulierung der Permeabilität des oder der Kerne mit einer zweiten
Steuerwicklung bereitgestellt wird, aber diese Regulierung wird
dann eine induzierte Spannung dieses Typs in genau der Steuerwicklung
mit Oberwellenströmen
in dem Strom der Phase und Verlusten in dem Kern als eine Folge
verursachen, obwohl diese Probleme beträchtlich geringer sein werden,
als es der Fall bei einer individuellen Regulierung eines Kerns
für jede
Phase sein wird. Es ist natürlich
beabsichtigt, eine Regulierung durch die gemeinsame Hauptwicklung,
die in Reihe geschaltet ist, zu erreichen und nur eine "Fein-Regulierung" durch die zweite
Steuerwicklung durchzuführen,
sodass die Probleme der induzierten Spannungen darin minimiert werden
können.
Es kann bei bestimmten Zeitdauern vorteilhaft sein, das Senden irgendeines Steuerstroms
durch die zweite Steuerwicklung ganz zu unterlassen, und sie nur
als eine extra Regulierungsmöglichkeit
zu haben, wenn sich plötzlich
extreme Situationen ergeben.
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Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist für
alle drei Kerne eine zweite Steuerwicklung und die Spannungsquelle,
die daran jeweils zur individuellen Regulierung angeschlossen ist,
vorgesehen. Eine Möglichkeit
zur individuellen Regulierung der Permeabilität jedes separaten Kerns wird
auf diese Weise neben der gemeinsamen Regulierung erhalten, und
die Folgen davon sind jene, die in der eben diskutierten Ausführungsform
vorstehend erwähnt
sind.
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Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist die Zahl an Windungen der ersten Steuerwicklung,
die durch den jeweiligen Kern verlaufen, in Bezug auf die entsprechende
Zahl der Windungen der zweiten Steuerwicklung groß. Die Hauptsteuerbarkeit
wird dadurch durch die Steuerwicklung bereitgestellt, die in Reihe
geschaltet ist, während
eine zweite Steuerwicklung eine geringe individuelle Steuerbarkeit
innerhalb eines eingeschränkten
Bereichs bereitstellt, und die Größe der in der zweiten Wicklung
induzierten Spannung, die proportional zu der Zahl an Windungen,
wie erwähnt,
ist, wird bei einem geringen Pegel gehalten und eine sogenannte
Brummspannung sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist die Spannungsquelle, die an die zweite Steuerwicklung
angeschlossen ist, eine Gleichspannungsquelle, die einen Gleichstrom
mit einer steuerbaren Stromstärke
in der zweiten Steuerwicklung erzeugen kann, während in einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung die Steuerwicklung, die in Reihe geschaltet ist, an
eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, die einen Gleichstrom
mit einer steuerbaren Stromstärke
in der Steuerwicklung erzeugen kann. Es ist wahr, dass es üblich ist,
einen Gleichstrom als Steuerstrom in steuerbaren Induktoren dieses
Typs zu verwenden, der eine einfache Regulierung impliziert, aber
dies kann hier während
des Aufrechterhaltens dieses Gleichstroms ohne irgendeinen oder
nur einen unwesentlichen Einfluss darauf durch die Spannung des
Wechselstrom-Netzwerks getan werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung weist der Induktor wenigstens eine bipolare Gleichspannungsquelle
und steuerbare Einrichtungen zum Umkehren des Vorzeichens der Spannung
auf, die über
der Steuerwicklung durch diese Gleichspannungsquelle anliegt. Es wird
dadurch möglich
sein, das Problem zu lösen, das
beim Verwenden von unipolaren Gleichspannungsquellen entsteht, in
denen der Steuerstrom schneller ansteigt als er abnimmt. Es wird
nämlich möglich sein,
das Vorzeichen der Spannung auf einen Wunsch einer Reduktion des
Steuerstroms umzukehren und diesen so umgekehrt zu halten, bis der Steuerstrom
einen gewünschten
Pegel erreicht hat, in dem im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit für die Reduktion
des Steuerstroms wie für
dessen Anstieg erhalten werden kann.
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Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung weist der Induktor ein Joch aus einem Material mit
einer hohen magnetischen Permeabilität auf, das den gemeinsamen,
im wesentlichen axial verlaufenden Haupt-Magnetfluß, der von den
jeweiligen Hauptwicklungen durch alle Kerne erzeugt wird, schließt und die
Pfade für
den Haupt-Magnetfluß zwischen
allen Kernen bildet. Dadurch wird eine sehr gute Steuerbarkeit der
Induktivität
des steuerbaren Induktors innerhalb eines breiten Bereichs erhalten,
weil im wesentlichen alle dadurch gespeicherte Energie in den steuerbaren
Kernzweigen vorhanden sein wird, d. h. das Material hat eine geringe magnetische
Permeabilität,
gleichzeitig kann der Magnetfluß,
der durch den jeweiligen Kern verläuft, zu den anderen zwei verteilt
werden, sodass die Summe des Magnetflusses in jedem Moment Null
erreicht.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale der
Erfindung werden von der folgenden Beschreibung und den anderen
abhängigen
Ansprüchen
klar werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen
folgt eine Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
die als Beispiele zitiert sind.
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In den Zeichnungen:
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1 ist
eine vereinfachte, Teilschnittseitenansicht eines steuerbaren Induktors
gemäß einer ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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2 ist
ein vereinfachter Schaltplan, der die Steuerfunktion eines Induktors
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht,
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3 ist
ein Diagramm, das die Schaltung zwischen dem Steuerstrom und der
Permeabilität
eines Kern in einem Induktor gemäß der Erfindung
zur gemeinsamen Steuerung und individuellen Steuerung davon gemäß 2 veranschaulicht,
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4 ist
ein vereinfachter Schaltplan, der einen Teil der Steuerwicklungen,
nämlich
die Steuerwicklung zur individuellen Steuerung der Permeabilität eines
Kerns, in einem steuerbaren Induktor gemäß der Erfindung veranschaulicht,
und
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5a und 5b sind zwei Diagramme, die die Entwicklung
des Steuerstroms gegen die Steuerspannung, die über eine Steuerwicklung gemäß 4 angelegt ist, beim Verwenden
einer unipolaren bzw. einer bipolaren Gleichspannungsquelle veranschaulichen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 1 ist
schematisch veranschaulicht, wie ein Induktor gemäß der Erfindung
zum Anschließen
an ein Dreiphasen-Wechselstrom-Netzwerk mit Steuerwicklungen für jeden
Kern, die in Reihe geschaltet sind, aussehen kann. Der Induktor
hat eine Hauptwicklung 1, einen Kern 2, der im
wesentlichen coaxial damit angeordnet ist, und eine Steuerwicklung 3,
die sich axial durch Kern erstreckt, für jede Phase des Drei-Phasen-Netzwerks.
Jede derartige Hauptwicklung 1 ist folglich an eine der
Phasen für sich
des Wechselstrom-Netzwerks angeschlossen und hat ein oberes Ende,
das auf einem hohen Potential ist, wobei die Spannung in die Richtung
zu dem entgegengesetzten Ende abfällt, das das untere in 1 ist, das auf Erdpotential
sein kann, aber das muss nicht der Fall sein. Die Steuerwicklungen 3 sind durch
Teile 4 miteinander in Reihe geschaltet, die sich dazwischen
erstrecken und schematisch veranschaulicht sind, wobei sich die
Teile 4 und die Teile der Steuerwicklungen durch die Kerne
erstrecken, die aus Platten aus einem Material mit einer hohen elektrischen
Leitfähigkeit,
wie beispielsweise Kupferplatten hergestellt sind, und eine Steuerwicklung
in der Form derartiger Platten bedeutet eine stabile mechanische
Konstruktion und eine gute Möglichkeit
die Steuerwicklungen in gewünschte
Pfade zu lenken. Die verschiedenen Kerne 2 sind miteinander
durch Joche 5 magnetisch geschaltet, die an dem jeweiligen
Kernende angeordnet sind und die aus einen Material mit einer hohen
magnetischen Permeabilität sind,
die den gemeinsamen, im wesentlichen axialen Hauptmagnetfluß schließen, der
durch die jeweiligen Hauptwicklungen durch alle Kerne erzeugt wird,
und die die Haupt-Magnetfluß-Pfade
zwischen allen Kernen bilden.
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Eine Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines
Gleichstroms durch die Steuerwicklungen, die in Reihe geschaltet
sind, ist vorzugsweise durch ihre Anschlüsse 6 bzw. 7,
in 1, geschaltet, wobei
diese Schaltungen natürlich
auf verschiedenen Schichten der Steuerwicklungsplatten durchgeführt werden, die
gegenseitig isoliert sind, sodass der Strom von einer dieser Schaltungen
und dann durch alle Steuerwicklungen in der gesamten Steuerwicklung,
die in Reihe geschaltet sind, und dann zurück zu der anderen der Schaltungen
fließt.
Der Steuerstrom in der Steuerwicklung 3, 4 wird
einen Magnetfluß erzeugen, der
tangential und transversal zu dem Haupt-Magnetfluß gerichtet
ist, der durch die Hauptwicklung in dem jeweiligen Kern erzeugt
wird und auf diese Weise die Permeabilität davon für den Längs-Magnetfluß der Hauptwicklung
reduziert. Dementsprechend kann durch Erhöhen des Stroms in der Steuerwicklung
die Permeabilität
des Kerns reduziert werden und dadurch kann die Induktivität des Induktors
reduziert werden. Dies ist das Hauptprinzip gemäß dem ein steuerbarer Induktor
dieses Typs funktioniert. Typische Stromstärken des Steuerstroms und der Spannung über die
Hauptwicklung sind 100–500
A bzw. 1–400
kV.
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In 2 ist
veranschaulicht, wie die Steuerbarkeit eines Induktor des in 1 gezeigten Typs gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung realisiert werden kann, und es wird gezeigt, dass
die drei Steuerwicklungen 3 des jeweiligen Kerns, und dadurch
für die
jeweilige Phase Hauptwicklung 1, miteinander in Reihe geschaltet
sind und an eine gemeinsame steuerbare Gleichspannungsquelle 8 angeschlossen
sind. Alle drei Phasen, oder genauer die Kerne, sind zusätzlich dazu
mit einer zweiten Steuerwicklung 9 versehen, die im wesentlichen
axial dadurch verläuft
und die von der ersten Steuerwicklung, die in Reihe geschaltet ist,
getrennt ist und für
sich an eine steuerbare Gleichspannungsquelle 10 zur individuellen
Steuerung des Steuerstroms darin unabhängig von der Steuerung des Steuerstroms
in den Steuerwicklungen angeschlossen ist, die in Reihe geschaltet
sind. Es ist die magnetische Permeabilität in dem jeweiligen Kern, die durch
Variieren des Steuerstroms dadurch reguliert wird, und es ist in 3 veranschaulicht, wie die
Permeabilität
P mit ansteigenden Steuerstrom I abnimmt, wobei innerhalb
eines ersten größeren Bereichs,
der mit dem längeren
Pfeil 11 angezeigt wird, die Permeabilität bestimmt
ist, durch Variieren des Steuerstroms durch die Steuerwicklung reguliert
zu werden, die in Reihe geschaltet ist, in dem durch die Spannung
des Netzwerks induzierte Spannungen einander auslöschen, und
eine individuelle Regulierung der Permeabilität ist bestimmt, innerhalb eines kleineren
Bereichs aufzutreten, der durch den kürzeren Pfeil 12 angezeigt
ist, und diese individuelle Regulierung verursacht derartig induzierte
Spannungen in der jeweiligen zweiten Steuerwicklung. Eine bedeutend
geringere Zahl von Wicklungswindungen in der zweiten Steuerwicklung
als in der ersten bedeutet geringe induzierte Wechselspannungen,
sogenannte Brummspannungen, mit einer Frequenz, die zweimal die
Grundfrequenz des Netzwerks in der zweiten Steuerwicklung ist. Der
Pfeil 12 kann tatsächlich durch
einen Doppelpfeil ersetzt werden, der in die entgegengesetzte Richtung
von der gestrichelten Linie an dem Ende des Pfeils 11 zur
schnellen Regulierung der Permeabilität in dem jeweiligen Kern durch Plus-
oder Minus-Einfluss
durch eine zweite Steuerwicklung gerichtet ist. Die zweite Steuerwicklung
wird im Allgemeinen nur zur Regulierung in die Richtung der Permeabilitätsreduktion
verwendet, um nicht unnötige
Wärmeverluste
in den Steuerwicklungen zu erzeugen.
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In 4 ist
gezeigt, wie eine steuerbare Gleichspannungsquelle 10 an
eine Steuerwicklung 9 zur Regulierung der Permeabilität eines
Kerns in einem steuerbaren Induktor des vorstehend diskutierten
Typs angeschlossen ist. In 5a ist
weiterhin veranschaulicht, wie der Steuerstrom I sich über die Zeit
t in Abhängigkeit
der Spannung U ändert,
die über
die Steuerwicklung durch die Gleichspannungsquelle 10 in
dem Fall einer unipolaren Gleichspannungsquelle geschaltet ist.
Es wird klar, dass ein Anstieg des Steuerstroms schneller sein wird
als eine Abnahme, sodass die Anpassungsfähigkeit an einen gewünschten
Steuerstrompegel 13 bei einem Wunsch zur Reduktion des
Steuerstroms, der maßgebend
ist, wenn dieser erhöht
werden muss, geringer sein wird.
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In Fig. 5b ist
jedoch veranschaulicht, was in dem Fall einer bipolaren Gleichspannungsquelle 10, wie
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, passiert, sodass das Vorzeichen der über die Steuerwicklung
angelegten Spannung, wenn gewünscht,
umgekehrt werden kann, und es wird aus diesem Diagramm klar, dass
eine derartige Möglichkeit
zur Umkehrung der Spannung über
die Steuerwicklung, bis der Steuerstrom auf einen gewünschten
Pegel 13 reduziert wurde, zu einer Regulierungsgeschwindigkeit
für den
Steuerstrom führt,
die so hoch aufwärts
wie abwärts
ist. Eine derartige bipolare Gleichspannungsquelle kann an die zweiten
Steuerwicklungen 9 und/oder an die ersten Steuerwicklungen 3 angeschlossen
sein, die in Reihe geschaltet sind.
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Der Erfindung ist natürlich in
keinerlei Weise auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern dem Fachmann werden viele Möglichkeiten für Modifikationen davon
klar sein, ohne die Grundidee der Erfindung zu verlassen.