NO310670B1 - Utjevner som er utfört med Z-koplede viklinger - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en utjevner som er utført med Z-koplede viklinger og er beregnet for bruk i en kraftforsyningsenhet for å tillate forbedring av balansen i et elektrisk trefasesystem, hvorved utjevneren virker for eksempel som et filter, og, når den benyttes i en måleinnretning, for å tillate dannelse av et stabilt referansepunkt med hensyn til amplituden, fasen og frekvensen av elektriske størrelser i et trefasesystem.

Kraftforsyningsenhet er det uttrykk som benyttes spesielt i denne sammenheng for å betegne en innretning som er konstruert for å benyttes for manipulering av elektrisk effekt ved hjelp av transformasjon, overspenningsbegrensning og strømfordeling, etc, og uttrykket måleinnretning benyttes for å betegne en innretning som er konstruert for målingsformål i forbindelse med hvilke det ikke trekkes noen vesentlig effekt.

Det grunnleggende konsept for trefasesystemet krever at den elektriske krets er symmetrisk og inneholder rene sinusformede spenninger og strømmer. Det kreves at strømmene for dette formål passerer gjennom de tre separate faseledere, uten hensyn til om en nøytralleder er til stede eller ikke. I en asymmetrisk krets med en nøytralleder vil en strøm da bli oppnådd i nøytrallederen. En strøm vil også opptre i nøytrallederen under symmetrisk belastning med harmoniske oversvingninger av nullfasefølgenatur. Tilstedeværelsen av en eventuell strøm i nøytrallederen skaper problemer i trefasekretsen, hovedsakelig i form av

- spenningsasymmetrier,

- strømførende, avdekkede komponenter,

- tap i transformatorer og nøytralledere,

- magnetfelter, etc.

Dersom nullfølgestrømmen nå innkoples på faselederne, vil kretsen bli mer symmetrisk, og de forannevnte problemer vil også bli redusert i tilsvarende grad. Arrangementer for balansering av forskjellige typer av asymmetri i elektriske trefasekretser er tidligere vist og beskrevet. Ett eksempel på et slikt arrangement er beskrevet i SU 1206-881. Den tidligere kjente konstruksjon er basert på en tidligere kjent Z-kopling i hvilken kondensatorer er koplet i parallell med primærviklinger som er tilkoplet til faselederne i den elektriske trefasekrets. Z-koplingen er utført på tidligere kjent måte på en tripodekjerne, hvilket imidlertid er forbundet med visse ulemper. En åkstrøm er således allerede til stede under drift uten belastning, hvilken danner kontakt mellom forskjellige deler av åket utenfor selve jernkjernen. Med kretsen under asymmetrisk belastning opptrer det også forskjeller på grunn av det faktum at jernkretsene er forskjellige, og på grunn av at viklingene ikke er utført symmetrisk over jemlengdene til de respektive faser.

Asymmetrien i den tidligere kjente konstruksjon gir følgelig opphav til spredeflukser som øker under belastning, og et økende innhold av harmoniske oversvingninger.

Et liknende tidligere kjent arrangement er også beskrevet i SU 1504-725.

DE 2 155 903 beskriver en utjevner som er utført på en forskjellig måte. I dette tilfelle benyttes ikke noen Z-kopling, og hver fase har en separat magnetkjerne av konvensjonell konstruksjon. Antallet av sekundærviklinger i denne konstruksjon må svare til antallet av faser.

Arrangementet ifølge US 2 488 628 gir også mulighet for benyttelse av separate magnetkjerner for en utjevner. Fordelen sies å være forenklet transport ved håndtering av hver enhet individuelt. Generelt angitt innebærer imidlertid ikke driften av konstruksjonen noen endring.

En hovedformål med oppfinnelsen er å gjøre tilgjengelig en utjevner som tilveiebringer enda bedre balanse i en elektrisk trefasekrets enn hva som kan oppnås med tidligere kjent teknologi. Dette er mulig ved at utjevneren for hver fase i trefasesystemet omfatter en separat, toroideformet magnetkjerne på hvilken det er anordnet minst to innbyrdes elektrisk isolerte viklinger som er Z-koplet. Den nye utjevner er ment å virke både som induktor og som transformator. I det førstnevnte tilfelle omfatter denne to viklinger av sekundærviklingstypen på hver magnetkjerne, og i det sistnevnte tilfelle er den ene av viklingene på hver magnetkjerne av primærviklingstypen.

Ved at Z-koplingen er utført på tre separate jernkjerner, er konstruksjonen fullstendig symmetrisk for alle tre faser i kretsen. Symmetrien kan også forbedres ytterligere - der hvor to viklinger benyttes på hver kjerne - ved å bringe de to viklinger til å vikles samtidig og ensartet fordelt over hele jernkjemen. På denne måte minimeres spredefluksen, og nullfølgeimpedansen blir nesten fullstendig resistiv. Dette betyr at nullfølgeimpedansen er upåvirket av frekvensen, og at dens styrke er bestemt bare av evnen til å vikle spolene med grov tråd.

Det skal bemerkes at en Z-koplet transformator og en tripodekjerne gir et mindre magnetisk lekkasjefelt enn en ekvivalent transformator med en Y-kopling på sekundærsiden. Tre Z-koplede enfasetransformatorer reduserer da lekkasjefeltet ytterligere. En toroideformet kjerne gir et meget svakt lekkasjefelt, avhengig av fonnen på viklingene og valget av kjernemateriale. En trefasekopling av toroider gir et svakere lekkasjefelt enn ekvivalente énfase- og trefasetransformatorer. Tre toroideformede transformatorer i en Z-kopling kombinerer fordelene med toroiden og Z-koplingen.

Vesentlige særtrekk ved oppfinnelsen, som ikke er åpenbare ut fra det foregående, kan finnes i de avhengige krav.

De karakteriserende trekk og fordeler med oppfinnelsen skal beskrives nærmere nedenfor i forbindelse med foretrukne, illustrerende utførelser under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser utjevneren ifølge oppfinnelsen i tilknytning til en induktorkopling,

fig. 2 viser induktorkoplingen ifølge fig. 1 supplert med en ytterligere, åpen D-vikling til hvilken ytre impedanselementer kan tilkoples,

fig. 3 viser i skjematisk form UI-karakteristikken til et koplingsarrangement ifølge fig. 2,

fig. 4 viser én av flere transformatorkoplinger ifølge oppfinnelsen,

fig. 5 og 6 viser et koplingsarrangement delvis med kondensatorer i en Y-kopling, og delvis koplet som for en Z-induktor, og

fig. 7 viser en kurve med hensyn til frekvensen for nullfølgeimpedansen for et koplingsarrangement ifølge oppfinnelsen.

I de forskjellige figurer på tegningene er like komponenter identifisert med de samme henvisningsbetegnelser.

Den på fig. 1 viste utjevner er koplet som en induktor i et ønsket punkt i en fordelingskrets med tre linje- eller ledningsfaser LI, L2 og L3. En belastning 10 er innkoplet mellom ledningsfasen LI og nøytrallederen N. Utjevneren er i det foreliggende tilfelle forsynt med tre fullstendig atskilte magnetkjerner 12, 14 og 16 som er fremstilt av jern. Magnetkjernene 12, 14, 16 er utført som separat anordnede toroider, og hver kjerne er forsynt med to elektriske viklinger 18, 20; 22, 24 og 26, 28. Viklingene på de respektive kjerner er helt isolert fra hverandre i elektrisk betydning og kan være anordnet konsentrisk (ikke vist på tegningen), i hvilket tilfelle de har ganske forskjellige impedanser. Den resistive ulikhet ved lave frekvenser er motvirket i den viste Z-kopling ved alltid å kople en ytre vikling, for eksempel 18, til en indre vikling 24. Ikke desto mindre gjenstår forskjellen i induktans. Både den resistive og den induktive del utbalanseres ved anvendelse av totrådsvikling. Øket spredefluks betyr også et resistivt tap, blant annet på grunn av strømforskyvning. På grunn av at magnetkjernene 12, 14, 16 er fullstendig atskilt, er det ingen magnetisk kopling mellom dem. Denne atskillelse betyr imidlertid at kravet om amperevindingsbalanse for hver kjerne 12, 14, 16 er meget høyt. En konstruksjon med separate kjerner og utstrakte viklinger oppfyller målsetningen om oppnåelse av minst mulig lekkasjefelt.

Den grunnleggende teori for ideen ifølge oppfinnelsen er basert på følgende forhold:

La oss anta at viklingene 18, 20; 22, 24 og 26, 28 har forskjellig antall vindinger:

Betingelsen for amperevindingsbalanse er således at Ni = N2, og at strømmene TA = TB = Ic, hvilket betyr atTF = 3 • IA.

En Z-koplet trefase-transformator/induktor som er utført i overensstemmelse med prinsippene for oppfinnelsen, kan også benyttes for spenningsbegrensning. Den induktorkopling som er vist på fig. 1, kan således suppleres som vist på fig. 2, med en ytterligere D-vikling 30, 32 og 34 på de respektive kjerner 12, 14 og 16. UI-karakteristikken i forbindelsespunktet ifølge den grafiske fremstilling på fig. 3 kan varieres ved hjelp av dette. Kurven til venstre i den grafiske fremstilling viser forholdene når den ekstra D-vikling er innkoplet, og kurven til høyre viser forholdene uten en ekstra D-vikling. Dette kan utnyttes både for elektrisk fordeling og for elektrisk effektgenerering, for eksempel i forbindelse med kondensatormagnetiseringen av en asynkronmaskin. I dette tilfelle tilveiebringer den Z-koplede induktor et krets-nøytralpunkt og lastbalansering, i tillegg til overspenmngsbeskyttelse. Når utjevneren benyttes for spenningsbegrensning av denne type, er dens frekvensegenskaper bestemt av utformingen av viklingen og kjernen.

En Z-koplet tripodetransformator er normalt viklet med 15 % ekstra viklingsomløp på grunn av fasestillingen av viklingsspenningen. Dersom tre separate énfasetransformatorer er Z-koplet i et toroidemønster for å danne en trefasetransformator, kan denne fremdeles magnetiseres til full spenning uten behov for ytterligere viklingsomløp. Dette er på grunn av at spenningskomponentene deformeres på samme tid som den summerte spenning over viklingene er sinusformet. Dette betyr at en transformator som er utført i overensstemmelse med prinsippene for oppfinnelsen, kan gis et mindre antall viklingsomløp, men med en viss økning i oversvingningsinnholdet av magnetiseringsstrømmen. Denne virkning kan utnyttes delvis til å redusere omkostningene for en Z-transformator/induktor og delvis for overspenningsbegrensning.

Metoden for vikling av toroidetransformatorer tillater benyttelse av et kjernemateriale som ikke er i plateform eller sammenføyd form. Massive kjerner kan også benyttes. Kjerner av ferritt, etc., som har meget gode høy frekvensegenskaper, kan med fordel benyttes i interferensfiltre.

Primærviklingen i trefasetransformatoren kan være D-, Y- eller Z-koplet. Sekundærsiden er imidlertid alltid av Z-koplet utførelse, slik at den er symmetrisk og har lav impedans. Den transformatorkopling som er vist som eksempel på fig. 4, har en D-koplet primærside og en Z-koplet sekundærside. En vanlig, begrenset kortslutningsstrøm vil bli oppnådd dersom primær- og sekundærviklingene er utført separat. Fordelene med dette er at kortvarige overspenninger kan behandles på primærsiden uten at spenningene på sekundærsiden økes over begrensningsnivået.

Dersom en Z-koplet induktor tilkoples ved enden av en elektrisk krets, vil en bedre balanse bli oppnådd i tilfelle av énfase- og tofase-kortslutning langs lengden av ledningen. Dette betyr en utbalansering eller utjevning av spenninger og strøm-variasjoner.

Én utførelse av en Z-koplet trefase-transformator/induktor med separate, toroideformede magnetkjerner medfører at de tre faser under tomgangsdrift er fullstendig symmetriske med hensyn til spenning, strøm, effekt og effektfaktor. Ved benyttelse av separate magnetkjerner er effektfaktoren og den nominelle spenning også vesentlig høyere enn ved benyttelse av en tripodekjerne.

Det er vanlig å måle nullpunktspenningen ved benyttelse av Y-koplede impedanselementer, induksjonsspoler, motstander og kondensatorer. En Z-induktor som består av tre énfasereaktorer som er utført i overensstemmelse med prinsippene for oppfinnelsen, oppviser ikke desto mindre en nullfølgeimpedans som er vesentlig lavere enn dens plussfølgeimpedans. Utførelsen kan være

i form av en reaktor (fig. 1, men uten belastningsimpedans (10)),

som en transformator (for eksempel i overensstemmelse med fig. 4),

dessuten kombinert med kondensatorer i overensstemmelse med fig. 5 og 6.

I koplingen ifølge fig. 5 opptar kondensatorene 38, 40, 42 en del av grunntonespenningen, og reduserer således størrelsen av kjernen.

På fig. 6 kompenserer kondensatorene 38', 40', 42' for den økende lekkasjeinduktans ved meget høye frekvenser.

Nullfølgeimpedansen anses tradisjonelt for å være induktiv (Z0 = X0). Nullfølgeimpedansen består generelt delvis av egenskapene til den viklede spole og delvis av de induktive egenskaper til kjernen (sammenlikn med den induktive del av magnetiseringsstrømmen i en strømtransformator). Z-koplingen tilveiebringer en utbalansering av strømmen mellom viklingene. Jo bedre koplingen mellom viklingene er, jo mindre kjerne benyttes. En god kopling oppnås dersom viklingene er viklet i totrådskonfigurasjon. Toroideviklingens evne til å tilveiebringe et lavt lekkasjefelt har den virkning at den reduserer delvis den direkte lekkasjeinduktans og delvis supplementet fra kjernen. Ved å Z-kople tre toroidekjerner i en trefasekopling som utnytter de forannevnte egenskaper, oppnås en meget flat frekvenskarakteristikk for nullfølgeimpedansen. Dette kan innses ut fra den grafiske fremstilling på fig. 7 hvor Zg angir grunntoneimpedansen, f0 angir grunntonefrekvensen og fm angir frekvensen ved minimumsverdien av Z0.

Impedansen ved grunntonefrekvensen er nesten bare resistiv, og reaktansen endrer seg langsomt etter hvert som frekvensen øker. Endringshastigheten avhenger av måten for utførelse av viklingen og kjernen. Det kan innses ut fra den grafiske fremstilling at et minimumspunkt oppnås, hvilket betyr at nullfølgeimpedansen for tredje toner er lavere enn for grunntonen. Den Z-koplede toroide-transformator/reaktor tillater nullfølgeimpedansen å være i hovedsaken resistiv innenfor et bredt frekvensområde. Den resistive del av nullfølgeimpedansen består da primært av viklingens motstand. Det resistive frekvensområde kan utvides ytterligere ved tilføyelse av kondensatorene som er vist på fig. 6.

Mellomspenninger kan opptre i tilfelle av faseavbrytelse i et normalt elektrisk trefase-fordelingsnett som inneholder asymmetriske belastninger - énfasede eller tofasede. I tilfelle av kontakt til jord i trefasenettet opptrer en økt spenning til jord i eventuelle ikkejordede faseledere under bruddtiden. Det utvidede jordingssystem kan resultere i at en spenning påtrykkes mellom forskjellige jordede deler av systemet, f.eks. vannrøravløp og vannrørbeskyttende jordforbindelser, etc. Sett fra synspunktet med elektrisk sikkerhet betyr utjevning ved hjelp av utjevneren ifølge oppfinnelsen at asymmetriske strømmer mates tilbake til trefasenettets faser så nær asymmetripunktet som mulig. En utførelse av utjevneren som transformator eller reaktor betyr at nullfølgeimpedansen er markert resistiv av natur, og at det ytre magnetfelt som et resultat er lite.

Et trefasenett som utnytter utjevneren ifølge oppfinnelsen, vil oppføre seg mer symmetrisk under varierende belastninger, forstyrrelser, inn- og utkopling og fasetap, etc. Dette betyr færre forstyrrelsesproblemer i form av vagabonderende strømmer, magnetfelter, overspenninger og overbelastninger i null-ledere og lederskinner. Individuelle botemidler for disse problemer ble funnet tidligere, uten hensyn til systemet som helhet.

Claims (10)

1. Utjevner som er utført med Z-koplede viklinger og er beregnet for bruk i en kraftforsyningsenhet for å tillate forbedring av balansen i et elektrisk trefasesystem, hvorved utjevneren virker for eksempel som et filter, og, når den benyttes i en måleinnretning, for å tillate dannelse av et stabilt referansepunkt med hensyn til amplituden, fasen og frekvensen av elektriske størrelser i et trefasesystem, karakterisert ved at utjevneren for hver fase i trefasesystemet omfatter en separat, toroideformet magnetkjerne (12, 14, 16) på hvilken det er anordnet minst to innbyrdes elektrisk isolerte viklinger (18, 20; 22, 24; 26, 28) som er Z-koplet.

2. Utjevner ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter to viklinger (20, 30; 24, 32; 28, 34) av sekundærviklingstypen på hver magnetkjerne (12, 14, 16), i forbindelse med hvilke utjevneren er beregnet å virke som reaktor.

3. Utjevner ifølge krav 1, karakterisert ved at den ene av viklingene på hver magnetkjerne (12, 14, 16) er av primærviklingstypen, i forbindelse med hvilken utjevneren er beregnet å virke som transformator.

4. Utjevner ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at magnetkjernene (12, 14, 16) er homogene.

5. Utjevner ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at magnetkjernene (12, 14, 16) er ferrittkjerner.

6. Utjevner ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at viklingene er anordnet på hver magnetkjerne (12, 14, 16) med et mellomrom mellom viklingene.

7. Utjevner ifølge ett av kravene 3-6, karakterisert ved at primærviklingene på de tre magnetkjerner (12, 14, 16) er beregnet for D-, Y- eller Z-kopling.

8. Utjevner ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at viklingene er anordnet i en totrådskonfigurasjon på hver magnetkjerne (12, 14, 16).

9. Utjevner ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at viklingene er ensartet fordelt langs hele utstrekningen av hver magnetkjerne (12, 14, 16).

10. Utjevner ifølge ett av kravene 1-9, karakterisert ved at viklingene på hver magnetkjerne (12, 14, 16) er anordnet konsentrisk i forhold til hverandre.