NO317045B1 - Magnetisk pavirkbar strom- eller spenningsregulerende anordning - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en magnetisk påvirkbar strøm- eller spenningsregulerende anordning som angitt i krav 1.

Den foreliggende oppfinnelse er særlig egnet som spennings- eller strømregulator innenfor området av kraftelektronikk, selv om slik anvendelse på ingen måte skal oppfattes som begrensende for den foreliggende oppfinnelses anvendelse.

Den foreliggende oppfinnelse kan innenfor området av kraftsystemer for eksempel anvendes i forbindelse med regulering av høyspenningsinngang i store likerettere, hvor fordelen vil være full utnyttelse av en diodelikeretter over hele spenningsområdet. Videre kan oppfinnelsen tenkes anvendt i forbindelse med myk-start av høyspenningsmotorer. Oppfinnelsen egner seg også godt innenfor spenningsregulering for kraftlinjer. Videre er det tenkelig å kunne anvende oppfinnelsen for DC-DC omformere, og likeledes som diode i kraftlikeretter, som bryter i frekvensomformer og i enkelttilfelle som en transformator.

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk vil fremgå av det vedlagte selvstendige patentkrav 1, samt det uselvstendige krav 2. Fig. 1-4 viser en første utførelsesform av en magnetisk påvirkbar strømregulator, der fig. 1 viser regulatoren delvis i snitt, fig. 2 viser regulatoren sett fra siden, fig. 3 viser snittet I1I-III og fig. 4 viser snittet IV-IV. Fig. 5-9 viser en magnetisk påvirkbar spenningsomformer, der fig. 5 viser omformeren delvis i snitt, fig. 6 viser omformeren sett fra siden, fig. 7 viser et riss tilsvarende det på fig. 5, fig. 8 viser snittet VIII-VIII og fig. 9 viser snittet IX-IX. Fig. 10-13 viser en ennu ytterligere utførelsesform av en magnetisk påvirkbar strømregulator, der fig. 10 viser løsningen sett delvis i snitt, fig. 11 viser regulatoren sett fra siden, fig. 12 viser regulatoren sett ovenfra, fig. 13 viser snittet XIII-XIII og fig. 14 viser snittet XIV-XIV.

Strømregulatoren er uten bevegelige deler for opptagelse av elektrisk spenning mellom en generator og en last. Funksjonen til regulatoren er å kunne styre strømmen mellom generatoren og lasten fra 0-100% ved bruk av en liten styrestrøm. En annen funksjon vil være som en ren strømbryter. En ytterligere funksjon vil kunne være forming av spenningskurve.

Den nye teknologien, ifølge oppfinnelsen, vil kunne anvendes til oppgradering av eksisterende diodelikeretter der det er behov for regulering. I forbindelse med 12-puls eller 24-puls likerettersystemer, vil en på en enkel måte kunne balansere spenninger i systemet og samtidig ha styrbar diodelikeretting fra 0-100.

Prinsippet for den nye regulatoren er basert på at magnetiseringsstrøm i en elektrisk leder som er omsluttet et ferromagnetisk materiale begrenses av reluktansen ifølge Faraday's lov. Fluksen som må settes opp for å generere motindusert spenning avhenger av Teluktansen i det magnetiske materialet som omslutter lederen.

Magnetiseringsstrømmens størrelse bestemmes av hvor stor fluks som må settes opp for å balansere påtrykt spenning.

Generelt gjelder stasjonært for sinusformet spenning:

1) Fluks:

der fluksen gjennom det magnetiske materialet bestemmes av spenningen. Strømmen som må til for å sette opp nødvendig fluks er bestemt av: 1) Strøm 3) Reluktans (fluksmotstandj

Ved lav reluktans (omslutning av jern) vil det ifølge uttrykket 2) ovenfor behøves liten strøm for å sette opp nødvendig fluks, og tilført spenning vil legge seg over regulatoren. Ved høy reluktans (luft) vil det derimot kreves stor strøm for å sette opp Ødvendig fluks. Strømmen vil i dette tilfellet da begrenses av spenningen over lasten og den spenning som induseres i regulatoren. Forskjellen mellom reluktans i luft og reluktans i magnetisk materiale kan være i størrelsesorden 1.000- 900.000.

Den magnetiske induksjon eller flukstettheten i et magnetisk materiale bestemmes av materialets relative permeabilitet og av den magnetiske feltstyrken. Den magnetiske feltstyrken genereres av strømmen i en vikling anordnet rundt eller gjennom materialet.

For de systemer som skal vurderes gjelder følgende:

Feltstyrken

Flukstetthet:

Forholdet mellom magnetisk induksjon og feltstyrke er ulineært, slik at når feltstyrken øker over en viss grense, så vil ikke flukstettheten øke og vi har dermed et metningsfenomen som skyldes at de magnetiske domener i et ferromagnetisk materiale er i en tilstand av metning. Det er således ønskelig å tilveiebringe et styrefelt H2 som er vinkelrett på et arbeidsfelt Hl i det magnetiske materialet, i den hensikt å urnngå magnetisk kobling mellom de to feltene og dermed å unngå transformatorisk kobling. Ved å anordne det magnetiske materialet som et rør hvor den vikling som fører arbeidsstrømmen ligger inne i røret og hvor den vikling som fører styrestrømmen er viklet om omkretsen av røret, oppnås det tilsiktede. Dermed oppnås også et lite areal for styrefluksen og et stort areal for arbeidsfluksen,

bestemt av rørdimensjonene.

Arbeidsfluksen vil gå sirkulært i retning langs rørets omkrets og ha en sluttet magnetisk krets. Styrefluksen, derimot vil gå i rørets langsgående retning og må kobles i en sluttet magnetisk krets, enten ved at to rør legges parallelt og et magnetisk materiale kobler styrefluksen mellom de to rørene, eller ved at et første rør legges omkring et andre rør, slik at styreviklingen blir beliggende mellom de to rørene, og endeflatene på rørene kobles magnetisk til hverandre, hvorved oppnås en lukket bane for styrefluksen. Disse løsninger skal nærmere beskrives senere.

Den totale fluks i materialet er gitt ved

Flukstettheten B sammensettes av vektorsummen av B 1 og B2. B 1 genereres av strømmen II i en leder Pl, og Bl har retning tangensielt på lederen Pl. Pl har NI vindinger gjennom magnetmaterialet.

B2 genereres av strømmen 12 i en styrevikling P2 med vindingstall N2 og der

styreviklingen er omspunnet magnetmaterialet. B2 vil ha retning tangensielt på P2.

Siden viklingene P 1 og P2 er plassert 90° i forhold til hverandre, vil B 1 og B2 bli ortogonalt beliggende. I magnetmaterialet vil B 1 være orientert transversalt og B2 longitudinalt. I denne forbindelse kan det særlig vises til det som fremgår av fig. 1-4.

Det tas som fordel at den relative permeabilitet er den samme i langsgående og tangensielt retning, dvs. at magnetmaterialet er isotropt, men dette skal selvsagt ikke oppfattes som noen begrensning med hensyn til oppfinnelsens omfang.

Vektorsummen av feltene vil bestemme den totale metning i materialet, og vil være bestemmende for magnetiseringsstrømmen og den spenning som deler seg mellom lasten og regulatoren. Ettersom kildene for B 1 og B2 vil stå ortogonalt på hverandre, vil ingen av feltene kunne dekomponeres til det andre. Dette betyr at B 1 ikke kan være en funksjon av B2, og omvendt. Men B som er vektorsummen av B

1 og B2 vil påvirkes av størrelsen av hver av disse.

B2 er den vektor som genereres av styrestrømmen. Tverrsnittsflaten for B2 vektoren vil være magnetmaterialets flate på tvers, fig. 2. Dette er en liten flate som begrenses av tykkelsen til det magnetiske materialet, gitt ved flatesektoren mellom indre og ytre diameter på materialet. Tverrsnittsflaten for B 1 feltet er derimot gitt ved lengden av lederen og dimensjoneringen mot påtrykt spenning. Denne flaten vil kunne være 10-100 ganger større enn flaten for styreflukstettheten B2. Når B2 er på metningsnivå vil ikke en endring av Bl medføre endring av B. Dermed kan man styre ved hvilket nivå på B 1 som gir metning av materialet, og dermed styre reluktansen til B.

Induktansen for styreviklingen N2 vil kunne dimensjoneres til en liten verdi som passer til pulset styring av regulatoren, dvs. at det kan tilveiebringes en hurtig reaksjon (i størrelsesorden millisekunder).

Oppfinnelsen skal nå nærmere beskrives under henvisning til de vedlagte tegninger. Det vil forstås at bade regulatoren og transformatoren kan produseres ved hjelp av tilpassede produksjonsutstyr for kabel. Produksjonsteknisk vil transformatoren kunne produseres ved at metallisk glass spinnes rundt dertil egnede isolerte rør av materiale som tåler utglødning av metallisk glass etter oppspinning, dvs. i temperaturområdet ca. 400°C.

Utførelsesformen på fig. 1-4 skal nå nærmere forklares.

Det foreligger to parallelle rør 11, 12 av varmebestandig, elektrisk isolerende materiale der metallisk glass 13, 14 er spunnet rundt respektive rør, 11, 12. En elektrisk isolert leder 15, også angitt med henvisningen Pl er ført kontinuerlig i en bane gjennom det første røret og det andre røret n antall ganger, der n = 1, ... r, idet lederen 15 løper i motsatt retning gjennom de to rørene, slik det tydelig vises på fig. 1. Selv om det kun er vist at lederen 15 løper gjennom det første røret og det andre røret to ganger, skal det umiddelbart forstås at det er mulig å la lederen løpe gjennom respektive rør enten kun en gang eller eventuelt flere ganger. En kombinert styre- og magnetiseirngsvikling 16, 16' er viklet rundt henholdsvis det første røret og det andre røret, og slik at feltretningen som dannes på nevnte rør vil være motsatt rettet, slik som angitt med pilene for feltet B2. En magnetfeltkobler 17, 18 er anordnet ved respektive rørs 11,12 ender for å koble rørene feltmessig til hverandre i en sløyfe. Lederen 15 vil kunne føre en strøm 12.

Løsningen på fig. 5-9 avviker fra det som er vist på fig. 1-4 i realitet kun ved at det i stedet for en enkelt isolert leder som er ført gjennom rørene anvendes to separate motsatt rettede ledere, såkalt primærledere og sekundærleder for derved å oppnå en magnetisk påvirkbar spenningsomformerfunksjon. Oppbygningen tilsvarer i utgangspunkt det som er vist på fig. 1-4. Metallisk glass 13, 14 er spunnet rundt to respektive, parallelle rør 11, 12 av varmebestandig, elektrisk isolerende materiale. En elektrisk isolert primærleder 10 er ført kontinuerlig i en bane gjennom det første røret og det andre røret m antall ganger, der m = 1 , .... r, idet primærlederen løper i motsatt retning gjennom de to rørene. En elektrisk isolert sekundærleder 20 er ført kontinuerlig i en bane gjennom det første røret og det andre røret n antall ganger, der n = 1,... r, idet sekundærlederen løper i motsatt retning i forhold til primærlederen gjennom de to rørene. Minst en kombinert styre- og magnetiseringsvikling er viklet rundt henholdsvis det første røret og det andre røret, slik at feltretningen som dannes på nevnte rør er motsatt rettet. Slik som for utførelsesformen ifølge fig. 1-4 er magnetfeltkoblere 17, 18 anordnet ved respektive rørs ende for å koble rørene feltmessig til hverandre i en sløyfe. Selv om primærlederen og sekundærlederen for enkelhets skyld på tegningene er vist med kun en føring gjennom respektive rør, vil det umiddelbart forstås at både primærlederen og sekundærlederen vil kunne føres gjennom respektive rør henholdsvis m antall Banger og n antall ganger. Rørenes 11, 12 lengde og diameter vil være bestemt ut fra størrelsen som transformatoren skal ha. For en transformator med et omsetningsforhold lik 1:10, vil en i praksis bruke ti ledere som primærledere og kun en sekundærleder. Transformatoren kan i et slikt tilfelle være utformet som en dobbeltkabel av passende lengde.

Slik som vist på fig. 10-14 kan regulatoren også konstrueres tilnærmet som en dobbeltkabel, der magnetisk ledende koblingsstykker med passende mellomrom på kabelen kobler styrefluks fra styTevikling som er omspunnet det magnetiske materialet og som metter lengder av kabelen.

Slik som for utførelsen vist på fig. 1-4 er det også her spunnet metallisk glass rundt to parallelle rør 11, 12 av varmebestandig, elektrisk isolerende materiale. En elektrisk isolert leder 21 som primærvikling er ført kontinuerlig i en bane gjennom det første røret og det andre røret n antall ganger, der n = 1 ,.... r, idet lederen løper i motsatt retning gjennom de to rørene. Minst to sekundærviklinger 22, 23 og 24, 25 er med mellomrom viklet rundt henholdsvis det første røret 11 og det andre røret 12. Feltretningen som dannes på de nevnte rør vil være innbyrdes motsatt rettet. Magnetfeltkoblere 26, 27 er anordnet mellom rørene ved deres respektive ender, samt at det foreligger slike koblere 28 ved nevnte mellomrom for feltmessig å koble rørene til hverandre. Det vil således forståes i denne sammenheng at primærvikleren 21 danner en primær strømleder, og at sekundærviklingene 22-25 danner styre- og magnetiseringsviklinger. Ved på denne måte å gjøre bruk av flere sekundærviklinger, oppnås en finere strømreguleringsmulighet enn det som normalt vil være tilstede med kun en vikling omkring hvert rør.

Claims (2)

1. Magnetisk påvirkbar strøm- eller spenningsregulerende anordning, omfattende et første og et andre rør (11,12) av et magnetisk materiale, og to viklinger, heretter kalt arbeidsvikling (Pl) og styrevikling (P2), hvor arbeidsviklingen er viklet om i det minste ett av rørene slik at arbeidsfluksen har en sluttet magnetisk krets, og hvor viklingsaksen for styreviklingen er rettvinklet til viklingsaksen for arbeidsviklingen med den hensikt å tilveiebringe ortogonale magnetiske felter i legemet og derved å styre det magnetiserbare materialets oppførsel i forhold til feltet arbeidsviklingen ved hjelp av feltet i styreviklingen, omfattende magnetfeltkoblere (17, 18, 26, 27, 28) for magnetisk kobling av endeflatene i det første rør med endeflatene i det andre rør for å tilveiebringe en sluttet magnetisk krets for styrefluksen, karakterisert ved at rørene (11, 12) er parallelle og er anordnet ved siden av hverandre.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at styreviklingen omfatter minst to sekundære viklinger (22, 23, 24, 25) som med mellomrom er viklet rundt henholdsvis det første (11) og det andre røret (12), med den hensikt å oppnå en finere strømreguleringsmulighet for anordningen.