NO324270B1

NO324270B1 - Autotransformatoranordning med magnetisk luftgap anvendt med magnetisk styrbar induktor

Info

Publication number: NO324270B1
Application number: NO20054427A
Authority: NO
Inventors: Kjell Hystad
Original assignee: Magtech As
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-09-17
Also published as: NO20054427L; WO2007035110A1; WO2007035110A9; NO20054427D0

Abstract

Oppfinnelsen angår et system for spenningsstabilisering og reduksjon av total harmonisk forstyrrelse i kraftoverføringslinjer, som for hver fase omfatter: en autotransformator (A) med en serievikling (7) og en parallellvikling (4), hvor serieviklingen (7) er koblet mellom en inngangsspenning Uinn og en utgangsspenning Uut; en magnetisk styrbar induktor (B) omfattende en hovedvikling (2) viklet rundt en kjerne og en styringsvikling (3) viklet rundt kjernen, hvor styringsviklingen (3) er tilpasset for å danne et magnetisk felt hovedsakelig vinkelrett på feltet dannet av hovedviklingen (2), for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren (B); hvor parallellviklingen (4) hos autotransformatoren er koblet mellom inngangsspenningen Uinn og hovedviklingen (2) hos den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor den andre terminalen av hovedviklingen (2) er koblet til nøytralpunktet. Systemet omfatter videre en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen hos autotransformatoren. Magnetiseringsinduktansen kan bli tilveiebrakt av et magnetisk luftgap i kjernen hos autotransformatoren. Alternativt kan magnetiseringsinduktansen være tilveiebrakt av en separat induktor koblet i parallell med parallellviklingen (4) hos autotransformatoren.

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen angår fremgangsmåter og systemer for spenningsstabilisering. Mer spesifikt angår oppfinnelsen fremgangsmåter og systemer som anvender en variabel induktans for å kompensere for spenningsvariasjoner som kan oppstå i kraftledninger, og å redusere den totale harmoniske forstyrrelsen i kraftforsyningen.

Bakgrunn

Underdimensjonerte ledninger for elektrisk kraftoverføring, også henvist til som "svake linjer", har et for lite ledertverrsnitt i forhold til lastkravene og en relativt høy motstand. Urimelige spenningsfall vil være et resultat av tapene forårsaket av de underdimensjonerte lederne. Det urimelige spenningsfallet resulterer i utilstrekkelige spenningsnivåer for den elektriske effekten koblet til linjene.

En transformator er en statisk enhet som forsyner en utgangsspenning bestemt av antallet viklinger på primær- og sekundærsidene, dvs. transformatorforholdet. Et fast transformatorforhold kan resultere i en spenning som er for lav, (dvs. en underspenning) når lasten er for høy, og en spenning som er for høy (dvs. et overspenningsforhold) når lasten er for lav. Siden lasten hele tiden er avhengig av de høyt varierende behovene hos individuelle forbrukere av elektrisk kraft er transformatorer med fast transformatorforhold ofte upassende for å betjene en dynamisk last hos svake linjer.

Det lave spenningsnivået kan bli kompensert for ved økning av spenningen i trinn ved transformatoren som forsyner linjen. I én slik kjent løsning styres spenningsnivået ved hjelp av en trinnkobler hos transformatoren som er koblet til den individuelle fasen på stedet hvor spenningen når et uakseptabelt lavt nivå.

En annen tilnærming omfatter erstatning av eksisterende linjer med nye linjer med et større tverrsnitt og tilsvarende lavere resistive tap.

I en annen kjent løsning for spenningsregulering anvendes en mekanisk styrt variak (dvs. en transformator med varierbart transformatorforhold) sammen med en transformator. Imidlertid anvendes mekanisk styrte variaker i det vesentlige ikke lenger, fordi de mekaniske komponentene krevde hyppig vedlikehold.

WO 2004/053615, hvor innholdet i denne herved innlemmes ved referanse, beskriver et system for spenningsstabilisering av kraftlinjer. En tilnærming på dette systemet er illustrert i fig. 1, som viser en autotransformator A (indikert med stiplede linjer) med en serievikling 7, i serie med inngangsspenningen Uin og utgangsspenningen Uout, og en parallellvikling 4, parallell til serieviklingen 7. Systemet omfatter videre en varierbar induktor B (indikert ved stiplede linjer) som er koblet til autotransformatoren, og et styringssystem for å styre induktansen til den variable induktoren B. Den variable induktoren B omfatter en magnetisk kjerne, en hovedvikling 2 viklet rundt en første akse, og en styringsvikling 3 viklet rundt en andre akse vinkelrett på den første aksen. Når hovedviklingen og styringsviklingen hos den varierbare induktoren forsynes med energi, genereres ortogonale flukser i den magnetiske kjernen.

Dette spenningsstabiliseringssystemet kompenserer automatisk for spenningsvariasjoner i kraftforsyningslinjen hvortil den er koblet. I publikasjonen ovenfor utføres permeabilitetsstyring ved bruk av ortogonale felter og den utføres ikke ved hjelp av parallelle felter som legges til eller trekkes fra.

I et trefasesystem kan det ovenfor nevnte systemet anvendes for dynamisk styring av hver fase individuelt for å korrigere for spenningsfall.

Det har vært flere eksperimenter med systemet ovenfor. En har funnet at systemet produserer en stor harmonisk forstyrrelse på utgangsspenningen. I enkelte tester ble den totale harmoniske forstyrrelsen THD funnet å være tilnærmet 40 %. Den europeiske standarden EN50160 "Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems" setter blant annet et maksimalt nivå på THD som er langt under dette resultatet (tilnærmet 8 %).

Videre viste eksperimentene ved systemet ovenfor også en litt redusert effektfaktor PF, som er et mål på faseforskjellen mellom spenningen og strømmen hos systemet. PF henvises ofte til som cosinus cp, og, selv om det ikke alltid er oppnåelig, er en cos cp nær 1 ønskelig for det meste av elektroteknisk utstyr.

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system for spenningsstabilisering, som anvender en variabel induktans for å kompensere for spenningsvariasjoner som kan oppstå i kraftforsyningslinjer, og hvor ulempene ovenfor unngås.

Videre er det et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et system som har få og pålitelige komponenter. Et annet formål er å redusere den totale vekten til komponentene i det totale systemet.

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for spenningsstabilisering og reduksjon av total harmonisk forstyrrelse i kraftoverføringslinjer, som for hver fase omfatter: - en autotransformator A med en serievikling og en parallellvikling, hvor serieviklingen er koblet mellom en inngangsspenning Uin og en utgangsspenning Uout; - en magnetisk styrbar induktor B omfattende en hovedvikling viklet rundt en kjerne og en styringsvikling viklet rundt kjernen, hvor styringsviklingen er tilpasset for dannelse av et magnetisk felt hovedsakelig ortogonalt på feltet dannet av hovedviklingen, for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren B, hvor: - parallellviklingen hos autotransformatoren er koblet mellom inngangsspenningen Uin og en første terminal hos hovedviklingen hos den magnetisk styrbare induktoren B, hvor den andre terminalen til hovedviklingen er koblet til nøytralpunktet.

Oppfinnelsen er karakterisert ved at systemet omfatter en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen for autotransformatoren.

I en første foretrukket utførelsesform kan magnetiseringsinduktansen bli tilveiebrakt av et magnetisk luftgap i kjernen hos autotransformatoren.

I en andre foretrukket utførelsesform er magnetiseringsinduktansen tilveiebrakt av en separat induktor koblet i parallell med parallellviklingen til autotransformatoren.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for spenningsstabilisering og reduksjon av total harmonisk forstyrrelse i et kraftoverføringssystem, hvor systemet for hver fase omfatter: en autotransformator (A) med en serievikling (7) og en parallellvikling (4), hvor serieviklingen (7) er koblet mellom en inngangsspenning (Uin) og en utgangsspenning (Oout); en magnetisk styrbar induktor (B) omfattende en hovedvikling (2) viklet rundt en kjerne, og en styringsvikling (3) viklet rundt kjernen, hvor styringsviklingen (3) er tilpasset for dannelse av et magnetisk felt hovedsakelig ortogonalt på feltet dannet av hovedviklingen (2), for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor: parallellviklingen (4) hos autotransformatoren (A) er koblet mellom inngangsspenningen (Uin) og en første terminal hos hovedviklingen (2) hos den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor den andre terminalen til hovedviklingen (2) er koblet til nøytralpunktet. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den omfatter følgende trinn: styring av induktansen til en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen hos autotransformatoren.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av et eksempel illustrert i tegningene, hvor: Fig. 1 illustrerer et kjent system for spenningsstabilisering; Fig. 2 illustrerer en første utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 3 illustrerer en andre foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 4a-d illustrerer autotransformatoren med sin fysiske representasjon og tilsvarende "ideell transformator"-ekvivalent; Fig. 5a og 5b illustrerer fasekoordineringsdiagrammer av spenninger og strømmer i fig.1-3; Fig. 6 og 7 viser den fysiske konstruksjonen av autotransformatoren med og uten det magnetiske luftgapet. Fig. 1 er kort beskrevet i introduksjonen ovenfor, og viser én fase hos et spenningsstabiliseringssystem omfattende en autotransformator A med en serievikling 7 og en parallellvikling 4. Systemet omfatter videre en magnetisk styrbar induktor B omfattende en hovedvikling 2 og en styringsvikling 3.

Serieviklingen 7 er koblet mellom en inngangsspenning Uin og en utgangsspenning Uout. Parallellviklingen 4 er koblet mellom inngangsspenningen Uin og hovedviklingen 2 hos den magnetisk styrbare induktoren B. Den andre terminalen hos hovedviklingen 2 er koblet til nøytralpunktet.

Styringsviklingen 3 hos den styrbare induktoren B er tilpasset for å danne et magnetisk felt hovedsakelig ortogonalt på feltet anordnet av hovedviklingen 2, for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren B. Konstruksjonen og operasjonen av den styrbare induktoren B er beskrevet innen kjent teknikk og vil ikke bli beskrevet i detalj her.

Det skal bemerkes at i fig. 1 er strømmen Imci gjennom hovedviklingen 2 hos den styrbare induktoren B i fig. 2 lik strømmen Ip gjennom parallellviklingen 4 hos autotransformatoren A. Spenningen og strømmene hos autotransformatoren er vist henholdsvis som en fysisk representasjon og sin ideelle ekvivalent i fig. 4a og 4b. Som vist er parallellstrømmen Ip lik strømmen Is hos serieviklingen 7 delt på transformatorforholdet n.

Vi vil nå henvise til fig. 2 som viser en første utførelsesform av oppfinnelsen som løser problemene og ulempene med systemet vist i fig. 1, som beskrevet i introduksjonen ovenfor. Like eller liknende elementer i fig. 2 har de samme henvisningstallene som i fig. 1, og vil ikke bli beskrevet her i detalj.

I fig. 2 er en ekstra induktor C koblet i parallell med hovedviklingen 4 hos autotransformatoren A. Følgelig er strømmen Imci gjennom hovedviklingen 2 hos den styrbare induktoren B i fig. 2 lik strømmen Ip gjennom parallellviklingen 4 pluss strømmen Ic gjennom den ekstra induktoren C.

Vi vil nå henvise til fig. 3 hvor en andre utførelsesform av oppfinnelsen er vist, omfattende en autotransformator A' og en magnetisk styrbar induktor B, som er beskrevet ovenfor med de samme henvisningstallene. Hovedforskjellen mellom fig. 1 og fig. 3 er at autotransformatoren A' omfatter et magnetisk luftgap, som vil bli beskrevet i detalj nedenfor.

I dette systemet i samsvar med oppfinnelsen er strømmen Imci gjennom hovedviklingen 2 hos den styrbare induktoren B lik strømmen Ip' gjennom parallellviklingen 4 hos autotransformatoren A' .

Først skal uttrykket "magnetisk luftgap" bli beskrevet. Et "magnetisk luftgap" er en del av en kjerne i en transformator som omfatter et ikke-magnetisk materiale, eller et materiale med en høy magnetisk "resistans". Følgelig øker reluktansen (magnetisk "resistans") i fluksbanen ved introduksjon av et magnetisk luftgap i transformatoren, derav øker strømmen som trekkes fra kraftkilden.

Spenningen og strømmene hos autotransformatoren i fig. 3 er vist henholdsvis som en fysisk representasjon og som sin ideelle ekvivalent i fig. 4c og 4d. Som vist introduserer det magnetiske luftgapet en økt magnetiseringsstrøm Im. Følgelig er primærstrømmen Ip' lik en magnetiseringsstrøm Im pluss sekundærstrømmen Is delt på transformatorforholdet n. Når fig. 4b og 4d sammenlignes kan det ses at Ip' er større enn Ip.

En kjent transformator er vist i fig. 6, omfattende en toroidformet magnetisk kjerne 10 og en primærvikling 12 og en sekundærvikling 14 viklet rundt kjernen 12. Autotransformatoren i den foretrukne utførelsesformen av systemet i samsvar med oppfinnelsen kan være laget ved deling av kjernen 10 opp i to halvdeler og ved så å sette inn et ikke-magnetiserbart materiale mellom de to halvdelene, som vist i fig. 7.

En sammenligning av systemet i fig. 1, 2 og 3 kan også gjøres ved bruk av fasekoordineringsdiagrammer. Fig. 5a illustrerer et typisk diagram av systemet i fig. 1, mens fig. 5b illustrerer den samme driftssituasjonen ved bruk av systemet i samsvar med fig. 2 eller 3. Som det kan ses er lengden på vektoren Umci redusert i fig. 5b, som indikerer at det er en lavere spenning over den styrbare induktoren B.

Følgelig omfatter systemet i samsvar med oppfinnelsen en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen hos autotransformatoren. Følgelig er den totale harmoniske forstyrrelsen THD redusert. Videre kan det ses at vinkelen a mellom utgangsspenningen Uout og inngangsspenningen Uin er redusert, følgelig er effektfaktoren PF forbedret.

Magnetiseringsinduktansen kan være tilveiebrakt av et magnetisk luftgap i kjernen hos autotransformatoren eller den kan være tilveiebrakt som en separat induktor koblet i parallell med parallellviklingen 4 hos autotransformatoren.

Systemet omfatter videre en styringskrets, som basert på målte spenninger og/eller strømmer styrer styringsstrømmen til styringsviklingen 3, for med dette å styre induktansen til den magnetiske styrbare induktoren B.

Claims

1. System for spenningsstabilisering og reduksjon av total harmonisk forstyrrelse i kraftoverføringsledere, som for hver fase omfatter: en autotransformator (A) med en serievikling (7) og en parallellvikling (4), hvor serieviklingen (7) er koblet mellom en inngangsspenning (Uin) og en utgangsspenning (Oout); en magnetisk styrbar induktor (B) omfattende en hovedvikling (2) viklet rundt en kjerne, og en styringsvikling (3) viklet rundt kjernen, hvor styringsviklingen (3) er tilpasset for dannelse av et magnetisk felt hovedsakelig ortogonalt på feltet dannet av hovedviklingen (2), for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor: parallellviklingen (4) hos autotransformatoren (A) er koblet mellom inngangsspenningen (Uin) og en første terminal hos hovedviklingen (2) hos den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor den andre terminalen til hovedviklingen (2) er koblet til nøytralpunktet; karakterisert ved at systemet i tilegg omfatter en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen hos autotransformatoren.

2. System i samsvar med krav 1, karakterisert ved at magnetiseringsinduktansen er tilveiebrakt av et magnetisk luftgap i kjernen til autotransformatoren.

3. System i samsvar med krav 1, karakterisert ved at magnetiseringsinduktansen er tilveiebrakt av en separat induktor i parallell med paraliellviklingen (4) hos autotransformatoren.

4. System i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det magnetiske luftgapet er tilveiebrakt som en del av et ikke-magnetiserbart materiale.

5. Fremgangsmåte for spenningsstabilisering og reduksjon av total harmonisk forstyrrelse i et kraftoverføringssystem, hvor systemet for hver fase omfatter: en autotransformator (A) med en serievikling (7) og en parallellvikling (4), hvor serieviklingen (7) er koblet mellom en inngangsspenning (Uin) og en utgangsspenning (Oout); en magnetisk styrbar induktor (B) omfattende en hovedvikling (2) viklet rundt en kjerne, og en styringsvikling (3) viklet rundt kjernen, hvor styringsviklingen (3) er tilpasset for dannelse av et magnetisk felt hovedsakelig ortogonalt på feltet dannet av hovedviklingen (2), for med dette å styre induktansen til den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor: parallellviklingen (4) hos autotransformatoren (A) er koblet mellom inngangsspenningen (Uin) og en første terminal hos hovedviklingen (2) hos den magnetisk styrbare induktoren (B), hvor den andre terminalen til hovedviklingen (2) er koblet til nøytralpunktet; karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: styring av induktansen til en magnetiseringsinduktans, som tilveiebringer en økning i magnetiseringsstrømmen hos autotransformatoren.