SE513879C2 - Flerfaslikriktaranordning för att skapa en stabil nollpunkt i ett elektriskt system - Google Patents

Description

513 879 2 bara i parallell med nämnda enfaslikriktare för att skapa en nollpunkt i strömförsörj- ningssystemet.

Genom att skapa en nollpunkt i systemet möjliggörs anslutning av tre enfaslaster i stjärnkoppling med fasspärmingar som är så lika som möjligt.

Skapandet av en nollpunkt oberoende av strömförsörjningsnätets nollpunkt möjlig- görs, i synnerhet i fall då nollpotentialen inte befinner sig mitt i fasvektorsystemet.

Organet för att skapa en nollpunkt är inte anslutet till det elektriska systemets nolle- dare.

Organet för att skapa en nollpunkt innefattar magnetiska komponenter av en sådan art att vektorsumman av fasspårmingarria gentemot nollpunkten blir lika med noll.

Enligt en första föredragen utföringsform innefattar organet för att skapa en noll- punkt en transformator för varje fas, varvid varje transforrnators primärlindning är ansluten till respektive fas i stjämkoppling, sekundärlindingarna är seriekopplade och primårlindningarnas samrnankopplingspurikt utgör nollpunkten.

Enligt en andra föredragen utföringsform innefattar organet för att skapa en noll- punkt en lindning för varje fas, varvid varje lindning är lindad på ett ben av en van~ lig kärna med tre ben, en ände av varje lindning är ansluten till respektive fas och lindningarna är sammankopplade, så att lindningarnas sammankopplingspunkt utgör nämnda nollpunkt.

Företrädesvis är organet för att skapa en nolla anordnat att kortsluta fasspärrningar- nas nollföljdskomponent utan att påverka plus- och rninusföljdskomponenterna. 10 515 879 3 Organet för att skapa en nollpunkt enligt uppfinningen kan också användas i ett strömförsörjningssystem där nollpunkten inte finns mitt i systemets fasdiagraxn, t.ex. ett strömförsörjningssystem av den typ som används i J apan.

Organet skapar en nollpunkt till vilken fasspärmingarnas nollfóljdskomponent har en lågimpedansanslutning, medan plus- och minusföljdskomponenterna har högim- pedansanslutningar. lnkopplingen av organet för att skapa en nollpunkt påverkar inte plus- och minus- fóljdskomponenter, dvs. det påverkar inte strömförsörjningssystemet, som utgör ett plusfölj dssystem.

Uppfinningen förutsätter att magnetiska komponenter i storleksordningen 5% av lik- riktarens effekt läggs till.

Uppfinningen ger följande fördelar: Vilken som helst typ av enfaslikriktare kan användas, så att en stabil trefaslilcrilqare kan erhållas till relativt låg kostnad.

Likriktaren enligt uppfinningen kan användas både för två och tre faser.

Den artificiella nollpunkten som uppnås på detta sätt ger ingen tílläggslast i försörj- ningssystemet.

Fasspäriningarnas nollfóljdskomponent kortsluts.

Den tredje övertonskomponenten och dess multiplar kortsluts.

Andra fördelar innefattar möjligheten att använda samma likriktarenheter för ett 3x400-voltsnät och ett 3x230-voltsnät samt att ha likriktaren i drift när en fas sak- H35 .

Kortfattad beskrivning av ritningarna Figur 1 visar en trefaslikriktare baserad på enfaslikriktare enligt känd teknik.

Figur 2 visar en trefaslikriktare med organ för att erhålla en artificiell nollpunkt.

Figur 3 visar en första utföringsfonn av uppfinningen, använd i ett trefassystern. 10 513 879 4 Figur 4 visar en andra utföñngsforrn av uppfinningen, använd i ett trefassystem.

Figur 5 visar en tredje utföringsform av uppfinningen, använd i ett trefassystem.

Figur 6 och 7 visar en tvåfaslikrilctare enligt en första, resp. en andra utföringsfonn av uppfinningen.

Figur 8A-8G är fasdiagram som illustrerar uppfinningsidén.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer Figur 1 visar en trefaslikriktare enligt känd teknik baserad på enfaslikriktare. De tre enfaslikriktarnas 1, 3, 5 första primärterminaler är anslutna till de tre fasema R, S, T i ett trefasnät. De andra primärtenninalema är samrnankopplade, dvs. likriktarna är stjärnkopplade. Nolledaren måste vara ansluten, såsom visat i figuren.

Fasspänningen för varje fas visas schematiskt med en spärmingsgenerator 7, 9, resp. ll.

Figur 2 visar en trefaslikriktare lik den i figur 1 visade. Den första primäitenninalen hos var och en av tre enfaslikriktare 21, 23, 25 är ansluten till de tre faserna Rl, S1, resp. Tl i ett trefasnät. De sekundära terrninalerna är sammankopplade för att bilda en artificiell nollpunkt NLl. Nätets nolledare Nl är inte ansluten. F asspäriningarna representeras av en spänningsgenerator 27, 29, resp. 31 för varje fas. Ett organ Al för att skapa en artiñciell nolla är parallellkopplat med likriktama 21, 23, 25. Balan- seringsorganet Al innefattar tre impedanser 33, 35, 37 där en av nämnda impedan- ser 33, 35, 37 är parallellkopplad med varje likriktare 21, 23, 25. lmpedansernas 33, 35, 37 utgångar är sammankopplade för att bilda en artificiell nollpunkt.

Denna lösning är endast lämplig om impedansema 33, 35 , 37 är mycket små och kommer endast att fungera för teständainål.

Figur 3 visar en trefaslikriktare enligt en första föredragen utföiingsforrn av uppfin- ningen. Såsom i figur 1 är tre enfaslikriktare 101, 103, 105 anslutna till de tre faser- KJ] 10 513 879 s na R2, S2, T2 i ett trefasnät. Trefasnätets nolledare är inte tillgänglig, eller inte an- sluten. Likriktarnas 101, 103, 105 sekundärterminaler är sarnmankopplade i en punkt N12. Tre spänningskällor 107, 109, 111 representerar spänningama på faser- na R2, S2, resp. T2.

Ett balanseringsorgan A2 innefattande tre små transformatorer 113, 115, 117 till- handahåller den artificiella nollpunkten NA2 som är ansluten till de sarnrnarikoppla- de andra primärterminalerna hos likriktarna 101, 103, 105. Transformatoremas pri- märlindningar 113, 115, 117 är stjärnkopplade. En ände av varje primärlindning är ansluten till var och en av faserna R2, S2, resp. T2. Sekundärlindningarna är serie- kopplade i en öppen deltakoppling.

På grund av balanseringsorganet kortsluts nollföljdskomponenten, medan plus- och minusfólj dskomponenterna inte pâverkas. Nollpotentialen kommer att finnas i mit- ten av en triangel bildad av fasspänningsvektorerna, (mer exakt: i tyngdpunkten), dvs. summan av fasspänningsvektorerna kommer att vara noll. Detta kommer att förklaras mer i detalj i det följande.

Figur 4 visar en trefaslikriktare enligt en andra foredragen utfóringsforrn av uppfin- ningen. Liksom tidigare finns ett trefassystem med tre likriktare 201, 203, resp. 205, varav en är ansluten till varje fas R3, S3, resp. T3 och likriktarnas sekundärsidor är sammankopplade i en punkt NL3. Nolledaren N3 är inte ansluten. Fasspäriningania representeras av en spärmingsgenerator 207, 209, resp. 211, för varje fas. Liksom i figur 3 är ett balanseringsorgan A3 anslutet, vilket i denna utfóringsforrn innefattar en trefasinduktor 213 med en kärna 215 innefattande tre ben med en lindning på vardera benet. Varje lindning är ansluten till respektive fas R3, S3, T3, och lind- ningama är sarnmankopplade så att de bildar en artificiell nollpunkt NAS.

Induktorn 213 fungerar på samma sätt som tre transformatorer i situationer då sum- man av fasspärmingarria är noll. Om en nollfoljdskomponent inträffar i spänningar- 10 513 879 6 na kan de motsvarande magnetiska flödena inte slutas genom kärnan 215 utan måste slutas i den omgivande luften. Denna nollfóljdskomponents magnetiseringsimpe- dans är så låg att induktorn 213 kommer att fungera som om den vore kortsluten för denna komponent. I detta fall kommer kärnan 215 att orsaka samma typ av effekt som orsakades av de seríekopplade sekundärlindningarna i den i figur 3 visade utfo- ringsformen. i Figur 5 visar en tredje utföringsform av uppfinningen tillämpad i ett trefassystem.

Liksom tidigare finns ett trefassystem med tre likriktare 251, 253, 255 varav en är ansluten till varje fas, R4, S4, resp. T4, och vars sekundärsidor är sammankopplade i en punkt NL4. Nolledaren N4 är inte ansluten. F asspärmingariia representeras av en spänningsgenerator 257, 259, resp. 261 för varje fas. Liksom i figur 3 är ett balanse- ringsorgan A4 anslutet, vilket i denna utfóringsfonn innefattar en trefastransforma- tor 263 med en kärna 265 innefattande tre ben 267, 269, 271, med en primär- och en sekundärlindning på vart och ett av de tre benen 267, 269, 271. Varje primärlind- ning är ansluten till respektive fas R4, S4, resp. T4. Sekundärlindningarna är serie- kopplade i en deltakonfiguration. Primärlindningama är sammankopplade så att de bildar en artificiell nollpunkt NA4.

Figur 6 visar en utföringsforrn lik den i figur 4 visade, tillämpad i ett tvåfassystem, t.ex. med två seriekopplade 200-voltslikriktare som utgör en matarspänning på 400V Anordningen gör då så att likriktamas spänningar blir lika, eftersom sekun- därlindningarria tvingar transformatorerna, vilkas sekundärsidor är samrnankoppla- de, att dela upp ingångsspänningen i två lika delar.

En första 301 och en andra 303 likriktare är anslutna till faser R5 resp. S5 och deras andra primärterrninaler är sammankopplade i en punkt NL5. Nolledaren N5 är inte ansluten. Fasspänningama representeras av spännings generatorer 307, 309. Ett ba- lanseringsorgan A5 är anslutet i parallell med likriktama 301, 303. Balanseringsor- ganet innefattar en forsta 311 och en andra 313 lindning på samma kärna 315. En 10 l\.) LJI 30 515 879 7 artificiell nollpunkt NAS skapas mellan lindningama och ansluts till likriktarnas se- kundärsidor 301, 303.

Figur 7 visar en utforingsfonn lik den i figur 3 visade, tillämpad i ett tvåfassystem.

Såsom tidigare är en likriktare 401, resp. 403, ansluten till var och en av faserna R6, S6. Likriktarnas 401, 403 andra primärterrninaler är sammankopplade så att de utgör en nollpunkt NL6. Spänningarna på de två faserna R6. S6 representeras av spän- ningsgeneratorer 407, 409. Nolledaren N6 är inte ansluten. Ett balanseringsorgan A6 är anslutet, innefattande två transfonnatorer 413, 415. Var och en av de tvâ transfonnatorernas 413, 415 primärlindningar är anslutna till en av faserna och de är sarnrnankopplade så att de utgör en artificiell nollpunkt NA6. Sekundärlindningama är seriekopplade.

Vanligtvis går ingen ström i sekundärlindningarna och deras spänningar kompense- rar for varandra. En eventuell skillnad mellan de två transformatorspärmingarna skulle alstra en ström i sekundärlindningarria, vilket skulle återställa det lika flödet och tvinga transforrnatorerna att utjämna ingångsspänningarna.

Detta förklarar också varför de två ingångsspäitningarna inte kan oscillera med mot- satta faser. En sådan oscillation skulle orsaka periodiska skillnader mellan spån- ningama över primärlindningama, vilket är omöjligt pga. sekundärlindningarna.

Om ett balanseringsorgan inte är anslutet kan potentialen i nollpunkten NL hos lik- riktarna skilja sig från potentialen i strömförsörjningsnätets nollpunkt, så att fas- spänningarna över likriktarna kommer att utgöra ett asymmetriskt vektorsystem. I det följande kommer funktionen hos ett sådant asyrnmetriskt trefasvektorsystem med fasspänningar UR, US, UT att analyseras med användning av teori for symmet- riska komponenter. lO 25 513 879 s I ett trefassystem kan spänningen hos varje fas representeras av tre spänningskom- ponenter: en plusföljds-, en minusföljds- resp. en nollföljdskomponent. Plusföljds- komponenterna har fasföljden R,S,T, minusföljdskomponenterna har fasföljden R, T, S och nollfölj dskomponenten är samma i alla tre faserna.

Om fasspänningen i ett trefassystem utgör ett plustöljdsvektorsystem kan vektor- summan uttryckas såsom: UR+US+UT=0 (1) såsom visat i figur 8A, i vilken UR+, US+ och UT+ är respektive fasspänning i ett plusföljdssystem i vilket fasskillnaden mellan faserna är l20°. I detta fall induceras ingen spänning i sekundärlindningen. Ingen ström kommer att gå i transformatorer- nas 113, 115, 117 sekundärlindningar i figur 3, och transformatorernas impedans kommer att vara mycket hög, motsvarande magnetiseringsimpedansen.

När fasspäriningama är ett rninusfcâljdsvektorsystem UR-, US-, UT-, med l20° fas- skillnad mellan faserna är vektorsumman också noll, såsom visat i figur SB. I detta fall induceras ingen spänning i transformatorernas 113, 115, 117 sekundärlindning- ar. Ingen ström kommer att gå i sekundärlindningen, och transforrnatoremas impe- dans kommer att vara mycket hög, motsvarande magnetiseringsimpedansen.

Figur 8C visar ett nollfoljdsvektorsystern URO, USO, UTO i vilket sekundärspän- ningarna har samma fas och därför adderas till varandra. I detta fall går en ström i transformatorernas sekundärlindningar, vilka kortsluts_ Varje transformator har en kortslutningsimpedans på sin primärsida, som i allmänhet är mycket lägre än likrik- tarnas ingångsimpedans.

När fasspänningarna utgör en kombination av plusfölj ds- och minusfölj dsvektorsy- stem har de olika storlek och fasvinkeln mellan dem är inte längre l20°, men vek- torsurnman är fortfarande lika med noll. 10 20 25 513 879 9 I figur 8D utgör fasspärmingaina en kombination av de i figur 8A, 8B och SC visade plusfóljds-, minusfóljds- och nollfóljdsvektorsystemen. De tre fasspärmingarna är då UR = UR+ + UR- + URO US = US+ + US- + USO UT = UT+ + UT- + UTO Fasspärmingarna har då olika storlekar och fasvinkeln mellan dem är inte längre l20°. Summan är lika med tre gånger nollfóljdskomponenten, dvs. 3xU0, såsom vi- sat i figur 8E.

På grund av nollfóljdskomponenten går en ström i sekundärlindningen, vilken kort- sluts. Varje transformator 113, 115, 117 har en kortslutningsimpedans på primärsi- dan som i allmänhet är mycket lägre än likri-ktamas ingångsimpedans.

I det allmänna fallet kan nollpunkten anges såsom en sådan potential att fasspän- ningarna UR, US, UT innefattar plusfóljds- rninusfoljds- och nollfóljdskomponen- ter, såsom visat i figur 8D och 815.

Figur 8F visar ett system i vilket fasspärmingaina är en kombination av en plus- följ dskomponent från strömforsörjningssystemet och en nollfoljdskomponent som orsakas av olikheter i likriktarna. Fasdiagrarrirnen bildar en triangel RST, med noll- punkten i triangeln, men inte i dess tyngdpunkt.

Figur 8G visar samma system efter att en balanseringsenhet lik den i figur 3 eller figur 4 visade har anslutits. Balanseringsenheten skapar en artificiell nollpunlct N”L till vilken nollfóljdskomponenten har en lågimpedansiörbindelse medan plus- och minusfölj dskomponenterna har högimpedansfirbindelser. Såsom framgår förskjuts den artificiella nollpunkten N°L med en vektor U0=URO=USO=UTO relativt noll- punkten NL.

KJ] 10 k) (JI 515 879 10 Anslutning av balanseringsenheten A1, A2, A3, A4, A5, A6 påverkar inte plus- och minusföljdskomponenterna, dvs. det påverkar inte strömförsörjningssystemet, vilket utgör ett plusföljdssystem. Eventuella nollfölj dskomponenter kortsluts, bortsett från varje transformators kortslutningsimpedans. Detta innebär att när ett balanseringsor- gan Al, A2, A3, A4, A5, A6 ansluts förskjuts NL till N'L såsom visat i figur 8G.

Potentialen i likriktamas nollpunkt NL förskjuts till N°L så att summan av fasspän- ningarna blir lika med noll.

Detta innebär i sin tur att Fasspänningarna blir så lika som matarspärmingarna URS, URT, UTR mellan faser- na R och S, S och T, resp. T och R tillåter. I ett plusföljdssystem blir de lika.

Fasspänningarna kan inte oscillera, eftersom nollpunktens potential är fast.

Den tredje övertonskomponenten, och dess multiplar i nollpunktspotentialen, som har samma fas i alla tre faser, kortsluts på samma sätt som nollföljdskomponenten.

Den artificiella nollpunkten i ett trefassystem med en nolledare fungerar därmed på ett liknande sätt som nollpunkten i strömförsöijningssystemet, förutsatt att transfor- matorns kortslutningsimpedans är tillräckligt låg för att strömmen inte skall orsaka ett spärmingsfall.

I ovanstående diskussion har det antagits att summan av primärströmmarna i likrik- tama är ungefär lika med noll. Om så inte är fallet kommer en lastström att gå mel- lan nollpunkterna NL och NA, och orsaka ett ytterligare spänningsfall. Det följer att dimensioneringen av transformatorema skulle påverkas.

Det kan visas att kortslutning av nollföljdskomponenten såsom i figur 8G forskjuter den artificiella nollpunkten till triangelns RST tyngdpunkt. Detta är visat i figur 8G för en symmetrisk triangel RST men gäller även i det allmänna fallet med en asym- tnetrisk triangel RST.

Claims (6)

10 20 25 30 513 879 11 Patentkrav

1. l. F lerfaslikriktaranordning för användning i ett elektriskt iörsörjningssystem inne- fattande två eller flera faser (R1, S1, Tl; R2, S2, T2; R3, S3, T3; R4, S4, T4; R5, S5; R6, S6), vilken anordning innefattar en enfaslikriktare (21, 23, 25; 101, 103, 105; 201, 203, 205; 251, 253, 255; 301, 303; 401, 403) för varje fas, vardera med en forsta och en andra primärterrninal och ansluten via sin första primär-terminal till re- spektive fas, medan likriktarnas andra primärterrninaler är sammankopplade, vilken likriktaranordning innefattar balanseringsorgan (A1; A2; A3; A4; A5; A6) anslut- ningsbara i parallell med enfaslikriktarna till bägge primärtenninaler av varje fas, for att skapa en stabil artificiell nollpunkt (NAlg NA2; NA3; NA4; NA5; NA6) i det elektriska forsöijningssystemet, kännetecknad av att balanseringsorganet innefattar magnetiska komponenter av sådan art och anordnade på ett sådant sätt, att vektor- summan av fasspärmingarna gentemot den artificiella nollpunkten blir lika med noll.

2. Likriktaranordning enligt krav 1, kännetecknad av att organet (A1; A2; A3; A4) är anordnat att kortsluta fasspänningarnas nollföljdskomponenter utan att påverka plus- och rninusfóljdskomponenterna.

3. Likriktaranordning enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda organ inte är an- slutet till nätets nollpunkt (N 1; N2; N3; N4; N5; N6).

4. Likriktaranordning enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknad av att de magnetiska komponenterna innefattar åtminstone en lindning for varje fas, lindade på en gemensam käma (215; 315), varvid en ände av varje lindning är ansluten till re- spektive fas (R3, S3, T3; R4, S4, T4) och de andra ändema är sarnmarikopplade, varvid sarnrnankopplingspunkten (NA3; NA4) utgör den artificiella nollpunkten.

5. Likriktaranordning enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknad av att de magnetiska komponenterna innefattar en transformator (1 13, 115, 117, 413, 415) för varje fas 10 513 879 12 (R2, S2, TZ; R6, S), varvid varje transformators primärlindning (113, 115, 117; 413, 415) är ansluten till respektive fas i en stjärnkoppling, sekundärlindningarna år se- riekopplade och sammankopplingspunlden av primärlindningarna utgör den artifici- ella nonpuniqen (Nm, NAs).

6. Elektriskt försörjningssystem innefattande två eller fiera faser (RI, S 1, Tl; R2, S2, T2; R3, S3, T3; R4, S4, T4; R5, S5; R6, S), och en enfas1ikriktare(21, 23, 25; 101, 103, 105; 201, 203, 205; 251, 253, 255; 301, 303; 401, 403) för varje fas, varvid likríktamas andra primärterrninaler är sammankopplade, kännetecknar av att det innefattar en flerfaslikriktaranordning enligt någøt av föregående krav.