SE515458C2 - Styrbar reaktor med återkopplad styrlindning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 515 458 u... o-uw . ~ .;|n»x Tekniska lösningar som fungerar bra pà làgspànningsomràdet kan dock sällan direkt användas för spänningar och strömmar som är typiska för elektrisk energiöverföring. Energimängden som frigörs under ett reglerförlopp skulle leda till en snabb nötning av i utrustningen ingående komponenter samt att den lokalt höga elektriska fältstyrkan kan leda till elektriskt genomslag hos isolerande material. Exempelvis är vridtrans- formatorn, som fungerar som en enkel, robust och i det när- maste steglös spänningsreglering för lagspänning, inget alternativ för spänningsreglering av krafttransformatorer.

Där àstadkoms en spänningsreglering med lindningskopplare som möjliggör att välja mellan ett antal uttag hos transforma- torns reglerlindning. Lindningskopplare ar mekaniskt kompli- cerade konstruktioner som orsakar en stor andel av transfor- matorhaverierna.

Faskompensering kräver reglerbara induktanser eller kapacit- anser. Även här kan lagspänningsomràdets lösningar, exempel- vis vridkondensatorer som reglerbara kapacitanser, ej an- vändas. I ställer väljer man att med hjälp av brytare och/ eller kraftelektronik stegvis koppla in eller ut induktanser eller kapacitanser. För att kunna reglera med smä steg behövs ett stort antal kopplingsenheter, exempelvis brytare. Övertonsfiltrering kan göras med fast installerade filter- kretsar, eller med stegvis till- eller frànkoppling av fil- terelement pà samma sätt som ovan beskrivet för faskompen- sering. Även aktiv filtrering med àterkoppling och användning av kraftelektronik förekommer inom nagra speciella använd- ningsomràden.

Strömbegränsning genomförs antingen genom att direkt bryta strömmen, exempelvis med en brytare, eller genom att sätta en anordning i strömkretsen, som fungerar som en variabel impe- dans, exempelvis en induktans som kan ändras genom ändrad förmagnetisering av kärnan. lO 15 20 25 30 35 s1s 458 f, Även om de nämnda reglerfallen har ett gemensamt drag, näm- ligen att till en given ström/spänning addera en korrigerande ström/spänning, kräver lösningar enligt teknikens ständpunkt specifikt utformade utrustningar. Betraktas bara en frekvens är det fraga om addition av komplexa ström- och spännings- värden. Faskompensering och spänningsreglering är tva specialfall av denna addition.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN En anordning enligt uppfinningen löser problemet att steglöst kunna genomföra spänningsreglering, faskompensering, över- tonsfiltrering och strömbegränsning med en och samma utrust- ning. Genom att kombinera en konventionell lindningskopplare med minst en anordning enligt uppfinningen kan lindnings- kopplarens problem med ljusbàgsbildning avsevärt minskas och spänningsniväer mellan lindningskopplarens lägen kan väljas kontinuerligt.

En anordning enligt uppfinningen kommer i regel till an- vändning i anslutning till ett nät vars nätspänning UO skall kompletteras med en reglerspänning AU innan den när fram till en belastning som ställer höga krav pà den matande spänn- ingen, nedan omtalat som lastspänning U. I regel är belast- ningen ett nät innefattande ett antal belastningsobjekt.

Genom att kunna kombinera spänningsreglering, faskompensering och övertonsfiltrering kan en anordning enligt uppfinningen bibehälla lastspänningen med oförändrad amplitud, fasför- skjutning mellan spänning och ström och övertonhalt även om belastningen innehåller kraftigt varierande resisitiva, reak- tiva och ickelinjära belastningar. Vid överskridande av en fastlagd maximal ström till belastningen kan anordningen dessutom begränsa denna ström.

En anordning enligt uppfinningen bestàr, för varje fas hos nätet, av minst en styrlindning och minst en arbetslindning n-.uqw- u-n-ø 10 l5 20 25 30 35 515 458 ï¿ï~,!§ï med ett gemensamt magnetiskt flöde Ö som mäts med en givare, företrädesvis en mätspole som omsluter samma magnetiska flöde. Strömmen IQ genom arbetslindningen och belastningen, nedan omtalat som en lastström, nätspänningen UO, lastspänn- ingen U och spänningen över arbetslindningen som utgör den ovan omtalade reglerspänningen AU mäts med hjälp av lämpliga mätorgan och tillförs en styrenhet tillsammans med en signal som motsvarar det magnetiska flödet, exempelvis mätspolens spänning, nedan omtalat som flödesspänning VID. Styrenheten styr en kraftförstärkare som matar styrlindningen med en styrström Is. Sammanhanget mellan de uppmätta värdena IQ, AU, UO, U,*J® och styrströmmen bestäms av anordningens önskade funktion.

Beroende pä fasvinkeln hos den till nätspänningen UO adderade reglerspänningen AU kan effekt flyta i båda riktningarna mel- lan kraftförstärkaren och styrlindningen. Kraftförstärkarens kraftkälla mäste alltsä bäde kunna avge och ta emot effekt.

Om spännings- och/eller effektvärdena blir för stora för att kunna hanteras av en kraftförstärkare kan i stället styrlind- ningen sektioneras med en kraftförstärkare för varje sektion och en gemensam styrenhet för alla kraftförstärkare användas.

Vid funktionen som spänningsreglerutrustning levererar kraft- förstärkaren en styrström som ger upphov till en regler- spänning +/- AU i arbetslindningen, beroende pä om last- spänningen ska ökas eller sänkas. Vid faskompensering ästad- kommes i stället en reglerspänning AU som är fasförskjuten med +/- n/2 i förhållande till nätspänningen UO. En kom- bination av faskompensering och spänningsreglering innebär en godtycklig fasvinkel hos reglerspänningen AU som även kan ut- tryckas som en komplex spänning som läggs till nätspänningen UO. vid funktionen som strömbegránsare matas en styrström Is till styrlindningen som, för en lastström IQ genom arbetslind- e ~.~.- 10 15 20 25 30 515 458 ningen som underskrider ett förbestämt maximalvärde, resul- terar i att det magnetiska flödet *P försvinner. Dá reduceras reglerspänningen AU över arbetslindningen till det i regel försumbara resistiva spänningsfallet. Detta är ekvivalent med en transformator med kortsluten supraledande sekundärspole som blir genomfluten av den sekundärström som àstadkommer att det magnetiska flödet försvinner. Denna metod används i patentet 94/01470-1 SE för aktiv dämpning av magnetfält. Överskrider lastströmen IQ maximalvärdet ökas ej längre styrströmmen pà motsvarande sätt utan hàlls pä ett värde motsvarande maximalvärdet. Detta innebär att det magnetiska flödet Ö blir skilt frän noll. För en lastström I0 genom arbetslindningen som överskrider maximalvärdet fungerar en anordning enligt uppfinningen som en reaktor som begränsar denna ström genom att åstadkomma ett induktivt spänningsfall över arbetslindningen. Genom att sedan reglera ner styr- strömmen Is till noll fungerar anordningen som en ström~ begränsande reaktor med avsevärt högre induktans.

Vid funktionen som övertonsfilter matas styrlindningen med en styrström som endast innehåller nätspänningens grundton med en strömstyrka som anpassas sà, att det magnetiska flödets grundtonskomponent försvinner. Lastströmmen genom arbets- lindningen ”ser” dä bara en, i praktiken försumbar, resistiv belastning för grundtonen, men en induktiv belastning för alla övertoner och även andra störningar, exempelvis ström= pulser. En anordning enligt uppfinningen fàs alltsà att fungera som ett bandpassfilter med grundtonens frekvens som centrumfrekvens. Styrenheten kan även fás att ge en styrström i motfas till strömkomponenter genom arbetslindningen, som ej tillhör grundtonen; anordningen fungerar dà som ett aktivt filter. 10 15 20 25 30 35 515 458 Det är möjligt att kombinera spänningsreglering och faskompensering med övertonsfiltrering genom att mata styrlindningen med en styrström som endast innehàller nätspänningens grundton med en strömstyrka som anpassas sà, att det magnetiska flödets grundtonskomponent inte försvinner utan genererar en reglerspänning DU med godtycklig fasvinkel enligt vad som beskrivits ovan för spänningsreglering och faskompensering. Det är ocksa möjligt att med en och samma anordning enligt uppfinningen, vid fel avbryta spänningsreglering, faskompensering och/eller övertonsfiltrering och utföra strömbegränsning.

Uppfinningen kan även ses som en vidareutveckling av en s k tillsatstransformator (booster transformer), där den galvaniska kopplingen mellan en lindning hos en magneti- seringstransformator och en lindning hos en serietrans- formator, som endast medger spànningsreglering, ersätts med reglerenheten och kraftförstàrkaren. Pá detta sätt kan den redan beskrivna mångfalden reglerfunktioner åstadkommas.

RITNINGSFÖRTECKNING Fig.1 visar en en anordning enligt uppfinningen, kopplad till ett nät i form av en krafttransformator och en last.

Fig.2 visar sammanhanget mellan okorrigerad och korrigerad spänning i ett vektordiagram.

Fig.3 visar en ej sinusformad nätspànning, anordningens reglerspänning och lastspänningen efter filtrering.

Fig.4a och 4b visar schematiskt kombinationer av en lind- ningskopplare med en eller flera anordningar enligt upp- finningen. 10 15 20 25 30 515 458 BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Fig.l visar en anordning enligt uppfinningen, som är inkopp- lad mellan ett nät i form av en krafttransformator 1 och en last 2, symboliserad av ett motstånd. Lasten 2 kan bestà av ett nät innefattande manga förbrukare. Kraftransformatorn har en primärlindning 3 och en sekundàrlindning 4. Sekundärlind- ningens spänning motsvarar den tidigare omtalade nátspänn- ingen Uo. I en föredragen utföringsform innefattar anord- ningen en järnkärna 6 med en arbetslindning 5, en styrlind- ning 7 och en màtlindning 8 för bestämning av det magnetiska flödet Ö i jàrnkàrnan. Arbetslindningen är kopplad i serie med sekundàrlindningen och lasten och i strömkretsen flyter en lastström IQ. Styrlindningen matas fràn en kraftför- stàrkare 9 som styrs frán en styrenhet 10. Kraftförstàrkaren och styrenheten matas med ström frán en strömförsörjnings- anordning ll som i sin tur matas fràn en hjälplindning 12 hos krafttransformatorn l. Detta har fördelen, att kraftförsörj- ningens frekvens överensstämmer med frekvensen hos strömmen i styrlindningen, vilket kan förenkla kraftförstarkarens kon- struktion. Spànningsmatningen till strömförsörjningsanordning kan även ske direkt fràn transformatorns primär- eller sekundarlindning.

Via lämpliga màtorgan àterkopplas natspànningen U0, last- spànningen U, lastströmmen IQ och spänningen \Hb över mát- lindningen, som är proportionell till ett för arbetslind- ningen och styrlindningen gemensamt magnetiskt flöde Ö, till styrenheten. Eftersom AU, UO och U uppfyller ekvationen AU = U - Uo kan även kombinationerna AU och U0 eller AU och U tillföras styrenheten i stället för kombinationen U och U0, beroende pà vilken kombination av mätningar som är enklast att àstadkomma. Dá behöver även AU kunna mätas; detta antydas med streckade linjer i Fig.l. 10 15 20 25 30 515 458 Styrenheten skall enligt uppfinningen vara programmerad sä att den, med ledning av de äterkopplade signalerna och mellan dessa i övrigt väl kända samband, via kraftförstärkaren ästadkommer den styrström IS till styrlindningen som behövs för att reglerspänningen AU skall bli den för den aktuella tillämpningen rätta kompletteringen av nätspänningen UO. Som redovisat kan tillämpningen vara spänningsreglering av last- spänningen U vid varierande nätspänning och/eller belastning, faskompensering, strömbegránsning, filtrering m m.

Vid spänningsreglering med avseende pä amplitud motsvarar »reglerspànningen amplituden hos det reglerfel som erhälles vid jämförelse mellan önskad amplitud IUI och verklig amplitud hos lastspànningen, dvs att IAU|=|U|-IUQI. Med tillgäng till antal lindningsvarv hos styr- och arbets- lindningen och övriga data för den magnetiska kretsen kan sambandet mellan flödet Ö för ett givet AU respektive sambandet mellan flödet Q och styrströmmen IS bestàmas.

Detta innebär att styrenheten, via kraftförstärkaren, kan alstra den styrström IS som ger ett mot AU proportionellt flöde, i fas eller motfas till nätspänningen Uo, i arbets- lindningen.

Med tillgäng till sambandet mellan nätspänningen Uo och den reglerspänning AU med fas +/- n/2 relativt nätspänningens fas som behövs för en given faskompensering av lastspänningens fas kan för en önskad faskompensering behövlig AU bestämmas.

Den aktuella lastspänningens amplitud bestäms dä ur sambandet lU|2 = IUOIZ + |AU|2. Dä AU är bestämd kan pä samma sätt som ovan styrenheten via kraftförstärkaren alstra den erforder- liga styrströmmen. 10 15 20 25 30 35 515 458 Ett ofta förekommande reglerfall är att en lastspänning U bade behöver regleras i amplitud och fas relativt en nat- spànning U0. Uppgiften bestár således i att enligt figur 2 bestàma det AU, bàde ur amplitud och fassynpunkt, som behövs för att den vektoriella suman av UC och AU motsvarar den önskade lastspánningen U. Om den önskade lastspánningen U är fasförskjuten med en vinkel W relativt nàtspänningen Uo bestäms amplituden hos AU enligt IAU! = ~/( ( lulcósp-:Uol )2+( |U|Sin och fasförskjutningen 12 mellan AU och U0 bestäms ur a = arctanfi|U|sinw)/(|U|cosø-IUOIÜ.

Med pà detta sàtt bestämda AU kan som ovan styrenheten via kraftförstárkaren alstra den erforderliga styrströmmen.

Da en anordning enligt uppfinningen skall fungera som en strömbegrànsare ar det en förutsättning att den vid en last- ström I0 mindre än tillåten maxström Iomax skall ha så liten inverkan pà strömkretsen som möjligt. Styrenheten är därför anordnad sa att den vid en lastström mindre än maxströmmen alstrar och anpassar en sàdan styrström IS att det resulte- rande flödet frán styrlindningen och arbetslindningen är noll. Detta innebär att man vid maximal laström Iomax har en motsvarande maximal styrström Ismax. Vid noll flöde kommer reglerspänningen AU över arbetslindningen att besta av det i regel försumbara resistiva spänningsfallet förorsakat av aktuell lastström och arbetslindningens resistans.

I en föredragen utföringsform sásom strömbegrànsare är styrenheten, under ett övergangsskede efter det att last- strömmen överstiger maxströmmen, anordnad att bibehålla den maximala styrströmmen Ismax. Pà grund av att lastströmmen blir större än Iomax kommer, under övergàngsskedet, flödet 10 15 20 25 30 35 515 458 10 att bli skilt fràn noll vilket innebär att strömkretsen fär ett begränsat tillskott av induktans. Genom att efter över- gangsskedet, som kan uppgà till nagra tiotal millisekunder, styra ned styrströmmen till noll kommer anordningen att fungera som en strömbegránsande reaktor med avsevärt högre induktans.

I en alternativ utföringsform som strömbegrànsare kan ned- styrningen av styrströmmen ske omedelbart efter det att last- strömmen tenderar att överstiga maxströmmen, dvs att man utesluter det ovan omtalade övergàngsförloppet.

Principen för användning av en anordning enligt uppfinningen som aktivt filter framgär Fig.3a, Fig.3b och Fig.3c. visar en icke sinusformad nätspänning UO Fig.3a som funktion av tiden t. Styrenheten är anordnad med ett fourierfilter som tar fram nätspänningens sinusformade grundton och bildar den reglerspänning AU, visad i Fig. 3b, som motsvarar skillnaden mellan den aktuella nàtspänningen och dess sinusformade grundton. Med tillgang till behövlig reglerspänning AU kan pä samma sätt som ovan den styrström IS alstras som via kraft- förstärkaren ger ett mot AU proportionellt flöde i arbets- lindningen.

Vid användning av anordningen som passivt filter för grund- tonen hos en natspänning skall reglerspänningen AU motsvara nätspänningens grundton och amplitud som bada kan extraheras av ovannämnda fourierfilter. Pa samma sätt som ovan kan även här den styrström IS alstras som via kraftförstärkaren ger ett mot AU proportionellt flöde i arbetslindningen.

Fig.4a och 4b visar schematiskt hur minst en anordning enligt uppfinningen kan användas för steglös spänningsreglering tillsammans med en lindningskopplare hos en krafttransfor- mator eller reaktor. I Fig.4a symboliseras uttagen hos en lindningskopplare med ringar 13. Spänningssteget mellan tva uttag är ÖU. Tvá pà varandra följande uttag är med var sin 10 15 20 25 30 515 458 11 anordning enligt uppfinningen, symboliserade med spolarna 14 och 15, kopplade till punkten 16, där spänningen kan varieras steglöst mellan de bada uttagens spänning genom att den nedre anordningen 15 ger en reglerspänning AU1= aÖU, och den övre anordningen en reglerspänning AU2= (a-l)5U, med O S a S 1. I Fig.4b ersätts den ena anordningen med en direkt koppling 17 som bara kopplas in när anordningen 16 ger samma reglerspänn- ing AU som spänningssteget ÖU mellan uttagen, sä att punkten 16 och det övre uttaget ligger pà samma spänning. Även andra kopplingar mellan en lindningskopplare och minst en anordning enligt uppfinningen är tänkbara.

Att pä detta sätt koppla ihop en lindningskopplare med minst en anordning enligt uppfinningen har flera fördelar: Kontakter kan öppnas och stängs spänningsfritt och därmed urladdningsfritt; En kraftransformators eller reaktors spänning kan regleras steglöst; Lindningskopplaren kan utformas med färre uttag.

En anordning för reglering av kraftransformatorns spänning behöver bara dimensioneras för ett spänningssteg mellan uttagen.

Förutom ovan anförda exempel kan inom ramen för uppfinningen nära till hands liggande användningsomräden samt kombina- tioner av dessa komma till användning. Sà kan exempelvis en anordning enligt uppfinningen samtidigt användas för bäde faskompensering och filtrering.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 s1s 458 (V. lå PATENTKRAV

1. Anordning för att, enskilt eller i kombination med varandra, utföra funktionerna spänningsreglering, faskompensering, strömbegränsning eller övertonsfiltrering i anslutning till ett nät, med en som kan nätspänning Uo, för matning av en last (2), innefatta många förbrukare, med en lastspänning U, med hjälp av en reglerspänning AU och att anordningen innefattar dels en styrbar reaktor bestående av minst en styrlindning (7) och minst en arbetslindning (5) för alstring av reglerspänningen, dels en styrenhet (10) styrström IS till styrlindningen och att som via minst en kraftförstärkare (9) avger en arbetslindningen är kopplad i serie med lasten och att genom arbetslindningen och lasten flyter en lastström IO och att ett mätorgan (8) är anordnad för avkänning av reaktorns magnetiska flöde (Ö) avgivande en mot det magnetiska flödet proportionell flödesspänning VGL k ä n n e t e c k n a d av att via mätorgan är de signaler som motsvarar nätspänningen UO, lastspänningen U, reglerspänningen AU, lastströmmen IO och flödesspänningen VQ återkopplade till styrenheten som är programmerad så att, med ledning av de återkopplade signalerna, styrenheten via kraftförstärkaren(-arna) avger en sådan styrström IS till styrlindningen att den i arbetslindningen inducerade reglerspänningen AU blir den för den aktuella tillämpningen rätta kompletteringen av nätspänningen UO.

2. Anordning för spänningsreglering enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av att vid spänningsreglering uppstått reglerfel utgör en reglerspänning AU och att styrenheten (lO) via kraftförstärkaren (9) är anordnad att alstra en ..«-»- »www-v 10 l5 20 25 30 35 515 458 ï. 13 w-.- styrström IS som ger ett mot AU proportionellt magnetiskt flöde Ö i fas eller motfas till sà att UO + AU = nätspänningen UO, U motsvarar den önskade lastspänningen U.

3. Anordning för faskompensering enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att styrenheten (10) via kraftförstärkaren (9) är anordnad att alstra en styrström Is som motsvarar ett magnetiskt flöde Ö, som resulterar i en reglerspänning AU som är fasförskjuten mot U0 med +/- n/2 sá att spänningsamplituderna, symboliserade med ||, uppfyller ekvationen |U0|2 + IAUI2 = |U|2, där U är den önskade lastspänningen.

4. Anordning för spänningsreglering och faskompensering enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av att styrenheten (10) via kraftförstärkaren (9) är anordnad att alstra en styrström Is som motsvarar ett magnetiskt flöde Q, som resulterar i en reglerspänning AU som har en sådan fas och amplitud, att lastspänningen U fàr en önskad amplitud |U| och en önskad fasförskjutning Q mot nätspänningen UO.

5. Anordning för strömbegränsning enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d (10) kraftförstärkaren (9) är anordnad att alstra en av att styrenheten via styrström Is till styrlindningen som, för en lastström IO genom arbetslindningen som underskrider ett givet maximalvärde Iømax, resulterar i att det magnetiska flödet Ö försvinner men som för en lastström IQ som överskrider det givna maximalvärdet Iomax ej överskrider styrströmmens motsvarande maximalvärde Ismax och där samma styrström IS inom några tiotals millisekunder sjunker till noll. 10 .vu-_ 515 458 - F!

6. Anordning för strömbegränsning enligt patentkrav 1. k ä n n e t e c k n a d (10) via är anordnad att alstra en av att styrenheten kraftförstärkaren (9) styrström IS till styrlindningen som, för en lastström IQ genom arbetslindningen som underskrider ett givet maximalvärde Iomax, resulterar i att det magnetiska flödet q) försvinner men där samma styrström IS för en lastström IQ som överskrider det givna maximalvärdet Iomax omedelbart sänks till noll.