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PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung zur kontaktlosen Umschaltung von Wicklungsstufen eines Regeltransformators, mit einphasigen Brückengleichrichtern, die gesteuerte und nichtgesteuerte Ventile enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfungen der Wicklungsstufen (17-20) an jenes Ästepaar der Brückengleichrichter angeschlossen sind, welche die gesteuerten Ventile (3-12) enthalten, dass deren Anzahl der Anzahl der Anzapfungen des Transformators gleicht, dass die Last an ein für alle Brückengleichrichter gemeinsames Ästepaar angeschlossen ist, das die nichtgesteuerten Ventile enthält, und dass in die Gleichstromdiagonale der Brückengleichrichter eine gemeinsame Reaktanzspule (15) geschaltet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichstromquelle (16) in Reihe mit der Reaktanzspule (15) in der Gleichstromdiagonale geschaltet ist, wobei die Brückengleichrichter und die erwähnte Quelle (16) mit ihren ungleichnamigen Polen verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen Umschaltung von Wicklungsstufen eines Regeltransformators mit einphasigen Brückengleichrichtern, die gesteuerte und nichtgesteuerte Ventile enthalten.
Die Erfindung kann in Regelsystemen für Transformatoren verwendet werden, die beispielsweise zur Energieversorgung von Lichtbogen- und Schmelzöfen dienen. Sie kann jedoch auch als eine Regel- bzw. Strombegrenzungseinrichtung benutzt werden.
Das Problem der Entwicklung von solchen kontaktlosen Schalteinrichtungen ist für die elektrischen Energieversorgungssysteme sehr aktuell. Denn einerseits müssen Einrichtungen mit einfachen Schaltalgorithmen entworfen werden und anderseits ist die Dimensionierung der einzelnen Ventile solcher Einrichtungen nur für den Nennbetriebszustand erwünscht, wobei allerdings auch ein zuverlässiger Schutz der Ventile gegen Betriebsstörungen gewährleistet werden muss.
Die bekannten Einrichtungen dieser Art enthalten Ventilgruppen mit Thyristoren, die an Transformatoranzapfungen angeschlossen sind. Diese Gruppen werden entweder unmittelbar an die Anzapfungen angeschlossen (vgl. das DDR-Patent Nr.68.034, Klasse 21d2 53/03 Einrichtung zur Spannungsregelung bei mehrstufigen Transformatoren unter Last ), oder sie werden mit den Anzapfungen über Vollweggleichrichter verbunden (vgl. die sowjetische Urheberurkunde Nur.312362, int.
Klasse H 02 p 13/16 Spannungsregler für Wechselstrom ).
Für die Umschaltung wird nach dem DDR-System Nr.68.034 eine Wirkwiderstandsgruppe benutzt, die beim Kurzschluss eines Wicklungsteiles den Strom begrenzt. In der Einrichtung nach der sowjetischen Urheberurkunde Nur.312365, int. Klasse H 02 p 13/16 erfolgt die Umschaltung im Zeitpunkt des Nulldurchganges des Stromes der ausser Betrieb gesetzten Thyristorgruppe.
Die bekannten Einrichtungen weisen eine Reihe von Nach- teilen auf, und zwar:
1. Der Schaltalgorithmus der Einrichtung nach der sowjetischen Urheberurkunde Nur.312365 ist von der Belastungsart abhänging. Dieser Mangel führt zu einer beträchtlichen Verminderung der Zuverlässigkeit von Schaltwerken, eventuell auch zum Kurzschluss oder zur Unterbrechung des Laststromkreises bei Störungen im Steuersystem.
2. Es muss eine grössere Anzahl von Strombegrenzungswiderständen (nach dem Patent Nr.68.034) verwendet werden, besonders bei Einrichtungen mit vielen Schaltstellungen.
3. Es müssen Ventile verwendet werden, bei denen der
Durchgang des ersten Kurzschluss-Stromstosses in Energieversorgungssystemen berücksichtigt werden muss. Dieser Nach- teil kommt bei den beiden erwähnten bekannten Einrichtungen vor und er hat eine Vergrösserung der Abmessungen, des Gewichts und eine Erhöhung der Kosten solcher Einrichtungen zur Folge.
4. In solchen Einrichtungen kann die Regelungs- und die Stromstossbegrenzungsfunktion bei Störungen im Energieversorgungssystem nicht vereinigt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, vollständig statisch wirkende Umschalteinrichtung zu entwickeln, mit deren Hilfe Kommutierung, Regelung und Strombegrenzung bei allen Betriebszuständen von Energieversorgungssystemen möglich werden.
Diese Aufgabe wird mit der Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Anzapfungen der Wicklungsstufen an jenes Ästepaar der Brückengleichrichter angeschlossen sind, welche die gesteuerten Ventile enthalten, dass deren Anzahl der Anzahl der Anzapfungen des Transformators gleicht, dass die Last an ein für alle Brückengleichrichter gemeinsames Ästepaar angeschlossen ist, das die nichtgesteuerten Ventile enthält, und dass in die Gleichstromdiagonale der Brückengleichrichter eine gemeinsame Reaktanzspule geschaltet ist.
Zweckmässigerweise kann in der Brückendiagonale auch eine Gleichstromquelle in Reihe mit der Reaktanzspule geschaltet werden.
Diese Einrichtung bietet die Möglichkeit, eine schnellwirkende, von der Belastungsart unabhängige Umschaltung der Anzapfungen eines Leistungstransformators zu verwirklichen, die Ventile vor Kurzschluss-Havarieströmen zu schützen und die Strombegrenzung in Energieversorgungssystemen zu gewährleisten.
Dadurch ergibt sich ein bedeutender Nutzeffekt, der durch folgende Vorteile bedingt ist: a) Möglichkeit einer Wahl von Umschalter-Ventilelementen nur unter Berücksichtigung des Nennstromes, da bei gestörtem Betrieb die erste Stromhalbwelle begrenzt wird; b) Schaffung eines schnellwirkenden Umschalters mit gemeinsamer Strombegrenzung für alle Schaltstufen; und c) Möglichkeit der Realisierung einer Regelungseinrichtung, die gleichzeitig auch eine Kommutierung von grossen Leistungen, darunter auch für gewöhnliche elektromechanische Einrichtungen unvertretbare Leistungen, durch Begrenzung der Stromstosswelle bei Kurzschlüssen gewährleisten kann.
Dies ermöglicht den Bau von Energieversorgungssystemen mit grosser Kurzschlussleistung und trägt zur Steigerung ihrer Durchlassfähigkeit sowie zur Erhöhung der Energieversorgungsqualität in Verteilungsnetzen bei.
Das Wesen der Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Einrichtung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Prinzipschaltbild der vorliegenden Einrichtung,
Fig. 2 beim Betrieb der vorliegenden Einrichtung aufgenommene Kurven, welche die Momentanwerte von Strom und Spannung zeigen.
Die Einrichtung kann für eine beliebige Anzahl von Anzapfungen an einem Regeltransformator ausgeführt werden. In Fig. 1 ist ein Schaltbild der Einrichtung für einen Transformator dargestellt, dessen Regelungszone fünf Anzapfungen aufweist.
Fig. 1 zeigt die Anschlüsse der Regelungszone 1,2, Thyristoren 3...12, nichtgesteuerte Ventile 13, 14, eine Reaktanzspule 15, eine Gleichstromquelle 16 und Wicklungsstufen 17...20.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, bilden die Ventile einphasige
Brückenschaltungen, wobei jeweils in zwei Ästen, der jeweiligen Brücke, die Thyristoren 3,4; 5,6; 7,8; 9, 10 bzw. 11, 12 liegen. Die nichtgesteuerten Ventile 13, 14 bilden die zwei übrigen Äste der Brücken, die für die Regelungszone gemeinsam sind.
In der Diagonale der jeweiligen Brückenschaltung liegen die Reaktanzspule 15 und die Gleichstromquelle 16. Die letztere ist kein unerlässliches Bauelement der vorliegenden Einrichtung.
Wenn die Reaktanzspule 15 mit hoher Güte ausgeführt ist, braucht die Stromquelle 16 in der vorliegenden Schaltung nicht benutzt zu werden.
Die Einrichtung funktioniert wie folgt:
Die Netzspannung wird eingeschaltet, nachdem Steuerimpulse an ein beliebiges Thyristorpaar 3,4; 5,6 usw. angelegt worden ist. Beim Erscheinen der positiven Spannung an die Thyristoren ist der Regelungswinkel gleich Null. An der Brükkendiagonale entsteht dabei eine gleichgerichtete Spannung, bei deren Einwirkung der Strom in der Reaktanzspule 15 bis zum Amplitudenwert des Laststromes (Fig. 2) ansteigt. Durch die Reaktanzspule fliesst ein gleichgerichteter Strom, der sich aus den Strömen il, i2, i3, i4 der Brückenäste zusammensetzt.
Bei einer hohen Güte der Reaktanzspule 15 sind alle vier Brückenventile 3,4, 11, 12 leitend - der Kommutierungswinkel des Gleichrichters beträgt 180 , und die Ventilströme weisen eine Gleichkomponente auf, die gleich der Hälfte des Laststrom Maximalwertes im'2 ist, sowie eine sinusförmige Komponente mit der Amplitude im/2.
Die in der Durchlassrichtung vom Anschluss 1 fliessende Halbwelle des Laststromes passiert weiter z. B. die Wicklungsteile 17, 18, 19, den Thyristor 9, die Reaktanzspule 15, die eventuell vorhandene Gleichstromquelle 16, die Diode 14 und gelangt zum Anschluss 2. Die andere Halbwelle des Betriebsstromes fliesst vom Anschluss 2 durch die Diode 13, die Reaktanzspule 15, die Stromquelle 16, den Thyristor 10, die Wicklungsteile 19,18,17 zum Anschluss 1. Bei Einstellung des Umschalters auf andere Anzapfungen fliesst der Laststrom ähnlicherweise.
Da die Thyristoren 3...12, die nichtgesteuerten Ventile 13, 14 und die Reaktanzspule 15 in der realen Schaltung einen endlichen Widerstand haben, wird der Strom im in der Reaktanzspule innerhalb des Kommutierungswinkels Y gedämpft (Fig. 2), wobei im Betrieb des Umschalters Interkommutierungsintervalle entstehen, in denen in den Kreis zwischen den Ventilen die Reaktanzspule 15 eingeschaltet wird.
Ein derartiges Intervall im Brückenbetrieb kann mehrere elektrische Grad betragen, wobei an der Reaktanzspule 15 unipolare Spannungen U'a entstehen. Sie beeinflussen die Betriebszustände nur wenig, da ihr Mittelwert klein ist. Der mittlere Spannungsabfall U'a am Umschalter ist durch die Summe der Spannungsdifferenzen am Wirkwiderstand der Reaktanzspule und der Ventile gegeben.
Der erwähnte Spannungsabfall kann in der Einrichtung, wenn erforderlich, vollkommen beseitigt werden. Zu diesem Zweck liegt in der Schaltung in Reihe mit der Reaktanzspule 15 die Gleichstromquelle 16, die vom gemeinsamen Netz gespeist werden kann.
Die Umschaltung von einer Anzapfung auf eine andere kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen. Dazu werden die Steuerimpulse von der im Betrieb befindlichen Thyristorgruppe weggenommen und auf eine beliebige benachbarte Gruppe gegeben. Bei den durchgeschalteten Thyristoren 11, 12, wenn die ganze Regelungszone der Leistungstransformatorwicklung vom Betriebsstrom durchflossen wird, werden die Steuerimpulse zwecks Umschaltung auf die benachbarte Anzapfung in einem willkürlich gewählten Zeitpunkt 0 (Fig. 2) von den Thyristoren 11, 12 auf die Thyristoren 9, 10 verlegt. Im Zeitpunkt dieser Umschaltung werden die Thyristoren 11, 12 und die nichtgesteuerten Ventile 13, 14, wie erwähnt, vom Betriebsstrom durchflossen.
Beim Einschalten der Thyristoren 9, 10 entsteht für den Wicklungsteil 20 ein Kurzschlusskreis über den Thyristor 11, das nichtgesteuerte Ventil 13, die Reaktanzspule 15 und den Thyristor 10. Der Kurzschlussstrom steigt im Zeitintervall y bis zum Amplitudenwert des Stromes in der Reaktanzspule an, worauf einer der Thyristoren 11, 12, gegebenenfalls der Thyristor 12, abgeschaltet wird, und in den Kurzschlusskreis wird die Reaktanzspule 15 eingeschaltet, die den Strom bis auf die gewünschte Grösse begrenzt. Der Schaltvorgang endet nach Ablauf einer Zeitspanne X im Zeitpunkt der natürlichen Durchschaltung des Thyristors 11.
Ähnlich erfolgt die Umschaltung auf beliebige andere Anzapfungen. Die Schaltung ermöglicht die Kommutierung von zwei beliebigen Anzapfungen. Die Gleichstromquelle wird in der Schaltung, wie erwähnt, bei ungenügend hoher Güte der Reaktanzspule 15 benötigt. Bei der Benutzung dieser Gleichstromquelle 15 wird der Einfluss der Schaltung auf die Betriebszustände des Energieversorgungssystems vollkommen eliminiert.
Die Strombegrenzungsfunktion der Einrichtung wird bei einem Kurzschluss im Aussenstromkreis ähnlich dem Zyklus der Umschaltung von Anzapfungen erfüllt. Fig. 2 zeigt den Strombegrenzungszyklus beim Kurzschlusswinkel (p und bei dem zu erwartenden Kurzschlussstrom i.
Wie man aus Fig. 2 ersehen kann, wird während der ersten Halbperiode des Havariestromes in die Schaltung die Reaktanzspule 15 parametrisch eingeführt, welche die Stromhalbwelle im Zeitabschnitt 00 begrenzt, der kleiner als die Netzfrequenzperiode ist, wobei sich an der Reaktanzspule 15 der Spannungsabfall U ergibt. Der Strombegrenzungsgrad hängt von den gewählten Parametern der Reaktanzspule 15 ab.
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PATENT CLAIMS
1. Device for the contactless switching of winding stages of a regulating transformer, with single-phase bridge rectifiers which contain controlled and non-controlled valves, characterized in that the taps of the winding stages (17-20) are connected to that pair of branches of the bridge rectifiers, which the controlled valves (3- 12) contain that their number equals the number of taps on the transformer, that the load is connected to a pair of branches that are common to all bridge rectifiers and that contain the non-controlled valves, and that a common reactance coil (15) is connected in the direct current diagonal of the bridge rectifier.
2. Device according to claim 1, characterized in that a direct current source (16) is connected in series with the reactance coil (15) in the direct current diagonal, the bridge rectifiers and said source (16) being connected to their unlike poles.
The present invention relates to a device for the contactless switching of the winding stages of a regulating transformer with single-phase bridge rectifiers which contain controlled and non-controlled valves.
The invention can be used in control systems for transformers which are used, for example, to supply energy to electric arc and melting furnaces. However, it can also be used as a control or current limiting device.
The problem of developing such contactless switching devices is very topical for electrical power supply systems. On the one hand, devices must be designed with simple switching algorithms and, on the other hand, the dimensioning of the individual valves of such devices is only desired for the nominal operating state, although reliable protection of the valves against operational malfunctions must also be ensured.
The known devices of this type contain valve groups with thyristors which are connected to transformer taps. These groups are either connected directly to the taps (see GDR patent number 68.034, class 21d2 53/03 device for voltage regulation in multi-stage transformers under load), or they are connected to the taps via full-wave rectifiers (see the Soviet copyright certificate 312362 only, int.
Class H 02 p 13/16 voltage regulator for alternating current).
For the switchover, an active resistor group is used according to DDR system number 68.034, which limits the current in the event of a short circuit in a winding part. In the facility according to the Soviet copyright certificate Nur.312365, int. Class H 02 p 13/16, the switchover takes place at the point in time of the zero crossing of the current of the thyristor group that is not in operation.
The known devices have a number of disadvantages, namely:
1. The switching algorithm of the device according to the Soviet author's certificate Nur.312365 depends on the type of load. This deficiency leads to a considerable reduction in the reliability of switching mechanisms, possibly also to a short circuit or interruption of the load circuit in the event of faults in the control system.
2. A larger number of current limiting resistors (according to Patent No. 68,034) must be used, especially in devices with many switching positions.
3. Valves must be used in which the
The passage of the first short-circuit current surge in energy supply systems must be taken into account. This disadvantage occurs with the two known devices mentioned, and it results in an increase in the dimensions, the weight and an increase in the cost of such devices.
4. In such facilities, the control and current surge limitation functions cannot be combined in the event of faults in the energy supply system.
The invention is therefore based on the object of developing a reliable, completely statically acting switchover device with the aid of which commutation, regulation and current limitation are possible in all operating states of energy supply systems.
This object is achieved according to the invention with the device of the type mentioned in that the taps of the winding stages are connected to that pair of branches of the bridge rectifiers which contain the controlled valves, that their number equals the number of taps of the transformer, that the load on one for all bridge rectifiers are connected to a common pair of branches that contain the non-controlled valves, and that a common reactance coil is connected in the direct current diagonal of the bridge rectifier.
A direct current source can expediently also be connected in series with the reactance coil in the bridge diagonal.
This device offers the possibility of switching the taps of a power transformer quickly and independently of the type of load, to protect the valves from short-circuit breakdown currents and to ensure the current limitation in energy supply systems.
This results in a significant efficiency, which is due to the following advantages: a) Possibility of selecting changeover valve elements only taking into account the rated current, since the first half-wave of the current is limited in the event of malfunctioning; b) Creation of a fast-acting changeover switch with common current limitation for all switching stages; and c) Possibility of realizing a control device that can simultaneously ensure commutation of large powers, including power that is unacceptable for ordinary electromechanical devices, by limiting the current surge in the event of short circuits.
This enables the construction of energy supply systems with high short-circuit power and contributes to increasing their permeability and increasing the quality of the energy supply in distribution networks.
The essence of the invention is explained in more detail in the following description of exemplary embodiments of the device with reference to the accompanying drawings.
Show it:
1 shows an electrical block diagram of the present device,
2 curves recorded during operation of the present device, which show the instantaneous values of current and voltage.
The device can be designed for any number of taps on a regulating transformer. In Fig. 1 is a circuit diagram of the device for a transformer is shown, the control zone has five taps.
1 shows the connections of the control zone 1, 2, thyristors 3 ... 12, non-controlled valves 13, 14, a reactance coil 15, a direct current source 16 and winding stages 17 ... 20.
As can be seen from Fig. 1, the valves are single-phase
Bridge circuits, with the thyristors 3, 4; 5.6; 7.8; 9, 10 and 11, 12 respectively. The non-controlled valves 13, 14 form the two remaining branches of the bridges that are common to the control zone.
The reactance coil 15 and the direct current source 16 lie in the diagonal of the respective bridge circuit. The latter is not an indispensable component of the present device.
If the reactance coil 15 is designed with a high quality, the current source 16 need not be used in the present circuit.
The setup works as follows:
The mains voltage is switched on after control pulses are sent to any thyristor pair 3, 4; 5.6 etc. has been applied. When the positive voltage appears on the thyristors, the regulation angle is zero. A rectified voltage arises at the bridge diagonal, and when it acts, the current in the reactance coil 15 rises to the amplitude value of the load current (FIG. 2). A rectified current flows through the reactance coil, which is composed of the currents il, i2, i3, i4 of the bridge branches.
If the reactance coil 15 is of high quality, all four bridge valves 3, 4, 11, 12 are conductive - the commutation angle of the rectifier is 180, and the valve currents have a direct component that is equal to half the load current maximum value im'2, as well as a sinusoidal component Component with the amplitude im / 2.
The half-wave of the load current flowing in the forward direction from connection 1 happens further z. B. the winding parts 17, 18, 19, the thyristor 9, the reactance coil 15, the possibly existing direct current source 16, the diode 14 and reaches connection 2. The other half-wave of the operating current flows from connection 2 through the diode 13, the reactance coil 15 , the current source 16, the thyristor 10, the winding parts 19, 18, 17 for connection 1. When the changeover switch is set to other taps, the load current flows similarly.
Since the thyristors 3 ... 12, the non-controlled valves 13, 14 and the reactance coil 15 have a finite resistance in the real circuit, the current im in the reactance coil is attenuated within the commutation angle Y (Fig. 2), with the operation of the Changeover switch inter-commutation intervals arise in which the reactance coil 15 is switched on in the circuit between the valves.
Such an interval in bridge operation can be several electrical degrees, with unipolar voltages U'a being produced at the reactance coil 15. They only have a small influence on the operating states, since their mean value is small. The mean voltage drop U'a at the changeover switch is given by the sum of the voltage differences at the effective resistance of the reactance coil and the valves.
The mentioned voltage drop can, if necessary, be completely eliminated in the device. For this purpose, the circuit in series with the reactance coil 15 is the direct current source 16, which can be fed from the common network.
Switching from one tap to another can take place at any time. For this purpose, the control pulses are removed from the thyristor group in operation and given to any neighboring group. In the case of the switched thyristors 11, 12, when the operating current flows through the entire control zone of the power transformer winding, the control pulses are transferred from the thyristors 11, 12 to the thyristors 9, at an arbitrarily selected point in time 0 (Fig. 2) in order to switch to the adjacent tap. 10 relocated. At the time of this switchover, the operating current flows through the thyristors 11, 12 and the non-controlled valves 13, 14, as mentioned.
When the thyristors 9, 10 are switched on, a short-circuit circuit arises for the winding part 20 via the thyristor 11, the non-controlled valve 13, the reactance coil 15 and the thyristor 10. The short-circuit current increases in the time interval y up to the amplitude value of the current in the reactance coil, whereupon one the thyristors 11, 12, possibly the thyristor 12, is switched off, and the reactance coil 15 is switched on in the short-circuit circuit, which limits the current to the desired size. The switching process ends after a period of time X has elapsed at the time when the thyristor 11 is naturally switched on.
Switching to any other taps takes place in a similar manner. The circuit enables any two taps to be commutated. The direct current source is required in the circuit, as mentioned, if the quality of the reactance coil 15 is insufficient. When this direct current source 15 is used, the influence of the circuit on the operating states of the energy supply system is completely eliminated.
The current limiting function of the device is fulfilled in the event of a short circuit in the external circuit, similar to the cycle of switching over taps. Fig. 2 shows the current limiting cycle for the short-circuit angle (p and the expected short-circuit current i.
As can be seen from Fig. 2, the reactance coil 15 is parametrically introduced into the circuit during the first half cycle of the emergency current, which limits the current half-wave in the time segment 00, which is smaller than the mains frequency period, with the voltage drop U at the reactance coil 15 . The degree of current limitation depends on the parameters selected for the reactance coil 15.