1 FACULTEIT.DER ELEKTROTECHNIEK Vakgroep Elektrische Energiesystemen Ontwerp. bouw en test van een sturing van een synchrone inschakelaar S.E. Roijers...
Ontwerp. bouw en test van een sturing van een synchrone inschakelaar
S.E. Roijers EG.90.S.45
Stage verricht o.l.v.: Dr. R.P.P. Smeets
De Faculteit der Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven aanvaardt geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van stage- en afstudeerverslagen.
T E C H N I S C H E U N I V E R SIT E I TEl N D H 0 V E N November 1990
SAMENVATTING
Gedurende deze stage is een stuurcircuit ontworpen en getest voor een synchrone, spreidingsarme inschakelaar voor hoge stromen. Deze schakelaar zal worden gebruikt in het hoge stromen lab van de vakgroep EG om stromen tot maximaal 50 kA in te schakelen bij lage spanning ( <1 kV ). De schakelaar wordt elders al gebruikt maar de in die toepassing gebruikte componenten voor het stuurcircuit zijn veel te duur vanwege de hoge toegepaste spanning ( >2 kV ). Het specifieke van de schakelaar is de mogelijkheid om nauwkeurig getimed in te schakelen. Onderwerp van de stage was dan ook een stuurcircuit te ontwerpen dat bij veel lagere spanning ( 700 ~F) condensator in het stuurcircuit.
INHOUD
HI
INLEIDING
page 1
H2
DE SCHAKELAAR
page 2
principe van krachtopwekking
page 2
H3
DE MEETOPSTELLING
page 5
H4
DE METINGEN
page 10
4.1 het inschakelverschijnsel
page 10
meting van de dempingsconstante
H5
page 13
4.2 het schakelgedrag
page 15
4.3 analyse van de beweging van de schijf
page 17
CONCLUSIES
page 24
Literatuur
page 25
Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage
1 2 3 4 5
pag. 1 Hl INLEIDING
Voor het gebruik in het hoge stromenlab is een snelle inschakelaar gebouwd. Deze schakelaar moet stromen tot zoln 50 kA kunnen inschakelen. Bekrachtiging van de schakelaar vindt plaats met behulp van een spoel, waar doorheen kortstondig een sterke stroom ( ca. 700 A ) wordt gestuurd. De energie hiervoor wordt gehaald uit een opgeladen condensator. De schakelaar op zich wordt al elders toegepast; de gebruikte werkspanning van het inschakelcircuit is met 2.5 kV echter veel te hoog. Een dergelijk hoge spanning brengt namelijk zeer hoge kosten voor zowel condensator als hafgeleidercomponenten met zich mee. Daar komt bij dat in het laboratorium condensatoren van velerlei capaciteiten aanwezig zijn met werkspanningen tot zoln 1.5 kV. De vraag is nu of het mogelijk is met een veel lagere werkspanning (tot 1 kV) en een grotere condensator, dus totaal dezelfde energieinhoud, een voldoende betrouwbaar schakelgedrag kan worden verkregen. Het doel van de stage is een voeding oftewel stuurcircuit te ontwerpen op basis van in het laboratorium aanwezige componenten, deze te bouwen en vervolgens te testen. De belangrijkste eis hierbij is dat de inschakelspreiding van de schakelaar tenminste kleiner is dan ca. 50 ~s.
page 2 H2 DE SCHAKELAAR
De mechanische opbouw van de schakelaar is bijgevoegd in bij lage 1. In de geopende toestand van de schakelaar is een paramagnetische ( "'r~l ) metalen schij f zeer dicht tegen een spoel aan geplaats. Als door deze spoel een pulsstroom wordt gestuurd ontstaat er een veranderlijk maqneetveld. Er wordt een tegengesteld veld opgewekt door de schijf. De krachtstoot die hierdoor ontstaat zorgt ervoor dat de schij f •weggeschoten • wordt. De schij f maakt hierop contact tussen de twee vaste contacten. Na maximale verplaatsing van de schijf is het contactoppervlak met de twee vaste contacten even groote
Van te voren is bekend (door anderen gemeten): de spoel bestaat uit 100 windingen. - de zelfinductie bedraagt los gemeten (zonder schijf er tegen aan) 0.50 mHo - De weerstand van de spoel bedraagt 0.20 n.
principe van krachtopwekkinq in de schakelaar.
Bij het inschakelen van de spoel loopt er een grote pulsstroom door de windingen. Dit veroorzaakt een sterk veranderlijk magnetisch veld ter plaatse van de spoel. Dit veranderlijk magnetisch veld ( dt/dt ) induceert wervelstromen in de koperen schij f. Deze wervelstromen veroorzaken op hun beurt een magnetisch veld met een flux teqengesteld aan de eerstgenoemde ( wet van Lenz ). De veldlijnen verdringen elkaar in de zeer kleine ruimte lucht tussen de schijf en de spoel. Dit principe is geillustreerd in figuur 1.
page 3 'nlAPPED IiWlNETIC
fiELDS SClUIIC£ CUllflENT J'lt' CXlHflHEI) IN SkiN ClEPTH OF COIL
-'ftJDISK
figuur 1: krachtopwekking in de schakelaar ( uit lit. [1] ). De krachtopwekkinq wordt duidelijk aan de hand van de volgende formule. F- 0 (E)
OX
_...2.... (l:. Li 2) _l:. i OX
2
2
2
oL
ax
(2.1)
De inductie wordt gegeven door de volgende formule (zie lit.[2]) L(x)-A+B(l-exp(-Dx»
(2.2)
met A, B en D constanten. Nu is dUs -t>L -BDexp ( -Dx) t>x
(2.3)
De Kracht neem dUs sterk af bij toenemende afstand. Hieruit voIgt ook dat het belangrijk is om in de rusttoestand de schijf zo dicht mogelijk teqen de windingen van de spoel aan te houden.
De contactoverganqsweerstand is erg laag. Als de schijf maar net contact maakt tussen de twee vaste contacten is de weerstand nog maar ca. 5 ~n. Bij normaal schakelen zal de overgansweerstand lager zijn dan 1 ~n. Om een indruk °te krijgen wat dit kan betekenen een (extreem) voorbeeld.
page 4 stel dat er een wisselstroom wordt geschakeld van 50 kAeff • De in te schakelen belasting zou dan bij 220 Vetf gelijk zijn aan 11 MW. Het totaal vermogen dat in de schakelaar opgenomen wordt is 1 2R = 2.5 kW. Bij 36 kontakten van de schakelaar betekent dit 70 W per kontakt. Als deze stroom gedurende 0.1 s wordt ingeschakeld is de te verwerken warmte 7 J per contact. Een contact bestaat uit twee keer een overgang vast contact ~ schijf, dUs per overgang wordt 3.5 J opgenomen. Met de formule E-mxC.,xb. T
(2.4)
voIgt bij een geschat gewicht van een contactblokje van 25 gram en een warmtecoefficient Cv van 3.85 X 10 2 (koper een verhoging in temperatuur van 0.8 •C. Bij slecht schakelen ( contactweerstand 5 ~n ) is de toename 4 ·C. Bij een duur van 1 seconde is de temperatuurtoename in dat geval 40 • C per contactblokje. Tot zover de beschrijving van de schakelaar.
page 5 H3 DE HEETOPSTELLING
Het doel van mijn stage is zoals gezegd in de inleiding het bouwen, ontwerpen en testen van de hogestroominschakelaar zoals beschreven in hoofdstuk 2. De schakelaar wordt elders ( HOLEC Hengelo ) a1 toegepast maar de daar gebruikte spanning van 2.5 kV is vee1 te hoog. De voor deze spanning benodigde thyristoren zijn veel te duur. Verder is het prettiger om met een 1age spanning te schakelen vanwege de in het lab aanwezige condensatoren, hoewel dit in principe nog we1 te rea1iseren is. Ook zijn er voedingen beschikbaar die een spanning 1everen tot ongeveer 800 V. Bij elkaar genomen is het dus aantrekkelijk te weten of bij lagere spanningen een betrouwbaar schakelgedrag wordt verkregen. De gebruikte spanning is 2.5 kV bij een condensator van 80 ~F. Bij een spanning van 800 V is dan om deze1fde energieinhoud ( 250 J ) te krijgen een condensator nodig van 780 ~F. Er is een condensator aanwezig van 700 ~F met een door de fabrikant opgegeven echte waarde van 676 ~F. De voeding b1ijkt een spanning te kunnen ha1en van zo'n 720 V en met deze waarden za1 ik dus de metingen in eerste instantie gaan uitvoeren. Van de spoe1 van de schakelaar zijn voor mijn stage de vo1gende specificaties gemeten: ze1finductie L = 0.50 roB (los, geen kern) weerstand spoel R = 0.2 n Om een indruk te krijgen wat er gebeurt als de
opgeladen
pag. 6 condensator met de spoel van de schakelaar wordt verbonden is gebruik gemaakt van een programma ( "RLC", voor simulatie van RLC-circuits ) dat deze situatie kan doorrekenen. De output-file van dit programma staat in bijlage 2. De in deze analyse bedoelde stroom is van de volgende gedaante:
