AT519338A1

AT519338A1 - Circuit arrangement for reducing a DC component in the soft magnetic core of a transformer

Info

Publication number: AT519338A1
Application number: ATA51035/2016A
Authority: AT
Inventors: Peter Hamberger Dr; Weidenholzer Günther; Weniger Martin
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2018-05-15

Abstract

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss- Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators, mit einer Kompensationswicklung (1), die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist, einem Transduktor und einer Strombegrenzungsdrossel(3), dadurch gekennzeichnet, dass Transduktor und Strombegrenzungsdrossel(3) einen gemeinsamen Eisenkreis aufweisen und dass der Eisenkreis zumindest eine Transduktorschicht und zumindest eine Drosselschicht aufweist.Circuit arrangement for reducing a DC component in the soft magnetic core of a transformer, having a compensation winding (1) which is magnetically coupled to the core of the transformer, a transductor and a current limiting inductor (3), characterized in that the transducer and current limiting inductor (3) Have common iron and that the iron circle has at least one Transduktorschicht and at least one throttle layer.

Description

Beschreibungdescription

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines TransformatorsCircuit arrangement for reducing a DC component in the soft magnetic core of a transformer

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators.The invention relates to a circuit arrangement for reducing a DC component in the soft magnetic core of a transformer.

Stand der TechnikState of the art

Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms in die Primärwicklung oder Sekundärwicklung kommen. Eine solche Gleichstromeinspeisung, auch als DC-Anteil bezeichnet, kann beispielsweise von elektronischen Baukomponenten herrühren, wie sie heutzutage bei der Ansteuerung von elektrischen Antrieben oder auch bei der Blindleistungskompensation verwendet werden. Eine andere Ursache können sogenannte geomagnetisch induzierte Ströme (englisch "Geomagnetically Induced Currents", GIC) sein.In electrical transformers, as used in power distribution networks, there may be an undesirable feed of a direct current into the primary winding or secondary winding. Such DC supply, also referred to as DC component, can for example come from electronic components, such as those used today in the control of electrical drives or in the reactive power compensation. Another cause may be so-called Geomagnetically Induced Currents (GIC).

Aufgrund von Sonnenwinden wird das Erdmagnetfeld verändert und damit werden an Leiterschleifen an der Erdoberfläche sehr niederfrequente Spannungen induziert. Bei langen elektrischen Energieübertragungsleitungen kann die induzierte Spannung relativ große niederfrequente Ströme (Quasi-Gleichströme) bewirken. Geomagnetisch induzierte Ströme treten ungefähr in Zehnjahreszyklen auf. Sie verteilen sich gleichmäßig auf alle (drei) Phasen, können pro Phase bis zu 30 A erreichen und fließen über den Sternpunkt eines Transformators ab. Dies führt zu einer starken Sättigung des Kerns des Transformators in einem Halbzyklus und daher zu einem starken Erregerstrom in einem Halbzyklus. Diese zusätzliche Erregung hat einen starken Oberwellenanteil und dadurch werden durch das Streufeld mit Oberwellenanteil Wirbelstromverluste inDue to solar winds, the earth's magnetic field is changed and thus very low-frequency voltages are induced on conductor loops on the earth's surface. For long electrical power transmission lines, the induced voltage can cause relatively large low frequency currents (quasi-DC currents). Geomagnetically induced currents occur approximately in ten-year cycles. They are evenly distributed over all (three) phases, can reach up to 30 A per phase and flow through the neutral point of a transformer. This leads to a strong saturation of the core of the transformer in a half cycle and therefore to a strong excitation current in a half cycle. This additional excitement has a strong harmonic content and thus be due to the stray field with harmonic content eddy current losses in

Wicklungen und Eisenteilen des Transformators verursacht.Windings and iron parts of the transformer caused.

Dies kann zu lokaler Überhitzung im Transformator führen. Weiters kommt es durch den starken Erregungsbedarf zu einem hohen Blindleistungsverbrauch und Spannungsabfall. Gemeinsam kann dies zur Instabilität des Energieübertragungsnetzes führen. Stark vereinfacht gesprochen verhält sich der Transformator in einer Halbwelle wie eine Drossel.This can lead to local overheating in the transformer. Furthermore, due to the strong excitation requirement, high reactive power consumption and voltage drop occur. Together, this can lead to the instability of the energy transmission network. To put it simply, the transformer behaves in a half-wave like a choke.

Manche Energieübertragungsunternehmen verlangen daher in der Spezifikation von Transformatoren bereits 100 A Gleichstrom für den Sternpunkt des Transformators.For this reason, some energy transmission companies already require 100 A DC for the neutral point of the transformer in the specification of transformers.

Gemäß der WO 2012/041368 Al wird eine in einerAccording to WO 2012/041368 Al, one in a

Kompensationswicklung induzierte elektrische Spannung genutzt und für die Kompensation des störenden magnetischen Gleichfluss-Anteils herangezogen, indem ein Thyristorschalter in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel geschaltet wird, um den Kompensationsstrom in die Kompensationswicklung einzubringen. Diese Lösung funktioniert gut für auszugleichende Gleichströme in einem Bereich, die um eine Größenordnung kleiner sind als geomagnetisch induzierte Ströme, also etwa im Bereich unter 10 A. Für geomagnetisch induzierte Ströme müsste man auf die Mittelspannungsebene gehen, also in den Bereich von etwa 5 oder 8 kV, und leistungsstarke Thyristoren einsetzen. Aufgrund der hohen Verlustleistung derartiger Thyristoren wäre eine eigene Kühlung für die Thyristoren vorzusehen, sodass diese Lösung dann nicht wirtschaftlich wäre.Compensation winding induced voltage used and used for the compensation of the disturbing magnetic DC component by a thyristor switch is connected in series with a current limiting reactor to introduce the compensation current in the compensation winding. This solution works well for DC currents to be compensated within a range that is smaller by an order of magnitude than geomagnetically induced currents, ie in the range below 10 A. For geomagnetically induced currents, one would have to go to the medium voltage level, ie in the range of approximately 5 or 8 kV, and use powerful thyristors. Due to the high power dissipation of such thyristors would provide a separate cooling for the thyristors, so that this solution would not be economical.

Eine andere Lösung für geomagnetisch induzierte Ströme stellt der sogenannte DC Blocker dar, bei dem im Prinzip ein Kondensator in den Sternpunkt des Transformators geschaltet wird. Diese Lösung ist problematisch, weil durch das Aufladen des Kondensators eine Verlagerungsspannung entsteht. Darüber hinaus ist die Verlagerungsspannung am Kondensator begrenzt, sodass in der Regel nicht der gesamte Gleichstrom geblockt werden kann. Problematisch ist diese Lösung auch, wenn es zu einem Kurzschluss im Übertragungsnetz und daher zu Nullströmen kommt.Another solution for geomagnetically induced currents is the so-called DC blocker, in which a capacitor is connected in principle in the neutral point of the transformer. This solution is problematic because the charging of the capacitor creates a transfer voltage. In addition, the displacement voltage across the capacitor is limited, so that usually not the entire DC current can be blocked. This solution is also problematic when it comes to a short circuit in the transmission network and therefore to zero currents.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Standd er Technik weiterzuentwickeln.It is an object of the present invention to further develop the prior art.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a device having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:The invention will be explained in more detail with reference to figures. They show by way of example:

Figur 1 eine Prinzipschaltung nach dem Stand der Technik zum Einbringen von Kompensationsstrom in eine KompensationsWicklung,FIG. 1 shows a principle circuit according to the prior art for introducing compensating current into a compensation winding;

Figur 2 die schematische Darstellung eines TransduktorsFigure 2 is a schematic representation of a transductor

Figur 3 die schematische Darstellung einer Drossel,3 shows the schematic representation of a throttle,

Figur 4 die beispielhafte Kombination der Eisenkreise von Transduktor und DrosselFigure 4 shows the exemplary combination of the iron circuits of the transducer and throttle

Figur 5 eine bevorzugte Bauform der erfindungsgemäßen Kombination von Transduktor und Drossel.Figure 5 shows a preferred construction of the inventive combination of transductor and throttle.

Ausführung der ErfindungEmbodiment of the invention

Gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 wird bei der sogenannten Gleichstrom-Kompensation gezielt Gleichstrom in eine Kompensationswicklung 1 eingebracht, um die Gleichstrommagnetisierung des Transformatorkerns aufzuheben. Zum Einbringen der notwendigen magnetischen Durchflutung (der sogenannten Gleichstrom-Amperewindungen) in die Kompensationswicklung 1 macht man sich die in der Kompensationswicklung 1 induzierte Wechselspannung zunutze, die Kompensationswicklung 1 wirkt wie eine Wechselspannungsquelle. An der Kompensationswicklung 1 wird eine beispielsweise als Thyristor ausgebildete Schalteinheit 3 in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel 2 geschaltet.According to the prior art in FIG. 1, in the so-called direct current compensation, direct current is deliberately introduced into a compensation winding 1 in order to cancel the DC magnetization of the transformer core. To introduce the necessary magnetic flux (the so-called DC ampere turns) into the compensation winding 1, the alternating voltage induced in the compensation winding 1 is utilized; the compensation winding 1 acts like an AC voltage source. At the compensation winding 1, a switching unit 3 designed, for example, as a thyristor is connected in series with a current limiting inductor 2.

Der erforderliche Gleichstrom kann durch spannungssynchrones Zünden bei einem bestimmten Zündzeitpunkt der Schalteinheit 3 eingestellt werden (Phasenanschnittsteuerung). Zündet man die Schalteinheit 3 im Spannungsnulldurchgang, so stellt sich der maximale Gleichstrom ein, der jedoch mit einem Wechselstrom von der Amplitude des Gleichstroms und der Netzfrequenz überlagert ist. Zündet man die Schalteinheit 3 später, so wird der Gleichstrom kleiner, es entstehen jedoch auch Oberschwingungswechselströme. Der Stromverlauf in der Schalteinheit 3 wird durch eine Strombegrenzungsdrossel 2 begrenzt, dimensionierend für die Strombegrenzung ist die zulässige thermische Belastung der Schalteinheit 3.The required DC current can be adjusted by voltage synchronous ignition at a specific ignition timing of the switching unit 3 (phase control). Ignition of the switching unit 3 in the voltage zero crossing, so sets the maximum direct current, which is superimposed with an alternating current of the amplitude of the direct current and the mains frequency. Ignition of the switching unit 3 later, the DC current is smaller, but there are also harmonic alternating currents. The current profile in the switching unit 3 is limited by a current limiting inductor 2, dimensioning for the current limiting is the permissible thermal load of the switching unit 3rd

Als Alternative kann anstelle eines Halbleiterschalters auch ein Transduktor eingesetzt werden. Eine derartige Lösung kann beispielsweise die folgenden Merkmale aufweisen: eine Kompensationswicklung, die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist; einen Transduktor, der in Reihe mit derAlternatively, instead of a semiconductor switch and a transductor can be used. Such a solution may include, for example, the following features: a compensation winding that is magnetically coupled to the core of the transformer; a transductor in series with the

Kompensationswicklung in einem Kompensations-Strompfad angeordnet ist, wobei der Kompensations-Strompfad zwei parallele Stromzweige aufweist, in denen jeweils eine Arbeitswicklung des Transduktors und ein ungesteuertes Ventil in Reihe angeordnet ist, wobei die Flussrichtung der Ventile entgegengesetzt gerichtet ist, und wobei jede Arbeitswicklung über einen sättigungsfähigen Transduktor-Kern mit einer Steuerwicklung magnetisch gekoppelt ist; eine Steuereinrichtung, der eingangsseitig eine Information über Größe und Richtung des Gleichfluss-Anteils zugeführt ist, und die ausgangsseitig eine Steuergröße erzeugt, die jeder Steuerwicklung zugeführt ist, so dass der Sättigungszustand des Transduktor-Kerns so änderbar ist, dass sich im Kompensations-Strompfad einCompensation winding is arranged in a compensation current path, wherein the compensation current path comprises two parallel branch circuits, in each of which a working winding of the transducer and an uncontrolled valve is arranged in series, wherein the flow direction of the valves are oppositely directed, and wherein each working winding over a saturable transducing core is magnetically coupled to a control winding; a control device, which is supplied on the input side information about the size and direction of the DC component, and the output generates a control variable, which is supplied to each control winding, so that the saturation state of the transducing core is changeable so that in the compensation current path

Kompensationsstrom ausbildet, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegen gerichtet ist.Compensating current forms whose effect is directed against the DC component.

Gemäß einer weiteren Variante umfasst die Transduktor-Lösung folgende Merkmale: - eine Kompensationswicklung, die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist; - einen Transduktor, mit einer Arbeitswicklung, die in Reihe mit der Kompensationswicklung in einem Kompensations-Strompfad angeordnet ist, wobei im Kompensations-Strompfad ein ungesteuertes Ventil und eine Schaltvorrichtung zum Umpolen der Stromflussrichtung im Ventil angeordnet ist, und wobei die Arbeitswicklung über einen sättigungsfähigen Transduktor-Kern mit einer Steuerwicklung magnetisch gekoppelt ist; - eine Steuereinrichtung, der eingangsseitig eine von einer Erfassungseinrichtung bereitgestellte Information über Größe und Richtung des Gleichfluss-Anteils (Φβο) zugeführt ist, und die ausgangsseitig eine Steuergröße erzeugt, die der Steuerwicklung zugeführt ist, so dass der Sättigungszustand des Transduktor-Kerns so änderbar ist, dass im Kompensations-Strompfad ein Kompensationsstrom (IK) sich ausbildet, dessen Wirkung im Kern des Transformators dem Gleichfluss-Anteil (Φβο) entgegen gerichtet ist.According to a further variant, the transductor solution comprises the following features: a compensation winding, which is magnetically coupled to the core of the transformer; a transductor having a working coil arranged in series with the compensating winding in a compensating current path, wherein in the compensating current path an uncontrolled valve and a switching device for reversing the direction of current flow in the valve are arranged, and wherein the working winding is via a saturable transductor Core is magnetically coupled to a control winding; - A control device on the input side provided by a detection means information about the size and direction of the DC component (Φβο) is supplied, and the output side generates a control variable which is supplied to the control winding, so that the saturation state of the transductor core is changeable in that a compensation current (IK) is formed in the compensation current path whose effect in the core of the transformer is directed counter to the direct current component (Φβο).

Durch die Verwendung eines Transduktors in Verbindung mit ungesteuerten Ventilen entfällt die sonst für gesteuerte Ventils erforderliche komplexe Steuerschaltung. Verglichen mit einem Thyristor, sind ungesteuerte Ventile, wie beispielsweise eine Diode, vergleichsweise robust und haben eine höhere Lebensdauer. Der Transduktor, der im Wesentlichen aus einem magnetischen Kern und einer darauf angeordneten Wicklungsanordnung (bestehend aus einer oder einer paarweisen Anordnung von Arbeitswicklung und Steuerwicklung) besteht, ähnelt von seiner Bauweise einem Transformator und lässt eine ähnlich hohe Lebensdauer erwarten.The use of a transductor in conjunction with uncontrolled valves eliminates the complex control circuitry otherwise required for controlled valves. Compared to a thyristor, uncontrolled valves, such as a diode, are relatively robust and have a longer life. The transductor, which consists essentially of a magnetic core and a winding arrangement arranged thereon (consisting of one or a pair of working winding and control winding), resembles a transformer in terms of its construction and can expect a similarly long service life.

Fig.2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines Transduktors.2 shows a schematic representation of the construction of a transductor.

Dieser umfasst einen geschlossenen Eisenkreis K, der gezielt durch eine Steuerwicklung S in Sättigung gebracht werden kann. Damit wird die Induktivität der Lastwicklung L des Transduktors verändern. Ist der geschlossene Eisenkreis K nicht gesättigt, so stellt die Lastwicklung eine hohe Induktivität dar. Es fließt nur ein sehr kleiner Erregerstrom (Transformator im Leerlauf). Dies entspricht einem offenen Schalter.This comprises a closed iron circle K, which can be selectively brought into saturation by a control winding S. This will change the inductance of the load winding L of the transductor. If the closed iron circuit K is not saturated, the load winding represents a high inductance. Only a very small exciting current flows (transformer in idle). This corresponds to an open switch.

Bringt man den geschlossenen Eisenkreis K (partiell oder ganz) in Sättigung, so sinkt die Induktivität der Lastwicklung L stark auf eine Restinduktivität ab. Dies entspricht einem geschlossenen Schalter. In der Regel ist die Restinduktivität nicht ausreichend, um die notwendige Strombegrenzung zu erreichen.Bringing the closed iron circle K (partially or completely) into saturation, the inductance of the load winding L drops sharply to a residual inductance. This corresponds to a closed switch. In general, the residual inductance is not sufficient to achieve the necessary current limit.

Daher ist zusätzlich eine Strombegrenzungsdrossel erforderlich.Therefore, a current limiting choke is required in addition.

Wesentlich an einer Drossel ist die Realisierung einer bestimmten Induktivität, die über den technischen Strombereich möglichst konstant sein soll. Je nach Höhe der geforderten Induktivität erreicht man dies durch Luftspalte im Eisenkreis. Daher hat eine Drossel im Gegensatz zu einem Transduktor kleinere oder größere Luftspalte, die auch verteilt sein können. Eine mögliche, beispielhafte Bauform ist in Fig. 3 dargestellt.Essential to a choke is the realization of a specific inductance, which should be as constant as possible over the technical current range. Depending on the height of the required inductance, this is achieved by air gaps in the iron circle. Therefore, in contrast to a transductor, a choke has smaller or larger air gaps, which can also be distributed. One possible, exemplary design is shown in FIG. 3.

Um die gewünschte Induktivität der Drossel zu erreichen, ist die Anzahl der Windungen der Wicklung zu wählen und der notwendige Eisenkreis (Eisenquerschnitt und Luftspalte) zu dimensionieren. Dies ist eine Frage des wirtschaftlichen Optimums. Es ist jedoch davon auszugehen, dass der benötigteIn order to achieve the desired inductance of the inductor, the number of turns of the winding must be selected and the necessary iron circle (iron cross section and air gaps) must be dimensioned. This is a question of economic optimum. However, it is assumed that the needed

Querschnitt des Eisenkreises des Transduktors wesentlich kleiner ist, als der der Drossel.Cross section of the iron circle of the transductor is much smaller than that of the throttle.

Erfindungsgemäß werden nun Transduktor und Drossel zu einem „Transractor" (TRANSduktor + ReACTOR) zusammengefasst werden und eine gemeinsame Lastwicklung angeordnet wird.According to the invention, the transductor and choke will now be combined into a "transractor" (TRANSduktor + ReACTOR) and a common load winding will be arranged.

Fig. 4 zeigt beispielhafte Kombinationen der Eisenkreise von Transduktor und Drossel. Dargestellt sind die Querschnitte zweier Varianten. Auf der Linken Seite eine Sandwichbauweise, rechts ist der Transduktorkreis einfach außen eben aufgelegt. Der Querschnitt muss dabei nicht quadratisch sein, sondern kann auch gestuft ausgeführt sein.Fig. 4 shows exemplary combinations of the iron circuits of the transducer and throttle. Shown are the cross sections of two variants. On the left side a sandwich construction, on the right the transductor circle is simply placed on the outside. The cross section does not have to be square, but can also be stepped.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Bauform der erfindungsgemäßen Kombination. Da die Luftspalte in der Regel sehr groß werden, kann man in der Reaktorschicht auf Bleche im Schenkel komplett verzichten und nur die Jochbleche Jo, Ju verwenden. Dies ist von der Fertigung einfacher zu realisieren. Die oberen Jochbleche des Transduktors sollen nicht verzapft sein, damit ein kleiner Luftspalt eingestellt werden kann, durch eventuelle Einlage einer dünnen Isolationsschicht (Abb. 6). Da der Transduktorkern eher schmal ausgeführt ist ist eine ovale Form der Wicklung, um den Raum optimal zu nutzen sinnvoll.Fig. 5 shows a preferred construction of the combination according to the invention. Since the air gaps are usually very large, you can completely dispense in the reactor layer on sheets in the leg and only use the yoke Jo, Ju. This is easier to realize from the production. The upper yoke plates of the transductor should not be shunted, so that a small air gap can be set by possibly inserting a thin insulating layer (Fig. 6). Since the transductor core is designed to be narrow, an oval shape of the winding in order to make optimal use of the space makes sense.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Funktion des Transduktors und der Strombegrenzungsdrossel in einer speziellen Konstruktion einer Drossel vereint ist. Dies führt zu einer erheblichen Einsparung, da die Lastwicklung des Transduktors und die Wicklung der Strombegrenzungsdrossel durch eine einzelne Wicklung realisierbar sind.The main advantage of the invention is that the function of the transducer and the current limiting reactor is combined in a special construction of a throttle. This leads to a considerable saving, since the load winding of the transductor and the winding of the current limiting choke can be realized by a single winding.

Bezugszeichenliste 1 Kompensationswicklung 2 Strombegrenzungsdrossel 3 Schalteinheit K Eisenkreis des Transduktors S Steuerwicklung des Transduktors L Lastwicklung des Transduktors 1. Jo, Ju JochblecheLIST OF REFERENCES 1 compensating winding 2 current limiting inductor 3 switching unit K iron circuit of the transductor S control winding of the transductor L load winding of the transductor 1. Jo, Ju yoke laminations

Claims

claims

1. A circuit arrangement for reducing a DC component in the soft magnetic core of a transformer, comprising a compensation winding (1) which is magnetically coupled to the core of the transformer, a transductor and a current limiting inductor (3), characterized in that the transductor and current limiting inductor (3 ) have a common iron circle and that the iron circle has at least one Transduktorschicht and at least one throttle layer.

2. Device according to claim 1, characterized in that the Transduktorschicht is executed closed and has only a comparatively small air gap to reduce the remanence, and that the Transduktorschicht is designed so that it has high magnetic conductivity.

3. A device according to claim 4, characterized in that the sheets of the Transduktorschicht are connected via step-lap taping.

4. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Transduktorschicht consists of a high-permeability electrical steel.

5. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the load winding is placed on both layers and the control winding comprises only the Transduktorschicht.