CN107430926B - 用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置 - Google Patents

用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置 Download PDF

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Abstract

用于减小变压器的铁芯（13）中的磁通直流分量的电路装置，包括：‑测量装置（12），所述测量装置提供与所述磁通直流分量相应的传感器信号（10）；‑补偿绕组（1），所述补偿绕组与变压器的铁芯（13）磁耦合；‑半导体开关设备（2），所述半导体开关设备在电流路径（13）中与所述补偿绕组（1）电串联地布置，以便将电流（IGL）馈送到所述补偿绕组（1）中，所述电流的效果与磁通直流分量相反地指向，其中所述半导体开关设备（2）能够借助由控制装置（9）提供的控制信号（8）来控制，‑其特征在于电感分压器（11），所述电感分压器具有：第一阻抗（3），所述第一阻抗在电流回路（13）中与补偿绕组（1）和半导体开关设备（2）串联地布置，其中并联振荡电路（5）与所述第一阻抗（3）并联；第二阻抗（3'），所述第二阻抗与半导体开关设备（2）并联地布置。

Description

用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置
技术领域
本发明涉及一种用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置，其具有：测量装置，该测量装置提供与磁通直流分量相应的传感器信号；补偿绕组，该补偿绕组与变压器的铁芯磁耦合；半导体开关设备，该半导体开关设备在电流路径中与补偿绕组电串联地布置，以便将电流馈送到补偿绕组中，该电流的效果与磁通直流分量相反地指向，其中半导体开关设备能够借助由控制装置提供的调节参量来控制。
背景技术
已知的是，在如用在能量配送网中的电变压器中，可能发生直流电流到初级绕组或次级绕组中的不期望的馈送。这样的直流电流馈送（下面也称为DC分量）例如可以由电子结构部件引起，如所述电子结构部件如今用在电驱动装置的控制中或也用在无功功率补偿中那样。另一个原因可能是所谓的“地磁感应电流”（GIC）。
DC分量在变压器的铁芯中导致磁通直流分量，该磁通直流分量与交流磁通叠加。这导致铁芯中的磁材料的不对称调制并且带来一系列缺点。几安培的直流电流已经可以导致变压器中的局部加热，这可以影响绕组绝缘部的寿命。另一个不期望的效应是在运行变压器时的提高的噪声发射。如果变压器安装在住宅区域附近，则这特别是感受为干扰。
在PCT/EP2010/064397中提出，借助在电流回路中与补偿绕组串联的半导体开关设备在使用在补偿绕组中感应的电压的情况下产生脉冲直流电流，该脉冲直流电流在平均上补偿所不期望馈送的直流电流分量。为了测量磁通直流分量，例如可以使用如在PCT/EP2010/054857中提出的传感器装置。
这样的利用半导体开关设备的DC补偿的应用受限于所使用的功率电子器件的最大允许的电压或电流。根据补偿绕组的构造得出以下问题：如果补偿绕组的匝数保持得低，则半导体开关设备必须产生大的补偿电流，这伴随着器件的相应大的放热。另一方面，如果使用具有高匝数的补偿绕组，则在补偿绕组中感应的电压快速达到所使用的半导体开关的最大允许的电压极限。
在利用半导体的DC补偿的实际应用中，这意味着，借助当今可用的器件，所述应用限于在大约700V以下的在补偿绕组中的感应电压（低电压方针）。
但是，DC补偿的问题也存在于大的变压器中、特别是在所谓的HGÜ变压器中，在所述变压器中在补偿绕组中感应的电压可以远远高于700V。
发明内容
本发明的任务是说明一种用于减小变压器中的磁通直流分量的电路装置，该电路装置在实际应用中也可以应用于很大功率范围内的变压器。
该任务通过本申请所公开的电路装置来解决。本发明的有利的设计方案、方面和细节也在本申请中被给出。
本发明所基于的思想是，在补偿绕组中感应的电压借助电感分压器来降低，使得如今可用的半导体器件可以用于半导体开关装置，而不超过其最大允许的电压。因此开启了利用半导体开关设备的DC补偿也用于很大功率的功率变压器的应用领域。特别是DC补偿现在也可以用于HGÜ变压器。根据本发明使用的电感分压器由复阻抗的串联电路组成。具体地，根据本发明的用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置，包括：测量装置，所述测量装置提供与所述磁通直流分量相应的传感器信号；补偿绕组，所述补偿绕组与变压器的铁芯磁耦合；半导体开关设备，所述半导体开关设备在电流路径中与所述补偿绕组电串联地布置，以便将电流馈送到所述补偿绕组中，所述电流的效果与磁通直流分量相反地指向，其中所述半导体开关设备能够借助由控制装置提供的控制信号来控制。本发明的该电路装置具有电感分压器，所述电感分压器具有第一阻抗，该第一阻抗在电流回路中与补偿绕组和半导体开关设备串联地布置，其中并联振荡电路与该第一阻抗并联。所述电感分压器还具有第二阻抗，该第二阻抗与半导体开关设备并联地布置。这两个阻抗根据分压器规则被设计成，使得在半导体开关设备上电压被降低，使得可以使用当前可用的半导体开关元件。半导体开关装置的控制可以如在开头提及的PCT/EP2010/064397中那样实施。如那里公开的，感应电压被用于产生补偿电流，该补偿电流可以双向地馈送到补偿绕组中。半导体开关设备的各个器件的接通电网同步地并且按照预先给定的开关策略来进行。接通时刻由在补偿绕组中感应的电压的相来触发，并且接通持续时间取决于测量装置提供的传感器信号。通过该方式，将正弦形脉冲直流电流馈送到补偿绕组中，该直流电流的大小由电流限制装置来限制。外部能量源、即电池或电容器对于产生该脉冲直流电流不是必需的。该脉冲直流电流的电流流动持续时间可以以简单的方式并且很精确地按照所输送的传感器信号来调节，该传感器信号预先给定待补偿的DC分量的方向和大小。所述如此产生的脉冲直流电流的平均值在变压器的软磁铁芯中引起磁通直流分量的减小，或完全抵消铁芯中的磁通直流分量的效果。由此不再发生软磁铁芯的开头提及的所不期望的不对称调制。因此，变压器绕组的热负荷更小。在运行变压器时，损耗和噪声更小。该设备在此可以利用相对简单的机构来实现。在此，不仅可以使用分立的和/或可编程的部件，所述部件在商业上可用。在此，大的优点是，为了产生补偿电流IGL不需要储能器、诸如电池或电容器。换句话说，用于产生补偿电流IGL的能量直接从补偿绕组提取。由于其简单性，电路装置的可靠性是高的。该电路装置良好地适用于在能量配送网中的变压器的缺少维护的长时间运行。应用领域不仅包括低电压或中电压范围内的变压器，而且包括很高功率的变压器（HGÜ变压器）。变压器的结构大小和安全相关的装置或其他设计标准都没有通过应用本发明而不利地受到影响。
为了限制电流的目的，在电流路径中与半导体开关设备和补偿绕组串联地布置有电感。在电流路径中使用电感的优点仅在于以下事实，即补偿绕组的线圈电流对应于线圈电压的时间积分并且因此通过在一个周期上的合适的控制策略能够以简单的方式达到该电压积分的并且因此线圈电流的直流分量。在相应选择电感的情况下，在接通时的负荷可以保持得很低，因为电流在接通瞬间的时间改变受到电感限制。原则上，也可以代替电感而使用另外的偶极。在电路技术上也应该能够设想欧姆阻抗，但是其有功损耗是不利的。
在一种优选的实施方式中，并联振荡电路具有谐振频率，该谐振频率被协调到变压器的电网频率上。因此，该并联振荡电路对于交流电流起截止作用，但是对于瞬时的直流电流、即补偿电流却不这样。并联振荡电路对于电网频率具有很高的阻抗（在理论上的理想情况下为无限高的阻抗）。对于具有其他频率的电流，阻抗根据品质因数急剧下降。
优选的是，将第一截止阻抗与第一阻抗串联并且将第二截止阻抗与第二阻抗串联。所述电感引起，可以单独调节关于并联支路的电感。
在一种优选的实施方案中可以规定，半导体开关设备通过由控制单元提供的控制信号来控制，使得在电流路径中流动的电流（IGL）是脉冲直流电流并且当电流路径中的电流（IGL）为零或近似为零时，半导体开关设备自发地切断。晶闸管在电流过零点时转变为截止状态。由此得出具有叠加的高次谐波的直流电流。
在一种优选的实施方案中还可以规定，半导体开关设备由两个反并联的晶闸管、GTO或IGBT构成。使用晶闸管的优点首先在于，晶闸管利用电流脉冲“点火”，即可以引入导通状态。在电网电压的正半波期间，直至下个电流过零点，晶闸管具有二极管的特性。由晶闸管自身通过以下方式引起电流流动持续时间的结束，即低于保持电流并且晶闸管自动“熄灭”、即转变为不导通状态。当然也可以设想其他半导体开关、如GTO、IGBT晶体管或其他开关元件。
能够适宜的是，半导体-半导体开关设备和控制装置布置在变压器的容器之外。由此，整个电子电路从外部对于检查和维护是可接近的。
附图说明
为了进一步解释本发明，在说明书的以下部分中参考附图，根据附图借助未限制性的实施例可以提取本发明的其他有利的设计方案、细节和改进方案。其中：
图1示出根据本发明的开关设备的一个实施例。
具体实施方式
图1以简化图示出根据本发明的一个实施例的开关设备100。开关设备100基本上由电感分压器11组成，该电感分压器由第一复阻抗、阻抗3和第二复阻抗、阻抗3'组成。第一阻抗3在此在电流路径13中与半导体开关设备2和补偿绕组1串联。在图1中，补偿绕组1以电压源的符号来表示。在补偿绕组1中感应的电压形成分压器3、3'的总电压。阻抗3、3'被布置到磁铁芯上并且在其匝数上不同。通过合适地实施阻抗3、3'，例如通过合适选择匝数，可以在电感阻抗3或3'上相应地设计分电压（分压器规则）。根据本发明，阻抗3'上的分电压被选择成，使得在半导体开关设备2中使用的器件7、7'的最大允许电压被降低，使得不超过允许的最大电压值。仅仅很小的激励电流流经这两个阻抗3、3'。
为了没有值得一提的电流流经两个阻抗3或3'（这将等于在产生补偿电流时的损耗），分别将截止阻抗4或4'与每个阻抗3或3'连接。所述截止阻抗4或4'大于并联振荡电路5的电感的阻抗。截止阻抗4或4'可以是磁线圈或空心线圈。
如从图1的电路图得知，并联振荡电路5与上部阻抗3并联。并联振荡电路由电感和并联的电容器组成。所述两个器件关于其谐振频率被确定成，使得并联振荡电路5对于变压器的电网频率形成截止回路，即并联振荡电路的阻抗对于交流电流是很大的（阻抗是截止的）。相反，并联振荡电路的阻抗对于直流电流是小的。如果现在半导体开关设备2的两个晶闸管7或7'之一接通，则形成补偿电流IGL（直流电流），该补偿电流的电流路径通过并联振荡电路5的扼流圈引导。如果例如在图1中在功能块2中上部示出的晶闸管7被点火，则形成补偿电流IGL，该补偿电流在电流路径13中沿逆时针流动并且在图1中从下向上馈送到补偿绕组1中。如果功能块2中的下部晶闸管7'点火，则补偿电流IGL的方向反转，使得补偿电流IGL沿顺时针经过并联振荡电路5的电感馈送到补偿绕组1中；（在图1的图示中在该情况下箭头从上向下）。
通过根据本发明的电路装置能够实现补偿绕组1中的双向电流流动IGL，使得可以补偿变压器的铁芯14中的干扰的通量直流分量。结果，所述补偿导致，不再发生在噪声形成和局部加热方面具有开头示出的负面效果的磁材料的不对称调制。
如图1中所示，在电流路径13中为了限制电流的目的而连接有限流扼流圈6。
半导体开关设备2的控制通过控制装置9提供的控制信号8来实现。控制装置9在输入侧接收磁场测量装置12的测量信号10，该磁场测量装置12检测变压器的铁芯14中的磁通直流分量。控制信号8在此考虑所探测的磁通直流分量的大小和方向。
如在开头提及的PCT/EP2010/064397中所解释的那样，补偿电流IGL具有彼此靠近排列的正弦形半波的形状，所述半波被电流空缺中断，其中每个半波与感应电压的半个周期持续时间对称。
可以概括地说，通过本发明也能够实现针对很大功率变压器的直流电流补偿。例如，如果在补偿绕组中感应的电压远远大于700V，则也可以使用在PCT/EP2010/064397中公开的利用当前可用的半导体器件的解决方案。
尽管本发明细节上通过上面示出的优选实施例进行详细阐述和描述，但是本发明不限于公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其他变型方案，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 补偿绕组
2 半导体开关设备
3、3' 阻抗、复阻抗
4、4' 截止阻抗
5 并联支路
6 传感器信号
7、7' 晶闸管
8 控制信号
9 控制装置
10 测量信号
11 电感分压器
12 磁场测量装置
13 电流路径
14 变压器的铁芯
IGL 补偿电流
100 开关设备

Claims (7)

1.用于减小变压器的铁芯中的磁通直流分量的电路装置，包括：
- 测量装置（12），所述测量装置提供与所述磁通直流分量相应的传感器信号（10）；
- 补偿绕组（1），所述补偿绕组与变压器的铁芯磁耦合；
- 半导体开关设备（2），所述半导体开关设备在电流路径（13）中与所述补偿绕组（1）电串联地布置，以便将电流（IGL）馈送到所述补偿绕组（1）中，所述电流的效果与磁通直流分量相反地指向，其中所述半导体开关设备（2）能够借助由控制装置（9）提供的控制信号（8）来控制，
- 其特征在于所述电路装置具有电感分压器（11），所述电感分压器具有：
第一阻抗（3），所述第一阻抗在电流路径（13）中与补偿绕组（1）和半导体开关设备（2）串联地布置，其中并联振荡电路（5）与所述第一阻抗（3）并联，
第二阻抗（3'），所述第二阻抗与半导体开关设备（2）并联地布置。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述并联振荡电路（5）具有谐振频率，所述谐振频率被协调到变压器的电网频率上。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，将第一截止阻抗（4）与第一阻抗（3）串联并且将第二截止阻抗（4'）与第二阻抗（3'）串联。
4.根据权利要求1至3之一所述的电路装置，其特征在于，所述半导体开关设备（2）通过由控制装置（9）提供的控制信号（8）来控制，使得在电流路径（13）中流动的电流（IGL）是脉冲直流电流并且当电流路径（13）中的电流（IGL）为零或近似为零时，所述半导体开关设备（2）自发切断。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述脉冲直流电流（IGL）由周期性重复的半波和将相邻半波连接的电流空缺构成。
6.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述半导体开关设备（2）由反并联的晶闸管、GTO或IGBT构成。
7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于，所述半导体开关设备（2）布置在变压器容器之外。
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