DE2135677C3

DE2135677C3 - Mehrphasiger öltransformator mit an einer Seitenwand seines Kessels angeordneten Halbleiter-Gleichrichtern

Info

Publication number: DE2135677C3
Application number: DE2135677A
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Doken; Tokio Fuchu; Isao Tokio Juri; Kazuo Hachiouji Koguchi; Toshimi Kuroiwa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-07-17
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1981-02-26
Also published as: DE2135677A1; GB1323233A; DE2135677B2; SE372387B; US3718850A; CH538781A; FR2099437A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen öltransformator mit außen an einer Seitenwand des Kessels des Transformators angeordneten, mit den Transformator-Sekundärwicklungen verbundenen Halbleiter-Gleichrichtern.

Bei bekannten Hochstrom-Gleichrichteranlagen werden ein Leistungstransformator und ein separater Gleichrichterschrank vorgesehen. Eine solche Anordnung nimmt jedoch viel Raum in Anspruch, der Gleichrichterschrank ist des erforderlichen stabilen Aufbaus sowie der notwendigen Kühlung wegen relativ aufwendig, und die räumliche Trennung des Leistungstransformators von den Halbleiter-Gleichrichtern bedingt eine große Länge der starke Ströme führenden Verbindungsleitungen, so daß sowohl der Kupferaufwand als auch die Leitungsverluste unangenehm hoch sind und die induktive Verkettung der starke Ströme führenden Leitungen sich störend bemerkbar macht: Neben den durch Wirbelströme sich ergebenden Verlusten können ungleiche Kommutierungszeiten und damit eine ungleiche Stromverteilung auf die einzelnen Halbleiter-Gleichrichter-Elemente auftreten.

Zur Behebung dieser Nachteile sind Hochstrom-Gleichrichteranordnungen erstellt, bei denen die HaIbleiter-Gleichrichter-Elemente im Kessel des ölgekühlten Leistungstransformators angeordnet sind. Da die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente zweckmäßig auf einer tieferen Temperatur zu halten sind als die

ίο Wicklungen des Leistungstransformators ist hierbei entweder die Kühlung des Transformators überdimensioniert, oder die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente werden bei einer für sie ungünstig hohen Temperatur betrieben.

is Fine Anordnung der eingangs genannten Art, bei der der Nachteil der schlechten Zugänglichkeit der im Transformatorkessel unter öl vorgesehenen Halbleiter-Gleichrichter-Elemente vermieden ist, wird durcä die FR-PS 13 57 702 gelehn. Die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente sind auf einer Platte anzuordnen, die einen an einer Seitenwand des Kessels des Transformators vorgesehenen Behälter begrenzt Er wird unabhängig vom Inhalt des Öltransformator von öl durchflossen und vermag somit, die in die Platten eingelassenen

Halbleiter-Gleichrichter-Elemente zu kühlen.

Nach der CH-PS 3 98 771 sollen die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente leicht zugänglich auf mindestens einem gesonderten Blockbauteil angeordnet sein, der mit Kühlkanälen für eine Flüssigkeitskühlung versehen ist, wobei die Flüssigkeitszu- und -ableitung gegeneinander und gegen den Kessel des sie aufnehmenden Transformators isoliert ausgeführt ist und als Stromzuleitung zu den Halbleiter-Gleichrichter-Elementen dient Nach einer Weiterbildung gemäß der CH-PS 4 14 870 kann ein solcher Blockbauteil aus mehreren Stromverteilungsleitungen gebildet sein, die, voneinander isoliert, zu einem Kühlkanal für ein strömendes Kühlmedium vereinigt sind. Für diesen Kühlkanal kann ein getrennter Kühlki islauf vorgese-

«o hen sein.

Durch derart gedrängten Aufbau werden zwar der Konstruktionsaufwand, der Raumbedarf sowie der Kupferaufwand und die Kupferverluste auf ein Minimum verringert, und auch die gegenseitigen induktiven Auswirkungen werden zwar eingeschränkt nicht aber ausreichend behoben. Die dadurch bedingten Störungen und Wirbelstromverluste bleiben grundsätzlich, insbesondere, wenn zu unterschiedlichen Phasen gehörende Stromschienen in geringem Abstand zueinander verlaufen.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus. die innerhalb der Gleichrichteranordnung auftretenden induktiven Wechselwirkungen auf eir Mindestmaß zurückzuführen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Als Vorteil ergibt sich nicht nur. daß die für Halbleiter-Gleichrichter-Elemente optimalen Temperaturen leicht einzuhalten, sondern durch die Anordnung der Gleichrichter-Einheiten und Stromschienen die induktiven Wechselwirkungen ausreichend behoben sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung an Hand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

ί Fig. 1 das Schaltbild eines mehrphasigen Transfor-

mators mit mit diesem verbundenen GJeichrichter-Ein- > heiten,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung unter Weglassung der KOhlvoi richtung eines mit Gleichrichter-Einheiten ausgestatteten Transformators,
ι Fig.3 den Teil-Längsschnitt einer detaillierten

i. Ausführungsform einer Gleichrichter-Einheit mit KOhI-, vorrichtung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Gleichrichter-Einheit der F i g. 3 entlang der Ebene IV-IV,

F i g. 5 einen Querschnitt durch die Gleichrichter-Ein- % heit der F ig. 3 entlang der Ebene V-V,
k Fig.6 ein weiteres Schaltbild eines mit Halbleiter-

; Gleichrichter-Einheiten verbundenen Transformators, : Fig.7 einen Längsschnitt durch eine detaillierte,

jedoch abgeänderte Ausführungsform einer Gleichrichter-Einheit und

F i g. 8 eine Seitenansicht einer Gruppe von Gleichrichter-Einheiten, die mit Kühlvorrichtungen auf eine Wandung des ölkessels eines Transformators aufgesetzt sind.

In dem Schaltbild der F i g. 1 ist der Kessel eines Transformators 10 durch eine strichpunktierte Linie symbolisiert Im Kessel ist auf dem Kern des Transformators eine dreiphasige Primärwicklung U angeordnet, deren Enden zu den Eingangsklemmen 14t/. 14v und I4w geführt sind, über die die Speisung des Transformators von einem Drehstromnetz aus bewirkt wird. Weiterhin auf dem Kern des Transformators angeordnet sind zwei in Sternschaltung ausgeführte Sekundärwicklungen 12 und 13.

Die jeweiligen Phasenwicklungen der beiden Sekundärwicklungen 12 und 13 sind über Durchführungsisolatoren zu Ausgangsklemmen 15 bis 20 geführt, und die Sternpunkte der Sekundärwicklungen 12 und 13 sind durch eine Ausgleichsdrossel 21 verbunden, deren Mittelanzapfung zur gemeinsamen, als negativer Pol benutzten Ausgangsklemme 22 führt

Den sechs se kundären Phasenwicklungen sind sechs Gleichrichter-Einheiten 23 bis 28 nachgeordnet, die jeweils durch gestrichelte Kästchen symbolisiert sind. Jede der Gleichrichter-Einheiten weist einen Halbleiter-Gleichrichter 29 bis 34 sowie eine Überspannungsschutzschaltung 35 bis 40 auf. Die Oberspannungsschutzschaltur.gen enthalten jeweils eintn Kondensator in Reihe mit einem Widerstand und sind dem zugeordneten Halbleiter-Gleichrichter 29 bis 34 parallel geschaltet Je nach Leistungsauslegung können die Gleichrichter-Einheiten 23 Ui 28 jeweils ein Halbleiter-Gleichrichter-Element oder aber auch mehrere solcher Halbleiter-Glcichrichter-EleiTiente aufweisen. Die Ausgänge aller Gleichrichter-Einheiten sind parallel auf eine den positiven Pol darstellende Anschlußklemme 41 geführt, so daß Gleichstromverbraucher zwischen der Ausgangsklemme 22 und der Anschlußklemme 41 anzuschließen sind.

Eine praktische Ausführung des öltransformator mit zugeordneten Gleichrichter-Einheiten ist jedoch ohne die in F i g. 3, 7 und 8 noch enthaltenen Details einer Kühlvorrichtung, perspektivisch in Fig.2 dargestellt Eine Stirnwand des den Transformator 10 der F i g. 1 aufweisenden Kessels 50 ist mit den Eingangsklemmen 14übis 14wausgestattet Die Gleichrichter-Einheiten 23 bis 28 der F i g. 1 sind in separaten Gehäusen 52 bis 57 untergebracht, die von einer aus Isolierstoff bestehenden Konsole 58 abgestützt werden. Die Konsole 58 ist mit einer Sammelschiene 71 für den Anschluß der Gleichstromverbraucher ausgestattet In die Sammelschiene sind Löcher eingearbeitet, deren Durchmesser so bemessen ist, daß die Böden der Gehäuse 52 bis 57 mit dieser Sammelschiene keinen Kontakt erhalten, die s mit größerem Durchmesser und/oder einem seitlichen Ansatz ausgeführten, die Böden aufnehmenden Flansche 150 bis 155 der Gehäuse jedoch mit der Sammelschiene in Verbindung stehen. Damit sind die Gehäuse 52 bis 57 der dargestellten sechs Gleichrichter-Einheiten direkt mit der Sammelschiene 71 elektrisch leitend verbunden, so daß sich gesonderte Verbindungen erübrigen. Die Ausgangsklemmen 15 bis 2G des Transformators sind unterhalb der Konsole 58 durch die Seitenwand des Kessels 50 geführt und stehen über Stromschienen, beispielsweise Stromschiene 60, direkt mit den Böden der Gleichrichter-Einheiten in Verbindung. Die zur Kühlung der Halbleiter-Gteichrichter-Elemente vorgesehenen Anschlüsse sind in Fig.2 zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt

Detailliert ist eine der Gleichrichter-Fmheiten 52 bis

57 der F i g. 2 anhand des Längsschnr· fes der F i g. 3 sowie der durch deren Ebenen IV-IV und V- V geführten

Querschnitte der F i g. 4 und 5 erläutert Die in den F i g. 3 bis 5 dargestellte Ausführung Jer

Gleichrichter-Einheiten 23 bis 28 der F i g. 1 und 2 weist ein zylindrisches Gehäuse 52 auf, das beidendig mit Flanschen 123,150 ausgestattet und durch einen Deckel 122 und Boden UO abgeschlossen ist Das Gehäuse 52 ist elektrisch leitend ausgeführt, und der ebenfalls leitende Boden UO ist auf dem Flansch 150 isoliert angeordnet: Der Boden HO ist auf dem Flansch 150 vermittels isolierter Bolzenschrauben 118 befestigt und zwischen ihnen ist ein beidseitig mit Dichtungspackungen 120 ausgestatteter Isolierring 117 vorgesehen. Der Deckel 122 ist mit dem Flansch 123 des Gehäuses 52 vermittels der Schrauben 124 leitend verbunden. Deckel 122 und Boden 110 sind mit Anschlußstutzen 80 bzw. 81 ausgestattet über die ein Kühlmittelstrom, hspw. ein Kühtölstrom, durch das Gehäuse 52 geführt wird, der die in diesem vorgesehenen Halbleiter-Gleichrichter-Elemente wirksam kühlt Nach Durchlaufen des Gehäuses und Kühlen der Halbleiter-Gleichrichter-Elemente wird das Kühlmittel in einen hier nicht dargestellten Kühler geführt, von wo aus es über eine Pumpe wiederum den Gleichrichter-Einheiten zugeführt werden kann. Zweckmäßig sind nahe dem Einlaß und dem Austritt eines jeden Gehäuses Ventile angeordnet die ein Abtrennen der einzelnen Gehäuse von den Kühlmittel führenden Rohrleitungen ermöglichen.

so Mit dem leitenden Boden HO verbunden, im Ausführungsbeispiel verschweißt sind zwei Verbindungsleiter Hl, die ihrerseits mit der Stromschiene 59 verbunden sind. Der Boden 110 wird, wie aus F i g. 2 ersichtlich, mittels der Stromschiene 60 mit jeweils einer der Ausgangsklemmen 15 bis 20 des Transformators 10 verbunden. Die in den F i g. 3 bis 5 dargestellten Rückführschienen 65a und 656 für den Gleichstrom sind, wie der obere Bereich der F i g. 3 sowie die F i g. 4 zeigen, vermittels Sc^Lrauben 114 und 115 mit Verbindungsleitem 112 und 113 verbunden, die an der Innenwandung des Gehäuses 52 vorgesehen sind.

Die Fig.3 und 5 zeigen weiterhin, daß mit der Stromschiene 59 für die Beaufschlagung mit den Phasenspannungen ein in Form eines Y ausgeführter Leiter 86 verbunden isi. In innerhalb des Gehäuses 52 übereinander vorgesehenen Gleichrichterebenen sind jeweils mit den freien Schenkeln des Leiters 86 Sicherungen 87 und 88 verbunden, von denen Leitungen

89 bzw. 90 zu Kühlrippen 91 und 92 führen. Zwischen den Rückführschienen 6Sd und 656 einerseits und den Kühlrippen 91 und 92 andererseits sind innerhalb einer Gleichrichterebene jeweils Halbleiter-Gleichrichter-Elemente 93 und 94 angeordnet Der erforderliche Kontaktdruck wird innerhalb der Ebene durch Schrauben 100 aufgebracht welche die Traversen 95 gegen die Stromschiene 59 verspannen. Hierbei ist die Stromschiene 59 durch Isolierscheiben 98, 99 von den Rückführschienen 65a und 65b ebenso elektrisch getrennt wie die Traverse 95 durch Isolierscheiben 96, 97 gegen die Kühlrippen 91 und 92 isoliert ist

Im Bereich des unteren Flansches 150 sind weiterhin ein Kondensator 101 sowie Widerstände 102 vorgesehen, welche die Rückführschienen 65a bzw. 656 mit der Stromschiene 59 verbinden und die Überspannungsschutzschaltung 35 der F i g. I bilden.

Gemäß F i g. 2 wird die jeweilige Phasenspannung übsr sins SircTCschisns 60 dcrr? Scdsr! MO dsr F* " 3 zugeführt und gelangt über die Verbindungsleiter 111 und die Stromschiene 59 in die Schenkel des Leiters 86. Von hier fließt der Strom über die Sicherungen 87 bzw. 88, die Leitungen 89 bzw. 90, die Kühlrippen 91 bzw. 92 und die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente 93 bzw. 94 jeweils in deren Leitrichtung auf die Rückführschienen 65a bzw. 656, von denen er über die Verbindungsleiter 112 und 113 zum oberen Ende des Gehäuses 52 der F i g. 3 und entlang deren Gehäusewandung zu deren Flansch 150 fließt. Vom Ansatz 116 des Flansches tritt der Strom auf die Sammelschiene 71 der F i g. 2 über, von der der Gleichstrom über die Anschlußklemme 41 der F i g. 1 zum Verbraucher abgeführt wird. In der in F i g. 3 detailliert dargestellten Gleichrichter-Einheit fließt der jeweilige Strom in zwei gegensinnigen Richtungen: Der von unten, dem Boden 110, über die Stromschiene 59 etwa axial nach oben fließende Strom tritt innerhalb der in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Halbleiter-Gleichrichter-Elemente 93, 94 auf die ebenfalls im wesentlichen zentral geführten Sammelschienen 65a und 65b über, so daß der Strom zunächst innerhalb des Gehäuses 52 etwa axial geführt nach oben fließt, bis er über die Verbindungsleiter 112, 113 der Wand des Gehäuses 52 zugeleitet wird und innerhalb dieser Wand nach unten, also in Gegenrichtung, fließt Damit ist der Magnetfluß, der durch die im Inneren des Gehäuses 52 verlaufende Stromschiene 59 und die ebenfalls darin verlaufenden Rückführschienen 65a sowie 656 bewirkt wird, dem Magnetfluß entgegengerichtet der von dem durch das Gehäuse 52 rückfließenden Strom induziert wird, so daß die beiden Magnetflüsse einander kompensieren und die einzelnen Leitungszweige weitgehend voneinander entkoppelt sind.

In F i g. 6 ist ein aus dem der F i g. 1 weiter entwickeltes Schaltbild einer Hochstrom-Gleichrichteranlage gezeigt bei der die induktive Entkopplang der Stromschienen noch weiter getrieben ist Gemäß F i g. 6 weist jede einzelne Phasenwicklung der Sekundärwicklung 12, 13 zwei nach außen geführte Anschlüsse auf, von denen die Bezugszeichen 15 bis 20 den Ausgangsklemmen der F i g. 1 entsprechen, während an Stelle der einen, gleichzeitig den Minuspol darstellenden Durchführung und Ausgangsklemme 22 eine Mehrzahl von Anschlüssen 22a bis 22/" tritt. Diese Anordnung erlaubt es, weitgehend einander parallel geführte Leitungen mit einander entsprechenden, gegensinnigen Strömen zu belasten, so daß auch hier Magnetfelder sich kompensieren und die Unduktionswirkung herabgesetzt wird. Dies trifft jeweils für die AnschluQleitungen der Phasenwicklungen im Bereich der Anschlußklemmenpaare, bspw. der Ausgangsklemme 15 und des Anschlusses 22a, zu wie für weitere, parallel geführte Leitungen, welche die s Gleichstromlast 126 speisen und mit der zwei getrennte Wicklungen aufweisenden Ausgleichsdrossel 21 bestückt sind.

Eine weitgehende Kompensation der Induktionswirkung und Entkopplung der Stromschienen läßt sich

ίο erzielen, wenn zur Realisierung der Schaltung nach F i g. 6 Gleichrichter-Einheiten Verwendung finden, wie sie im Längsschnitt in F i g. 7 gezeigt sind.

Die einzelnen Gleichrichterebenen entsprechen denen der Gleichrichter-Einheit nach F i g. 3 bis 5, und der

ii in F i g. 7 angedeutete Schnitt innerhalb der Ebene V-V entspricht dem in Fig.5 wiedergegebenen. Die zu F i g. 3 bis 5 bereits beschriebenen Teile sind in F i g. 7 mit den aus F i g. 3 bekannten Bezeichnungen versehen. Wie in F i". 3 ist die Stromschiene 59 mitte!?

Verbindungsleitern 111 mit dem vom Gehäuse isoliert vorgesehenen Boden HO verbunden. Gemäß Fig. 7 ist aber auch der obere Deckel 130 durch einen Isolierring 131 und Dichtungen 133, 134 am Gehäuse 52 isoliert vorgesehen und mittels isolierender oder mit einer Isolierung versehenen Schrauben 135 gehalten. Die Rückführschienen 65a und 65b sind mit dem Deckel 130 durcli Federbleche 137 verbunden.

Zutf Betrieb wird der Ansatz 116 als Flansch des Gehäuses 52 mit einem der Anschlüsse 22a bis 22/der

jo Fig.6 als Masseklemme verbunden, und die Gleichstromlast 126 ist zwischen den Flansch 132 und den Deckel 130 geschaltet. Von diesen fließt der Gleichstrom über die Federbleche 137, die Rückführschienen 65a und 65fr die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente 93 bzw. 94 und die Stromschiene 59 zum unteren Boden 110, der mit zugeordneten Ausgangsklemmen 15 bis 20 verbunden ist Damit wird erreicht, daß der durch die Stromschienen 59 und Rückführschienen 65a, 656 fließende Strom durch denjenigen kompensiert wird, der zum jeweils zugeordneten Anschluß 22a bis 22f zurückfließt

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der praktischen Unterbringung der Gleichrichter-Einheiten ist an Hand der Fig.8 veranschaulicht Die beispielsweise gemäß F i g. 3 bis 5 oder F i g. 7 ausgebildeten Gleichrichter-Einheiten mit Gehäusen 52 bis 57 sind mit ihren Anschlußstutzen 80 und 81, zweckmäßig unter Zwischenschaltung von Absperrventilen, an die Rohre 73 und 160 einer Ölkühlung angeschlossen, die durch eine

so Pumpe über einen Kühler 72 umgesetzt wird. Mechanisch gehalten wird das Rohr 160 durch Stutzer 162 an einer Seitenwand des Transformatorkessels oder aber auf dessen Tragekonstruktion. Die Rohre 73 und 160 stützen die Gehäuse 52 bis 57 der Gleichrichter-Einhei-

ss ten mechanisch ab, und eines der Rohre dient gleichzeitig als gemeinsame Stromschiene für Gleichstromlast wobei die Verbindung durch die in einem Gehäuseboden der Gleichrichter-Einheiten vorgesehenen Anschlußstutzen bewirkt sein kann. Im Bedarfsfalle läßt sich das als gemeinsame Stromschiene ausgebildete Metallrohr an Stoßstellen, beispielsweise den miteinander verbundenen Flanschen 161, gegen angeschlossene Rohrabschnitte isolieren. Die nicht dargestellten, zweckmäßig aber vorgesehenen Absperrventile ermögliehen ein Abtrennen einzelner Gehäuse von den Rohrleitungen, um im Falle eines Defektes ohne wesentliche Beeinträchtigungen des Betriebes Gleichrichter-Einheiten austauschen zu können.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrphasiger öltransformator mit außen an einer Seitenwand des Kessels des Transformators angeordneten, mit den Transformator-Sekundärwicklungen verbundenen Halbleiter-Gleichrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Gleichrichter (29 bis 34) Gleichrichter-Einheiten (23 bis 28) mit jeweils einem sie umschließenden Gehäuse (52 bis 57) bilden, in das sich eine Stromschiene (59) erstreckt, und daß den Halbleiter-Gleichrichter (29 bis 34) darstellende Halbleiter-Gleichrichter-Elemente (93,94) mit der Stromschiene (59) und fiber Rückführschienen (65a, 65b) mit dem Gehäuse verbunden sind, wobei der Stromanschluß (Verbindungsleiter 112,113) an das Gehäuse (52 bis 57) so gewählt ist, daß vom Gehäuse (52 bis 57) geführte Ströme denen der umschlossenen Stromschiene (59) gegensinnig gerichtet sind.

2. Mehrphasiger öltransformator nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß an. die Gehäuse (52 bis 57) jeweils Ausgangsklemmen (15 bis 20) des Transformators (10) angeschlossen sind.

3. Mehrphasiger Öltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stromschienen (59) jeweils Ausgangsklemmen (15 bis 20) des Transformators (10) angeschlossen sind.

4. Mehrphasiger Öltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Gleichrichter-Elemente (93,94) unabhängig vom ölumlar.f des Transformators (10) ölgekühlt werden.

5. Mehrphasiger Öltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse (52 bis 57) jeweils einen .-olierten Boden (110) aufweisen, mit dem die Stromschiene (59) verbunden ist

6. Mehrphasiger Öltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Halbleiter-Gleichrichter (29 bis 34) am Kessel des Transformators (10) abstützende Vorrichtung als Sammelschiene (71) ausgebildet ist.

7. Mehrphasiger öltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohr (73, 160) des ölumlaufes als Sammelschiene vorgesehen ist