EP2622614B1

EP2622614B1 - Vorrichtung und verfahren zum verringern eines magnetischen gleichfluss-anteils im kern eines transformators

Info

Publication number: EP2622614B1
Application number: EP10760331.8A
Authority: EP
Inventors: Peter Hamberger; Albert Leikermoser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: KR101720039B1; CN103270561A; BR112013007671A2; US9046901B2; CA2813057A1; BR112013007671B1; AU2010361382A1; US20130201592A1; EP2622614A1; AU2010361382B2; WO2012041368A1; CN103270561B; KR20130099982A; CA2813057C

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, mit einer Messeinrichtung, welche ein dem magnetischen Gleichfluss-Anteil entsprechendes Sensorsignal bereitstellt, mit einer Kompensationswicklung, welche magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt ist, mit einer Schalteinheit, welche elektrisch in einem Strompfad in Reihe mit der Kompensationswicklung angeordnet ist, um in die Kompensationswicklung einen Strom einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit mittels einer von einer Steuereinrichtung bereitgestellten Stellgröße steuerbar ist; ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators.

Stand der Technik

Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energie-Verteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms in die Primärwicklung oder Sekundärwicklung kommen. Eine solche Gleichstromeinspeisung, im Folgenden 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 so genannte "Geomagnetically Induced Currents" (GIC) sein.
Ein DC-Anteil hat im Kern des Transformators einen Gleichfluss-Anteil zur Folge, der sich dem Wechselfluss überlagert. Dies führt zu einer unsymmetrischen Aussteuerung des magnetischen Werkstoffs im Kern und bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Bereits ein Gleichstrom von wenigen Ampere kann eine lokale Erwärmung im Transformator verursachen, was die Lebensdauer der Wicklungsisolation beeinträchtigen kann. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist eine erhöhte Geräuschemission bei Betrieb des Transformators. Dies wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert ist.
Zur Verringerung des Betriebsgeräusches eines Transformators sind verschiedene aktiv und passiv wirkende Einrichtungen bekannt. In der DE 40 21 860 C2 wird beispielsweise vorgeschlagen, der Geräuschemission bereits in seiner Entstehungsursache entgegenzutreten, nämlich die magnetische Wirkung des eingespeisten DC-Anteils direkt zu bekämpfen. Hierzu wird am Transformator eine zusätzliche Wicklung angebracht, eine so genannte Kompensationswicklung. In diese Kompensationswicklung, die üblicherweise nur einige Windungen aufweist, wird ein Kompensationsstrom eingespeist, welcher in seiner magnetischen Wirkung so gerichtet ist, dass er im Kern des Transformators dem magnetischen Fluss des störenden DC-Anteils entgegengerichtet ist. Die Einstellung des eingespeisten Gleichstroms erfolgt nach Maßgabe eines Einstellers oder eines Steuergeräts in Verbindung mit einem zugeordneten Messfühler, z.B. einem Mikrophon. Eine solche Messeinrichtung erfüllt aber nicht die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und dem angestrebten möglichst geringen Wartungsaufwand, wie sie für Transformatoren in einem Energie-Verteilungsnetz heutzutage gestellt werden.
Um den Gleichfluss-Anteil im Kern eines Transformators möglichst zuverlässig zu erfassen, wird in der unveröffentlichten PCT/EP2010/054857 eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, welche nach Art eines "magnetischen Bypass" arbeitet: mittels eines ferromagnetischen Nebenschluss-Teils wird ein Teil des magnetischen Hauptflusses am Transformatorkern abgezweigt und stromabwärts wieder zugeführt. Aus diesem abgezweigten und im Nebenschluss zum Kern geführten Flussanteil wird entweder direkt, oder indirekt aus einer davon abgeleiteten physikalischen Größe, die magnetische Feldstärke in dem vom Nebenschlusszweig überbrückten Kernabschnitt ermittelt. Diese Erfassung der magnetischen Feldstärke, beziehungsweise der magnetischen Erregung, ist zuverlässiger und für den Langzeiteinsatz besser geeignet.
Auch aus der WO 2004/013951 A2 ist eine Halbleiter-Schalteinheit bekannt, mittels derer in eine Kompensationswicklung eines Transformators zum Zwecke der DC-Minimierung ein Kompensationsstrom eingespeist wird. Von einer Steuereinrichtung mit eigenständiger Stromquelle wird eine regelbare Frequenz für die Stromflussdauer der Halbleiterschalter (MOSFET) vorgegeben. Die elektrische Energie zum Erzeugen des Kompensationsstroms wird dabei einem Kondensator entnommen, der zyklisch über den Freilaufkreis der MOSFET aufgeladen wird. Bei Transformatoren, wie sie in einem Energie-Verteilungsnetz eingesetzt werden, ist aber ein Kondensator als Energiespeicher aus Gründen der Zuverlässigkeit und wegen dem angestrebten wartungsarmen Langzeitbetrieb nicht erwünscht.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung eines Gleich Flussanteils eines magnetischen Flusses in einem kern eines Transformators anzugeben, welche im praktischen Einsatz für Transformatoren in einem Energie-Verteilungsnetz besser geeignet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators.
Diese Aufgabe wird bezüglich einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die in der Kompensationswicklung induzierte elektrische Spannung zu nutzen und für die Kompensation des störenden magnetischen Gleichfluss-Anteils heranzuziehen. Erfindungsgemäß wird mittels einer elektronischen Schalteinheit ein Kompensationsstrom erzeugt, wobei das Einschalten der Schalteinheit netzsynchron und nach einer vorgegebenen Schaltstrategie erfolgt. Erfindungsgemäß wird der Einschaltzeitpunkt von der Phase der in der Kompensationswicklung induzierten Spannung getriggert, und die Einschaltdauer richtet sich nach Maßgabe eines Sensorsignals, welche eine Messeinrichtung bereitstellt. Auf diese Weise wird ein sinusförmig pulsierender Gleichstrom in die Kompensationswicklung eingespeist, dessen Größe durch eine Strombegrenzungseinrichtung begrenzt wird. Eine Energiequelle, das heißt eine Batterie oder ein Kondensator, ist für die Erzeugung dieses pulsieren Gleichstroms nicht erforderlich. Die Stromflussdauer dieses pulsierenden Gleichstroms kann auf einfache Weise und sehr genau nach Maßgabe des zugeführten Sensorsignals, welches Richtung und Größe des zu kompensierenden DC-Anteils vorgibt, eingestellt werden. Der Mittelwert dieses so erzeugten gepulsten Gleichstroms bewirkt im weichmagnetischen Kern des Transformators eine Reduktion des Gleichfluss-Anteils, beziehungsweise hebt dessen Wirkung in Kern vollständig auf. Dadurch kommt es nicht mehr zu unerwünschten unsymmetrischen Aussteuerung des weichmagnetischen Kerns. In Folge davon ist die thermische Belastung der Wicklung des Transformators geringer. Bei Betrieb des Transformators sind Verluste und Geräusche geringer. Die Vorrichtung lässt sich dabei mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisieren. Dabei können sowohl diskrete und oder programmierbare Bausteine verwendet werden und sind kommerziell verfügbar. Von großem Vorteil ist dabei, dass für die Erzeugung des Kompensationsstroms kein Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator, erforderlich ist. Die Energie zur Erzeugung des Kompensationsstroms wird direkt der Kompensationswicklung entnommen. Auf Grund ihrer Einfachheit ist die Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung hoch. Sie ist für den wartungsarmen Langzeitbetrieb eines Transformators in einem Energieverteilungsnetz gut geeignet. Der Einsatzbereich umfasst sowohl Transformatoren im Nieder- oder Mittelspannungsbereich, wie auch Transformatoren sehr hoher Leistung. Weder die Baugröße noch sicherheitsrelevante Einrichtungen oder andere Auslegungskriterien des Transformators werden durch den Einsatz der Erfindung ungünstig beeinflusst.
Die Steuereinrichtung besteht im Wesentlichen aus zwei Funktionsblöcken, aus einem Phasendetektor und einem Zeitglied. Der Phasendetektor erfasst den Nulldurchgang der in der Kompensationswicklung induzierten elektrischen Spannung und liefert das Triggersignal für den Einschaltzeitpunkt des Zeitintervalls, dessen Dauer nach Maßgabe des Sensorsignals vorgegebenen wird.
Von besonderem Vorteil kann dabei sein, wenn zum Zweck der Strombegrenzung im Strompfad in Reihe mit der Schalteinheit und der Kompensationswicklung eine Induktivität angeordnet ist. Der Vorteil der Verwendung einer Induktivität im Strompfad liegt alleine schon in der Tatsache begründet, dass der Spulenstrom der Kompensationswicklung dem zeitlichen Integral der Spulenspannung entspricht und somit durch eine geeignete Steuerstrategie über eine Periode in einfacher Weise Gleichanteile dieses Spannungsintegrals und somit des Spulenstroms erzielbar sind. Bei entsprechender Wahl der Induktivität kann die Belastung beim Einschalten sehr gering gehalten werden, da die zeitliche Änderung des Stroms im Einschaltaugenblick durch die Induktivität begrenzt ist. Grundsätzlich könnte anstelle der Induktivität auch ein anderer Zweipol verwendet werden. Schaltungstechnisch wäre auch ein ohmscher Widerstand denkbar, dessen Wirkverluste wären aber von Nachteil.
Eine weitere Schutzmaßnahme zum Schutz der Schalteinrichtung vor induktive Spannungsspitzen kann darin bestehen, dass parallel zur Serienschaltung von Induktivität und Schalteinheit in einem parallel liegenden Schaltungszweig ein Überspannungsschutz vorgesehen ist.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinheit aus zumindest einem Thyristor gebildet. Der Vorteil der Verwendung eines Thyristors liegt zunächst darin, dass ein Thyristor mit einem Stromimpuls "gezündet", das heißt in den leitenden Zustand gebracht werden kann. Während der positiven Halbschwingung der Netzspannung hat der Thyristor bis zum nächsten Stromnulldurchgang die Eigenschaft einer Diode. Das Ende der Stromflussdauer wird vom Thyristor selbst bewirkt, indem der Haltestrom unterschritten wird und der Thyristor automatisch " löscht", das heißt in den nicht leitenden Zustand übergeht. Selbstverständlich sind auch andere Halbleiterschalter, wie GTO, IGBT Transistoren oder andere Schaltelemente denkbar.
Um in der Kompensationswicklung einem Gleichstrom in beiden Stromrichtungen einspeisen zu können, sind verschiedene Schaltungsvarianten möglich. Es könnten zwei gegensinnig gewickelte Kompensationswicklungen in Verbindung jeweils mit einem unipolaren Halbleiterschalter verwendet werden, bzw. eine Wicklung mit bipolaren Halbleiterschaltern. Grundsätzlich könnte auch eine Umposchaltung eingesetzt werden. Eine besonders einfache Realisierung kann aber durch eine Antiparallelschaltung von zwei Schalteinheiten, insbesondere zwei antiparallelen Thyristoren erreicht werden. Es kann von Vorteil sein, wenn im Strompfad in Reihe ein Schalter zum Ein- und Ausschalten, sowie eine den Stromfluss begrenzende Sicherung vorgesehen sind. Dadurch kann die Kompensationseinrichtung aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden. Im Fehlerfall sorgt die Sicherung für eine Begrenzung eines unzulässig hohen Stroms.
Es kann günstig sein, wenn die Schalteinheit und die Steuereinrichtung außerhalb des Kessels eines Transformators angeordnet wird. Die gesamte elektronische Schaltung ist dadurch von außen für Kontrolle und Wartung zugänglich.
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung, kann darin bestehen, dass die Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils einen magnetischen Nebenschluss-Teil mit einer Sensorspule umfasst. Der Nebenschluss-Teil ist am Kern des Transformators z.B. an einem Schenkel oder am Joch anliegend angeordnet ist, um einen Teil des magnetischen Flusses in einem Bypass zu führen. Aus diesem, im Nebenschluss geführten magnetischen Fluss, lässt sich mittels einer Sensorspule sehr leicht ein langzeitstabiles Sensorsignal gewinnen, welches ggf. nach einer Signalaufbereitung den Gleichfluss-Anteil (DC-Anteil) sehr gut abbildet. Das Messergebnis ist weitgehend frei von Drift und für langzeitstabil. Da dieser Detektor im Wesentlichen aus dem Nebenschlussteil und der darauf angeordneten Sensorspule besteht, besitzt er eine hohe Zuverlässigkeit.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Einschaltzeitpunkt der Schalteinheit synchron zu der in der Kompensationswicklung induzierten Spannung und nach Maßgabe eines Sensorsignals erfolgt, wobei das Sensorsignal von einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils der Steuereinrichtung zugeführt wird. Ein derartiges Verfahren lässt sich schaltungstechnisch sehr einfach mit wenigen Bauelementen realisieren.
Die Schalteinheit wird mit einer Stellgröße gesteuert, welche von einem in der Steuereinrichtung vorhandenem Zeitglied vorgegeben wird, wobei das Zeitglied von einem Phasendetektor, welcher die Phase der in der Kompensationswicklung induzierten Spannung detektiert, getriggert wird. Das Zeitglied kann als diskreter Baustein, oder Teil einer digitalen Schaltung sein. Es kann von Vorteil sein, wenn die Stellgröße das Ergebnis einer Rechenoperation eines Mikroprozessors ist. Der Mikroprozessor kann dabei gleichzeitig auch zur Signalaufbereitung des Sensorsignals verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird die Schalteinheit so angesteuert, dass in der Kompensationswicklung ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird. Dies hat den Vorteil, dass der arithmetische Mittelwert dieses pulsierenden Gleichstroms sehr einfach nach Maßgabe des zu kompensierenden DC-Anteils vorgegeben werden kann. Die elektronische Schalteinheit bleibt zwecks Reduktion der in der Induktivität gespeicherten magnetischen Energie sinnvoller Weise solange eingeschaltet, bis der pulsierende Gleichstrom abgeklungen ist. Somit hat ein Überspannungsschutz nach dem Ausschalten der elektrischen Schalteinheit faktisch keine, in der Spule gespeicherte magnetische Restenergie zu absorbieren.
Weiterhin wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe auch ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators angegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren, lässt sich auch bei bereits in Betrieb befindlichen Transformatoren vorteilhaft einsetzen. Der Aufwand ist hierbei sehr gering. Eine Umrüstung ist insbesondere dann sehr einfach, wenn eine bereits im Transformatorkessel angeordnete Kompensationswicklung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In diesem Fall braucht der Transformatorkessel nicht geöffnet zu werden, sondern die erfindungsgemäße Einrichtung nur mit den bereits herausgeführten Klemmen der Kompensationswicklung verbunden werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels zu entnehmen sind.
Es zeigen:

Figur 1: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dargestellt in einer vereinfachten Skizze;
Figur 2: eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der in der Kompensationswicklung induzierten elektrischen Spannung des Kompensationsstroms;
Figur 3: eine Darstellung des Kompensationsstroms als Funktion der Stellgröße;

Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer vereinfachten Darstellung. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Schaltungsanordnung die über die Klemmen K1 und K2 an eine Kompensationswicklungsanordnung K angeschlossen. Die Kompensationswicklungsanordnung K ist im Transformatorkessel 12 untergebracht und mit dem Kern 4 des Transformators magnetisch gekoppelt. Sie besteht üblicherweise nur aus einer Wicklung mit wenigen Windungen, die beispielsweise um einen Schenkel oder um ein Jochteil des Transformators gewickelt ist. Von der Kompensationswicklung K im Transformatorkessel 12 sind die Anschlüsse an den Klemmen K1 und K2 in den Außenraum 13 herausgeführt.
Bei Betrieb des Transformators wird in der Kompensationswicklung K eine elektrische Spannung induziert, die gemäß der Erfindung dazu genutzt wird, den störenden Gleichanteil des magnetischen Flusses im Kern 4 zu bekämpfen. Dies erfolgt durch netzgeführtes Schalten einer Schalteinheit T.
Im Folgenden wird näher erläutert, wie der in Figur 2 dargestellte Verlauf des Kompensationsstroms erzeugt wird:
Wie aus der Darstellung der Figur 1 zu entnehmen ist, sind die Klemmen K1 und K2 der Kompensationswicklung K mit einer Steuereinrichtung 2 verbunden. Die Steuereinrichtung 2 besteht im Wesentlichen aus einem Phasendetektor P und einem Zeitglied TS. Der Phasendetektor P, z.B. ein Nulldurchgang-Detektor, leitet aus der induzierten Spannung ein Triggersignal 8 ab, welches einem Zeitglied TS zugeführt ist. Zusammen mit einem ebenfalls der Steuereinrichtung 2 zugeführten Steuersignals 6, stellt die Steuereinrichtung 2 ausgangsseitig eine Stellgröße 9 bereit, welche einer elektronischen Schalteinheit T zugeleitet ist. Die Schalteinheit T liegt in einem Strompfad 3 in Reihe mit der Kompensationswicklung K und in Reihe mit einer Induktivität L. Die Induktivität L ist dabei so bemessen, dass bei einem Durchschalten der Schalteinheit T ein in eine Stromrichtung fließender, sinusförmig pulsierender Stromverlauf in die Kompensationswicklung K eingespeist wird.
Im Strompfad 3 ist zum Zweck der Strombegrenzung eine Sicherung Si vorgesehen. Diese Sicherung Si ist in Figur 1 zwischen der Klemme K1 und einem Schalter S angeordnet. Der Schalter S dient dazu, den Strompfad 3 zu schließen beziehungsweise zu trennen.
Gemäß der Erfindung erfolgt das Einschalten der elektronischen Schalteinheit T phasensynchron zur Spannung in der Kompensationswicklung K und nach einer vorgegebenen Schaltstrategie. Das heißt, je nach Größe und Richtung des einzubringenden Kompensationsstroms wird der Einschaltzeitpunkt mithilfe des vom Phasendetektor P gesteuerten Zeitgliedes TS entsprechend einem untenstehend näher erläuterten funktionalen Zusammenhang derart gesteuert, dass der resultierende arithmetische Mittelwert des pulsierenden Stromes in der Kompensationswicklung K durch seine Wirkung den störenden Gleichfluss-Anteil verringert beziehungsweise diesen vollständig kompensiert.
Die Information bezüglich Größe und Richtung des zu kompensierenden Gleichfeldanteils im Kern 4 erhält die Steuereinrichtung 2 von einer Messeinrichtung 7 zum Messen des Gleichfluss-Anteils. Diese stellt das Sensorsignal 6 bereit, welches der Steuereinrichtung 2 zugeführt ist. Mit besonderem Vorteil arbeitet die Messeinrichtung 7 gemäß dem eingangs zitierten Messeprinzip des magnetischen Bypass ( PCT/EP2010/054857 ). Das heißt, sie besteht im Wesentlichen aus einem magnetischen Nebenschluss-Teil, der am Kern angeordnet ist, um einen Anteil des magnetischen Flusses in einem Bypass zu führen, aus denen dann, beispielsweise mit einer am Nebenschluss-Teil angeordneten Sensorspule in Verbindung mit einer Signalaufbereitung der Gleichfluss-Anteil ermittelt werden kann.
Das Ausschalten der elektronischen Schalteinheit T erfolgt bei Nulldurchgang des Stroms (siehe Figur 2). Dieser Zeitpunkt lässt sich sehr einfach ermitteln, da die Stromflussdauer 16 der zweifachen Stellgröße x (Signal 9 in Figur 2) entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der im Parallelzweig 5 vorgesehene Überspannungsschutz V beim Ausschalten nur eine geringe magnetische Restenergie absorbieren muss. Die Schaltverluste der elektronischen Schalteinheit sind minimal, da beim Einschalten, bedingt durch die Induktivität L im Strompfad 3, der Einschaltstrom gering ist; auch beim Ausschalten sind die Schaltverluste gering, da der Ausschaltzeitpunkt so festgelegt ist, dass er bei Nulldurchgang oder zumindest nahe Strom Null im Strompfad 3 erfolgt.
Der arithmetische Mittelwert des Kompensationsstroms I_GL ist damit allein von dem durch die Stellgröße vorgegebenen Einschaltzeitpunkt bestimmt. Thyristoren sind als Schalter für die Schalteinheit T besonders geeignet, da sie prinzipbedingt bei Erreichen des stromlosen Zustandes, genauer gesagt beim Unterschreiten des so genannten Haltestroms, von selbst wieder in den nicht leitenden Zustand übergehen.
Indem der Einschaltzeitpunkt durch das Signal 9 vorgegebenen wird und synchron zum Netz erfolgt, und indem das Ausschalten der Schalteinheit T bei Nulldurchgang des Stromes durchgeführt wird, ist der arithmetische Mittelwert des Kompensationsstroms I_GL sehr genau durch die Stellgröße x beziehungsweise das Stellgrößensignal 9 einstellbar.
Die Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Kompensationswicklung K induzierten Spannung 10 und den durch die erfindungsgemäße Schaltstrategie vorgegebenen pulsierenden Gleichstrom 11 (Kompensationsstrom I_GL). Der Kompensationsstrom I_GL weist die Form aneinander gereihter sinusförmiger Halbwellen 18 auf, die von Stromlücken 17 unterbrochen sind, wobei jede Halbwellen 18 symmetrisch zur halben Periodendauer T/2 der induzierten Spannung 10 ist. Der Einschaltzeitpunkt 14 wird wie oben dargestellt im Gleichlauf mit dem Netz und nach Maßgabe der Stellgröße 9 vorgegeben. Der Synchronisationspunkt für das Einschalten ist in Figur 2 der abfallende Nulldurchgang der Spannung 10. Durch geeignete Wahl der Induktivität L folgt nach dem Durchschalten der Schalteinheit T der Strom in Strompfad 3 dem Integral der elektrischen Spannung 10, das heißt, er hat beim Nulldurchgang der elektrischen Spannung 10 seinen Maximalwert und klingt dann wieder ab. Wenn der Kompensationsstrom 11 nahezu Null ist, geht die Schalteinheit T, z.B. ein Thyristor, in den nicht leitenden Zustand über. Die Stromflussdauer 16 ist durch die Stellgröße 9 oder durch das Löschen des Thyristors bestimmt. Jeder Halbwellen 18 folgt eine Stromlücken 17.
Um in der Wicklung K einen Kompensationsstrom I_GL in beiden Richtungen vorzugeben, ist in Figur 1 in unterbrochener Linie eine zweite Schalteinheit T' angedeutet. Die beiden Schalteinheiten T und T' können beispielsweise zwei antiparallel geschaltete Thyristoren seien.
Zwischen dem erzeugten Kompensationsstrom I_GL und der Stellgröße x besteht ein nichtlinearer Zusammenhang, der in Figur 3 graphisch dargestellt ist und im Folgenden näher erläutert wird:
In der folgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, dass der ohmsche Widerstand der Spule vernachlässigt werden kann.
Somit gilt für den funktionalen Zusammenhang zwischen Spulenstrom I_L(t) und Spulenspannung U_L(t) näherungsweise: $[I_{L} (t) - I_{L} (t = 0)] = [1 / L] . [\int I_{L} (t) . dt]$
Sei nun:

T := Periodendauer der Spannung an der Kompensationswicklung [s]
Û := Scheitelwert der Spannung an der Kompensationswicklung [V]
L := Induktivität der Spule [H]
x := Stellgröße in Prozenten [%]

t = x . \frac{T}{2} \cdot \frac{1}{100}

_MAX

I_{MAX} = \frac{\hat{U}}{L} . \frac{T}{2 π} .

Für den arithmetischen Mittelwert (Gleichanteil) des Spulenstromes bzw. Kompensationsstromes I_GL [A] als Funktion der Stellgröße x [%] ergibt sich nach einiger Zwischenrechnung: $I_{GL} = I_{MAX} \frac{T \sin (\frac{2 π t}{T}) - 2 π t \cos (\frac{2 π t}{T})}{π . T}$
Für den Effektivwert des im Kompensationsstromsignal enthaltenen Grundwellenanteiles I_GW [A _EFF] als Funktion der Stellgröße x [%] folgt: $I_{GW} = I_{MAX} \frac{T \sin (\frac{4 π t}{T}) - 4 π t}{2 πT \sqrt{2}}$
Darüber hinaus gilt für den Effektivwert des im Kompensationsstromsignal enthaltenen Spektralanteiles I_0W [A _EFF] der (k) ten Harmonischen als Funktion der Stellgröße x [%]: $I_{OW} = I_{MAX} \frac{\cos (k π) [(1 + k) \sin (\frac{2 π t (k - 1)}{T}) - (k - 1) \sin (\frac{2 π t (k + 1)}{T})]}{k (k^{2} - 1) π \sqrt{2}}$

Mit : k ∈ N und k≥2
Figur 3 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Kompensationsstrom I_GL (bezogen auf den maximal erreichbaren Kompensationsstrom I_MAX bei 100 Prozent) in Abhängigkeit der Stellgröße entsprechend Gleichung (4).
Wenn die Größe und Richtung des zu kompensierenden Gleichfluss-Anteils bekannt ist (Sensorsignal 6), ermittelt die Steuereinrichtung gemäß der obigen Darstellung beziehungsweise des in Figur 3 dargestellten Zusammenhangs, die zur Kompensation erforderliche Stellgröße x (Signal 9). Dadurch kann auf einfache Weise bei einem Transformator die thermische Belastung der Wicklung sowie die störende Emission von Geräuschen reduziert werden. Die oben erläuterte elektronische Schaltung kann potenzialfrei aufgebaut werden. Dadurch treten auch im Einsatzbereich von hohen Netzspannungen keine Isolationsprobleme auf.

Zusammenstellung der verwendeten AI korrigiere Bezugszeichen

1: Schaltungsvorrichtung
2: Steuereinrichtung
3: Strompfad
4: magnetischer Kern des Transformators
5: Parallelzweig
6: Sensorsignal
7: Messeinrichtung zum erfassen des Gleichfluss-Anteils
8: Triggersignal
9: Signal Stellgröße x
10: zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung an der Kompensationswicklung
11: zeitliche Verlauf des Kompensationsstroms I_GL im Strompfad 3
12: Kesselraum Transformators
13: Außenraum
14: Einschaltzeitpunkt
15: Ausschaltzeitpunkt
16: Stromflussdauer
17: Stromlücken
18: Halbwelle

L: Spule
T: Schalteinheit, Thyristor
V: Überspannungsschutz
TS: Zeitglied
P: Phasendetektor
K: Kompensationswicklung
S: Schalter
Si: Sicherung
I_GL: Kompensationsstrom
K1: Anschlussklemme
K2: Anschlussklemme
X: Stellgröße

Claims

Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, umfassend:
- eine Messeinrichtung (7), welche ein dem magnetischen Gleichfluss-Anteil entsprechendes Sensorsignal (6) bereitstellt,

- eine Kompensationswicklung (K), welche magnetisch mit dem Kern (4) des Transformators gekoppelt ist,

- eine Schalteinheit (T), welche elektrisch in einem Strompfad (3) in Reihe mit der Kompensationswicklung (K) angeordnet ist, um in die Kompensationswicklung (K) einen Strom einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit (T) mittels einer von einer Steuereinrichtung (2) bereitgestellten Stellgröße (9) steuerbar ist,

- dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schalteinheit (T) während eines vorgebbaren Zeitintervalls (16), dessen Einschaltzeitpunkt (14) netzsynchron, d.h. phasensynchron zur Spannung in der Kompensationswicklung (k), und nach Maßgabe der Stellgröße (9) erfolgt, in einen leitenden Zustand schaltbar ist,

- dass eine Einrichtung zur Strombegrenzung (L) im Strompfad (3) vorgesehen ist,

- dass die Steuereinrichtung (2) eine Einrichtung (P) zum Erfassen der Phase der Spannung in der Kompensationswicklung (K) und einer von dieser getriggerten Zeitglied-Einrichtung (TS) zur Vorgabe des Zeitintervalls (16) umfasst, und - dass der Steuereinrichtung (2) das Sensorsignal (6) zugeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Strombegrenzung durch eine im Strompfad (3) in Reihe zur Kompensationswicklung (K) und zur Schalteinheit (T) geschaltete Induktivität (L) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) so gesteuert ist, dass der im Strompfad (3) fließende Strom (I_GL) ein pulsierende Gleichstrom ist und die Schalteinheit (T) ausschaltet, wenn der Strom (I_GL) im Strompfad (3) null oder nahezu Null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Gleichstrom (I_GL) aus periodisch wiederkehrenden Halbwellen (18) und aus benachbarte Halbwellen (18) verbindende Stromlücken (17) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) aus zumindest einem Halbleiterschalter, bevorzugt aus zumindest einem Thyristor, GTO oder IGBT gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad (3) eine Sicherung (Si) und ein Schalter (S) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils ein magnetisches Nebenschluss-Teil mit einer Sensorspule umfasst, wobei das Nebenschluss-Teil am Kern des Transformators angeordnet ist, um einen Teil des magnetischen Flusses als Bypass zu führen, und das Sensorsignal von der in der Sensorspule induzierten Spannung abgeleitet oder daraus gebildet ist.
Verfahren zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, wobei mittels einer Schalteinheit (T), die von einer Steuereinrichtung (2) gesteuert ist, in eine mit dem Kern (4) gekoppelte Kompensationswicklung (K) ein Kompensationsstrom (I_GL) eingespeist wird, dessen Wirkung im Kern dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit (T) in einem Strompfad (3) in Reihe mit der Kompensationswicklung (K) angeordnet ist, wobei der im Strompfad (3) fließende Strom mittels einer Strombegrenzungseinrichtung (L) begrenzt wird, wobei
- die Schalteinheit (T) synchron zu der in der Kompensationswicklung (K) induzierten Spannung und nach Maßgabe eines Sensorsignals (6) zu einem Einschaltzeitpunkt (14) eingeschaltet wird,

- die Schalteinheit (T) mit einer Stellgröße (9) gesteuert wird, welche von einem in der Steuereinrichtung (2) vorhandenen Zeitglied (TS) vorgegeben wird, wobei das Zeitglied (TS) von einem Phasendetektor (P), welcher die Phase der in der Kompensationswicklung (K) induzierten Spannung detektiert, getriggert wird, und

- das Sensorsignal (6) von einer Messeinrichtung (7) zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils bereitgestellt und der Steuereinrichtung (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung durch eine im Strompfad (3) in Reihe zur Kompensationswicklung (K) und zur Schalteinheit (T) geschaltete Induktivität (L) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) mit einer Stellgröße (9) gesteuert wird, welche von einem in der Steuereinrichtung (2) vorhandenen Zeitglied (TS) vorgegeben wird, wobei das Zeitglied (TS) von einem Phasendetektor (P), welcher die Phase der in der Kompensationswicklung (K) induzierten Spannung detektiert, getriggert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) so angesteuert wird, dass in der Kompensationswicklung (K) ein pulsierender Gleichstrom (11) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Gleichstrom (11) durch periodisch wiederkehrende sinusförmige Halbwellen (18) und dazwischen liegende Stromlücken (17) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) am Ende einer Halbwelle in einem nahezu stromlosen oder in einem stromlosen Zustand ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) zumindest einen Thyristor umfasst und das Ausschalten durch das Unterschreiten des Haltestroms des zumindest einen Thyristors vorgegeben wird.
Verfahren zum Umrüsten eines Transformators, bei dem eine magnetisch mit dem Kern (4) des Transformators gekoppelte Kompensationswicklung (K) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 verbunden wird oder das in den Ansprüchen 9 bis 15 definierte Verfahren in Verbindung mit der Kompensationswicklung (K) zur Anwendung gebracht wird.