EP2905792B1 - Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators - Google Patents

Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators Download PDF

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EP2905792B1
EP2905792B1 EP14154070.8A EP14154070A EP2905792B1 EP 2905792 B1 EP2905792 B1 EP 2905792B1 EP 14154070 A EP14154070 A EP 14154070A EP 2905792 B1 EP2905792 B1 EP 2905792B1
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EP
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windings
compensation
limb
winding
compensation winding
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Siemens AG
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    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias

Definitions

  • the invention relates to a device for reducing a magnetic DC component in the core of a transformer having at least three legs, in particular a three-phase transformer, comprising at least one compensation winding per leg of the transformer, wherein the compensation windings are magnetically coupled to the core of the transformer.
  • the field of application of the invention is basically both in transformers in the low or medium voltage range, as well as in transformers of very high power (power transformers, HVDC (high voltage DC transmission) transformers).
  • DC supply also referred to as DC component
  • GIC Geomagnetically Induced Currents
  • a voltage induced in a compensation winding is 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.
  • 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 be a separate Provide cooling for the thyristors, so that this solution would not be economical then.
  • An apparatus according to the preamble of claim 1 is by any of the documents US 2010/0194373 and US2006 / 0197511 disclosed.
  • the principle of the solution according to the invention is again based on the DC compensation by means of compensation windings, in that targeted current is fed into the compensation windings, the effect of which is directed counter to the DC component and prevents the magnetization of the core of the transformer.
  • so-called Jacobamperewindungen be introduced into the transformer, ampere-turn is another term for the magnetic flux.
  • the compensation current is introduced by a switching unit in the compensation windings, wherein a compensation winding must be provided per phase or per leg of the transformer core and according to the invention two compensation windings are provided per phase or per leg of the transformer core.
  • the circulating voltage of the delta connection deliberately does not add up to zero, but the constant circulating voltage can be adjusted by the parameter m so that it lies below a certain value, eg below 690 V.
  • the effective number of turns N can in principle be chosen arbitrarily large, it is only the dielectric strength in the transformer must be considered.
  • phase control the phase of the voltage induced in the compensation windings voltage is detected and the switching unit is driven so that in the compensation windings, a pulsating direct current is fed, as already in the WO 2012/041368 A1 is shown.
  • the two compensation windings of a leg together always have the same number of turns, but they are not evenly distributed to the two compensation windings in two out of three legs. Also, all the compensation windings of a delta connection have a total of the same number of turns, the number of turns is only not distributed uniformly on the legs.
  • first and second delta connections are not electrically connected to one another are connected, but each delta circuit has its own switching unit.
  • the interleaved delta circuits can be provided that the first and second delta circuit are electrically connected in series and have a common switching unit.
  • At least one current limiting reactor is arranged electrically in series with the switching unit. This pre-switching of a current limiting reactor (inductance) can effectively filter out transient voltages.
  • the switching unit is connected to a measuring device for detecting the magnetic DC component in the transformer.
  • a measuring device for detecting the magnetic DC component in the transformer are approximately from the WO 2012/041368 A1 in the form of a magnetic shunt part with a sensor coil.
  • the shunt portion may be disposed adjacent the core of the transformer, for example, on a leg or yoke to bypass a portion of the magnetic flux. From this, bypassed magnetic flux can be very by means of a sensor coil easily gain a long-term stable sensor signal, which possibly after a signal processing the DC component (CD component) maps very well.
  • a control unit for the switching unit may be provided, wherein the control unit comprises a timer, which is connected to a phase detector, that the timer can be triggered by the phase detector, which can detect the phase of the voltages induced in the compensation windings and the Switching unit can control so that in the compensation windings, a pulsating direct current is fed.
  • the control unit would then also be connected to the measuring device for detecting the magnetic DC component in the transformer.
  • a corresponding method for operating the device is defined in claim 9.
  • direct current is deliberately introduced into a compensation winding K in order to eliminate the DC magnetization of the transformer core.
  • the alternating voltage induced in the compensation winding K is utilized; the compensation winding K acts like an AC voltage source.
  • the compensation winding K designed as a thyristor switching unit T is connected in series with a current limiting inductor L.
  • the required DC current can be adjusted by voltage synchronous ignition at a specific ignition timing of the thyristor T (phase control).
  • Ignition of the thyristor 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. If the thyristor T is ignited later, the direct current becomes smaller, but also harmonic alternating currents occur.
  • the current flow in the thyristor T is limited by a current limiting inductor L, dimensioning for the current limitation is the permissible thermal load of the thyristor T.
  • FIG. 2 Another known embodiment for reducing the magnetic DC component is in Fig. 2 shown.
  • a controllable current source S is used and a compensation winding K1, K2, K3 are provided per phase of the transformer, which are connected to each other by means of delta connection.
  • the controllable current source S is electrically connected in series with the compensation windings K1, K2, K3.
  • a compensation winding K1, K2, K3 is arranged on a leg of a - not shown here - three-phase transformer.
  • the three compensation windings on the three phases can now be interconnected in the form of a delta connection because the geomagnetically induced current is distributed uniformly over all three phases. Therefore, one must also bring in all three phases or in their compensation windings, the same DC voltage Jacobamperewindungen.
  • a delta connection of the compensation windings therefore makes sense because the same current must flow through them and the circulating voltage (the sum of all partial voltages of a circuit or a loop in an electrical network) adds up to zero in an ideal symmetrical power system (no zero components).
  • a first embodiment of the invention is in Fig. 3 for a three-phase transformer.
  • Each leg or phase of the transformer are two compensation windings K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2 are provided.
  • a compensation winding K1-1, K2-1, K3-1 of one leg is always picked out and electrically connected to another of the other legs in a first delta connection 1.
  • the respective other compensation winding K1-2, K2-2, K3-2 of a leg is electrically connected to each other in a second delta connection 2 with the respective remaining compensation windings K1-2, K2-2, K3-2 of the other leg.
  • First and second delta circuit 1, 2 are not electrically connected to each other, each delta circuit 1, 2 has its own switching unit T with upstream current limiting inductor L.
  • the partial voltages of the circulating voltage in both delta circuits deliberately do not add up to zero, whereby a phase control can be used again.
  • the resulting (standing) circulating voltage can be adjusted by the parameter m so that it comes to lie below 690 V and the device according to the invention falls under the Low Voltage Directive.
  • the effective number of turns is at N and can be chosen arbitrarily large in principle, it must be considered only the dielectric strength in the transformer. No externally supplied power is needed, any zero components that occur would not cause the device according to the invention to lose its way.
  • Fig. 3 Another advantage of the design Fig. 3 is that the circulating voltage Uu1 in the first triangular circuit 1 is equal to the circulating voltage Uu2 in the second triangular circuit 2, such as Fig. 4 can be seen.
  • the course of the circulation voltage Uu over the time t is shown.
  • the circulating voltages Uu1, Uu2 are not only exactly the same, but also the same size.
  • FIG Fig. 5 An improved embodiment with reduced voltage potentials in the compensation windings is shown in FIG Fig. 5 shown.
  • First and second delta connections are electrically connected in series, in which the output of the first compensation winding K1-1 of the first leg is electrically connected to the input of the second compensation winding K3-2 of the third leg.
  • the input of the first compensation winding K3-1 of the third leg is connected to the - common to the two delta circuits 1,2 - switching unit T, as well as the output of the second compensation winding K1-2 of the first leg.
  • the switching unit T is also a current limiting reactor (inductance) L upstream.
  • the number of turns M in the second delta circuit 2 in Fig. 5 is smaller than the number of turns N in the first delta circuit 1 in this case, but the number of turns M could Also equal to or greater than the number of turns N in the first delta circuit 1 be.
  • the partial voltages of the circulating voltage over both delta circuits deliberately do not add up to zero, whereby again a phase control using the thyristor T, as already at Fig. 3 explained, can be used.
  • the resulting (standing) circulating voltage can be adjusted by the parameter m again so that it comes to lie below 690 V and the device according to the invention falls under the low-voltage directive.
  • the effective number of turns is N for the first delta circuit 1 and M for the second delta circuit 2.
  • the effective number of turns N can be chosen arbitrarily large in principle, it must only pay attention to the dielectric strength in the transformer. It does not require any externally supplied power, the device according to the invention is robust against any zero components occurring.
  • the arrows in the Fig. 2 . 3 indicate the current direction of the compensation current.
  • the control of the thyristors can, as in the WO 2012/041368 A1
  • the control unit essentially consists of a phase detector and a timer.
  • the phase detector for example a zero-crossing detector, derives a trigger signal from the induced voltage, which is fed to a timer.
  • the control unit provides on the output side a manipulated variable which is supplied to the thyristor T.
  • the inductance L is dimensioned such that when the thyristor T is turned on, a pulsating current flow flowing in a current direction is fed into the compensation winding K. In this case, the thyristor T at the end of the DC pulse in switched to the de-energized state, such as by the holding current of the thyristor T is exceeded.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators mit zumindest drei Schenkeln, insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend zumindest eine Kompensationswicklung pro Schenkel des Transformators, wobei die Kompensationswicklungen magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind.
  • Der Einsatzbereich der Erfindung liegt grundsätzlich sowohl bei Transformatoren im Nieder- oder Mittelspannungsbereich, wie auch bei Transformatoren sehr hoher Leistung (Leistungstransformatoren, HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs)-Transformatoren).
    • Stand der Technik
  • 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.
  • 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 in Wicklungen und Eisenteilen des Transformators verursacht. 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.
  • Manche Energieübertragungsunternehmen verlangen daher in der Spezifikation von Transformatoren bereits 100 A Gleichstrom für den Sternpunkt des Transformators.
  • Gemäß der WO 2012/041368 A1 wird eine in einer 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.
  • 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.
  • Eine Vorrichtung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 ist durch jede der Druckschriften US 2010/0194373 und US2006/0197511 offenbart.
  • Darstellung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verringerung eines geomagnetisch induzierten magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators zur Verfügung zu stellen, in welcher die Spannung unterhalb eines vorgebbaren Wertes liegt, welche z.B. innerhalb der sogenannten Niederspannungsrichtlinie, also unter 690 V, angesiedelt ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung beruht wieder auf der Gleichstromkompensation mittels Kompensationswicklungen, indem gezielt Strom in die Kompensationswicklungen eingespeist wird, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist und die Aufmagnetisierung des Kerns des Transformators verhindert. Mit anderen Worten werden sogenannte Gegenamperewindungen in den Transformator eingebracht, wobei Amperewindung ein anderer Begriff für die magnetische Durchflutung ist. Dabei wird der Kompensationsstrom durch eine Schalteinheit in die Kompensationswicklungen eingebracht, wobei pro Phase bzw. pro Schenkel des Transformatorkerns eine Kompensationswicklung vorgesehen sein muss und erfindungsgemäß pro Phase bzw. pro Schenkel des Transformatorkerns zwei Kompensationswicklungen vorgesehen sind.
  • Dadurch, dass die Kompensationswicklungen einer Dreieckschaltung unterschiedliche Windungszahlen haben, addiert sich die Umlaufspannung der Dreieckschaltung bewusst nicht auf Null, sondern die stehenbleibende Umlaufspannung ist durch den Parameter m so einstellbar, dass sie unter einem bestimmten Wert, z.B. unter 690 V, liegt. Die effektive Windungszahl N kann im Prinzip beliebig groß gewählt werden, es muss lediglich die Spannungsfestigkeit im Transformator beachtet werden.
  • Bei der Phasenanschnittsteuerung wird die Phase der in den Kompensationswicklungen induzierten Spannung detektiert und die Schalteinheit so angesteuert, dass in die Kompensationswicklungen ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird, wie bereits in der WO 2012/041368 A1 gezeigt ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht zwei Dreieckschaltungen mit jeweils unterschiedlicher Wicklungszahl der Kompensationswicklungen vor, nämlich, dass die Kompensationswicklungen folgende Windungszahlen aufweisen und N, m von Null verschiedene natürliche Zahlen mit N>m sind:
    • die erste Kompensationswicklung eines ersten Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung des ersten Schenkels N-m Windungen hat,
    • die erste und die zweite Kompensationswicklung eines zweiten Schenkels haben jeweils N Windungen,
    • die erste Kompensationswicklung eines dritten Schenkels hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung des dritten Schenkels N+m Windungen hat.
  • Mit anderen Worten haben die beiden Kompensationswicklungen eines Schenkels gemeinsam immer gleich viele Windungen, sie sind jedoch bei zwei von drei Schenkeln nicht gleichmäßig auf die beiden Kompensationswicklungen verteilt. Auch haben alle Kompensationswicklungen einer Dreieckschaltung insgesamt gleich viele Windungen, die Anzahl der Windungen ist nur nicht gleichmäßig auf die Schenkel verteilt.
  • Bei dieser Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, wenn erste und zweite Dreieckschaltung elektrisch nicht miteinander verbunden sind, sondern jede Dreieckschaltung über eine eigene Schalteinheit verfügt.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht zwei miteinander verschachtelte Dreieckschaltungen vor: die Kompensationswicklungen weisen folgende Windungszahlen auf und N, m, M sind von Null verschiedene natürliche Zahlen mit N>m:
    • die erste Kompensationswicklung eines ersten Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung des ersten Schenkels M Windungen hat,
    • die erste Kompensationswicklung eines zweiten Schenkels hat N Windungen, die zweite Kompensationswicklung des zweiten Schenkels hat M Windungen,
    • die erste Kompensationswicklung eines dritten Schenkels hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung des dritten Schenkels M Windungen hat.
  • Bei dieser Ausführungsform der miteinander verschachtelten Dreieckschaltungen kann vorgesehen sein, dass erste und zweite Dreieckschaltung elektrisch in Serie geschaltet sind und über eine gemeinsame Schalteinheit verfügen.
  • Für alle Schalteinheiten kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Strombegrenzungsdrossel elektrisch in Reihe mit der Schalteinheit angeordnet ist. Durch dieses Vorschalten einer Strombegrenzungsdrossel (Induktivität) kann man transiente Spannungen effektiv ausfiltern.
  • Für die Bestimmung des notwendigen Kompensationsstroms kann vorgesehen sein, dass die Schalteinheit mit einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils im Transformator verbunden ist. Derartige Messeinrichtungen sind etwa aus der WO 2012/041368 A1 in Form eines magnetischen Nebenschluss-Teils mit einer Sensorspule bekannt. Der Nebenschluss-Teil kann am Kern des Transformators z.B. an einem Schenkel oder am Joch anliegend angeordnet sein, 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 gegebenenfalls nach einer Signalaufbereitung den Gleichfluss-Anteil (CD-Anteil) sehr gut abbildet.
  • Zum Durchführen der Phasenanschnittsteuerung kann eine Steuereinheit für die Schalteinheit vorgesehen sein, wobei die Steuereinheit ein Zeitglied umfasst, welches so mit einem Phasendetektor verbunden ist, dass das Zeitglied vom Phasendetektor getriggert werden kann, welcher die Phase der in den Kompensationswicklungen induzierten Spannungen detektieren kann und die Schalteinheit so ansteuern kann, dass in die Kompensationswicklungen ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird. Die Steuereinheit wäre dann auch mit der Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils im Transformator verbunden.
  • Ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung ist in Anspruch 9 definiert.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figuren Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Prinzipschaltung nach dem Stand der Technik zum Einbringen von Kompensationsstrom in eine Kompensationswicklung, umfassend einen Thyristorkreis,
    Figur 2
    eine Prinzipschaltung nach dem Stand der Technik zum Einbringen von Kompensationsstrom in Kompensationswicklungen mittels einer steuerbaren Stromquelle,
    Figur 3
    eine erfindungsgemäße Prinzipschaltung mit Kompensationswicklungen in zwei getrennten Dreieckschaltungen,
    Figur 4
    Spannungs- und Stromverlauf in den Dreieckschaltungen von Fig. 3,
    Figur 5
    eine erfindungsgemäße Prinzipschaltung mit Kompensationswicklungen in zwei miteinander elektrisch verbundenen Dreieckschaltungen.
    Ausführung der Erfindung
  • Gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 wird bei der sogenannten Gleichstrom-Kompensation gezielt Gleichstrom in eine Kompensationswicklung K eingebracht, um die Gleichstrommagnetisierung des Transformatorkerns aufzuheben. Zum Einbringen der notwendigen magnetischen Durchflutung (der sogenannten Gleichstrom-Amperewindungen) in die Kompensationswicklung K macht man sich die in der Kompensationswicklung K induzierte Wechselspannung zunutze, die Kompensationswicklung K wirkt wie eine Wechselspannungsquelle. An der Kompensationswicklung K wird eine als Thyristor ausgebildete Schalteinheit T in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel L geschaltet. Der erforderliche Gleichstrom kann durch spannungssynchrones Zünden bei einem bestimmten Zündzeitpunkt des Thyristors T eingestellt werden (Phasenanschnittsteuerung). Zündet man den Thyristor 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 den Thyristor T später, so wird der Gleichstrom kleiner, es entstehen jedoch auch Oberschwingungswechselströme. Der Stromverlauf im Thyristor T wird durch eine Strombegrenzungsdrossel L begrenzt, dimensionierend für die Strombegrenzung ist die zulässige thermische Belastung des Thyristors T.
  • Eine andere bekannte Ausführungsform zur Verringerung des magnetischen Gleichfluss-Anteils wird in Fig. 2 gezeigt. Statt des Thyristors T, und in dieser Ausführungsform auch statt der Strombegrenzungsdrossel L, wird eine steuerbare Stromquelle S verwendet und pro Phase des Transformators eine Kompensationswicklung K1, K2, K3 vorgesehen, die mittels Dreieckschaltung miteinander verbunden sind. Die steuerbare Stromquelle S ist elektrisch in Reihe mit den Kompensationswicklungen K1, K2, K3 geschaltet. Je eine Kompensationswicklung K1, K2, K3 ist auf einem Schenkel eines - hier nicht dargestellten - Dreiphasentransformators angeordnet.
  • Die drei Kompensationswicklungen an den drei Phasen können nun in Form einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet werden, weil sich der geomagnetisch induzierte Strom gleichmäßig auf alle drei Phasen verteilt. Daher muss man auch in alle drei Phasen bzw. in deren Kompensationswicklungen die gleichen Gleichspannungs-Gegenamperewindungen einbringen. Eine Dreieckschaltung der Kompensationswicklungen erscheint deshalb sinnvoll, weil durch alle der gleiche Strom fließen muss und sich die Umlaufspannung (die Summe aller Teilspannungen eines Umlaufs bzw. einer Masche in einem elektrischen Netzwerk) in einem idealen symmetrischen Stromnetz (keine Nullkomponenten) zu Null addiert.
  • Man könnte sich nun die Umlaufspannung von Null zunutze machen und die Gleichspannungs-Gegenamperewindungen über eine steuerbare Stromquelle S einbringen. Falls aber der Transformator nicht symmetrisch belastet wird, addieren sich die Teilspannungen der Umlaufspannung nicht zu Null und es ist von der Stromquelle S eine Blindleistung aufzubringen. Diese Leistung für die Stromquelle S ist aus anderen Quellen zuzuführen.
  • Durch Abwandlung der Vorrichtung aus Fig. 2, nämlich durch zwei erfindungsgemäße Dreieckschaltungen, kann aber wieder das Prinzip der Gleichstrom-Kompensation nach Fig. 1 verwendet und die Stromquelle S damit eliminiert werden.
  • Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 für einen Dreiphasentransformator dargestellt. Pro Schenkel bzw. Phase des Transformators sind zwei Kompensationswicklungen K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2 vorgesehen sind. Immer wird eine Kompensationswicklung K1-1, K2-1, K3-1 eines Schenkels herausgegriffen und mit einer anderen der anderen Schenkel in einer ersten Dreieckschaltung 1 miteinander elektrisch verbunden. Die jeweils andere Kompensationswicklung K1-2, K2-2, K3-2 eines Schenkels wird in einer zweiten Dreieckschaltung 2 mit den jeweils übrigen Kompensationswicklungen K1-2, K2-2, K3-2 der anderen Schenkel miteinander elektrisch verbunden.
  • Erste und zweite Dreieckschaltung 1, 2 sind elektrisch nicht miteinander verbunden, jede Dreieckschaltung 1, 2 verfügt über eine eigene Schalteinheit T mit vorgeschalteter Strombegrenzungsdrossel (Induktivität) L.
  • Die Kompensationswicklungen K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2 sind in der Regel gleichartig ausgebildet, also mit gleichem Leiterquerschnitt und gleichem Windungsdurchmesser, jedoch teilweise mit unterschiedlicher Anzahl von Windungen. Die Kompensationswicklungen haben dabei folgende Windungszahlen, wobei N, m natürliche Zahlen mit N>m sind: die erste Kompensationswicklung K1-1 eines ersten Schenkels (einer ersten Phase) hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung K1-2 des ersten Schenkels (der ersten Phase) N-m Windungen hat,
    • die erste und die zweite Kompensationswicklung K2-1, K2-2 eines zweiten Schenkels (der zweiten Phase) haben jeweils N Windungen,
    • die erste Kompensationswicklung K3-1 eines dritten Schenkels (der dritten Phase) hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung K3-2 des dritten Schenkels (der dritten Phase) N+m Windungen hat.
  • Damit addieren sich die Teilspannungen der Umlaufspannung in beiden Dreieckschaltungen bewusst nicht zu Null, wodurch wieder eine Phasenanschnittsteuerung verwendet werden kann. Die resultierende (stehenbleibende) Umlaufspannung kann durch den Parameter m so eingestellt werden, dass sie auf unter 690 V zu liegen kommt und die erfindungsgemäße Vorrichtung unter die Niederspannungsrichtlinie fällt. Die effektive Windungszahl liegt jedoch bei N und kann im Prinzip beliebig groß gewählt werden, es muss lediglich die Spannungsfestigkeit im Transformator beachtet werden. Man benötigt keine fremd zugeführte Leistung, eventuell auftretende Nullkomponenten würden die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht außer Tritt bringen.
  • Ein weiterer Vorteil der Ausführung nach Fig. 3 liegt darin, dass die Umlaufspannung Uu1 in der ersten Dreiecksschaltung 1 gegengleich zur Umlaufspannung Uu2 in der zweiten Dreiecksschaltung 2 ist, wie Fig. 4 zu entnehmen ist. In der oberen Darstellung ist der Verlauf der Umlaufspannung Uu über die Zeit t dargestellt. Die Umlaufspannungen Uu1, Uu2 sind nicht nur genau gegengleich, sondern auch jeweils gleich groß.
  • Wenn man nun die als Thyristor ausgebildete Schalteinheit T in der zweiten Dreieckschaltung 2 aus Fig. 3 um eine Halbperiode T/2 später zündet als den Thyristor T in der ersten Dreieckschaltung 1, so ergibt sich der gleiche Gleichstromanteil, aber die überlagerte Wechselspannung ist gegengleich. Damit ergibt sich eine Reduktion der Oberwellenanteile, der in das Energienetz eingebrachte Oberwellenanteil wird reduziert. Der Verlauf des Kompensationsstromes I über die Zeit t ist in der unteren Darstellung in Fig. 4 zu sehen, I1 bezeichnet den Kompensationsstrom der ersten Dreieckschaltung 1, 12 den Kompensationsstrom der zweiten Dreieckschaltung 2. Die strichlierte waagrechte Linie ist der effektive Kompensationsstrom beider Dreieckschaltungen 1, 2.
  • Eine verbesserte Ausführungsform mit reduzierten Spannungspotentialen in den Kompensationswicklungen ist in Fig. 5 dargestellt. Durch die miteinander verschalteten Dreieckschaltungen 1, 2 addieren sich die Teilspannungen in jeder Dreieckschaltung zu Null. Erste und zweite Dreieckschaltung sind elektrisch in Serie geschaltet, indem der Ausgang der ersten Kompensationswicklung K1-1 des ersten Schenkels mit dem Eingang der zweiten Kompensationswicklung K3-2 des dritten Schenkels elektrisch verbunden ist. Der Eingang der ersten Kompensationswicklung K3-1 des dritten Schenkels ist mit der - den beiden Dreieckschaltungen 1,2 gemeinsamen - Schalteinheit T verbunden, ebenso der Ausgang der zweiten Kompensationswicklung K1-2 des ersten Schenkels. Der Schalteinheit T ist auch hier eine Strombegrenzungsdrossel (Induktivität) L vorgeschaltet.
  • Die Kompensationswicklungen weisen folgende Windungszahlen auf, wobei N, m, M natürliche Zahlen mit N>m und - in diesem Fall - M<N sind:
    • die erste Kompensationswicklung K1-1 eines ersten Schenkels (der ersten Phase) hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung K1-2 des ersten Schenkels M Windungen hat,
    • die erste Kompensationswicklung K2-1 des zweiten Schenkels (der zweiten Phase) hat N Windungen, die zweite Kompensationswicklung K2-2 des zweiten Schenkels hat M Windungen,
    • die erste Kompensationswicklung K3-1 eines dritten Schenkels (der dritten Phase) hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung K3-2 des dritten Schenkels M Windungen hat.
  • Die Windungszahl M in der zweiten Dreieckschaltung 2 in Fig. 5 ist in diesem Fall kleiner als die Windungszahl N in der ersten Dreieckschaltung 1, die Windungszahl M könnte aber auch gleich groß wie oder größer als die Windungszahl N in der ersten Dreieckschaltung 1 sein.
  • Damit addieren sich die Teilspannungen der Umlaufspannung über beide Dreieckschaltungen bewusst nicht zu Null, wodurch wieder eine Phasenanschnittsteuerung unter Verwendung des Thyristors T, wie bereits bei Fig. 3 erläutert, verwendet werden kann. Die resultierende (stehenbleibende) Umlaufspannung kann durch den Parameter m wieder so eingestellt werden, dass sie auf unter 690 V zu liegen kommt und die erfindungsgemäße Vorrichtung unter die Niederspannungsrichtlinie fällt. Die effektive Windungszahl liegt jedoch bei N für die erste Dreieckschaltung 1 und bei M für die zweite Dreieckschaltung 2. Die effektive Windungszahl N kann im Prinzip beliebig groß gewählt werden, es muss lediglich die Spannungsfestigkeit im Transformator beachtet werden. Man benötigt keine fremd zugeführte Leistung, die erfindungsgemäße Vorrichtung ist robust gegenüber eventuell auftretenden Nullkomponenten.
  • Die Pfeile in den Fig. 2, 3 zeigen die Stromrichtung des Kompensationsstromes an.
  • Für alle Ausführungsvarianten gilt, dass beim Schalten der Schalteinrichtung, also beim Zünden der Thyristoren T, der Kompensationsstrom zu fließen beginnt. Die Steuerung der Thyristoren kann wie in der WO 2012/041368 A1 erfolgen: die Steuereinheit besteht im Wesentlichen aus einem Phasendetektor und einem Zeitglied. Der Phasendetektor, z.B. ein Nulldurchgang-Detektor, leitet aus der induzierten Spannung ein Triggersignal ab, welches einem Zeitglied zugeführt wird. Zusammen mit einem ebenfalls der Steuereinheit zugeführten Steuersignal stellt die Steuereinheit ausgangsseitig eine Stellgröße bereit, welche dem Thyristor T zugeleitet wird. Die Induktivität L ist dabei so bemessen, dass bei einem Durchschalten des Thyristors T ein in eine Stromrichtung fließender, pulsierender Stromverlauf in die Kompensationswicklung K eingespeist wird. Dabei wird der Thyristor T am Ende des Gleichstrompulses in den stromlosen Zustand geschaltet, etwa, indem der Haltestrom des Thyristors T unterschritten wird.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    erste Dreieckschaltung
    2
    zweite Dreieckschaltung
    I
    Kompensationsstrom
    I1
    Kompensationsstrom der ersten Dreieckschaltung
    12
    Kompensationsstrom der zweiten Dreieckschaltung
    K
    Kompensationswicklung
    K1
    Kompensationswicklung des ersten Schenkels
    K2
    Kompensationswicklung des zweiten Schenkels
    K3
    Kompensationswicklung des dritten Schenkels
    K1-1
    erste Kompensationswicklung des ersten Schenkels
    K1-2
    zweite Kompensationswicklung des ersten Schenkels
    K2-1
    erste Kompensationswicklung des zweiten Schenkels
    K2-2
    zweite Kompensationswicklung des zweiten Schenkels
    K3-1
    erste Kompensationswicklung des dritten Schenkels
    K3-2
    zweite Kompensationswicklung des dritten Schenkels
    L
    Strombegrenzungsdrossel (Induktivität)
    M
    Windungszahl
    N
    Windungszahl
    N+m
    Windungszahl
    N-m
    Windungszahl
    T
    Schalteinheit (Thyristor)
    T/2
    Halbperiode
    S
    steuerbare Stromquelle
    Uu
    Umlaufspannung
    Uu1
    Umlaufspannung der ersten Dreieckschaltung
    Uu2
    Umlaufspannung der zweiten Dreieckschaltung

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators mit zumindest drei Schenkeln, insbesondere eines Dreiphasentransformators, umfassend zumindest eine Kompensationswicklung (K1, K2, K3) pro Schenkel des Transformators, wobei die Kompensationswicklungen (K1, K2, K3), wenn auf die Schenkel aufgebracht, magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Vorrichtung pro Schenkel zwei Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) umfasst,
    - jeweils die ersten Kompensationswicklungen (K1-1, K2-1, K3)1 der Schenkel in einer ersten Dreieckschaltung (1) miteinander elektrisch verbunden sind,
    - jeweils die zweiten Kompensationswicklungen (K1-2, K2-2, K3-2) der Schenkel in einer zweiten Dreieckschaltung (2) miteinander elektrisch verbunden sind,
    - wobei die Kompensationswicklungen zumindest einer der Dreieckschaltungen (1, 2) folgende Windungszahlen aufweisen und N, m von Null verschiedene natürliche Zahlen mit N>m sind:
    die erste Kompensationswicklung (K1-1) eines ersten Schenkels hat N+m Windungen,
    die erste Kompensationswicklung (K2-1) eines zweiten Schenkels hat N Windungen,
    die erste Kompensationswicklung (K3-1) eines dritten Schenkels hat N-m Windungen,
    - und wobei für eine Phasenanschnittsteuerung zumindest eine Schalteinheit (T) in Reihe mit den Kompensationswicklungen angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswicklungen folgende Windungszahlen aufweisen und N, m von Null verschiedene natürliche Zahlen mit N>m sind:
    die erste Kompensationswicklung (K1-1) eines ersten Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung (K1-2) des ersten Schenkels N-m Windungen hat,
    die erste und die zweite Kompensationswicklung (K2-1, K2-2) eines zweiten Schenkels haben jeweils N Windungen,
    die erste Kompensationswicklung (K3-1) eines dritten Schenkels hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung (K3-2) des dritten Schenkels N+m Windungen hat.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Dreieckschaltung (1, 2) elektrisch nicht miteinander verbunden sind, sondern jede Dreieckschaltung über eine eigene Schalteinheit (T) verfügt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswicklungen folgende Windungszahlen aufweisen und N, m, M von Null verschiedene natürliche Zahlen mit N>m sind:
    die erste Kompensationswicklung (K1-1) eines ersten Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung (K1-2) des ersten Schenkels M Windungen hat,
    die erste Kompensationswicklung (K2-1) eines zweiten Schenkels hat N Windungen, die zweite Kompensationswicklung (K2-2) des zweiten Schenkels hat M Windungen,
    die erste Kompensationswicklung (K3-1) eines dritten Schenkels hat N-m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung (K3-2) des dritten Schenkels M Windungen hat.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Dreieckschaltung (1, 2) elektrisch in Serie geschaltet sind und über eine gemeinsame Schalteinheit (T) verfügen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest eine Strombegrenzungsdrossel (L) umfasst, die elektrisch in Reihe mit der Schalteinheit (T) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils umfasst und dass die Schalteinheit (T) mit der Messeinrichtung verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit für die Phasenanschnittsteuerung der Schalteinheit (T) vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit ein Zeitglied umfasst, dass ein Phasendetektor vorgesehen ist, dass das Zeitglied mit so dem Phasendetektor verbunden ist, dass das Zeitglied vom Phasendetektor getriggert werden kann, welcher die Phase der in den Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) induzierten Spannungen detektieren kann und die Schalteinheit (T) so ansteuern kann, dass in die Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein Zeitglied umfasst, welches vom Phasendetektor getriggert wird, welcher die Phase der in den Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) induzierten Spannungen detektiert und die Schalteinheit (T) so ansteuert, dass in die Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird.
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