WO2015117708A1 - 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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WO2015117708A1 PCT/EP2014/078173 EP2014078173W WO2015117708A1 WO 2015117708 A1 WO2015117708 A1 WO 2015117708A1 EP 2014078173 W EP2014078173 W EP 2014078173W WO 2015117708 A1 WO2015117708 A1 WO 2015117708A1
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Peter Hamberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 flux component in the core of a
  • the field of application of the invention is basically both in transformers in the low or medium voltage range, as well as in transformers very high performance
  • DC supply also referred to as DC component
  • DC component can for example come from electronic components, such as those used today in the control of electrical drives or in the reactive power compensation.
  • Another cause may be so-called Geomagnetically Induced Currents (GIC).
  • GIC Geomagnetically Induced Currents
  • Windings and iron parts of the transformer caused. This can lead to local overheating in the transformer. Furthermore, due to the strong excitation requirement, high reactive power consumption and voltage drop occur. Together, this can lead to the instability of the energy transmission network. Simplified speaking, the behaves the
  • WO 2012/041368 AI is one in a
  • DC ratio used 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 blocker Another solution for geomagnetically induced currents is the so-called DC blocker, which in principle a
  • Capacitor is connected in the neutral point of the transformer. This solution is problematic because the charging of the capacitor creates a transfer voltage. In addition, the displacement voltage across the capacitor is limited, so that usually not the entire DC current can be blocked. This solution is also problematic if there is a short circuit in the transmission network and therefore too
  • Claim 1 relates to a device for reducing a magnetic DC component in the core of a transformer having at least three legs, in particular one
  • Three-phase transformer comprising at least one
  • Claim 1 is characterized in that
  • each of the first compensation windings of a leg are electrically connected to one another in a first delta connection
  • each of the second compensating windings of a leg are electrically connected to one another in a second delta connection
  • the compensation windings at least one
  • the first compensation winding of a first leg has N + m turns
  • the first compensation winding of a second leg has in each case N turns
  • the first compensation winding of a third leg has N-m turns
  • At least one switching unit is arranged in series with the compensation windings.
  • the principle of the solution according to the invention is based again on the DC compensation by means of compensation windings, by targeted current in the compensation windings
  • Ampere turn is another term for the magnetic flux. It is the
  • Compensation windings introduced 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.
  • Delta connection have different numbers of turns, 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
  • Winding number of the compensation windings namely, that the compensation windings have the following number of turns and N, m are natural numbers with N> m:
  • the first compensating winding of a first leg has N + m turns, while the second compensating turn of the first leg has N-m turns,
  • the first and the second compensating winding of a second leg each have N turns
  • the first compensating winding of a third leg has N-m turns, while the second compensating turn of the third leg has N + m turns.
  • 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 first compensating winding of a first leg has N + m turns, while the second compensating turn of the first leg has M turns,
  • the first compensating winding of a second leg has N turns
  • the second compensating turn of the second leg has M turns
  • the first compensating winding of a third leg has N-m turns, while the second compensating turn of the third leg M has turns.
  • 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 For the determination of the necessary compensation current can be provided that the switching unit with a
  • Measuring device for detecting the magnetic Gleichpound- share is connected in the transformer.
  • Measuring devices are known for example from WO 2012/041368 AI in the form of a magnetic shunt part with a sensor coil.
  • the shunt part may be at the core of the
  • Transformers for example, be arranged adjacent to a leg or the yoke to guide a portion of the magnetic flux in a bypass. 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 Gleichpound- share (CD content) maps very well.
  • control unit for the switching unit, wherein the control unit comprises a timer, which is so connected to a phase detector that the timer from
  • Phase detector can be triggered, 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
  • 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 a device with a control unit provides that the control unit comprises a timer which is triggered by the phase detector, which detects the phase of the voltages induced in the compensation windings and controls the switching unit in such a way that in the compensation windings
  • Figure 1 is a principle circuit according to the prior art for introducing compensation current in a compensation winding, comprising a
  • Figure 2 is a principle circuit according to the prior art for introducing compensation current in Compensation windings by means of a controllable current source
  • FIG. 3 shows a basic circuit according to the invention
  • FIG. 5 is a principle circuit according to the invention with
  • 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
  • Harmonic alternating currents 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. 1 Another known embodiment for reducing the magnetic DC component is shown in FIG. 1
  • a controllable current source S is used and a compensation winding Kl, 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 in series with the
  • Compensation winding Kl, 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
  • Circulation voltage (the sum of all partial voltages of a circuit or a mesh in an electrical network) in an ideal symmetrical power system (no zero components) added to zero.
  • a first embodiment of the invention is shown in Fig. 3 for a three-phase transformer.
  • For each leg or phase of the transformer are two compensation windings Kl-1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2 are provided.
  • Kl-1, K2-1, K3-1 becomes one
  • 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
  • the compensation windings Kl-1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3- 2 are generally the same design, ie with the same conductor cross-section and the same winding diameter, but sometimes with different numbers of turns.
  • the compensation windings have the following
  • the first and the second compensation winding K2-1, K2-2 of a second leg (the second phase) each have N turns
  • the first compensation winding K3-1 of a third leg has Nm turns
  • the second Compensation winding K3-2 of the third leg has N + m turns.
  • 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 set 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.
  • Number of turns, however, is at N and can be chosen arbitrarily large in principle, it only has the
  • Another advantage of the embodiment of FIG. 3 is that the circulating voltage Uul in the first triangular circuit 1 is equal to the circulating voltage Uu2 in the second
  • Triangle circuit 2 is, as Fig. 4 can be seen. In the upper diagram, the course of the circulating voltage Uu over the time t is shown.
  • the circulation voltages Uul, Uu2 are not only exactly the same, but also the same size.
  • Compensation current of the first delta circuit 1, 12 the compensation current of the second delta circuit 2.
  • the Dashed horizontal line is the effective compensation current of both delta circuits 1, 2.
  • Delta connection are electrically connected in series by the output of the first compensation winding Kl-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 Kl-2 of the first leg.
  • the switching unit T is also here
  • N, m, M are natural numbers with N> m and, in this case, M ⁇ N:
  • the first compensating winding Kl-1 of a first leg (the first phase) has N + m turns, while the second compensating winding Kl-2 of the first leg M has turns,
  • the first compensating winding K2-1 of the second leg (the second phase) has N turns, the second one
  • the first compensating winding K3-1 of a third leg (the third phase) has N-m turns, while the second compensating winding K3-2 of the third leg M has turns.
  • 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, 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.
  • Circulation voltage can be adjusted by the parameter m again
  • 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.
  • FIGS. 2, 3 indicate the current direction of the compensation current.
  • the control unit consists essentially of a
  • phase detector e.g. a zero-crossing detector, derived from the induced
  • Control unit supplied control signal represents the
  • Control unit output side a manipulated variable ready, which is supplied to the thyristor T.
  • the inductance L is dimensioned such that, when the thyristor T is turned on, a pulsating current flowing in a current direction
  • Circulation voltage of the first delta connection Circulation voltage of the second delta connection

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Abstract

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. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass - pro Schenkel zwei Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) vorgesehen sind, - jeweils die ersten Kompensationswicklungen (K1-1, K2-1, K3-1) eines Schenkels in einer ersten Dreieckschaltung (1) miteinander elektrisch verbunden sind, - jeweils die zweiten Kompensationswicklungen (K1-2, K2-2, K3-2) eines Schenkels in einer zweiten Dreieckschaltung (2) miteinander elektrisch verbunden sind, - wobei die Kompensationswicklungen (K1-1, K1-2; K3-1, K3-2) zumindest eines Schenkels unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, - und wobei für eine Phasenanschnittsteuerung zumindest eine Schalteinheit (T) in Reihe mit den Kompensationswicklungen angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss- Anteils im Kern eines Transformators
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 Zehnj ahreszyklen 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 AI 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.
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 .
Anspruch 1 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. Anspruch 1 ist gekennzeichnet dadurch, dass
- pro Schenkel zwei Kompensationswicklungen vorgesehen sind,
- jeweils die ersten Kompensationswicklungen eines Schenkels in einer ersten Dreieckschaltung miteinander elektrisch verbunden sind,
- jeweils die zweiten Kompensationswicklungen eines Schenkels in einer zweiten Dreieckschaltung miteinander elektrisch verbunden sind,
- wobei die Kompensationswicklungen zumindest einer
Dreieckschaltung folgende Windungszahlen aufweisen und N, m natürliche Zahlen mit N>m sind:
die erste Kompensationswicklung eines ersten Schenkels hat N+m Windungen,
die erste Kompensationswicklung eines zweiten Schenkels hat jeweils N Windungen,
die erste Kompensationswicklung eines dritten Schenkels hat N-m Windungen,
- und wobei für eine Phasenanschnittsteuerung zumindest eine Schalteinheit in Reihe mit den Kompensationswicklungen angeordnet ist.
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 AI 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 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 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 AI 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 einer Vorrichtung mit Steuereinheit sieht vor, dass die Steuereinheit ein Zeitglied umfasst, welches vom Phasendetektor getriggert wird, welcher die Phase der in den Kompensationswicklungen induzierten Spannungen detektiert und die Schalteinheit so ansteuert, dass in die Kompensationswicklungen ein
pulsierender Gleichstrom eingespeist wird.
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 Kl, K2 , K3 vorgesehen, die mittels Dreieckschaltung miteinander verbunden sind. Die steuerbare Stromquelle S ist elektrisch in Reihe mit den
Kompensationswicklungen Kl, K2, K3 geschaltet. Je eine
Kompensationswicklung Kl, 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 Kl-1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2 vorgesehen sind. Immer wird eine Kompensationswicklung Kl-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 Kl-2, K2-2, K3-2 eines Schenkels wird in einer zweiten Dreieckschaltung 2 mit den jeweils übrigen
Kompensationswicklungen Kl-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 Kl-1, Kl-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 Kl-1 eines ersten Schenkels (einer ersten Phase) hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung Kl-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 Uul 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 Uul, 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, II 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 Kl-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 Kl-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 Kl-1 eines ersten Schenkels (der ersten Phase) hat N+m Windungen, während die zweite Kompensationswicklung Kl-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 AI 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.
erste Dreieckschaltung
zweite Dreieckschaltung
Kompensationsström
Kompensationsstrom der ersten Dreieckschaltung Kompensationsstrom der zweiten
Dreieckschaltung
Kompensationswicklung
Kompensationswicklung des ersten Schenkels Kompensationswicklung des zweiten Schenkels Kompensationswicklung des dritten Schenkels erste Kompensationswicklung des ersten
Schenkels
zweite Kompensationswicklung des ersten
Schenkels
erste Kompensationswicklung des zweiten
Schenkels
zweite Kompensationswicklung des zweiten Schenkels
erste Kompensationswicklung des dritten
Schenkels
zweite Kompensationswicklung des dritten Schenkels
Strombegrenzungsdrossel (Induktivität)
Windungszahl
Windungszahl
Windungszahl
Windungszahl
Schalteinheit (Thyristor)
Halbperiode
steuerbare Stromquelle
UmlaufSpannung
UmlaufSpannung der ersten Dreieckschaltung UmlaufSpannung der zweiten Dreieckschaltung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen
Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators mit zumindest drei Schenkeln, insbesondere eines
Dreiphasentransformators, umfassend zumindest eine
Kompensationswicklung (Kl, K2, K3) pro Schenkel des
Transformators, wobei die Kompensationswicklungen (Kl, K2, K3) magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
- pro Schenkel zwei Kompensationswicklungen (Kl-1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) vorgesehen sind,
- jeweils die ersten Kompensationswicklungen (Kl-1, K2-1,
K3-1) eines Schenkels in einer ersten Dreieckschaltung (1) miteinander elektrisch verbunden sind,
- jeweils die zweiten Kompensationswicklungen (Kl-2, K2-2, K3-2) eines Schenkels in einer zweiten Dreieckschaltung (2) miteinander elektrisch verbunden sind,
- wobei die Kompensationswicklungen zumindest einer
Dreieckschaltung (1, 2) folgende Windungszahlen aufweisen und N, m natürliche Zahlen mit N>m sind:
die erste Kompensationswicklung (Kl-1) eines ersten
Schenkels hat N+m Windungen,
die erste Kompensationswicklung (K2-1) eines zweiten Schenkels hat jeweils 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 natürliche Zahlen mit N>m sind:
die erste Kompensationswicklung (Kl-1) eines ersten Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite
Kompensationswicklung (Kl-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 natürliche Zahlen mit N>m sind: die erste Kompensationswicklung (Kl-1) eines ersten
Schenkels hat N+m Windungen, während die zweite
Kompensationswicklung (Kl-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 zumindest eine
Strombegrenzungsdrossel (L) elektrisch in Reihe mit der Schalteinheit (T) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) mit einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss- Anteils 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, welches so mit einem Phasendetektor verbunden ist, dass das Zeitglied vom Phasendetektor getriggert werden kann, welcher die Phase der in den Kompensationswicklungen (Kl- 1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) induzierten Spannungen detektieren kann und die Schalteinheit (T) so ansteuern kann, dass in die Kompensationswicklungen (Kl-1, Kl-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 (Kl-1, Kl-2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) induzierten
Spannungen detektiert und die Schalteinheit (T) so ansteuert, dass in die Kompensationswicklungen (Kl-1, Kl- 2; K2-1, K2-2; K3-1, K3-2) ein pulsierender Gleichstrom eingespeist wird.
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