EP3786986A1 - Schaltungsanordnung zur verringerung eines gleichfluss-anteils im weichmagnetischen kern eines transformators - Google Patents

Schaltungsanordnung zur verringerung eines gleichfluss-anteils im weichmagnetischen kern eines transformators Download PDF

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EP3786986A1
EP3786986A1 EP19194173.1A EP19194173A EP3786986A1 EP 3786986 A1 EP3786986 A1 EP 3786986A1 EP 19194173 A EP19194173 A EP 19194173A EP 3786986 A1 EP3786986 A1 EP 3786986A1
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current
current limiting
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limiting choke
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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 circuit arrangement for reducing a direct flux component in the soft magnetic core of a transformer.
  • a direct current feed also referred to as a DC component
  • GIC geomagnetically induced currents
  • Geomagnetically induced currents occur approximately in ten-year cycles. They are distributed evenly over all (three) phases, can reach up to 30 A per phase and flow off via the neutral point of a transformer. This leads to a high saturation of the core of the transformer in a half cycle and therefore a high excitation current in a half cycle. This additional excitation has a strong harmonic component and this is caused by the stray field with harmonic content causes eddy current losses in the windings and iron parts of the transformer.
  • an electrical voltage induced in a compensation winding is used and used to compensate for the disturbing magnetic direct flux component by connecting a thyristor switch in series with a current limiting choke in order to introduce the compensation current into the compensation winding.
  • This solution works well for direct currents to be balanced in a range that is an order of magnitude smaller than geomagnetically induced currents, i.e. in the range below 10 A.
  • geomagnetically induced currents one would have to go to the medium voltage level, i.e. in the range of around 5 or 8 kV, and use powerful thyristors. Due to the high power dissipation of such thyristors, separate cooling would have to be provided for the thyristors, so that this solution would then not be economical.
  • direct current is introduced into a compensation winding CW in order to cancel the direct current magnetization of the transformer core.
  • the alternating voltage induced in the compensation winding CW is used to introduce the necessary magnetic flux (the so-called direct current ampere turns) into the compensation winding CW; the compensation winding 1 acts like an ideal alternating voltage source.
  • a diode D1 is connected to the compensation winding CW in series with a current limiting choke L, by means of which the voltage induced in the compensation voltage CW is rectified.
  • the direct current obtained in this way is indirectly proportional to the effective inductance I DC ⁇ 1 / L of the current limiting choke.
  • this is constructed from partial inductances L1, L2, L3, L4 which can be switched by means of semiconductor switches S 1, S2,... Sn and therefore has an adjustable inductance.
  • the direct current can therefore be changed in N equal partial steps (increments).
  • a transractor is understood to mean the combination of transductor and choke.
  • the transractor only has to provide the Nth part of the direct current and can be made much more compact than the solution according to the AT 519 338 A1 the case is.
  • Another essential advantage of the solution according to the invention is that the current pulses generated by means of the current limiting inductor L and diode D1 only have the fundamental harmonic and a direct current mean value.
  • the partial inductances L1, L2, L3, L4 can be implemented, for example, by taps in the winding of a choke or by separate partial chokes.
  • the construction output of the transractor is comparatively low, it can be implemented with inexpensive standard components.
  • the size of the converter for acting on the secondary side of the transractor can also be reduced. It is therefore also possible to get by without a control transformer for voltage compensation on the secondary side, whereby the space requirement of the solution according to the invention is further reduced.
  • a preferred embodiment of the invention comprises a controllable resistor ES, which instead of a transractor is connected in parallel to the current limiting inductor L for the stepless adjustment of the direct current.
  • the power loss occurring at the controllable resistor ES can be neglected, since only the Nth part of the direct current has to be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators, mit einer Kompensationswicklung (CW), die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist, einem Stromzweig mit einer Diode (D1) und einer in Serie dazu geschalteten Strombegrenzungsdrossel (L), wobei die Strombegrenzungsdrossel (L) eine mittels Schalter (S1, S2, S3, ... SN) einstellbare Induktivität aufweist.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators.
    • 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.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand d er Technik weiterzuentwickeln.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    • Kurzbeschreibung der Figur
  • Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung mit Transraktor und
    • Fig.2 ein Ausführungsbeispiel mit steuerbarem Widerstand.
  • Bei der sogenannten Gleichstrom-Kompensation wird gezielt Gleichstrom in eine Kompensationswicklung CW eingebracht, um die Gleichstrommagnetisierung des Transformatorkerns aufzuheben. Zum Einbringen der notwendigen magnetischen Durchflutung (der sogenannten Gleichstrom-Amperewindungen) in die Kompensationswicklung CW macht man sich die in der Kompensationswicklung CW induzierte Wechselspannung zunutze, die Kompensationswicklung 1 wirkt wie eine ideale Wechselspannungsquelle.
  • An die Kompensationswicklung CW ist eine Diode D1 in Serie mit einer Strombegrenzungsdrossel L geschaltet, mittels welchen die in der Kompensationsspannung CW induzierte Spannung gleichgerichtet wird.
  • Der so gewonnene Gleichstrom ist indirekt proportional zur wirksamen Induktivität IDC ∼ 1/L der Strombegrenzungsdrossel. Diese ist erfindungsgemäß aus mittels Halbleiterschaltern S1, S2,... Sn schaltbaren Teilinduktivitäten L1,L2,L3,L4 aufgebaut und weist daher eine einstellbare Induktivität auf. Durch Zu- und Wegschalten von beispielsweise N Teilinduktivitäten kann daher der Gleichstrom in N gleichen Teilschritten (Inkrementen) verändert werden.
  • Durch einen zur Strombegrenzungsdrossel L parallel geschalteten Transraktor T, wie er beispielsweise aus der AT 519 338 A1 bekannt ist, kann eine stufenlose Gleichstromstellung erfolgen.
  • Gemäß dieser Schrift wird unter einem Transraktor die Kombination von Transduktor und Drossel verstanden.
  • Dabei muss der Transraktor nur den N-ten Teil des Gleichstromes stellen und kann wesentlich kompakter gestaltet werden, als dies bei der Lösung nach der AT 519 338 A1 der Fall ist.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die mittels Strombegrenzungsdrossel L und Diode D1 erzeugten Strompulse nur die Grundharmonische und einen Gleichstrommittelwert aufweisen.
  • Es entstehen keine weiteren Oberwellen, welche die Wirbelstromverluste beträchtlich erhöhen könnten. Nur der kleine Resttransraktor-Strom zur stufenlosen Steuerung des Gleichstrom-Werts weist höhere harmonische Anteile auf, welche aber wegen der vergleichsweise geringen Stromstärke keine wesentliche Rolle spielen.
  • Die Teilinduktivitäten L1, L2, L3, L4 können z.B durch Anzapfungen in der Wicklung einer Drossel oder durch getrennte Teildrosseln realisiert werden.
  • Da die Bauleistung des Transraktors vergleichsweise gering ist, kann dieser mit günstigen Standardbauteilen realisiert werden. Überdies ist auch die Baugröße des Umrichters zur Beaufschlagung der Sekundärseite des Transraktors reduzierbar. Daher ist es auch möglich, ohne Steuertrafo für Spannungskompensation an der Sekundärseite auszukommen, wodurch der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Lösung weiter reduziert wird.
  • Wie in Fig.2 dargestellt, umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen steuerbaren Widerstand ES, der anstelle eines Transraktors parallel zur Strombegrenzungsdrossel L zur stufenlosen Einstellung des Gleichstroms geschaltet ist.
  • Der Vorteil dieser Lösung liegt in der einfachen Realisierungsmöglichkeit, beispielsweise mittels Feldeffekttransistor (FET) sowie in dem vergleichsweise geringen Platzbedarf.
  • Die an dem steuerbaren Widerstand ES auftretende Verlustleistung kann vernachlässigt werden, da ja nur der den N-te Teil des Gleichstromes gestellt werden muß.
    • Bezugszeichenliste
    • CW
    Kompensationswicklung
    L
    Strombegrenzungsdrossel
    D1
    Diode
    T
    Transraktor
    S1, S2, S3, S4
    Halbleiterschalter
    L1, L2, L3, L4
    Teilinduktivitäten
    ES
    Steuerbarer Widerstand

Claims (4)

  1. Schaltungsanordnung zur Verringerung eines Gleichfluss-Anteils im weichmagnetischen Kern eines Transformators, mit einer Kompensationswicklung (CW), die mit dem Kern des Transformators magnetisch gekoppelt ist, einem Stromzweig mit einer Diode (D1) und einer in Serie dazu geschalteten Strombegrenzungsdrossel(L), dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsdrossel (L) schaltbar ausgeführt ist und eine mittels Schalter (S1, S2, S3, ... SN) einstellbare Induktivität aufweist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transraktor (T) parallel zur Strombegrenzungsdrossel(L)geschaltet ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer Widerstand (ES) parallel zur Strombegrenzungsdrossel(L)geschaltet ist
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der Strombegrenzungsdrossel (L) mit mehreren Anzapfungen versehen ist, die mit Hilfe von synchronisierten Stufenschaltern (S1, S2, S3, S4) angesteuert werden.
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