WO2019233585A1 - Apparatus for converting an electrical dc voltage into an ac voltage - Google Patents

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WO2019233585A1
WO2019233585A1 PCT/EP2018/065041 EP2018065041W WO2019233585A1 WO 2019233585 A1 WO2019233585 A1 WO 2019233585A1 EP 2018065041 W EP2018065041 W EP 2018065041W WO 2019233585 A1 WO2019233585 A1 WO 2019233585A1
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WO
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winding
voltage
power semiconductor
submodule
semiconductor switches
Prior art date
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PCT/EP2018/065041
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German (de)
French (fr)
Inventor
Uwe Janik
Andreas Macher
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to PCT/EP2018/065041 priority patent/WO2019233585A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P13/00—Arrangements for controlling transformers, reactors or choke coils, for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P13/06—Arrangements for controlling transformers, reactors or choke coils, for the purpose of obtaining a desired output by tap-changing; by rearranging interconnections of windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/10—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using transformers
    • H02M5/12—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using transformers for conversion of voltage or current amplitude only

Definitions

  • the invention relates to a device for generating an alternating voltage having a first winding having electrically separable winding segments, a two-th winding, which is inductively coupled via a magnetizable core to the first winding, and in series zueinan the switched bipolar submodules, each Submodule, each with a winding segment and power semiconductor switches forming a bridge circuit.
  • Such a device is already known from WO 2012/079666 A2.
  • a transformer is described, which has a Un terwoodswicklung and a high-voltage winding, which are inductively coupled together via a core.
  • the high-voltage winding consists of a main winding and egg ner control winding, wherein the control winding is composed of Wick lungssegmenten, each of which is part of a two-pole submodule.
  • Each submodule has power semiconductor switches which form a full bridge circuit with the respective winding segment.
  • the submodules are bipolar and arranged in a series connection.
  • FIG. 1 illustrates schematically an exemplary Oberspan voltage winding 1 of the prior art device.
  • the high-voltage winding consists of a Stammwick ment 2 and a control winding 3, which is composed of three winding segments 4, 5 and 6.
  • the Wick tion segments 4, 5 and 6 are each part of a two-pole submodule 7, 8 and 9, wherein each submodule 7, 8 and 9 in addition to the said winding segment 4, 5 and 6 bathraumlei terschalter 10, each of at least two ge genuinely parallel thyristors 11 exist.
  • each power semiconductor switch 10 has a snubber circuit consisting of a figurative lent not shown Symmetri mecanicswiderstand, a damping capacitor 12 and a damping resistor 13 is made.
  • Each of the submodules 7, 8 and 9 forms a full bridge circuit which adds two series circuit branches, in each of which two power semiconductor switches 10 are connected in series.
  • Each series circuit branch is connected in parallel to the respective winding segment 4, 5 or 6 of the submodule.
  • the potential point between two power semiconductor switches 10 of the first series connection circuit 2 of the first submodule 7 is connected to the upper end of the trunk winding 2.
  • the potential point between the semiconductor switches 10 of the second series circuit branch of the submodule 7 is connected to the potential point between the line semiconductor switches 10 of the first series circuit branch of the second submodule 8. In this way, the submodules form a series circuit.
  • the respective winding segment 4, 5 or 6 of the Stammwick development can now be switched with the same direction of winding. Due to the full bridge circuit, however, it is also possible to switch the respective winding segment 4, 5 or 6 with Chryslerge set winding direction in series to the main winding or to switch from the series circuit through a bypass forth. In this case, the winding segments 4, 5 and 6 have different numbers of turns. The number of inductively tively effective number of turns of the high-voltage winding 1 can therefore be varied by appropriate activation of the power semiconductor switch 10 as desired. This in turn allows regulation of the output voltage of the transformer, which is dependent on the ratio of the number of turns of the upper and lower voltage winding.
  • the high-voltage direct current transmission has opposite to Electric power transmission using AC voltage on the advantage that transmission losses are significantly reduced. This applies in particular to submarine cables, which are used to connect offshore wind farms to a further shore-side energy supply network.
  • the above-mentioned device has the disadvantage that this input side is exclusively connected to alternating voltage networks.
  • the object of the invention is therefore to provide a device of the initially mentioned type, which can also be connected to DC voltage connections.
  • the invention solves this problem in that the first winding is completely divided into mutually insulated Wicklungsseg elements, each winding element is part of a two-pole submodule and switches with the power semiconductor switches forms a bridge circuit.
  • a device which has inductively coupled windings. At least one of the windings is completely divided into winding segments and each winding segment is part of a two-pole submodule. The submodules of said winding are connected in series with each other. Due to the bridge circuit, it is possible to briefly connect each winding segment with the DC voltage and then to nen again, so that each winding segment is traversed by a changing current. This results in a changing magnetic flux in the core and an inductive coupling with the second winding of the device, in which an AC voltage is induced. This induced AC voltage can be set terschalter by a desired control of the linengurlei.
  • winding segments are separable from each other. This implicitly means that all winding segments of each other are arranged electrically isolated on the core, so that the current flow over a particular winding segment can be determined regardless of the current flow over all other winding segments.
  • Each winding segment can therefore be switched by bridging in series with the other winding segments or bridged.
  • each winding segment has two supply lines, via which the per spective winding segment is connected to the power semiconductor switches of its submodule.
  • the direct current can be chopped, so that the output side a desired AC clamping voltage can be generated.
  • the device according to the invention it is within the scope of the invention also possible to connect the device according to the invention to an AC voltage network, but this antiserial switched IGBT pairs must be used to process at de half-waves can.
  • the device according to the invention can be used universally in this circuit.
  • each submodule has a first series circuit branch and a second series circuit display, which are each connected in parallel to the respective winding segment of the submodule.
  • Each series circuit branch has a series connection of at least two power semiconductor scarf diesters, wherein the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit branch with egg ner first terminal of the submodule and the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit branch is connected to the second terminal of the submodule.
  • the series-connected submodules are connected via their terminals. In other words, the first terminal of the one submodule is connected to the second terminal of another submodule.
  • the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit branch is at the same potential as the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit branch of the connected submodule. Due to the full bridge circuit, which is also referred to as H-bridge circuit, it is possible to carry the current in both directions over the respective winding segment.
  • the winding segments of the submodules can thus be connected in series with the same or opposite winding direction or be switched off by a bypass of the series circuit.
  • the numbers of turns of winding segments connected in series with the same winding direction can therefore be added in the calculation of the winding ratio of the windings.
  • the effect of winding segments, which are connected in series with opposite Wicklungsrich tion cancel, however, so that the number of turns of these winding segments must be subtracted from each other to detect the inductive effect of the first winding by calculation.
  • the winding segments are different from submodule to submodule. This allows the desired number of active turns of the first winding to be continuously varied over a wide range.
  • the number of turns of n winding segments to each other in egg nem ratio of 1: 3: 9:: 3 n the number of turns of n winding segments to each other in egg nem ratio of 1: 3: 9:: 3 n . If, for example, the winding segment of the first submodule has two turns, then the winding segment of the second submodule has six turns, while the winding segment of the third submodule has over 18 turns and the winding segment of the fourth submodule has 54 turns. These can now be added together with each other or else subtracted from each other, so that in sum the desired number of turns with ge wished winding direction is connected in series.
  • the first winding or the second winding or the first and the second winding are designed as high-voltage windings.
  • the windings are designed to be resistant to voltage so that they can be connected to a high-voltage network or a high-voltage connection.
  • high voltage is meant that the windings can be operated with DC or AC voltages of more than 1 kV up to 1 200 kV.
  • the range of 1 kV to 50 kV AC is also referred to as medium voltage range. In the medium-voltage range, so-called distribution transformers are preferably used.
  • the device according to the invention can also be designed as a power transformer, which is operated with an AC voltage above 50 kV.
  • a DC voltage present on the input side is, for example, in the range of ⁇ 1 kV to ⁇ 800 kV. But smaller input voltages below ⁇ 1 kV are possible within the scope of the invention.
  • the first winding is equipped with a designed for DC voltage insulation.
  • the first winding can be connected to a DC voltage or to a DC voltage connection.
  • the insulation of the winding so for example, the spacers of the winding conductors, their outer insulation, possibly existing barrier systems or the like, must be designed since DC voltage. This makes a he heightened insulation required.
  • the windings are embedded in a solid insulating material.
  • the solid insulating material is, for example, a suitable resin, for example, epoxy resin.
  • Such transformers who also referred to as dry-type transformers.
  • the windings are vergos with liquid resin. After curing of the resin, the winding is completely embedded in a solid. Due to the limited cooling, however, such a dry-type transformer is only for Distribution transformers can be used effectively.
  • the windings are placed on a core leg, wherein the core leg usually extends through the hollow cylindrical inner space of the winding.
  • the first winding is preferably arranged concentrically to the second winding, which encloses the same core section.
  • the winding segments of the first winding can be arranged in a common resin block, wherein each winding segment has two laterally led out of the resin led terminals for isolated connection with the power semiconductor switches.
  • each winding segment is arranged in a separate egg separate resin block.
  • the ver different resin blocks of the first winding for example, are arranged one above the other, with appropriate insulation means are provided to provide the necessary dielectric strength between tween the winding segments of the different submodules of the first high-voltage winding.
  • the windings and the core are arranged in a filled with insulating fluid boiler.
  • the insulating fluid provides the necessary dielectric strength and also provides cooling of the windings as well as the core.
  • an insulating fluid is for example an ester fluid or a mi neralisches oil into consideration.
  • insulating gases as insulating fluid enforce. If the insulating fluid is a liquid, the boiler can be made more compact. However, the distances between the components lying at a high-voltage potential during operation and those located at ground potential must be selected to be sufficiently large.
  • the boiler is equipped with at least one DC bushing and at least one AC bushing. tet.
  • a DC bushing is designed as already described above with regard to their isolation and dimensioning for a DC stress.
  • the DC bushing has at least one diverter ring which prevents electrical charging of the outer layer of the DC bushing.
  • the DC bushing is keptstat tet with two derivatives. In the design of DC feedthroughs, in particular, the resistances of the respectively used Ma materials is turned off, while in Kirditionsssel screw stage, the capacity of the materials is in the foreground.
  • the cruzier terschalter are arranged outside the boiler and connected through guides with the winding sections.
  • the imple mentations are again designed as a DC bushings from.
  • the power semiconductor switches are arranged in the boiler. According to this embodiment of the invention, bushings for Ver connection of the winding segments with the power semiconductor switches are avoided.
  • the arrangement of the power semiconductors within the boiler increases the maintenance effort, since access to a possibly defective power semiconductor switch is difficult in the event of a fault.
  • the Wicklun gene, the core and the power semiconductor switches are arranged Kunststoffiso profiled.
  • air serves as insulation and coolant. This reduces costs.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the inventions
  • FIG. 3 shows a power semiconductor switch of the submodule
  • Submodule illustrate schematically.
  • Figure 1 shows an embodiment of a high-voltage winding 1, a device according to the above-mentioned prior art. This figure has already been described in detail above, so that a new representation can be omitted here.
  • Figure 2 shows an embodiment of the device 15 according to the invention, which has a high-voltage winding 16 as the first winding and a lower voltage winding 17 as a second Wick development, wherein the high-voltage winding 16 and the Un terwoodswicklung 17 are inductively coupled together via a core 14 shown schematically.
  • the core 14 is made of a magnetizable material and preferably made of iron sheets, which lie flat against each other, so that the occurrence of eddy currents is suppressed.
  • the core forms a closed magnetic circuit, so that the magnetic fields generated by the high-voltage winding 16 or the lower voltage Wick 17 propagate substantially exclusively in the core 14.
  • the high-voltage winding 16 and the low-voltage winding 17 are arranged concentrically to each other, wherein the core 14 extends with a core leg through the two concentrically arranged windings 16 and 17.
  • the core legs of the various phases are connected via not ge Service te upper and lower yokes with each other.
  • the high-voltage winding 16 is completely subdivided into winding segments 4, 5 and 6.
  • the winding segments 4, 5 and 6 are electrically isolated from each other, wherein the winding segments 4, 5 and 6 are each part of a sub-module 7, 8 and 9.
  • Each submodule 7, 8 and 9 forms a full bridge circuit. The construction of the full bridge circuit is described by way of example on the submodule 9.
  • the sub-module 9 includes the winding segment 6.
  • the winding segment 6, two series-circuit branches 18a and 18b are connected paral lel.
  • two power semiconductor switches 10a and 10b are arranged in the first series circuit branch 18a.
  • the power semiconductor switches 10c and 10d are connected in series.
  • the potential point between the power semiconductor switches 10c and 10d forms a first terminal XI and between the power semiconductor switches 10a and 10b of the first series circuit branch 18a, the second terminal X2.
  • the second connection terminal X2 of the submodule 9 is connected to the non-referenced first connection terminal of the submodule 8, so that the submodules 8 and 9 are connected in series.
  • the high-voltage winding 16 and the low-voltage winding 17 are arranged with the core 14 in a figuratively not dargestell th boiler of the device 15, with a
  • Ester liquid is filled as insulating fluid.
  • the kettle is designed fluid-tight and has a not illustrated Darge expansion tank and a cooling for kuh len of the ester liquid.
  • the device 15 is connected to a direct voltage network which has a positive pole with a positive pole and a negative pole with minus. While the winding segments 4, 5 and 6 are electrically insulated one above the other within the boiler and are concentric with the low-voltage winding 17 angeord net, the power semiconductors 10 are air-insulated except half of the boiler arranged. In this case, the terminal XI of the submodule 9 is connected to the positive pole of Gleichwoodsnet ZES and a terminal of the submodule 7 with the negati tive pole of the DC power grid.
  • the connection of the power semiconductor 10 with the arranged in the boiler winding segments 4, 5 and 6 via figuratively not shown DC feedthroughs, which allow a Hin barn lead the high voltage lines through lying at ground potential boiler walls.
  • the power semiconductor switches 10c and 10b in their passage position, in which a current flow across the power semiconductor switches 10c and 10b is made possible.
  • the power semiconductor switches 10a and 10d are in their blocking state in which a current flow through the said power semiconductor switches 10a and 10d is interrupted.
  • the winding segment 4 is traversed by the current in the same direction. Due to the switching position of the power semiconductor switch 10 of the submodule 8, however, a current flow is generated by the Wick tion segment 5 in the opposite direction. In the position shown in Figure 2, therefore, add the Win tion numbers of the winding segments 6 and 4, whereas the number of turns of the winding segment 5 of the sum of the Win-. tion numbers of the winding segments 6 and 4 must be deducted.
  • FIG. 3 clarifies the power semiconductor switch 10 according to FIG. 2 in more detail.
  • the power semiconductor switch 10 has a so-called IGBT 23, to which a freewheeling diode 24 is connected in parallel in opposite directions.
  • IGBT 23 and freewheeling diode 24 tergetude are arranged in a common scarf, not shown.
  • the structure of such an IGBT 23 with oppositely connected in parallel freewheeling diode 24 is in principle known.
  • the power semiconductors 10 are both switched on and switched off. Switchable power semiconductor switches are IGBTs, IGCTs, GTOs or the like.
  • FIG. 4 once again illustrates the submodule 9 according to FIG. 2, the power semiconductor switches being shown explicitly as IGBTs with a countervailing freewheeling diode.
  • the connection terminals XI and X2 are also illustrated, to which was omitted verzich in Figure 2 for reasons of clarity.
  • the winding segments 4, 5, 6 of the submodules 7, 8 and 9 are in the ratio 1: 3: 9.
  • the winding segment 6 of the submodule 9 has l * n windings.
  • the Winding segment 5 of the submodule 8 has 3 * n turns and the winding segment 4 of the submodule 7 9 * n Windun conditions. These windings can now all together with the same Ansteue connected together with the same winding direction in series, so that the high-voltage winding 16 a maximum Winding number of 13 * n turns.
  • the number of turns is changed according to the invention continuously in milliseconds or even microseconds.
  • the DC current is switched on and off, whereby a so-called pulse width modulation is used.
  • This purpose is served by a control unit, not shown, which is also part of the device 1.
  • By this switching is the input side, so chopped at the high-voltage winding 16 anlie ing DC voltage.
  • This provides a Flußände tion in the core, which in turn generates the desired AC voltage in the lower voltage winding 17.
  • One of the ends of the low-voltage winding is connected via an on-circuit line, not shown, to an AC feedthrough which has an outdoor contactable external connection for connection to a phase of the alternating voltage network.

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Abstract

Apparatus for converting an electrical DC voltage into an AC voltage. In order to provide an apparatus (15) for generating an AC voltage, having a first winding (16) which has winding segments (4, 5, 6) electrically insulated from one another, a second winding (17) which is inductively coupled to the first winding (16) via a magnetizable core (14), and two-pole submodules (7, 8, 9) which are connected in series with one another, wherein each submodule (7, 8, 9) forms, with one winding segment (4, 5, 6) in each case and power semiconductor switches (10), a bridge circuit which can be connected to a DC voltage connection, it is proposed that the first winding (16) is completely subdivided into winding segments (4, 5, 6) which are insulated from one another, wherein each winding element (4, 5, 6) is part of a two-pole submodule (7, 8, 9) and forms a bridge circuit with the power semiconductor switches (10).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung zum Umwandeln einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung Device for converting a direct electrical voltage into an alternating voltage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Wechselspannung mit einer ersten Wicklung, die elektrisch voneinander trennbare Wicklungssegmente aufweist, einer zwei ten Wicklung, die über einen magnetisierbaren Kern induktiv mit der ersten Wicklung gekoppelt ist, und in Reihe zueinan der geschalteten zweipoligen Submodulen, wobei jedes Submodul mit jeweils einem Wicklungssegment und Leistungshalbleiter schaltern eine Brückenschaltung ausbildet. The invention relates to a device for generating an alternating voltage having a first winding having electrically separable winding segments, a two-th winding, which is inductively coupled via a magnetizable core to the first winding, and in series zueinan the switched bipolar submodules, each Submodule, each with a winding segment and power semiconductor switches forming a bridge circuit.
Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2012/079666 A2 bereits bekannt. Dort ist ein Transformator beschrieben, der eine Un terspannungswicklung und eine Oberspannungswicklung aufweist, die über einen Kern induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Oberspannungswicklung besteht aus einer Stammwicklung und ei ner Regelungswicklung, wobei die Regelungswicklung aus Wick lungssegmenten zusammengesetzt ist, die jeweils Teil eines zweipoligen Submoduls sind. Jedes Submodul verfügt über Leis tungshalbleiterschalter, die mit dem jeweiligen Wicklungsseg ment eine Vollbrückenschaltung ausbilden. Die Submodule sind zweipolig ausgeführt und in einer Reihenschaltung angeordnet. Such a device is already known from WO 2012/079666 A2. There, a transformer is described, which has a Un terspannungswicklung and a high-voltage winding, which are inductively coupled together via a core. The high-voltage winding consists of a main winding and egg ner control winding, wherein the control winding is composed of Wick lungssegmenten, each of which is part of a two-pole submodule. Each submodule has power semiconductor switches which form a full bridge circuit with the respective winding segment. The submodules are bipolar and arranged in a series connection.
Figur 1 verdeutlicht schematisch eine beispielhafte Oberspan nungswicklung 1 der vorbekannten Vorrichtung. Wie ausgeführt wurde, besteht die Oberspannungswicklung aus einer Stammwick lung 2 sowie aus einer Regelungswicklung 3, die aus drei Wicklungssegmenten 4, 5 und 6 zusammengesetzt ist. Die Wick lungssegmente 4, 5 und 6 sind jeweils Teil eines zweipoligen Submoduls 7, 8 bzw. 9, wobei jedes Submodul 7, 8 und 9 neben dem besagten Wicklungssegment 4, 5 bzw. 6 Leistungshalblei terschalter 10 aufweist, die jeweils aus mindestens zwei ge gensinnig parallel geschalteten Thyristoren 11 bestehen. Da rüber hinaus weißt jeder Leistungshalbleiterschalter 10 eine Schutzbeschaltung (engl, snubber) auf, die aus einem figür- lieh nicht dargestellten Symmetrierungswiderstand, einem Dämpfungskondensator 12 sowie einem Dämpfungswiderstand 13 besteht. Jedes der Submodule 7, 8 und 9 bildet eine Vollbrü ckenschaltung aus, die über zwei Reihenschaltungszweige ver fügt, in denen jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter 10 in Reihe zueinander geschaltet sind. Jeder Reihenschaltungszweig ist dem jeweiligen Wicklungssegment 4, 5 oder 6 des Submoduls parallel geschaltet. Der Potenzialpunkt zwischen zwei Leis tungshalbleiterschaltern 10 des ersten Reihenschaltungszwei ges des ersten Submoduls 7 ist mit dem oberen Ende der Stamm wicklung 2 verbunden. Der Potenzialpunkt zwischen den Halb leiterschaltern 10 des zweiten Reihenschaltungszweigs des Submoduls 7 ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leitungs halbleiterschaltern 10 des ersten Reihenschaltungszweigs des zweiten Submoduls 8 verbunden. Auf diese Art und Weise bilden die Submodule eine Reihenschaltung aus. Je nach Ansteuerung der Thyristoren 11 der Leistungshalbleiterschalter 10 kann nun das jeweilige Wicklungssegment 4, 5 oder 6 der Stammwick lung mit gleicher Wicklungsrichtung hinzu geschaltet werden. Aufgrund der Vollbrückenschaltung ist es jedoch auch möglich, das jeweilige Wicklungssegment 4, 5 oder 6 mit entgegenge setzter Wicklungsrichtung in Reihe zur Stammwicklung zu schalten oder aus der Reihenschaltung durch einen Bypass her aus zu schalten. Dabei weisen die Wicklungssegmente 4, 5 und 6 unterschiedliche Windungszahlen auf. Die Anzahl der induk tiv wirksamen Windungszahlen der Oberspannungswicklung 1 kann daher durch entsprechendes Ansteuern der Leistungshalbleiter schalter 10 nach Wunsch variiert werden. Dies ermöglicht wie derum eine Regelung der Ausgangsspannung des Transformators, die von dem Verhältnis der Windungszahlen von Ober- und Un terspannungswicklung abhängig ist. Figure 1 illustrates schematically an exemplary Oberspan voltage winding 1 of the prior art device. As has been stated, the high-voltage winding consists of a Stammwick ment 2 and a control winding 3, which is composed of three winding segments 4, 5 and 6. The Wick tion segments 4, 5 and 6 are each part of a two-pole submodule 7, 8 and 9, wherein each submodule 7, 8 and 9 in addition to the said winding segment 4, 5 and 6 Leistungshalblei terschalter 10, each of at least two ge genuinely parallel thyristors 11 exist. In addition, each power semiconductor switch 10 has a snubber circuit consisting of a figurative lent not shown Symmetrierungswiderstand, a damping capacitor 12 and a damping resistor 13 is made. Each of the submodules 7, 8 and 9 forms a full bridge circuit which adds two series circuit branches, in each of which two power semiconductor switches 10 are connected in series. Each series circuit branch is connected in parallel to the respective winding segment 4, 5 or 6 of the submodule. The potential point between two power semiconductor switches 10 of the first series connection circuit 2 of the first submodule 7 is connected to the upper end of the trunk winding 2. The potential point between the semiconductor switches 10 of the second series circuit branch of the submodule 7 is connected to the potential point between the line semiconductor switches 10 of the first series circuit branch of the second submodule 8. In this way, the submodules form a series circuit. Depending on the control of the thyristors 11 of the power semiconductor switch 10, the respective winding segment 4, 5 or 6 of the Stammwick development can now be switched with the same direction of winding. Due to the full bridge circuit, however, it is also possible to switch the respective winding segment 4, 5 or 6 with entgegenge set winding direction in series to the main winding or to switch from the series circuit through a bypass forth. In this case, the winding segments 4, 5 and 6 have different numbers of turns. The number of inductively tively effective number of turns of the high-voltage winding 1 can therefore be varied by appropriate activation of the power semiconductor switch 10 as desired. This in turn allows regulation of the output voltage of the transformer, which is dependent on the ratio of the number of turns of the upper and lower voltage winding.
Ein weiterer Laststufenschalter aus Halbleiterschalterelemen ten ist aus der WO 2014/127932 bekannt. Another on-load tap changer of Halbleiterschalterelemen th is known from WO 2014/127932.
Im Rahmen der Energiewende kommt es immer öfter zum Einsatz der so genannten Hochspannungsgleichstromübertragung. Die Hochspannungsgleichstromübertragung weist gegenüber der Elektroenergieübertragung mit Hilfe von Wechselspannung den Vorteil auf, dass Übertragungsverluste deutlich reduziert sind. Dies trifft insbesondere für Seekabel zu, die für die Anbindung seeseitig aufgestellter Windparks an ein weiter landseitiges Energieversorgungsnetz eingesetzt werden. As part of the energy transition, the so-called high-voltage direct-current transmission is being used more and more frequently. The high-voltage direct current transmission has opposite to Electric power transmission using AC voltage on the advantage that transmission losses are significantly reduced. This applies in particular to submarine cables, which are used to connect offshore wind farms to a further shore-side energy supply network.
Der eingangs genannten Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass diese eingangsseitig ausschließlich an Wechselspannungs netze anschließbar ist. The above-mentioned device has the disadvantage that this input side is exclusively connected to alternating voltage networks.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art zu schaffen, die auch an Gleichspannungs verbindungen angeschlossen werden kann. The object of the invention is therefore to provide a device of the initially mentioned type, which can also be connected to DC voltage connections.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die erste Wicklung vollständig in voneinander isolierte Wicklungsseg mente unterteilt ist, wobei jedes Wicklungselement Teil eines zweipoligen Submoduls ist und mit den Leistungshalbleiter schaltern eine Brückenschaltung ausbildet. The invention solves this problem in that the first winding is completely divided into mutually insulated Wicklungsseg elements, each winding element is part of a two-pole submodule and switches with the power semiconductor switches forms a bridge circuit.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die in duktiv miteinander gekoppelte Wicklungen aufweist. Wenigstens eine der Wicklungen ist vollständig in Wicklungssegmente un terteilt, wobei jedes Wicklungssegment Teil eines zweipoligen Submoduls ist. Die Submodule der besagten Wicklung sind mit einander in Reihe geschaltet. Aufgrund der Brückenschaltung ist es möglich, das jedes Wicklungssegment kurzzeitig mit der Gleichspannung zu verbinden und anschließend wieder zu tren nen, so dass jedes Wicklungssegment von einem sich ändernden Strom durchflossen wird. Dies führt zu einem sich ändernden magnetischen Fluss im Kern und einer induktiven Kopplung mit der zweiten Wicklung der Vorrichtung, in der eine Wechsel spannung induziert wird. Diese induzierte Wechselspannung kann durch eine gewünschte Ansteuerung der Leistungshalblei terschalter festgelegt werden. According to the invention, a device is provided which has inductively coupled windings. At least one of the windings is completely divided into winding segments and each winding segment is part of a two-pole submodule. The submodules of said winding are connected in series with each other. Due to the bridge circuit, it is possible to briefly connect each winding segment with the DC voltage and then to nen again, so that each winding segment is traversed by a changing current. This results in a changing magnetic flux in the core and an inductive coupling with the second winding of the device, in which an AC voltage is induced. This induced AC voltage can be set terschalter by a desired control of the Leistungshalblei.
Die Wicklungssegmente sind voneinander trennbar. Damit ist implizit gemeint, dass alle Wicklungssegmente von einander elektrisch isoliert am Kern angeordnet sind, so dass der Stromfluss über ein bestimmtes Wicklungssegment unabhängig vom Stromfluss über alle anderen Wicklungssegmente festgelegt werden kann. Jedes Wicklungssegment kann daher durch die Brü ckenschalten in Reihe zu den anderen Wicklungssegmenten ge schaltet oder aber überbrückt werden. Dazu verfügt jedes Wicklungssegment über zwei Zuleitungen, über welche das je weilige Wicklungssegment mit den Leistungshalbleiterschaltern seines Submoduls verbunden ist. The winding segments are separable from each other. This implicitly means that all winding segments of each other are arranged electrically isolated on the core, so that the current flow over a particular winding segment can be determined regardless of the current flow over all other winding segments. Each winding segment can therefore be switched by bridging in series with the other winding segments or bridged. For this purpose, each winding segment has two supply lines, via which the per spective winding segment is connected to the power semiconductor switches of its submodule.
Aufgrund der vollständigen Unterteilung wenigstens einer der Wicklungen und bevorzugt der Oberspannungswicklung in Wick lungssegmente und das Einbetten der besagten Wicklungselemen te in eine Brückenschaltung, kann der Gleichstrom zerhackt werden, so dass ausgangsseitig eine gewünschte Wechselspan nung erzeugbar ist. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung an ein Wechselspannungsnetz anzuschließen, dazu müssen jedoch antiseriell geschaltete IGBT-Paare eingesetzt werden, um bei de Halbwellen verarbeiten zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in dieser Schaltung universell einsetzbar. Due to the complete subdivision of at least one of the windings and preferably the high-voltage winding in Wick tion segments and the embedding of said Wicklungselemen te in a bridge circuit, the direct current can be chopped, so that the output side a desired AC clamping voltage can be generated. Of course, it is within the scope of the invention also possible to connect the device according to the invention to an AC voltage network, but this antiserial switched IGBT pairs must be used to process at de half-waves can. The device according to the invention can be used universally in this circuit.
Vorteilhafterweise ist die Brückenschaltung eine Vollbrücken schaltung. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung verfügt jedes Submodul über einen ersten Reihen schaltungszweig und einen zweiten Reihenschaltungszeig, die dem jeweiligen Wicklungssegment des Submoduls jeweils paral lel geschaltet sind. Jeder Reihenschaltungszweig weist eine Reihenschaltung aus mindestens zwei Leistungshalbleiterschal tern auf, wobei der Potenzialpunkt zwischen den Leistungs halbleiterschaltern des ersten Reihenschaltungszweigs mit ei ner ersten Anschlussklemme des Submoduls und der Potenzial punkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern des zweiten Reihenschaltungszweigs mit der zweiten Anschlussklemme des Submoduls verbunden ist. Die in Reihe geschalteten Submodule sind über ihre Anschlussklemmen verbunden. Mit anderen Worten ist die erste Anschlussklemme des einen Submoduls mit der zweiten Anschlussklemme eines anderen Submoduls verbunden. Der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern des ersten Reihenschaltungszweiges liegt auf dem gleichen Po tenzial, wie der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalb leiterschaltern des zweiten Reihenschaltungszweigs des ange schlossenen Submoduls. Aufgrund der Vollbrückenschaltung, die auch als H-Brückenschaltung bezeichnet wird, ist es möglich, den Strom in beiden Richtungen über das jeweilige Wicklungs segment zu führen. Im Rahmen dieser Weiterentwicklung der Er findung können somit die Wicklungssegmente der Submodule mit gleicher oder entgegengesetzter Wicklungsrichtung in Reihe geschaltet werden oder durch einen Bypass aus der Reihen schaltung weggeschaltet werden. Die Windungszahlen der mit gleicher Wicklungsrichtung in Reihe geschalteten Wicklungs segmente können daher bei der Berechnung des Windungsverhält nisses der Wicklungen aufaddiert werden. Die Wirkung von Wicklungssegmenten, die mit entgegengesetzter Wicklungsrich tung in Reihe geschaltet werden heben sich hingegen auf, so dass die Windungszahlen dieser Wicklungssegmente voneinander abgezogen werden müssen, um die induktive Wirkung der ersten Wicklung rechnerisch zu erfassen. Advantageously, the bridge circuit is a full bridge circuit. According to this advantageous further development of the invention, each submodule has a first series circuit branch and a second series circuit display, which are each connected in parallel to the respective winding segment of the submodule. Each series circuit branch has a series connection of at least two power semiconductor scarf diesters, wherein the potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit branch with egg ner first terminal of the submodule and the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit branch is connected to the second terminal of the submodule. The series-connected submodules are connected via their terminals. In other words, the first terminal of the one submodule is connected to the second terminal of another submodule. The potential point between the power semiconductor switches of the first series circuit branch is at the same potential as the potential point between the power semiconductor switches of the second series circuit branch of the connected submodule. Due to the full bridge circuit, which is also referred to as H-bridge circuit, it is possible to carry the current in both directions over the respective winding segment. In the context of this further development of the invention, the winding segments of the submodules can thus be connected in series with the same or opposite winding direction or be switched off by a bypass of the series circuit. The numbers of turns of winding segments connected in series with the same winding direction can therefore be added in the calculation of the winding ratio of the windings. The effect of winding segments, which are connected in series with opposite Wicklungsrich tion cancel, however, so that the number of turns of these winding segments must be subtracted from each other to detect the inductive effect of the first winding by calculation.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungssegmente von Submodul zu Submodul unterschiedlich. Dies ermöglicht die gewünschte Anzahl der aktiven Windungen der ersten Wicklung über einen großen Bereich hinweg kontinu ierlich zu variieren. According to a preferred embodiment of the invention, the winding segments are different from submodule to submodule. This allows the desired number of active turns of the first winding to be continuously varied over a wide range.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stehen die Windungszahlen von n Wicklungssegmenten zueinander in ei nem Verhältnis von 1 : 3 : 9 : : 3n . Weist beispielsweise das Wick lungssegment des ersten Submoduls zwei Windungen auf, so ver fügt das Wicklungssegment des zweiten Submoduls über sechs Windungen, während das Wicklungssegment des dritten Submoduls über 18 Windungen und das Wicklungssegment des vierten Submo duls über 54 Windungen verfügt. Diese können nun alle mitei nander aufaddiert werden oder aber auch voneinander abgezogen werden, so dass in Summe die gewünschte Windungszahl mit ge wünschter Wicklungsrichtung in Reihe geschaltet ist. Bevorzugt sind die erste Wicklung oder die zweite Wicklung oder die erste und die zweite Wicklung als Hochspannungswick lungen ausgeführt. Mit anderen Worten sind die Wicklungen spannungsfest ausgebildet, so dass diese an ein Hochspan nungsnetz oder eine Hochspannungsverbindung angeschlossen werden können. Mit dem Begriff Hochspannung ist gemeint, dass die Wicklungen mit Gleich- oder Wechselspannungen von über 1 kV bis hin zu 1 200 kV betrieben werden können. Der Bereich von 1 kV bis 50 kV Wechselspannung wird auch als Mittelspan nungsbereich bezeichnet. Im Mittelspannungsbereich kommen be vorzugt sogenannte Verteiltransformatoren zum Einsatz. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch als Leistungs transformator ausgeführt sein, der mit einer Wechselspannung über 50 kV betrieben wird. Eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung liegt beispielsweise im Bereich von ± 1 kV bis ±800 kV. Aber auch kleinere Eingangsspannungen unterhalb von ±1 kV sind im Rahmen der Erfindung möglich. According to a preferred embodiment of the invention, the number of turns of n winding segments to each other in egg nem ratio of 1: 3: 9:: 3 n . If, for example, the winding segment of the first submodule has two turns, then the winding segment of the second submodule has six turns, while the winding segment of the third submodule has over 18 turns and the winding segment of the fourth submodule has 54 turns. These can now be added together with each other or else subtracted from each other, so that in sum the desired number of turns with ge wished winding direction is connected in series. Preferably, the first winding or the second winding or the first and the second winding are designed as high-voltage windings. In other words, the windings are designed to be resistant to voltage so that they can be connected to a high-voltage network or a high-voltage connection. By the term high voltage is meant that the windings can be operated with DC or AC voltages of more than 1 kV up to 1 200 kV. The range of 1 kV to 50 kV AC is also referred to as medium voltage range. In the medium-voltage range, so-called distribution transformers are preferably used. However, the device according to the invention can also be designed as a power transformer, which is operated with an AC voltage above 50 kV. A DC voltage present on the input side is, for example, in the range of ± 1 kV to ± 800 kV. But smaller input voltages below ± 1 kV are possible within the scope of the invention.
Bevorzugt ist die erste Wicklung mit einer für Gleichspannung ausgelegten Isolierung ausgerüstet. Im Gegensatz zum Stand der Technik, kann die erste Wicklung an ein Gleichspannungs netz oder an eine Gleichspannungsverbindung angeschlossen werden. Die Isolierung der Wicklung, also beispielsweise die Abstandshalter der Wicklungsleiter, deren Außenisolierung, ggf. vorhandene Barrieresysteme oder dergleichen, müssen da her gleichspannungsfest ausgelegt sein. Dies macht einen er höhten Isolierungsaufwand erforderlich. Preferably, the first winding is equipped with a designed for DC voltage insulation. In contrast to the prior art, the first winding can be connected to a DC voltage or to a DC voltage connection. The insulation of the winding, so for example, the spacers of the winding conductors, their outer insulation, possibly existing barrier systems or the like, must be designed since DC voltage. This makes a he heightened insulation required.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind die Wicklungen in einem festen Isolierstoff eingebettet. Der feste Isolierstoff ist beispielsweise ein zweckmäßiger Harz, beispielsweise Epoxid-Harz. Solche Transformatoren wer den auch als Trockentransformatoren bezeichnet. Zu dessen Herstellung werden die Wicklungen mit flüssigem Harz vergos sen. Nach Aushärten des Harzes ist die Wicklung vollständig in einem Festkörper eingebettet. Aufgrund der eingeschränkten Kühlung ist ein solcher Trockentransformator jedoch nur für Verteiltransformatoren sinnvoll einsetzbar. Nach dem Vergie ßen der Wicklungen und dem Aushärten des Harzes werden die Wicklungen auf einen Kernschenkel aufgesetzt, wobei sich der Kernschenkel in der Regel durch den hohlzylindrischen Innen raum der Wicklung erstreckt. Dabei ist die erste Wicklung be vorzugt konzentrisch zur zweiten Wicklung angeordnet, die den gleichen Kernabschnitt umschließt. According to an advantageous development of the invention, the windings are embedded in a solid insulating material. The solid insulating material is, for example, a suitable resin, for example, epoxy resin. Such transformers who also referred to as dry-type transformers. For its production, the windings are vergos with liquid resin. After curing of the resin, the winding is completely embedded in a solid. Due to the limited cooling, however, such a dry-type transformer is only for Distribution transformers can be used effectively. After Vergie ßen the windings and the curing of the resin, the windings are placed on a core leg, wherein the core leg usually extends through the hollow cylindrical inner space of the winding. In this case, the first winding is preferably arranged concentrically to the second winding, which encloses the same core section.
Erfindungsgemäß können die Wicklungssegmente der ersten Wick lung in einem gemeinsamen Harzblock angeordnet sein, wobei jedes Wicklungssegment zwei seitlich aus dem Harz herausge führte Anschlüsse zur isolierten Verbindung mit den Leis tungshalbleiterschaltern aufweist. Abweichend davon ist es jedoch auch möglich, dass jedes Wicklungssegment in einem ei genen separaten Harzblock angeordnet ist. Dabei sind die ver schiedenen Harzblöcke der ersten Wicklung beispielsweise übereinander angeordnet, wobei zweckmäßige Isolationsmittel vorgesehen sind, um die notwendige Spannungsfestigkeit zwi schen den Wicklungssegmenten der unterschiedlichen Submodule der ersten Hochspannungswicklung bereitzustellen. According to the invention, the winding segments of the first winding can be arranged in a common resin block, wherein each winding segment has two laterally led out of the resin led terminals for isolated connection with the power semiconductor switches. Deviating from this, however, it is also possible that each winding segment is arranged in a separate egg separate resin block. The ver different resin blocks of the first winding, for example, are arranged one above the other, with appropriate insulation means are provided to provide the necessary dielectric strength between tween the winding segments of the different submodules of the first high-voltage winding.
Bei einer hiervon abweichenden Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungen und der Kern in einem mit Isolierfluid befüllten Kessel angeordnet. Das Isolierfluid stellt die not wendige Spannungsfestigkeit bereit und sorgt darüber hinaus für die Kühlung der Wicklungen sowie des Kerns. Als Isolier fluid kommt beispielsweise eine Esterflüssigkeit oder ein mi neralisches Öl in Betracht. Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung auch möglich Isoliergase als Isolierfluid ein zusetzen. Ist das Isolierfluid eine Flüssigkeit, kann der Kessel kompakter ausgeführt sein. Die Abstände zwischen den beim Betrieb auf einem Hochspannungspotenzial liegenden Bau teilen und dem Erdpotenzial liegenden Kessel müssen jedoch ausreichend groß gewählt werden. In a deviating embodiment of the invention, the windings and the core are arranged in a filled with insulating fluid boiler. The insulating fluid provides the necessary dielectric strength and also provides cooling of the windings as well as the core. As an insulating fluid is for example an ester fluid or a mi neralisches oil into consideration. Of course, in the context of the invention also possible insulating gases as insulating fluid enforce. If the insulating fluid is a liquid, the boiler can be made more compact. However, the distances between the components lying at a high-voltage potential during operation and those located at ground potential must be selected to be sufficiently large.
Mit seiner diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ist der Kessel mit wenigstens einer Gleichspannungsdurchführung und wenigstens einer Wechselspannungsdurchführung ausgerüs- tet. Eine Gleichspannungsdurchführung ist wie bereits zuvor ausgeführt hinsichtlich ihrer Isolierung und Dimensionierung für eine Gleichspannungsbeanspruchung ausgelegt. Bevorzugt verfügt die Gleichspannungsdurchführung über wenigstens einen Ableitring der ein elektrisches Aufladen der Außenschicht der Gleichspannungsdurchführung verhindert. Bevorzugt ist die Gleichspannungsdurchführung mit zwei Ableitungen ausgestat tet. Bei der Auslegung von Gleichspannungsdurchführungen wird insbesondere auf die Widerstände der jeweils eingesetzten Ma terialien abgestellt, während bei Wechselspannungsdurchfüh rungen die Kapazität der Materialien im Vordergrund steht. With its expedient development in this regard, the boiler is equipped with at least one DC bushing and at least one AC bushing. tet. A DC bushing is designed as already described above with regard to their isolation and dimensioning for a DC stress. Preferably, the DC bushing has at least one diverter ring which prevents electrical charging of the outer layer of the DC bushing. Preferably, the DC bushing is ausgestat tet with two derivatives. In the design of DC feedthroughs, in particular, the resistances of the respectively used Ma materials is turned off, while in Wechselspannungsdurchfüh ments, the capacity of the materials is in the foreground.
Gemäß einer Variante der Erfindung sind die Leistungshalblei terschalter außerhalb des Kessels angeordnet und über Durch führungen mit den Wicklungsabschnitten verbunden. Die Durch führungen sind wieder als Gleichspannungsdurchführungen aus gestaltet. Bei einer hiervon abweichenden Variante sind die Leistungshalbleiterschalter in dem Kessel angeordnet. Gemäß dieser Ausführung der Erfindung sind Durchführungen zur Ver bindung der Wicklungssegmente mit den Leistungshalbleiter schaltern vermieden. Die Anordnung der Leistungshalbleiter innerhalb des Kessels erhöht jedoch den Wartungsaufwand, da im Fehlerfall der Zugang zu einem möglicherweise defekten Leistungshalbleiterschalter erschwert ist. According to a variant of the invention, the Leistungshalblei terschalter are arranged outside the boiler and connected through guides with the winding sections. The imple mentations are again designed as a DC bushings from. In a variant deviating from this, the power semiconductor switches are arranged in the boiler. According to this embodiment of the invention, bushings for Ver connection of the winding segments with the power semiconductor switches are avoided. The arrangement of the power semiconductors within the boiler, however, increases the maintenance effort, since access to a possibly defective power semiconductor switch is difficult in the event of a fault.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung sind die Wicklun gen, der Kern und die Leistungshalbleiterschalter luftiso liert angeordnet sind. Mit anderen Worten dient hier Luft als Isolations- und Kühlmittel. Hierdurch werden Kosten redu ziert . In a further variant of the invention, the Wicklun gene, the core and the power semiconductor switches are arranged luftiso profiled. In other words, here air serves as insulation and coolant. This reduces costs.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Bauteile verweisen und wobei Figur 1 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung, Further expedient embodiments and advantages of the inven tion are the subject of the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing, wherein like reference numerals refer to like-acting components and wherein 1 shows a device according to the prior art in a schematic representation,
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin Figure 2 shows another embodiment of the inventions
dungsgemäßen Vorrichtung,  device according to the invention,
Figur 3 einen Leistungshalbleiterschalter der Submodu- le und FIG. 3 shows a power semiconductor switch of the submodule and FIG
Figur 4 ein als Vollbrückenschaltung ausgestaltetes Figure 4 designed as a full bridge circuit
Submodul schematisch verdeutlichen.  Submodule illustrate schematically.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Oberspannungs wicklung 1, einer Vorrichtung gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik. Diese Figur wurde bereits weiter oben aus führlich beschrieben, so dass eine erneute Darstellung hier entfallen kann. Figure 1 shows an embodiment of a high-voltage winding 1, a device according to the above-mentioned prior art. This figure has already been described in detail above, so that a new representation can be omitted here.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 15, die eine Oberspannungswicklung 16 als erste Wicklung und eine Unterspannungswicklung 17 als zweite Wick lung aufweist, wobei die Oberspannungswicklung 16 und die Un terspannungswicklung 17 über einen schematisch dargestellten Kern 14 induktiv miteinander gekoppelt sind. Der Kern 14 be steht aus einem magnetisierbaren Material und bevorzugt aus Eisenblechen, die flächig aneinander anliegen, so dass das Auftreten von Wirbelströmen unterdrückt ist. Dabei bildet der Kern einen geschlossenen Magnetkreis aus, so dass sich die von der Oberspannungswicklung 16 oder der Unterspannungswick lung 17 erzeugten Magnetfelder im Wesentlichen ausschließlich im Kern 14 ausbreiten. Figure 2 shows an embodiment of the device 15 according to the invention, which has a high-voltage winding 16 as the first winding and a lower voltage winding 17 as a second Wick development, wherein the high-voltage winding 16 and the Un terspannungswicklung 17 are inductively coupled together via a core 14 shown schematically. The core 14 is made of a magnetizable material and preferably made of iron sheets, which lie flat against each other, so that the occurrence of eddy currents is suppressed. In this case, the core forms a closed magnetic circuit, so that the magnetic fields generated by the high-voltage winding 16 or the lower voltage Wick 17 propagate substantially exclusively in the core 14.
In Figur 2 sind lediglich die Bauteile für eine Phase des ausgangseitig anschließbaren dreiphasigen Wechselspannungs netzes gezeigt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 15 für jede Phase des angeschlossenen Wechselspannungsnetzes einen identischen Auf bau aufweist. Aus Gründen der Übersicht wird in Figur 2 der Aufbau für lediglich eine Phase gezeigt. Die einphasige Aus führung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ebenfalls mög lich. In Figure 2, only the components for a phase of the output side connectable three-phase AC voltage network are shown. It should be noted at this point that the device 15 according to the invention for each phase of the connected AC voltage network has an identical construction on. For reasons of clarity, in FIG Construction shown for only one phase. The single-phase imple mentation of the device according to the invention is also possible, please include.
Die Oberspannungswicklung 16 und die Unterspannungswicklung 17 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei sich der Kern 14 mit einem Kernschenkel durch die beiden konzentrisch zueinander angeordneten Wicklungen 16 und 17 erstreckt. Die Kernschenkel der verschiedenen Phasen sind über nicht gezeig te obere und untere Joche miteinander verbunden. The high-voltage winding 16 and the low-voltage winding 17 are arranged concentrically to each other, wherein the core 14 extends with a core leg through the two concentrically arranged windings 16 and 17. The core legs of the various phases are connected via not gezeig te upper and lower yokes with each other.
In Figur 2 ist erkennbar, dass die Oberspannungswicklung 16 vollständig in Wicklungssegmente 4, 5 und 6 unterteilt ist. Die Wicklungssegmente 4, 5 und 6 sind elektrisch voneinander isoliert, wobei die Wicklungssegmente 4, 5 und 6 jeweils Teil eines Submoduls 7, 8 und 9 sind. Jedes Submodul 7, 8 und 9 bildet eine Vollbrückenschaltung aus. Der Aufbau der Vollbrü ckenschaltung sei beispielhaft an dem Submodul 9 beschrieben. It can be seen in FIG. 2 that the high-voltage winding 16 is completely subdivided into winding segments 4, 5 and 6. The winding segments 4, 5 and 6 are electrically isolated from each other, wherein the winding segments 4, 5 and 6 are each part of a sub-module 7, 8 and 9. Each submodule 7, 8 and 9 forms a full bridge circuit. The construction of the full bridge circuit is described by way of example on the submodule 9.
Das Submodul 9 umfasst das Wicklungssegment 6. Dem Wicklungs segment 6 sind zwei Reihenschaltungszweige 18a und 18b paral lel geschaltet. In dem ersten Reihenschaltungszweig 18a sind zwei Leistungshalbleiterschalter 10a und 10b angeordnet. Im zweiten Reihenschaltungszweig 18b sind die Leistungshalblei terschalter 10c und lOd in Reihe geschaltet. Der Potenzial punkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 10c und lOd bildet eine erste Anschlussklemme XI und zwischen den Leis tungshalbleiterschaltern 10a und 10b des ersten Reihenschal tungszweiges 18a die zweite Anschlussklemme X2 aus. Dabei ist die zweite Anschlussklemme X2 des Submoduls 9 mit der nicht referenzierten ersten Anschlussklemme des Submoduls 8 verbun den, so dass die Submodule 8 und 9 in Reihe geschaltet sind. Entsprechendes gilt für das Submodul 7. The sub-module 9 includes the winding segment 6. The winding segment 6, two series-circuit branches 18a and 18b are connected paral lel. In the first series circuit branch 18a, two power semiconductor switches 10a and 10b are arranged. In the second series circuit branch 18b, the power semiconductor switches 10c and 10d are connected in series. The potential point between the power semiconductor switches 10c and 10d forms a first terminal XI and between the power semiconductor switches 10a and 10b of the first series circuit branch 18a, the second terminal X2. In this case, the second connection terminal X2 of the submodule 9 is connected to the non-referenced first connection terminal of the submodule 8, so that the submodules 8 and 9 are connected in series. The same applies to the submodule 7.
Die Oberspannungswicklung 16 und die Unterspannungswicklung 17 sind mit dem Kern 14 in einem figürlich nicht dargestell ten Kessel der Vorrichtung 15 angeordnet, der mit einer The high-voltage winding 16 and the low-voltage winding 17 are arranged with the core 14 in a figuratively not dargestell th boiler of the device 15, with a
Esterflüssigkeit als Isolierfluid befüllt ist. Der Kessel ist fluiddicht ausgeführt und verfügt über einen nicht darge stellten Ausgleichsbehälter sowie über eine Kühlung zum Küh len der Esterflüssigkeit. Ester liquid is filled as insulating fluid. The kettle is designed fluid-tight and has a not illustrated Darge expansion tank and a cooling for Küh len of the ester liquid.
Die Vorrichtung 15 ist in dem in Figur 2 gezeigten Fall an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen, das über einen positi ven mit Plus bezeichneten Pol sowie über einen negativen mit Minus bezeichneten Pol verfügt. Während die Wicklungssegmente 4, 5 und 6 innerhalb des Kessels übereinander elektrisch iso liert und konzentrisch zur Unterspannungswicklung 17 angeord net sind, sind die Leistungshalbleiter 10 luftisoliert außer halb des Kessels angeordnet. Dabei ist die Anschlussklemme XI des Submoduls 9 mit dem positiven Pol des Gleichspannungsnet zes und eine Anschlussklemme des Submoduls 7 mit dem negati ven Pol des Gleichspannungsnetzes verbunden. Die Verbindung der Leistungshalbleiter 10 mit den im Kessel angeordneten Wicklungssegmenten 4, 5 und 6 erfolgt über figürlich nicht dargestellte Gleichspannungsdurchführungen, die ein Hindurch führen der Hochspannungsleitungen durch die auf Erdpotenzial liegenden Kesselwände ermöglichen. In the case shown in FIG. 2, the device 15 is connected to a direct voltage network which has a positive pole with a positive pole and a negative pole with minus. While the winding segments 4, 5 and 6 are electrically insulated one above the other within the boiler and are concentric with the low-voltage winding 17 angeord net, the power semiconductors 10 are air-insulated except half of the boiler arranged. In this case, the terminal XI of the submodule 9 is connected to the positive pole of Gleichspannungsnet ZES and a terminal of the submodule 7 with the negati tive pole of the DC power grid. The connection of the power semiconductor 10 with the arranged in the boiler winding segments 4, 5 and 6 via figuratively not shown DC feedthroughs, which allow a Hindurch lead the high voltage lines through lying at ground potential boiler walls.
In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Leistungshalbleiterschalter 10c und 10b in ihrer Durchlass stellung, in welcher ein Stromfluss über die Leistungshalb leiterschalter 10c und 10b ermöglicht ist. Die Leistungshalb leiterschalter 10a und lOd sind hingegen in ihrer Sperrstei lung, in welcher ein Stromfluss über die besagten Leistungs halbleiterschalter 10a und lOd unterbrochen ist. In der ge zeigten Schaltstellung der Leistungshalbleiterschalter 10 ist somit ein Stromfluss über das Wicklungssegment 6 in der durch den Pfeil gezeigten Richtung möglich. Das Wicklungssegment 4 wird in der gleichen Richtung vom Strom durchflossen. Auf grund der Schaltstellung der Leistungshalbleiterschalter 10 des Submoduls 8 wird hingegen ein Stromfluss durch das Wick lungssegment 5 in entgegengesetzter Richtung erzeugt. In der in Figur 2 gezeigten Stellung addieren sich daher die Win dungszahlen der Wicklungssegmente 6 und 4, wohingegen die Windungszahl des Wicklungssegments 5 von der Summe der Win- dungszahlen der Wicklungssegmente 6 und 4 abgezogen werden muss . In the embodiment shown in Figure 2, the power semiconductor switches 10c and 10b in their passage position, in which a current flow across the power semiconductor switches 10c and 10b is made possible. The power semiconductor switches 10a and 10d, on the other hand, are in their blocking state in which a current flow through the said power semiconductor switches 10a and 10d is interrupted. In the ge showed switching position of the power semiconductor switch 10 is thus a current flow across the winding segment 6 in the direction shown by the arrow possible. The winding segment 4 is traversed by the current in the same direction. Due to the switching position of the power semiconductor switch 10 of the submodule 8, however, a current flow is generated by the Wick tion segment 5 in the opposite direction. In the position shown in Figure 2, therefore, add the Win tion numbers of the winding segments 6 and 4, whereas the number of turns of the winding segment 5 of the sum of the Win-. tion numbers of the winding segments 6 and 4 must be deducted.
Figur 3 verdeutlicht den Leistungshalbleiterschalter 10 gemäß Figur 2 genauer. So verfügt der Leistungshalbleiterschalter 10 über einen so genannten IGBT 23, dem eine Freilaufdiode 24 gegensinnig parallel geschaltet ist. Dabei sind IGBT 23 und Freilaufdiode 24 in einem nicht gezeigten gemeinsamen Schal tergehäuse angeordnet. Der Aufbau eines solchen IGBT 23 mit gegensinnig parallel geschalteter Freilaufdiode 24 ist grund sätzlich bekannt. Vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist, dass die Leistungshalbleiter 10 sowohl ein- als auch ab schaltbar ausgeführt sind. Abschaltbare Leistungshalbleiter schalter sind IGBTs, IGCTs, GTOs oder dergleichen. Durch ent sprechende Ansteuerung eines abschaltbaren Leistungshalblei terschalters kann dieser sowohl von seiner Sperrsteilung in seine Durchlassstellung als auch von seiner Durchlassstellung in eine Sperrsteilung überführt werden. Beim Abschalten des IGBTs 23 verhindert die Freilaufdiode 24 den Aufbau einer zu großen Rückwärtsspannung, die eine Zerstörung des IGBTs 23 zur Folge hätte. FIG. 3 clarifies the power semiconductor switch 10 according to FIG. 2 in more detail. Thus, the power semiconductor switch 10 has a so-called IGBT 23, to which a freewheeling diode 24 is connected in parallel in opposite directions. In this case, IGBT 23 and freewheeling diode 24 tergehäuse are arranged in a common scarf, not shown. The structure of such an IGBT 23 with oppositely connected in parallel freewheeling diode 24 is in principle known. Advantageous in the context of the invention is that the power semiconductors 10 are both switched on and switched off. Switchable power semiconductor switches are IGBTs, IGCTs, GTOs or the like. By ent speaking activation of a turn-off power semi-conductor terschalters this can be transferred both from its blocking division into its passage position as well as its passage position in a blocking division. When the IGBT 23 is switched off, the free-wheeling diode 24 prevents the build-up of too great a reverse voltage, which would result in the destruction of the IGBT 23.
Figur 4 verdeutlicht noch einmal das Submodul 9 gemäß Figur 2, wobei die Leistungshalbleiterschalter als IGBT mit gegen sinniger Freilaufdiode explizit dargestellt sind. Darüber hinaus sind auch die Anschlussklemmen XI und X2 verdeutlicht, auf die in Figur 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzich tet wurde. FIG. 4 once again illustrates the submodule 9 according to FIG. 2, the power semiconductor switches being shown explicitly as IGBTs with a countervailing freewheeling diode. In addition, the connection terminals XI and X2 are also illustrated, to which was omitted verzich in Figure 2 for reasons of clarity.
Aufgrund der abschaltbaren Leistungshalbleiter 10 auf der ei nen Seite und der Vollbrückenschaltung der Submodule 7, 8, 9 auf der anderen Seite ist es möglich, den Strom bei jedem Submodul 7, 8 oder 9 in beiden Richtungen über das jeweilige Wicklungssegment 4, 5, 6 zu führen. Die Wicklungssegmente 4, 5, 6 der Submodule 7, 8 und 9 stehen im Verhältnis 1:3:9. Due to the turn-off power semiconductor 10 on the egg nen side and the full bridge circuit of the submodules 7, 8, 9 on the other side, it is possible, the current at each submodule 7, 8 or 9 in both directions via the respective winding segment 4, 5, 6th respectively. The winding segments 4, 5, 6 of the submodules 7, 8 and 9 are in the ratio 1: 3: 9.
In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt das Wicklungssegment 6 des Submoduls 9 über l*n Windungen. Das Wicklungssegment 5 des Submoduls 8 verfügt über 3*n Windungen und das Wicklungssegment 4 des Submoduls 7 über 9*n Windun gen. Diese Windungen können nun bei entsprechender Ansteue rung alle zusammen mit gleicher Wicklungsrichtung in Reihe geschaltet werden, so dass die Oberspannungswicklung 16 eine maximale Windungszahl von 13*n Windungen aufweist. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die 9*n Windun gen des Wicklungssegments 4 sowie die l*n Windungen des Wick lungssegments 6 in positiver Richtung von einem Strom durch flossen, wohingegen das Wicklungssegment 5 mit seinen 3*n Windungen in entgegengesetzter negativer Richtung vom Strom durchflossen wird. Somit werden in Summe 7*n Windungen in po sitiver Richtung von einem Strom durchflossen. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the winding segment 6 of the submodule 9 has l * n windings. The Winding segment 5 of the submodule 8 has 3 * n turns and the winding segment 4 of the submodule 7 9 * n Windun conditions. These windings can now all together with the same Ansteue connected together with the same winding direction in series, so that the high-voltage winding 16 a maximum Winding number of 13 * n turns. In the embodiment shown in Figure 2, the 9 * n Windun conditions of the winding segment 4 and the l * n windings of the Wick lungssegments 6 in the positive direction of a current flowing through, whereas the winding segment 5 with its 3 * n turns in the opposite negative direction is traversed by the stream. Thus, a total of 7 * n turns are traversed in the positive direction by a current.
Die Anzahl der Windungen wird erfindungsgemäß fortwährend in Milli- oder sogar Mikrosekundentakt verändert. Dabei wird der Gleichstrom ein- und ausgeschaltet, wobei eine so genannte Pulsweitenmodulation zum Einsatz kommt. Hierzu dient eine fi gürlich nicht dargestellte Steuerungseinheit, die ebenfalls Teil der Vorrichtung 1 ist. Durch dieses Schalten wird, die eingangsseitig, also an der Oberspannungswicklung 16 anlie gende Gleichspannung zerhackt. Dies sorgt für eine Flussände rung im Kern, die wiederum die gewünschte Wechselspannung in der Unterspannungswicklung 17 erzeugt. Eines der Enden der Unterspannungswicklung ist über eine nicht gezeigte An schlussleitung mit einer Wechselspannungsdurchführung verbun den, die eine von außen kontaktierbaren Freiluftanschluss zur Verbindung mit einer Phase des Wechselspannungsnetzes auf weist. The number of turns is changed according to the invention continuously in milliseconds or even microseconds. The DC current is switched on and off, whereby a so-called pulse width modulation is used. This purpose is served by a control unit, not shown, which is also part of the device 1. By this switching is the input side, so chopped at the high-voltage winding 16 anlie ing DC voltage. This provides a Flußände tion in the core, which in turn generates the desired AC voltage in the lower voltage winding 17. One of the ends of the low-voltage winding is connected via an on-circuit line, not shown, to an AC feedthrough which has an outdoor contactable external connection for connection to a phase of the alternating voltage network.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (15) zum Erzeugen einer Wechselspannung mit1. Device (15) for generating an alternating voltage with
- einer ersten Wicklung (16), die elektrisch voneinander trennbare Wicklungssegmente (4,5,6) aufweist, a first winding (16) having electrically separable winding segments (4, 5, 6),
- einer zweiten Wicklung (17), die über einen magnetisierba ren Kern (14) induktiv mit der ersten Wicklung (16) gekoppelt ist, und  - A second winding (17) which is inductively coupled via a magnetisierba ren core (14) with the first winding (16), and
- in Reihe zueinander geschalteten zweipoligen Submodulen - Connected in two-pole bipolar submodules
(7.8.9), wobei jedes Submodul (7,8,9) mit jeweils einem Wick lungssegment (4,5,6) und Leistungshalbleiterschaltern (10) eine Brückenschaltung ausbildet, (7.8.9), wherein each submodule (7, 8, 9) with one winding segment (4, 5, 6) and power semiconductor switches (10) forms a bridge circuit,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die erste Wicklung (16) vollständig in elektrisch voneinander trennbare Wicklungssegmente (4,5,6) unterteilt ist, wobei je des Wicklungselement (4,5,6) Teil eines zweipoligen Submodulsthe first winding (16) is completely subdivided into electrically separable winding segments (4, 5, 6), wherein each of the winding elements (4, 5, 6) is part of a two-pole submodule
(7.8.9) ist und mit Leistungshalbleiterschaltern (10) eine Brückenschaltung ausbildet. (7.8.9) and forms a bridge circuit with power semiconductor switches (10).
2. Vorrichtung (15) nach Anspruch 1, 2. Device (15) according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Brückenschaltung eine Vollbrückenschaltung ist. the bridge circuit is a full bridge circuit.
3. Vorrichtung (15) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device (15) according to claim 1 or 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Leistungshalbleiterschalter (10) abschaltbare Leistungs halbleiterschalter (23) umfassen. the power semiconductor switch (10) turn off power semiconductor switch (23).
4. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 4. Device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a
die Windungszahlen der Wicklungssegmente (4,5,6) von Submodul (7,8,9) zu Submodul (7,8,9) unterschiedlich sind. the number of turns of the winding segments (4, 5, 6) varies from submodule (7, 8, 9) to submodule (7, 8, 9).
5. Vorrichtung (15) nach Anspruch 4, 5. Device (15) according to claim 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
Windungszahlen von n Wicklungssegmenten (4,5,6) zueinander in Winding numbers of n winding segments (4,5,6) to each other in
Folgendem Verhältnis stehen: 1 : 3 : 9 : : 3n . The ratios are: 1: 3: 9:: 3 n .
6. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 6. Device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a
die erste Wicklung (16) oder die zweite Wicklung (17) oder die erste und die zweite Wicklung als Hochspannungswicklung ausgeführt ist/sind. the first winding (16) or the second winding (17) or the first and the second winding is / are designed as a high-voltage winding.
7. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 7. Device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a
die erste Wicklung (16) mit einer für Gleichspannung ausge legten Isolierung ausgerüstet ist. the first winding (16) is equipped with a DC voltage laid out for insulation.
8. Vorrichtung (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 8. Device (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a
die Wicklungen (16,17) in einem festen Isolierstoff eingebet tet sind. the windings (16,17) are embedded in a solid insulating tet.
9. Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass 9. Device (15) according to any one of claims 1 to 7, d a d e r c h e c e n e c i n e that t
die Wicklungen (16,17) und der Kern (14) in einem mit Iso lierfluid befüllten Kessel angeordnet sind. the windings (16,17) and the core (14) are arranged in a lierfluid filled with Iso boiler.
10. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9, 10. Device (15) according to claim 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Kessel mit wenigstens einer Gleichspanungsdurchführung und wenigstens einer Wechselspannungsdurchführung ausgerüstet ist . the boiler is equipped with at least one Gleichspanungsdurchführung and at least one AC feedthrough.
11. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9 oder 10, 11. Device (15) according to claim 9 or 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Leistungshalbleiterschalter (10) außerhalb des Kessels angeordnet und über Durchführungen mit Wicklungsabschnitten (4,5,6) verbunden sind. the power semiconductor switches (10) are arranged outside the boiler and are connected via bushings with winding sections (4, 5, 6).
12. Vorrichtung (15) nach Anspruch 9 oder 10, 12. Device (15) according to claim 9 or 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Leistungshalbleiterschalter (10) in dem Kessel angeordnet sind . the power semiconductor switches (10) are arranged in the boiler.
13. Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet dass die Wicklungen (16,17), der Kern (14) und die Leistungshalbleiterschalter (10) luftisoliert angeordnet sind. 13. Device (15) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the windings (16,17), the core (14) and the power semiconductor switch (10) are arranged air-insulated.
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