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Patent Searching and Data


Title:
CONTINUOUSLY ADJUSTABLE SATURABLE REACTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197014
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (1) for reactive power compensation in a high-voltage network (17) comprising at least one phase conductor (16, 18, 19). A high-voltage connection (8) is provided for each phase of the high-voltage network. Each high-voltage connection (8) is connected to a first high-voltage winding (5) which surrounds a first core portion (3) and to a second high-voltage winding (6) which surrounds the second core portion (4). The core portions (3, 4) are part of a closed magnetic circuit. The low-voltage ends of each high-voltage winding can be connected to at least one saturation switching branch (10, 11) which is designed to saturate the core portions (3, 4) and has actuatable power semiconductor switches (20, 21, 22, 23). A control unit (26) is also provided for actuating the power semiconductor switches (20, 21, 22, 23). In order to manufacture the device as cheaply as possible, each saturation switching branch (10, 11) has at least one two-pole submodule (12) having a bridge circuit which has power semiconductor switches (20, 21, 22, 23) and a DC voltage source (24) so that, depending on the actuation of the power semiconductor switches (20, 21, 22, 23), the DC voltage source (24) can either be connected in series to at least one high-voltage winding (5, 6) or can be bridged.

Inventors:
KÜSTERMANN, Matthias (Kleinreuther Weg 58, Nürnberg, 90408, DE)
MANTHE, Thomas (Siedenfeld 25, Ueckermünde, 17373, DE)
BUNIN, Anatoliy (Goethering 72, Stein, 90547, DE)
SCHWENDNER, Martin (Barnsdorfer Weg 9, Roth, 91154, DE)
Application Number:
EP2018/059028
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
April 09, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02J3/18; H01F29/14
Domestic Patent References:
WO2004054065A12004-06-24
Foreign References:
DE102012110969A12014-03-13
US3611224A1971-10-05
US20020050829A12002-05-02
US6420856B12002-07-16
EP3168708A12017-05-17
DE202013004706U12013-07-01
DE102012110969A12014-03-13
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Blindleistungskompensation in einem wenigstens einen Phasenleiter (16,18,19) aufweisenden Hoch spannungsnetz (17) mit wenigstens einem Hochspannungsan schluss (8), der zur Verbindung mit dem Phasenleiter (16) eingerichtet ist, wobei für jeden Hochspannungsanschluss (8) ein erster und ein zweiter Kernabschnitt (3,4), die Teil eines geschlossenen Magnetkreises sind,

- eine erste Hochspannungswicklung (5) , die den ersten

Kernabschnitt (3) umschließt und

- eine zweite Hochspannungswicklung (6), die den zweiten Kernabschnitt (4) umschließt und parallel zur ersten Hochspannungswicklung (15) geschaltet ist,

- wenigstens ein Sättigungsschaltzweig (10,11), der zum Sättigen der Kernabschnitte (3,4) eingerichtet ist und ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter (20,21,22,23) aufweist, und

- eine Steuerungseinheit (26) zum Ansteuern der Leistungs halbleiterschalter (20,21,22,23) vorgesehen sind, wobei die erste und die zweite Hochspannungswicklung (5, 6) mit ihrem Hochspannungsende (7) mit dem zugeordneten Hoch spannungsanschluss (8) verbunden und an ihrer Niederspan nungsseite (9) mit einem oder dem Sättigungsschaltzweig

(10,11) verbindbar sind,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

jeder Sättigungsschaltzweig (10,11) wenigstens ein zweipoli ges Submodul (12) mit einer Brückenschaltung aufweist, die über Leistungshalbleiterschalter (20,21,22,23) und eine

Gleichspannungsquelle (24) verfügt, so dass je nach Ansteue rung der Leistungshalbleiterschalter (20,21,22,23) die

Gleichspannungsquelle (24) entweder in Reihe zu wenigstens einer Hochspannungswicklung (5, 6) schaltbar oder überbrückbar ist .

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder Sättigungsschaltzweig (10,11) an seinem von der zu geordneten Hochspannungswicklung (5, 6) abgewandten Seite mit einem Erdanschluss (15) verbindbar ist.

3. Vorrichtung (1) 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

jedes Submodul (2) eine Vollbrückenschaltung ausbildet, die einen ersten Reihenschaltungszweig (33) und einen zweiten Reihenschaltungszweig (34) aufweist, die der Gleichspannungs quelle (24) jeweils parallel geschaltet sind, jeder Reihen schaltungszweig (33,34) eine Reihenschaltung aus zwei Leis tungshalbleiterschaltern (20,21,22,23) aufweist, wobei der Potenzialpunkt zwischen den Leitungshalbleiterschaltern

(20,21) des ersten Reihenschaltungszweiges (33) mit einer ersten Anschlussklemme (13) des Submoduls (12) und der Poten zialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern (22,23) des zweiten Reihenschaltungszweiges (34) mit der zweiten An schlussklemme (14) des Submoduls (12) verbunden ist.

4. Vorrichtung (1) 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

jeder Leistungshalbleiterschalter (20,21,22,23) ein IGBT (33) mit gegensinnig parallel geschalteter Freilaufdiode (32), ein GTO oder ein Transistorschalter ist.

5. Vorrichtung (1) 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

jeder Sättigungsschaltzweig (10,11) eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Submodulen (12) ist.

6. Vorrichtung (1) 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

jede Gleichspannungsquelle (24) einen Energiespeicher um fasst .

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Energiespeicher (24) mit einer Ladeeinheit (35)

verbindbar ist, die zum Aufladen des Energiespeichers (24) eingerichtet ist.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Ladeeinheit (35) einen mit einer Wechselspannungsquelle (36) verbundenen Gleichrichter (37) aufweist.

9. Vorrichtung (1) 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

für jede Hochspannungswicklung (5,6) ein Sättigungsschalt zweig (10,11) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Ladeeinheit (35) induktiv mit dem Energiespeicher (24) gekoppelt ist.

11. Vorrichtung (1) 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

jeder Kernabschnitt (3,4), jede Hochspannungswicklung (5,6) und jeder Sättigungsschaltzweig (10,11) in einem Kessel (2) angeordnet sind, der mit einem Isolierfluid befüllt ist.

12. Verfahren zur Blindleistungskompensation in einem wenigs tens einen Phasenleiter (16,18,19) aufweisenden Hochspan nungsnetz (17), der eine Netzwechselspannung führt, wobei je der Phasenleiter (16,18,19) über einen Hochspannungsanschluss (8) mit einer ersten Hochspannungswicklung (5) und einer zu dieser parallel geschalteten zweiten Hochspannungswicklung (6) verbunden ist, die jeweils einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt (3,4) umschließen, wobei jede Hochspannungs wicklung (5, 6) über wenigstens einen Sättigungsschaltzweig (10,11) mit einem Erdanschluss (13) verbindbar ist, der we nigstens ein Submodul (12) mit einer Brückenschaltung aus ei ner Gleichspannungsquelle (24) und Leistungshableiterschal tern (20,21,22,23) aufweist, bei dem - bei einer positiven Netzwechselspannung die Leistungshalb leiterschalter so angesteuert werden, dass durch die zweite Hochspannungswicklung ein gewünschter Gleichstrom fließt und

- bei einer negativen Netzwechselspannung die Leistungshalb- leiter so angesteuert werden, dass durch die erste Hochspan nungswicklung ein gewünschter Gleichstrom fließt, wobei die Gleichströme so eingestellt werden, dass eine gewünschte Sät tigung der Kernabschnitte (3,4) erzeugt wird.

Description:
Beschreibung

Stufenlos regelbare Sättigungsdrossel

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Obergriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 3 168 708 Al bereits bekannt. Dort ist ein so genannter „Full Variable Shunt

Reactor" (FVSR) offenbart, der eine Weiterentwicklung eines „Magnetically Controlled Shunt Reactor" (MCSR) dargestellt. Die vorbekannte Vorrichtung verfügt über zwei einander paral lel geschaltete Hochspannungswicklungen, die jeweils einen Kernschenkel eines geschlossenen Eisenkerns umschließen und an ihrem Hochspannungsende an einen Phasenleiter eines Hoch spannungsnetzes angeschlossen sind. Die Niederspannungsseiten der Hochspannungswicklungen sind mit Hilfe eines Transistor schalters entweder mit einem zweckmäßig polarisierten Thyris torstromrichter oder direkt mit einem Erdanschluss verbind bar. Der Thyristorstromrichter ist zum Erzeugen eines Gleich stroms in der mit ihm verbundenen Hochspannungswicklung ein gerichtet. Dabei wird der Gleichstrom so eingestellt, dass der von der Wicklung umschlossene Kernschenkel in einen ge wünschten Sättigungszustand getrieben wird. In diesem Sätti gungszustand weist das Kernmaterial beispielsweise eine sehr kleine magnetische Permeabilität auf, wodurch sich der magne tische Widerstand der Wicklung erhöht und deren Induktivität abgesenkt wird. Die Sättigung der besagten Kernabschnitte ist polarisationsabhängig, so dass ein über die Wicklungen flie ßender Wechselstrom je nach seiner Polarisierung im Wesentli chen nur über eine der beiden Hochspannungswicklungen fließt. So fließt beispielsweise ein positiver Wechselstrom über die erste Hochspannungswicklung während ein negativer Wechsel strom über die zweite Hochspannungswicklung zur Erde hin ab fließt. Wird der Strom nur über eine Hochspannungswicklung getrieben, kann die jeweils andere Wicklung, die gerade nicht vom Wechselstrom durchströmt wird, mit einem Gleichstrom be- aufschlagt werden, um den von ihr umschlossenen Kernschenkel in dem gewünschten Maß zu sättigen.

Magnetisch gesteuerte Drosselspulen sind ferner aus der DE 20 2013 004 706 Ul und der DE 10 2012 110 969 bekannt.

Der eingangs genannten Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass diese hinsichtlich ihres Aufbaus aufwändig und somit kostenintensiv ist. So sind beispielsweise RC-Glieder notwen dig, um Überspannungen an der Niederspannungsseite der Hoch spannungswicklung zu vermeiden. Darüber hinaus sind neben den Thyristorstromrichtern Transistorschalter notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art bereitzustellen, die in ihrem Aufbau ein fach und somit kostengünstig ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass jeder Sätti gungsschaltzweig wenigstens ein zweipoliges Submodul mit ei ner Brückenschaltung aufweist, die über Leistungshalbleiter schalter und eine Gleichspannungsquelle verfügt, so dass je nach Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter die Gleich spannungsquelle entweder in Reihe zu wenigstens einer Hoch spannungswicklung schaltbar oder überbrückbar ist.

Erfindungsgemäß umfasst der Sättigungsschaltzweig, der entwe der mit beiden oder mit einer Hochspannungswicklung verbind bar ist, eine Brückenschaltung. Die Brückenschaltung ermög licht ein flexibles Zuschalten einer Gleichspannungsquelle, die für die gewünschte Sättigung des Kernabschnitts sorgt. Dazu ist die Brückenschaltung so eingerichtet, dass die

Gleichspannungsquelle in Reihe zur jeweiligen Hochspannungs wicklung geschaltet werden kann, wobei sichergestellt ist, dass die Gleichspannungsquelle die gewünschte Polarität auf weist. So wird beispielsweise die Gleichspannungsquelle bei einer negativen Halbwelle der Wechselspannung der ersten Hochspannungswicklung so in Reihe geschaltet, dass diese ei nen Gleichstrom durch die erste Hochspannungswicklung treibt, der von der Gleichspannungsquelle zur Hochspannungswicklung fließt. In einer zweiten Schaltstellung der Brückenschaltung ist die Gleichspannungsquelle hingegen überbrückt, so dass Wechselstrom von der ersten Hochspannungswicklung zu einem beispielsweise geerdeten Potenzialpunkt hin abfließen kann.

Hierzu sei ergänzend angemerkt, dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nur die Verbindung eines Sättigungsschaltzweiges mit einer Hochspannungswicklung praktisch sinnvoll ist. Nur in einer Überbrückungsstellung des oder der Schaltzweige sind alle Hochspannungswicklungen an ihrer Niederspannungsseite miteinander verbunden.

Der zweiten Hochspannungswicklung kann im Rahmen der Erfin dung entweder die gleiche Gleichspannungsquelle oder auch ei ne andere Gleichspannungsquelle hinzu geschaltet werden. Die Gleichspannungsquellen sind zweckmäßigerweise identisch aus gestaltet, können sich im Rahmen der Erfindung jedoch auch voneinander unterscheiden. Im Rahmen der Erfindung wird die Gleichspannungsquelle der zweiten Hochspannungswicklung mit einer gegensinnigen Polarität zugeschaltet, so dass der Sät tigungsgleichstrom bei einer Reihenschaltung von der zweiten Hochspannungswicklung zur Erde fließt. Dies sorgt dann für eine entsprechend polarisierte Sättigung des zweiten Kernab schnitts .

Die Brückenschaltung ist im Rahmen der Erfindung eine Schal tung aus den Leistungshalbleiterschaltern und der Gleichspan nungsquelle, die es ermöglicht— an den beiden Anschlussklem men der Brückenschaltung oder mit anderen Werten des Submo duls entweder die an der Gleichspannungsquelle abfallende Spannung zu erzeugen oder eine Nullspannung, bei der die Gleichspannungsquelle überbrückt ist. So ist die Brücken schaltung beispielsweise eine Halbbrückenschaltung oder mit anderen Worten als Halbbrücke ausgeführt. Bei dieser vorteil haften Weiterentwicklung der Erfindung ist für die erste Hochspannungswicklung und die zweite Hochspannungswicklung ein jeweils eigener Sättigungsschaltzweig notwendig, wobei die Gleichspannungsquelle, die der ersten Hochspannungswick lung zugeordnet ist, eine zur Gleichspannungsquelle, die der zweiten Hochspannungswicklung zugeschaltet ist, entgegenge setzte Polarität aufweist. Umfasst jeder Schaltzweig mehrere Submodule und somit mehrere Gleichspannungsquellen, weisen diese in Bezug auf die jeweils zugeordnete Hochspannungswick lung die gleiche Polarität auf. Eine Halbbrückenschaltung verfügt über einen einzigen Reihenschaltungszweig aus zwei Leistungshalbleiterschaltern, welcher der Gleichspannungs quelle parallel geschaltet ist. Eine Anschlussklemme des Sub moduls ist mit dem Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalb leiterschaltern des Reihenschaltungszweigs und die andere An schlussklemme mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbun den .

Bevorzugt ist die Brückenschaltung jedoch als so genannte Vollbrückenschaltung oder H-Schaltung ausgebildet, so dass durch die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter nicht nur die an der Gleichspannungsquelle abfallende Quellenspan nung, sondern auch die inverse Quellenspannung an die An schlussklemmen gelegt werden kann. Sowohl die Halbbrücken schaltung als auch die Vollbrückenschaltung ermöglichen die Überbrückung ihrer Gleichspannungsquelle.

Insbesondere mit Hilfe der Brückenschaltung ist im Rahmen der Erfindung eine kostengünstige Weiterentwicklung der eingangs genannten Vorrichtung geschaffen. RC-Glieder zur Spannungsbe grenzung sind im Rahmen der Erfindung überflüssig geworden. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit von Thyristorstrom richtern zusätzlich zu einem Transistorschalter. Im Rahmen der Erfindung umfasst jeder Sättigungsschaltzweig wenigstens ein zweipoliges Submodul mit einer Brückenschaltung. Jeder Schaltzweig ist an seinem von der jeweiligen Hochspannungs wicklung abgewandten Ende mit einem beiden Hochspannungswick lungen gemeinsamen Potenzialpunkt verbindbar.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist jeder Sätti gungsschaltzweig an seiner von der zugeordneten Hochspan- nungswicklung abgewandten Seite mit einem Erdanschluss verbindbar. Mit anderen Worten ist der niederspannungsseitige Potenzialpunkt, mit dem beide Hochspannungswicklungen verbun den werden können, ein Erdanschluss.

Vorteilhafterweise ist jedes Submodul eine Vollbrückenschal tung, die einen ersten Reihenschaltungszweig und einen zwei ten Reihenschaltungszweig aufweist, die der Gleichspannungs quelle jeweils parallel geschaltet sind, wobei jeder Reihen schaltungszweig eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleiter schaltern aufweist, der Potenzialpunkt zwischen den Leis tungshalbleiterschaltern des ersten Reihenschaltungszweigs mit einer ersten Anschlussklemme des Submoduls und der Poten zialpunkt zwischen Leistungshalbleiterschaltern des zweiten Reihenschaltungszweigs mit der zweiten Anschlussklemme des Submoduls verbunden ist. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, besteht bei einer solchen Vollbrückenschaltung die Möglichkeit, an den beiden Anschlussklemmen entweder die an der Gleichspannungsquelle abfallende Quellenspannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Quellenspannung zu erzeu gen. Bei einer Vollbrücke ist daher grundsätzlich ein einzel ner Sättigungsschaltzweig ausreichend, um Sättigungsgleich ströme mit der gewünschten Polarisation durch jede Hochspan nungswicklung zu treiben.

Im Rahmen dieser Weiterentwicklung ist es jedoch auch mög lich, dass jeder Hochspannungswicklung ein eigener separater Sättigungsschaltzweig zugeordnet ist, wobei beide Sättigungs schaltzweige über Submodule mit Vollbrückenschaltung verfü gen .

Im Rahmen der Erfindung sind alle Submodule bevorzugt iden tisch ausgestaltet.

Zweckmäßigerweise ist jeder Leistungshalbleiterschalter ein so genannter IGBT mit gegensinnig parallel geschalteter Frei laufdiode, ein so genannter GTO, ein Transistorschalter oder dergleichen. Leistungshalbleiterschalter sind im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ansteuerbare Leistungshalbleiter. Ansteuerbare Leistungshalbleiter sind beispielsweise Thyris toren, IGBTs, GTOs, Transistorschalter oder dergleichen. Die Freilaufdioden sind als solche zwar nicht ansteuerbar, sollen aber wenn diese einem ansteuerbaren Leistungshalbleiter, bei spielsweise einem IGBT, gegensinnig parallel geschaltet sind, von dem Begriff „Leistungshalbleiterschalter" mit umfasst sein. Sie dienen in diesem Falle ja lediglich dem Schutz des ebenfalls vom Begriff erfassten ansteuerbaren Leistungshalb leiters vor einer Überspannung. Bevorzugt werden im Rahmen der Erfindung sowohl ein- als auch abschaltbaren Leistungs halbleiterschalter eingesetzt. Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise Thyristoren, fallen nicht in diese Katego rie, da diese lediglich gezündet, jedoch nicht durch ein Steuersignal wieder in ihre Sperrsteilung überführt werden können. Solche Leistungshalbleiterschalter sind dem Fachmann jedoch bestens bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine de tailliertere Ausführung verzichtet werden kann.

Vorteilhafterweise verfügt jeder Sättigungsschaltzweig über eine Reihenschaltung aus wenigstens zwei Submodulen. Die zweipoligen Submodule ermöglichen eine einfache Skalierbar- keit des Sättigungsschaltzweigs . Jeder Leistungshalbleiter schalter ist auf eine bestimmte maximal schaltbare Spannung begrenzt. Diese liegt beispielsweise zwischen 2 und 5 kV. Werden zur Sättigung der Kernabschnitte höhere Spannungen be nötigt, kann durch die Reihenschaltung der Submodule diese Anforderung auf einfache Art erfüllt werden.

Vorteilhafterweise umfasst jede Gleichspannungsquelle einen Energiespeicher. Als Energiespeicher kommen vorteilhafterwei se elektrische Energiespeicher in Betracht, die vorzugsweise unipolar sind. So kommen als Energiespeicher beispielsweise Kondensatoren, Super-Kondensatoren, supraleitende Spulen, Batterieakkumulatoren, Supercaps oder dergleichen in Be tracht. Die aufgezählten oder andere elektrische Energiespei cher können in einem Submodul einzeln auftauchen oder aber in Reihe geschaltet sein, wobei auf diese Reihenschaltung mit dem Begriff „Energiespeicher" insgesamt Bezug genommen wird.

Zweckmäßigerweise ist der Energiespeicher mit einer Ladeein heit zum Aufladen des Energiespeichers verbunden. Die Lade einheit kann im Rahmen der Erfindung beliebig ausgebildet sein. Wesentlich ist jedoch, dass sie die beim Betrieb erfor derliche elektrische Leistung für den Energiespeicher bereit stellt .

Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung ver fügt die Ladeeinheit über einen mit einer Wechselspannungs quelle verbundenen Gleichrichter. In diesem Fall ist der Energiespeicher zweckmäßigerweise als Kondensator ausgebil det. Die Wechselspannungsquelle ist beispielsweise eine vom Hochspannungsnetz unabhängige Wechselspannungsquelle. Bei spielsweise ist die Wechselspannungsquelle ein üblicher

Starkstromanschluss im Niedervoltbereich. Abweichend davon liegt die Spannungsebene der Wechselspannungsquelle im Be reich der Mittelspannung, also in einem Bereich zwischen 1 kV und 52 kV. Im Rahmen der Erfindung ist es ferner mög lich, die zum Laden notwendige Leistung aus dem Wechsel- oder Hochspannungsnetz zu entnehmen, zu dessen Blindleistungskom pensation die erfindungsgemäße Vorrichtung dient.

Vorteilhafterweise ist für jede Hochspannungswicklung ein Sättigungsschaltzweig vorgesehen. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, weist ein solcher Sättigungsschaltzweig im Rahmen der Erfindung wenigstens ein zweipoliges Submodul auf, das zweckmäßigerweise über eine Voll- oder Halbbrückenschal tung verfügt.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung sind so genannte Ausgleichswicklungen vorgesehen, die für eine Filterung der Wechselspannung sorgen, so dass es zu keinen größeren Netz verzerrungen im angeschlossenen Hochspannungsnetz kommt. Die se Ausgleichswicklungen können gemäß einer vorteilhaften Wei terentwicklung induktiv mit dem Energiespeicher gekoppelt sein. Selbstverständlich ist eine induktive Kopplung zur Energieversorgung des Energiespeichers auch ohne Ausgleichs wicklungen möglich.

Vorteilhafterweise ist jeder Kernabschnitt, jede Hochspan nungswicklung und jeder Sättigungsschaltzweig in einem Kessel angeordnet, der mit einem Isolierfluid befüllt ist. Der Kes sel liegt vorteilhafterweise auf einem Erdpotential. Abwei chend hiervon sind die Kernabschnitte und die Wicklungen in einem ersten Kessel und jeder Schaltzweig in einem zweiten separaten Kessel angeordnet, wobei jeder Kessel mit einem Isolierfluid befüllt ist. Dabei können unterschiedliche Iso lierfluide, also eine Isolierflüssigkeit und/oder ein Iso liergas, in den Kesseln eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise sind der erste und der zweite Kessel, die beide auf einen Erdpotential liegen, über Hochspannungsdurchführungen elekt risch miteinander verbunden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Blindleistungs kompensation in einem wenigstens einen Phasenleiter aufwei senden Hochspannungsnetz, der eine Netzwechselspannung führt, wobei jeder Phasenleiter über einen Hochspannungsanschluss mit einer ersten Hochspannungswicklung und einer zu dieser parallel geschalteten zweiten Hochspannungswicklung verbunden ist, die jeweils einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt umschließen, wobei jede Hochspannungswicklung über wenigstens einen Sättigungsschaltzweig mit einem Erdanschluss verbindbar ist, der wenigstens ein Submodul mit einer Brückenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle und Leistungshableiterschal tern aufweist, bei dem bei einer positiven Netzwechselspan nung die Leistungshalbleiterschalter beispielsweise so ange steuert werden, dass durch die zweite Hochspannungswicklung ein negativer Gleichstrom fließt und bei einer negativen Netzwechselspannung die Leistungshalbleiter so angesteuert werden, dass durch die erste Hochspannungswicklung ein posi tiver Gleichstrom fließt, wobei die Gleichströme so einge stellt werden, dass eine gewünschte Sättigung der von den Hochspannungswicklungen umschlossenen Kernabschnitte erzeugt wird .

Erfindungsgemäß kann mit Hilfe einer Brückenschaltung, die Teil eines zweipoligen Submoduls ist, derjenige Kernabschnitt gesättigt werden, dessen Wicklung in der jeweils herrschenden Halbperiode der Wechselspannung von keinem oder einem Wech selstrom durchflossen wird, der einen vorgegebenen Schwellen wert nicht überschreitet. Dabei ermöglicht die Ansteuerung der Brückenschaltung auf besonders einfache Art und Weise die gewünschte Kernsättigung. Das abgestimmte Ansteuern von Tran sistorschaltern und Thyristorventilen, das grundsätzlich zu dem gleichen Erfolg führen kann, ist vergleichsweise aufwän dig, so dass erfindungsgemäß auch ein einfaches und kosten günstiges Verfahren bereitgestellt ist.

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 gleich wirken de Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Vorrichtung in einer schematischen Darstel lung,

Figur 2 die Sättigungsschaltzweige der Vorrichtung ge mäß Figur 1,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin

dungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 4 eine mögliche Ladeeinheit für die erfindungs gemäße Vorrichtung,

Figur 5 ein Submodul für einen Sättigungsschaltzweig in einer schematischen Darstellung, Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin

dungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ladeeinheit für zwei Sättigungsschaltzweige und

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin

dungsgemäßen Vorrichtung verdeutlichen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die einen mit einem Isolierfluid befüllten Kessel 2 aufweist. Als Isolierfluid kommen mineralische Öle, aber auch Esterflüssigkeiten oder dergleichen in Betracht.

Das Isolierfluid stellt zum einen die notwendige Spannungs festigkeit für Bauteile der Vorrichtung 1, die auf einem Hochspannungspotenzial liegen, gegenüber dem Kessel 2 auf Erdpotenzial bereit. Darüber hinaus dient das Isolierfluid zur Kühlung der beim Betrieb Wärme entwickelnden Komponenten.

Innerhalb des Kessels 2 ist ein Kern angeordnet, der aus ei nem magnetisierbaren Material, hier flächig aneinander anlie genden Eisenblechen, zusammengesetzt ist, und einen ersten Kernschenkel 3 sowie einen zweiten Kernschenkel 4 als Kernab schnitte ausbildet. Der erste Kernschenkel 3 ist von einer ersten Hochspannungswicklung 5 umschlossen. Der zweite Kern schenkel 4 ist von einer zweiten Hochspannungswicklung 6 um geben. Zur Ausbildung eines geschlossenen Magnet- oder Eisen kreises dienen figürlich nicht dargestellte Joche, die sich von dem oberen Ende des ersten Kernschenkels 3 zum oberen En de des zweiten Kernschenkels 4 sowie vom unteren Ende des Kernschenkels 3 zum unteren Ende des Kernschenkels 4 erstre cken. Darüber hinaus sind zwei figürlich ebenfalls nicht dar gestellte Rückflussschenkel vorgesehen, die von keiner Wick lung umschlossen sind und sich rechts und links parallel zu den Kernschenkeln 3 beziehungsweise 4 erstrecken. Mit anderen Worten ist ein so genannter 2/2-Kern bereitgestellt.

Die erste Hochspannungswicklung 5 und die zweite Hochspan nungswicklung 6 weisen jeweils ein Hochspannungsende 7 auf, mit dem diese mit einem Hochspannungsanschluss 8 verbunden sind. Ist die Vorrichtung 1 in einem mit Isolierfluid

befüllten Kessel angeordnet, ist der Hochspannungsanschluss 8 beispielsweise als Durchführung ausführt. Die Durchführung durchgreift die Kesselwand und ist an ihrem freien, außerhalb des Kessels angeordneten Ende mit einem Freiluftanschluss ausgerüstet. Der figürlich nicht dargestellte Freiluftan schluss dient zum Anschluss eines luftisolierten Leiters. An ihrem Niederspannungsende 9 sind die erste Hochspannungswick lung 5 und die zweite Hochspannungswicklung 6 jeweils mit ei nem Sättigungsschaltzweig 10 beziehungsweise 11 verbunden, wobei jeder Sättigungsschaltzweig 10, 11 ein zweipoliges Submodul 12 aufweist, das mit einer ersten Anschlussklemme 13 mit der jeweiligen Hochspannungswicklung 5 beziehungsweise 6 und mit einer zweiten Anschlussklemme 14 mit einem gemeinsa men Potenzialpunkt 15 verbunden ist. Der Potenzialpunkt 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel geerdet. Mit anderen Worten sind die Hochspannungswicklungen 5 und 6 einander pa rallel geschaltet oder zumindest schaltbar.

Über den Hochspannungsanschluss 8 sind die Hochspannungswick lungen 5 und 6 mit einem Phasenleiter 16 eines Hochspannungs netzes 17 verbunden, wobei das Hochspannungsnetz 17 zwei wei tere Phasenleiter 18 und 19 aufweist, die jeweils wieder über einen Hochspannungsanschluss 8 mit zwei Hochspannungswicklun gen und zwei Sättigungsschaltzweigen verbunden sind. Mit an deren Worten weist die Vorrichtung 1 für jede Phase 16, 18,

19 des Hochspannungsnetzes 17 einen identischen Aufbau auf, wobei hier aus Gründen der Übersicht lediglich der Aufbau für einen Phasenleiter 16 gezeigt ist.

Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, dass jeder Sätti gungsschaltzweig 10 beziehungsweise 11, ein zweipoliges

Submodul 12 aufweist, das über eine Brückenschaltung aus Leistungshalbleiterschaltern 20, 21, 22 und 23 und eine

Gleichspannungsquelle 24 verfügt, die bevorzugt unipolar aus gebildet ist und einen somit einen festen Plus- und einen festen Minuspol aufweist. Die Brückenschaltung kann im Rahmen der Erfindung eine Halb rücke oder eine Vollbrücke sein. In Figur 1 verfügt jedes Submodul über eine Vollbrücke mit vier Leistungshalbleiter schaltern 20, 21, 22, 23. Eine Halbbrücke umfasst lediglich zwei Leistungshalbleiterschalter. Zum zweckmäßigen Ansteuern der vier Leistungshalbleiterschalter 20, 21, 22 und 23 ist eine Steuerungseinheit 26 vorgesehen, die eingangsseitig mit Sollwerten für die Spannung UAC so n, den Wechselstrom IAC so n und die Blindleistung QAC so n versorgt werden kann. Zum Erfas sen des von dem Phasenleiter 16 zu den Hochspannungswicklun gen 5 und 6 fließenden Wechselstromes IAC dient ein Stromsen sor 27, wobei ein Spannungssensor 28 die hochspannungsseitig der Hochspannungswicklung 5 und 6 abfallende Spannung er fasst. Der Stromsensor 27 und der Spannungssensor 28 sind über figürlich nicht dargestellte Signalleitungen mit der Steuerungseinheit 26 verbunden. An der Niederspannungsseite 9 der Hochspannungswicklung 5 beziehungsweise 6 sind ebenfalls Sensoren 29 und 30 erkennbar, die ebenfalls über Signallei tungen mit der Steuerungseinheit 26 verbunden sind und Ströme erfassen, die zwischen dem jeweiligen Submodul 12 und der je weiligen Hochspannungswicklung 5 beziehungsweise 6 fließen.

Die Leistungshalbleiterschalter 20, 21, 22 und 23 eines Sub moduls 12 können durch zweckmäßige Ansteuersignale, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, von der Steuerungsein heit 26 von einer Trennstellung, in welcher ein Stromfluss über die Leistungshalbleiterschalter unterbrochen ist, in ei ne Durchgangsstellung, in der ein Stromfluss über die Leis tungshalbleiterschalter ermöglicht ist, überführt werden oder umgekehrt von der Durchgangsstellung in die Trennstellung.

Die Betriebsweise der Vorrichtung 1 ist wie folgt: Ist die von dem Spannungssensor 28 erfasste Spannung positiv, sind die Leistungshalbleiterschalter 22 und 23 des Sättigungs schaltkreises 10 geschlossen. Es sei an dieser Stelle voraus gesetzt, dass der Kernschenkel 3 zuvor durch einen von dem Submodul 12 des ersten Sättigungsschaltzweiges zur Hochspan nungswicklung 5 fließenden Gleichstrom gesättigt wurde, so dass für die positiven Halbwelle der Wechselspannung der Wechselwiderstand der Hochspannungswicklung 5 kleiner ist als der Wechselwiderstand der Hochspannungswicklung 6. Somit fließt nahezu der gesamte Wechselstrom IAC über den mit II bezeichneten Strompfad zur Erde hin ab. In der positiven Halbwelle der Wechselspannung werden daher die Leistungshalb leiterschalter 21 und 22 geschlossen, so dass die Gleichspan nungsquelle 24 des Sättigungsschaltkreises 11 einen Gleich strom treibt, der von der Hochspannungswicklung 6 zur Erde 15 fließt. Während der positiven Halbwelle der Wechselspannung im Phasenleiter 16 kann somit der zweite Kernschenkel 4 in der gewünschten Weise gesättigt werden.

Während der negativen Halbwelle, in welcher die von der dem Sensor 28 gemessene Spannung negativ ist, fließt der Wechsel strom IAC hingegen im Wesentlichen über die zweite Hochspan nungswicklung 6, so dass durch Schließen der Leistungshalb leiterschalter 20 und 23 und Öffnen der Leistungshalbleiter schalter 21 und 22 des Submoduls 12 des ersten Sättigungs schaltzweiges 10 ein Sättigungsgleichstrom erzeugt wird, der von dem Submodul 12 zur ersten Hochspannungswicklung 5 oder umgekehrt fließt und für die gewünschte Sättigung des Kern schenkels 3 sorgt.

Figur 2 zeigt den Aufbau der Submodule 12 des ersten und zweiten Sättigungsschaltkreises 10, 11 genauer. Es ist er kennbar, dass die Submodule für beide Sättigungsschaltzweige 10 beziehungsweise 11 identisch aufgebaut sind. Es ist ferner erkennbar, dass die Leistungshalbleiterschalter 20, 21, 22,

23 einen so genannten IGBT 31 umfassen, dem eine Freilaufdio de 32 gegensinnig parallel geschaltet ist. Der Aufbau eines IGBTs mit Freilaufdiode ist grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren Wirkungsweise nicht genauer eingegan gen zu werden braucht. Wesentlich ist, dass die Freiluftdiode 22 zum Schutz des IGBTs vor Überspannungen in Rückwärtsrich tung dient. Dabei sind IGBT 31 und Diode 32 in der Regel in einem gemeinsamen Schaltergehäuse untergebracht. IGBT 31 und Freilaufdiode 32 werden hier gemeinsam als Leistungshalblei ter bezeichnet.

Jedes Modul 12 ist als so genannte Vollbrücke ausgeführt und umfasst einen ersten Reihenschaltungszweig 33 und einen zwei ten Reihenschaltungszweig 34 aus jeweils zwei in Reihe ge schalteten Leistungshalbleiterschaltern 20, 21 beziehungswei se 22 und 23. Der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalb leiterschaltern 20, 21 des ersten Reihenschaltungszweiges 33 ist mit der ersten Anschlussklemme 13 und der Potenzialpunkt zwischen den Leistungshalbleiterschaltern 22 und 23 des zwei ten Reihenschaltungszweiges 34 ist mit der Anschlussklemme 14 des Submoduls 12 verbunden.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei aus Gründen der Übersicht lediglich die Bauteile zur Verbindung mit einer Phase des Hochspannungsnetzes 17 gezeigt sind. Weiterhin sind die Hoch spannungsanschlüsse 8 und der Kessel 2 nicht mehr verdeut licht .

Es ist erkennbar, dass jeder Sättigungsschaltzweig 10 bezie hungsweise 11 aus einer Reihenschaltung aus mehreren Submodu len 12 besteht, die von der Steuerungseinheit 26 entweder al le identisch oder unterschiedlich angesteuert werden, so dass die Gleichspannung zum Erzeugen des zur Sättigung der Kern schenkel 3, 4 dienenden Gleichstroms den jeweiligen Anforde rungen entsprechend skalierbar ist.

Figur 4 zeigt ein Submodul 12 gemäß Figur 2, wobei der Ener giespeicher 24 als unipolarer Kondensator ausgebildet ist. Ferner ist eine Ladeeinheit 35 verdeutlicht, die aus einer Wechselstromquelle 36 und einem Gleichrichter 37 zusammenge setzt ist. Der Gleichrichter 37 besteht aus zwei Phasenmodul zweigen 38 und 39, die jeweils einen Gleichspannungsanschluss 40 beziehungsweise 41 sowie einen Wechselspannungsanschluss 42 und 43 aufweisen. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss 42, 43 und jedem Gleichspannungsanschluss 40 bzw. 41. ist ein Schaltzweig angeordnet, der mit wenigstens einem Leistungs halbleiter bestückt ist. Der Gleichspannungsanschluss 40 ist mit einem ersten Pol des Kondensators 24 verbunden, wobei der Gleichspannungsanschluss 41 mit dem zweiten Pol des Kondensa tors 24 verbunden ist. Ein solcher Gleichrichter ist jedoch bekannt, so dass so dass auf eine genauere Darstellung seiner Topologie und Wirkungsweise an dieser Stelle verzichtet wer den kann.

Die Wechselspannungsquelle 36 ist als Transformator reali siert, der eine Primärwicklung 44 sowie eine Sekundärwicklung 45 aufweist, die über einen Kern 46 induktiv miteinander ge koppelt sind. Zur Glättung der entstehenden Wechselspannung dient eine Glättungsdrossel 47. Die Ladeeinheit 35 verfügt ferner über einen Schalter 48, der einem Schaltwiderstand 49 parallel geschaltet ist. Mit Hilfe des Schalters 48 kann der Widerstand 49 zugeschaltet oder überbrückt werden, so dass es zur gewünschten Aufladung des Kondensators 24 des Submoduls 12 kommt. Ein Beschaltungskondensator 50 dient zur Vermeidung von Überspannungen an der Sekundärwicklung 45.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Submo duls 12, das anstelle eines einzelnen Kondensators als

Gleichspannungsquelle 24 eine Reihenschaltung mehrerer Batte rien 51 aufweist. Anstelle von Batterien 51 können bei einer abweichenden Ausgestaltung der Erfindung aufladbare Akkumula toren eingesetzt werden.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Vorrichtung, die eine gegenüber der Vorrichtung gemäß Figur 4 abweichende Ladeeinheit 35 aufweist. Die ge zeigte Ladeeinheit dient nur für die anfängliche Aufladung der Schaltzweige gedacht, bis der Betriebszustand herge stellt. Anschließend kann der Ladezweig 35 entfernt werden und jeder Schaltzweig durch geschickte Regelung aus dem Last strom versorgt werden. Die Gleichspannungsquelle 24 der Sub- module 12 ist wieder als Kondensator ausgeführt. In diesem Falle ist jedoch jeder Sättigungsschaltzweig 10 oder 11 über einen Ladeschalter 52 beziehungsweise 53 mit der Ladeeinheit 35 verbindbar, so dass für beide Sättigungsschaltzweige 10,

11 lediglich eine Ladeeinheit vorgesehen ist. In dem in Figur 6 schematisch gezeigten Fall verfügt die Ladeeinheit 35 wie der über eine Gleichspannungsquelle 54, die über zweckmäßige Beschaltungswiderstände 55 mit den jeweiligen Ladeschaltern 52 beziehungsweise 53 verbunden ist. Die Gleichspannungsquel le 54 umfasst beispielsweise einen Gleichrichter, der mit ei ner Wechselstromquelle verbunden ist. Abweichend davon ist die Gleichspannungsquelle 54 als Batterie, Supercap, Akkumu lator oder dergleichen ausgeführt.

Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Vorrichtung 1, die sich von dem in den vorheri gen Figuren gezeigten Vorrichtungen 1 dahin unterscheidet, dass lediglich ein Sättigungsschaltkreis 10 vorgesehen ist, der sowohl mit dem Niederspannungsende 9 der ersten Hochspan nungswicklung 5 als auch mit dem Niederspannungsende 9 der zweiten Hochspannungswicklung 6 verbunden ist. Dazu ist die erste Anschlussklemme 13 des Submoduls 12 an die zweite Hoch spannungswicklung 6 angeschlossen, während die zweite An schlussklemme 14 des Submoduls 12 mit der Niederspannungssei te 9 der ersten Hochspannungswicklung 5 verbunden ist. Sowohl die erste Anschlussklemme 13 als die zweite Anschlussklemme

14 sind mit Hilfe der Erdungsschalter 55 beziehungsweise 56 mit dem Erdpotenzial 15 verbindbar, wobei die Schalter 55 be ziehungsweise 56 als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet und von der Steuerungseinheit 26 ansteuerbar sind. Die hierzu notwendigen Signalleitungen sind mit den Ladeschaltern 55, 56 und der Steuereinheit 26 verbunden und in Figur 7 gestrichelt dargestellt. Um das Submodul 12 mit der gewünschten Polari sierung zwischen die erste Hochspannungswicklung 5 und Erde

15 zu schalten, wird der Erdungsschalter 55 geöffnet und der Erdungsschalter 56 geschlossen. Durch Schließen der Leis tungshalbleiterschalter 21 und 22 ist die Gleichspannungs quelle 24 in Reihe zur ersten Hochspannungswicklung 5 ge schaltet und treibt einen Sättigungsgleichstrom vom Submodul

12 zur Hochspannungswicklung 5 hin. Durch Öffnen des Erdungs- Schalters 56 und Schließen des Erdungsschalters 55 und durch Schließen der Leistungshalbleiterschalter 22 und 21, wobei die Leistungshalbleiterschalter 20 und 23 geöffnet sind, kann die Gleichspannungsquelle 24 mit der gewünschten Polarisie- rung in Reihe zur zweiten Hochspannungswicklung 6 geschaltet werden .