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Patent Searching and Data


Title:
THREE-PHASE TRANSFORMER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/206706
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a three-phase transformer, having three windings on the primary side and three windings on the secondary side, wherein the winding axes of the pairs of windings that are associated with the same phase coincide, the three winding axes in total run parallel and the points of intersection with a plane perpendicular to the winding axes form an equilateral triangle, and the windings on the primary side are mounted on a ferrite base plate on the primary side and the windings on the secondary side are mounted on a ferrite base plate on the secondary side.

Inventors:
KOMMA, Thomas (Seumestraße 162, Leipzig, 04249, DE)
LEU, Carsten (Arndtstr. 11, Ilmenau, 98693, DE)
PETZOLDT, Jürgen (Schleusinger Allee 12, Ilmenau, 98693, DE)
Application Number:
EP2019/059627
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 15, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H01F30/12; H01F3/14; H01F27/22; H01F27/255; H01F27/26; H01F27/30; H01F27/32; H01F27/36; H02M3/00
Foreign References:
GB680206A1952-10-01
US20130113587A12013-05-09
JP5037559B22012-09-26
CN206991902U2018-02-09
CN202759382U2013-02-27
CN105958830A2016-09-21
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche

1. Dreiphasiger Transformator (100, 200) mit drei primärsei tigen und drei sekundärseitigen Wicklungen (110, 112, 114, 120, 122, 124), wobei

- die primärseitigen und/oder die sekundärseitigen Wicklungen (110, 112, 114, 120, 122, 124) zirkulare Wicklungen sind,

- die Wicklungsachsen (130, 132, 134) der Paare von Wicklun gen (110, 112, 114, 120, 122, 124), die derselben Phase zu geordnet sind, übereinstimmen,

- die insgesamt drei Wicklungsachsen (130, 132, 134) parallel verlaufen und die Schnittpunkte (136, 138, 140) mit einer senkrecht zu den Wicklungsachsen (130, 132, 134) liegenden Ebene ein gleichseitiges Dreieck ausbilden,

- die primärseitigen Wicklungen (110, 112, 114) auf einer primärseitigen Ferritbodenplatte (150, 152) und die sekun därseitigen Wicklungen (120, 122, 124) auf einer sekundär seitigen Ferritbodenplatte (160, 162) aufgebracht sind,

- die primärseitigen Wicklungen (110, 112, 114) und die pri märseitige Ferritbodenplatte (150, 152) durch einen Luft spalt von den sekundärseitigen Wicklungen (120, 122, 124) und der sekundärseitigen Ferritbodenplatte (160, 162) ge trennt sind.

2. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach Anspruch 1, bei dem die Wicklungen (110, 112, 114, 120, 122, 124) denselben Durchmesser haben.

3. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Ferritbo denplatten (150, 152, 160, 162) ein zentrales Kernjoch (180) umfasst .

4. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Ferritbo denplatten (150, 152, 160, 162) die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat.

5. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der Ferritbo denplatten (150, 152, 160, 162) drei von einem Zentralpunkt ausgehende Arme (156) aufweist, die zueinander jeweils einen Winkel von 120° einschließen.

6. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis von Wicklungs querschnitt zu Luftspalt zwischen 5 und 40, insbesondere zwi schen 10 und 20 beträgt.

7. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, bei dem die Ferritbodenplatten (150, 152, 160, 162) jeweils auf einem Schirmblech (170, 172), ins besondere einem Schirmblech aus Aluminium oder Kupfer, ange ordnet sind.

8. Dreiphasiger Transformator (100, 200) nach Anspruch 7, bei dem das Schirmblech (170, 172) ein Kühlkörper ist.

9. DC/DC-Wandler (300) mit einem dreiphasigen Transformator (100, 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der zwi schen eine Wechselrichteranordnung (310) und eine Gleichrich teranordnung (320) geschaltet ist.

10. DC/DC-Wandler (300) nach Anspruch 9, der als Resonanz wandler ausgestaltet ist und in Serie zur den primärseitigen und sekundärseitigen Wicklungen (110, 112, 114, 120, 122,

124) Resonanzkapazitäten (330) aufweist.

11. Dual-Active-Bridge (400) mit einem Transformator (100, 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Description:
Beschreibung

Dreiphasiger Transformator

Die Erfindung betrifft einen dreiphasigen Transformator mit drei primärseitigen und drei sekundärseitigen Wicklungen, wo bei die Wicklungsachsen der Paare von Wicklungen, die dersel ben Phase zugeordnet sind, übereinstimmen.

Transformatoren für Mittelspannungsanwendungen werden her kömmlich als Kern- oder Manteltransformator ausgeführt. Die Windungen einer Primär- und Sekundärwicklung befinden sich auf einem gemeinsamen Schenkel übereinander oder nebeneinan der. Primär- und Sekundärwicklung sind entsprechend der Span nungsebenen und notwendiger Potenzialtrennung voneinander und vom Kern zu isolieren. Die Isolationsstrecken wachsen mit der zu isolierenden Spannung und sind bei höheren Spannungen maß geblich platzbestimmend. Insbesondere bei Mittelspannungs transformatoren für höhere Arbeitsfrequenzen gewinnt die Iso lation eine erhöhte Bedeutung für den Bauraum.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dreiphasigen Transformator, insbesondere für Mittelspannungs anwendungen, anzugeben, der verringerte Anforderungen an den Bauraum aufweist, also kleiner aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen dreiphasigen Transformator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche be treffen vorteilhafte Ausgestaltungen für den Transformator.

Der erfindungsgemäße dreiphasige Transformator umfasst drei primärseitige und drei sekundärseitige Wicklungen, wobei die Wicklungsachsen der Paare von Wicklungen, die derselben Phase zugeordnet sind, übereinstimmen. Dabei verlaufen die insge samt drei Wicklungsachsen parallel und die Schnittpunkte mit einer senkrecht zu den Wicklungsachsen liegenden Ebene bilden ein gleichseitiges Dreieck aus. Die primärseitigen Wicklungen sind auf einer primärseitigen Ferritbodenplatte und die se- kundärseitigen Wicklungen auf einer sekundärseitigen Ferrit bodenplatte aufgebracht.

Die primärseitigen und/oder die sekundärseitigen Wicklungen sind zirkulare Wicklungen. Die primärseitigen Wicklungen und die primärseitige Ferritbodenplatte sind durch einen Luft spalt von den sekundärseitigen Wicklungen und der sekundär seitigen Ferritbodenplatte getrennt.

Vorteilhaft weist der dreiphasige Transformator gemäß der Er findung einen völlig symmetrischen Aufbau auf, was zu eben falls symmetrischen magnetischen Flüssen und Magnetisierungs strömen führt. Weiterhin werden primärseitige und sekundär seitige Kernhälften mit deren Wicklungssystemen über einen größeren Spalt voneinander getrennt. Dieser Spalt fungiert gleichzeitig als Isolation, was die Isolierung vereinfacht und eine Reduktion des Bauvolumens erlaubt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Transfor mators gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Transformator noch zusätzlich folgen de Merkmale vorgesehen werden:

- Die Isolation zwischen den Wicklungen kann aus Luft beste hen oder ein festes Isoliermaterial umfassen.

- Wenigstens eine der Ferritbodenplatten kann ein zentrales Kernjoch umfassen. Für den Fall unsymmetrischer Wicklungs ströme kann sich der daraus resultierende magnetische Rest fluss über das zentrale Kernjoch schließen.

- Eine oder beide der Ferritbodenplatten können die Form ei nes gleichseitigen Dreiecks haben. Dadurch ergeben sich vorteilhaft völlig symmetrische magnetische Widerstände. - Eine oder beide der Ferritbodenplatten können drei von ei nem Zentralpunkt ausgehende Arme aufweisen, die zueinander jeweils einen Winkel von 120° einschließen. Mit anderen Worten sind die Ferritbodenplatten sternartig aufgebaut. Dadurch wird ebenfalls ein völlig symmetrischer Aufbau er reicht .

- Die zirkularen Wicklungen haben bevorzugt denselben Durch messer .

- Die Ferritplatten können jeweils auf einem Schirmblech, insbesondere einem Schirmblech aus Aluminium oder Kupfer, angeordnet sein. Die Ferritplatten dienen der Flussführung auf der Rückseite der Wicklungen, um in eventuell dahinter befindlichen Schaltungsteilen Spannungsinduktionen zu ver meiden. Das Schirmblech wiederum hält den magnetischen Restfluss innerhalb der Anordnung hält.

- Das Schirmblech kann als Kühlkörper ausgestaltet sein. Vor teilhaft wird dadurch weiterer Aufwand zur Kühlung vermie den .

- Die Kopplung der Wicklungen kann zwischen 60% und 80% be tragen. Dies kann insbesondere durch die Wahl des Luftspal tes erreicht werden, über den die Streuinduktivität der An ordnung als auch die Kopplung des Systems eingestellt wer den. Eine Erhöhung des Luftspalts bedeutet eine Erhöhung des Streuflusses verbunden mit einer Erhöhung der Streuin duktivität sowie einer Reduzierung der Kopplungsinduktivi tät. Der Kopplungsfaktor ist günstig realisierbar mit einem Verhältnis Induktorquerschnitt / Luftspalt von 10 bis 20. Damit ist ein ausreichender Magnetisierungsstrom in Leer laufnähe der Schaltung gewährleistet und die zur Spannungs steuerung notwendige Streuinduktivität wird ausreichend groß .

- Der dreiphasige Transformator kann vorteilhaft in einem DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Darin ist er zweckmäßig zwischen eine Wechselrichteranordnung und eine Gleichrich teranordnung geschaltet. Der DC/DC-Wandler kann als Reso nanzwandler ausgestaltet sein und dazu in Serie zur den primärseitigen und sekundärseitigen Wicklungen Resonanzka pazitäten aufweisen. Dabei kann der Transformator durch ge eignete Wahl des Luftspalts so ausgelegt sein, dass seine parasitären Induktivitäten ausreichende Reihen- und Paral lelinduktivitäten darstellen, die eine Spannungsstellung und einen resonanten Betrieb auch in Leerlaufnähe erlauben. Dadurch können vorteilhaft für den Bauraum eigene Beuteile als Reihen- und Parallelinduktivitäten entfallen. Auch ein Dual-Active-Bridge-Aufbau kann vorteilhaft mit dem dreipha sigen Transformator realisiert werden.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche matisiert dargestellt. Es zeigen

Figur 1 ein dreiphasiger Transformator in Draufsicht;

Figur 2 der dreiphasige Transformator in Seitenansicht;

Figur 3 eine alternative Form des Transformators in Drauf sicht ;

Figur 4 ein elektrisches Schaltbild eines Resonanzwandlers mit einem dreiphasigen Transformator;

Figur 5 ein elektrisches Schaltbild einer Dual-Active-Bridge mit einem dreiphasigen Transformator.

Der Aufbau eines für die Erfindung beispielhaften dreiphasi gen Transformators 100 ist in zwei Ansichten in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Pri märseite des Transformators 100, wobei der gezeigte Aufbau auch für die Sekundärseite des Transformators 100 gilt. Die Induktivitäten des Transformators 100 werden durch zirkulare Wicklungen 110, 112, 114 gebildet. Diese zirkularen Wicklun gen 110, 112, 114 sind auf eine Ferritbodenplatte 150 aufge bracht. Die Ferritbodenplatte 150 ist ihrerseits auf einem quadratischen Schirmblech 170 aufgebracht. In der Sekundär- Seite werden die Induktivitäten des Transformators 100 durch zirkulare Wicklungen 120, 122, 124 gebildet. Diese zirkularen Wicklungen 120, 122, 124 sind auf einer Ferritbodenplatte 160 aufgebracht. Die sekundärseitige Ferritbodenplatte 160 ist ihrerseits auf einem quadratischen Schirmblech 172 aufge bracht .

In Figur 2 ist der dreiphasige Transformator 100 in Seitenan sicht dargestellt. Dabei sind die Aufbauten entsprechend der Figur 1 so angeordnet, dass die zirkularen Wicklungen 110, 112, 114, 120, 122, 124 einander zugewandt sind. Weiterhin sind die Wicklungen 110, 112, 114, 120, 122, 124 paarweise koaxial angeordnet. Mit anderen Worten liegen die beiden Wicklungen 110, 112, 114, 120, 122, 124, die zu einer Phase gehören, auf einer gemeinsamen Achse 130, 132, 134 und sind entlang dieser zueinander versetzt. Dabei sind die drei Ach sen 130, 132, 134 so angeordnet, dass die Schnittpunkte 136, 138, 140 mit einer gedachten Ebene senkrecht zu den Achsen 130, 132, 134 ein gleichseitiges Dreieck bilden.

Die Ferritbodenplatte 150, 160 ist in diesem Ausführungsbei spiel dreiarmig gestaltet, wobei die drei Arme 156 von einem zentralen Punkt im Zentrum der Schnittpunkte 136, 138, 140 ausgehen und zum jeweiligen Zentrum der Wicklungen 110, 112,

114, 120, 122, 124 führen. In der zentralen Öffnung der zir kularen Wicklungen 110, 112, 114, 120, 122, 124 ist jeweils ein vom jeweiligen Arm 156 der jeweiligen Ferritbodenplatte 150, 160 ausgehendes Joch 154, 164 angeordnet. Im Zentrum der Schnittpunkte 136, 138, 140 weist die jeweilige Ferritboden platte ein zentrales Kernjoch 180 auf, über das sich der mag netische Restfluss im Fall unsymmetrischer Wicklungsströme schließen kann.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Transformator 200, der ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Dabei ist wieder die Primärseite dargestellt, wobei die Sekundär seite entsprechend aufgebaut ist. Verändert gegenüber dem Transformator 100 gemäß der Figuren 1 und 2 sind die Ferrit- bodenplatten 152, 162. Diese sind nicht mehr dreiarmig ge staltet, sondern als Platte in der Form eines gleichseitigen Dreiecks

Figur 4 zeigt ein elektrisches Schaltbild für einen als Reso nanzwandler gestalteten DC/DC-Wandler 300, der einen erfin dungsgemäßen Transformator, beispielsweise einen Transforma tor 100, 200 gemäß der Figuren 1 bis 3 umfasst. Dabei ist der Transformator 100, 200 zwischen eine Wechselrichteranordnung 310 und eine Gleichrichteranordnung 320 geschaltet. Sowohl primär- als auch sekundärseitig sind in den Ausgangsleitungen der Wicklungen 110, 112, 114, 120, 122, 124 Resonanzkapazitä ten 330 vorgesehen, um die Funktion als Resonanzwandler zu ermöglichen. Durch den Aufbau des Transformators 100, 200 werden die Parallelinduktivität sowie die Serieninduktivität, die normalerweise zur Spannungsstellung und für den Leerlauf betrieb notwendig sind, unnötig und können vorteilhafterweise entfallen. Durch die Wicklungskonfiguration wird die für die Topologie wichtige große Serieninduktivität in Form einer großen Streuung durch den Transformator 100, 200 selbst be- reitgestellt . Weiterhin wird auch die für den ZVS-Betrieb in Leerlaufnähe geringe Parallelinduktivität durch den Transfor mator 100, 200 selbst erreicht.

Figur 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild für eine alternati ve Anwendung des Transformators 100, 200 in einem Dual- Active-Bridge-Aufbau 400. Dabei entspricht der Aufbau soweit in Figur 4 und 5 dargestellt dem der Figur 4. Allerdings sind in dem Wandler gemäß der Figur 5 keine Resonanzkapazitäten vorgesehen .