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Title:
ARRANGEMENT AND METHOD FOR THE COMPENSATION OF A MAGNETIC UNIDIRECTIONAL FLUX IN A TRANSFORMER CORE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/041367
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for reducing the unidirectional flux fraction in the core of a transformer, comprising: - a compensation winding (3) that is magnetically coupled to the core (4) of the transformer, - a DC generator (1) arranged in series with the compensation winding (3) and a reactance dipole (5), wherein the reactance dipole (5) is formed by a parallel circuit of an inductivity and a capacitor, in order to feed a compensating current (IGL) into the compensation winding (3), the action of said compensating current being directed opposite to the unidirectional flux fraction in the core (4). The arrangement is characterized in that - the inductivity is formed by a first winding (6) that is magnetically coupled to a second winding (7), the ratio being formed from the winding number N2 of the second winding (7) and the winding number N1 of the first winding (6) according to the relation N2/N1 < 1, - the first winding (6) is connected with its one end to the DC generator (1) and with its other end to the compensation winding (3) and - the second winding (7) is mounted in parallel with the capacitor (C).

Inventors:
HAMBERGER PETER (AT)
LEIKERMOSER ALBERT (AT)
Application Number:
PCT/EP2010/064393
Publication Date:
April 05, 2012
Filing Date:
September 29, 2010
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS TRANSFORMERS AUSTRIA GMBH & CO KG (AT)
HAMBERGER PETER (AT)
LEIKERMOSER ALBERT (AT)
International Classes:
H01F29/14
Domestic Patent References:
WO2008151661A12008-12-18
Foreign References:
DE634027C1936-08-15
GB2224407A1990-05-02
US2730667A1956-01-10
US20060049890A12006-03-09
JPH0263310A1990-03-02
JP2002204137A2002-07-19
DE10241249A12004-03-18
EP0705572W
Attorney, Agent or Firm:
MAIER, DANIEL (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Anordnung zum Verringern eines Gleichfeldanteils im Kern eines Transformators, umfassend:

- eine Kompensationswicklung (3) , die mit dem Kern

(4) des Transformators magnetisch gekoppelt ist, - einen Gleichstromerzeuger (1), der in Reihe mit der Kompensationswicklung (3) und mit einem

Reaktanzzweipol (5) angeordnet ist, wobei der Reaktanzzweipol (5) aus einer Parallelschaltung einer

Induktivität und einem Kondensator gebildet ist, um in die Kompensationswicklung (3) einen

Kompensationsstrom (IGL) einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfeldanteil im Kern (4) entgegengesetzt gerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Induktivität aus einer ersten Wicklung

(6) gebildet ist, welche mit einer zweiten Wicklung

(7) magnetisch gekoppelt ist, wobei das Verhältnis gebildet aus der Windungszahl 2 der zweiten Wicklung

(7) und der Windungszahl i der ersten Wicklung (6) gemäß der Beziehung 2/ 1 < 1 gebildet ist,

- dass die erste Wicklung (6) mit ihrem einen Ende mit dem Gleichstromerzeuger (1) und mit ihrem anderen Ende mit der Kompensationswicklung (3) verbunden ist, und

- dass die zweite Wicklung (7) mit dem Kondensator (C) parallel geschaltet ist. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die magnetische Kopplung der ersten Wicklung (6) und der zweiten Wicklung (7) mittels eines weichmagnetischen Kerns (8) hergestellt ist, der einen Luftspalt aufweist. 3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Kopplung ε zwischen der ersten Wicklung (6) und der zweiten Wicklung (7) durch die Beziehung ε [ (l -1) /l ] für alle l { 3, 5, 7, 9, ... } gebildet ist.

Verfahren zum Verringern eines Gleichfeldanteils im Kern eines Transformators, wobei ein Gleichstromerzeuger ( 1 ) in eine mit dem Kern (4) des Transformators gekoppelte Kompensationswicklung (3) einen Kompensationsstrom (IGL) einspeist, der in seiner Wirkung dem Gleichfeldanteil entgegengesetzt gerichtet ist, wobei der

Kompensationsstrom (IGL) in einen Stromkreis (2) mit einem Reaktanzzweipol (5) geführt wird, wobei der

Reaktanzzweipol (5) eine Induktivität und eine Kapazität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man als

Induktivität eine Anordnung aus zwei magnetisch

gekoppelten Spulen (6, 7) verwendet.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kopplung der beiden Spulen (6, 7) ein Magnetkern (8) mit einem Luftspalt verwendet wird.

Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch

gekennzeichnet, dass der Grad der Kopplung ε zwischen der ersten Wicklung (6) und der zweiten Wicklung (7) durch die Beziehung ε Φ [ (n2-l) /ll2] für alle l { 3, 5, 7, 9, ... } vorgegeben wird.

Verfahren zum Umrüsten eines Transformators, an dessen Kern zumindest eine Kompensationsspule (3) angeordnet ist, welche mit einem Gleichstromerzeuger (1) verbunden ist um in die Kompensationsspule (3) einen

Kompensationsstrom einzuspeisen, der einem Gleichfluss- Anteil im Kern des Transformators in seiner Wirkung entgegengerichtet ist, wobei eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet wird, oder ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5 durchgeführt wird.

Description:
Beschreibung

Anordnung und Verfahren zur Kompensation eines magnetischen Gleichflusses in einem Transformatorkern

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Kompensation eines magnetischen Gleichflusses in einem

Transformatorkern, mit einem Gleichstromerzeuger zum

Einspeisen eines Kompensationsstroms in eine mit dem

Transformatorkern magnetisch gekoppelte

Kompensationswicklung .

Stand der Technik

Elektrische Transformatoren wie sie typischerweise heutzutage in einem Energieverteilungsnetz verwendet werden, werden zunehmend mit einer Stromkomponente beaufschlagt, welche bezüglich des Energie-Verteilungsnetzes als Gleichstrom- Komponente anzusehen sind. Diese Gleichstrom-Komponente, im Folgenden auch als "DC-Anteil" bezeichnet, kann

beispielsweise aus dem verstärkten Einsatzes von

leistungselektronischen Bauteilen im Netz herrühren, wie sie üblicherweise für die Ansteuerung elektrischer Antriebe oder zur Blindleistungskompensation verwendet werden. Ein "DC- Anteil" kann aber auch durch sogenannte "Geomagnetically Induced Currents" (GIC) verursacht werden. Folge eines "DC- Anteils" ist ein magnetischer Gleichfluss-Anteil im Kern. Es kommt zu einer Verschiebung bei der magnetischen

Aussteuerung, das heißt je nach Halbperiode erfolgt die

Aussteuerung einmal etwas mehr, dann wieder etwas weniger stark. Da man heute grundsätzlich bestrebt ist, den

magnetischen Kernwerkstoffs möglichst mit einer hohen

Ausnutzung zu betreiben, ist der Transformator heutiger Bauart bezüglich eines "DC-Anteils" besonders empfindlich. Obwohl in der Praxis der Gleichstrom häufig nur einige

Promille des Transformator-Nennstroms ausmacht, führt er zu einer Reihe von störenden Effekten. Da der

Magnetisierungsstrom nicht mehr sinusförmig ist, sondern verzerrt ist, kommt es zu lokalen Erwärmungen im

Transformatorkern und in der elektrischen Wicklung. Lokale Erwärmungen, so genannte "not spots" können die

Isolationseigenschaften der elektrischen Wicklung

beeinträchtigen. Aufgrund der stärkeren Magnetostriktion erhöht sich außerdem die Geräuschemission bei Betrieb des Transformators. Eine erhöhte Geräuschentwicklung ist aber insbesondere dann von Nachteil, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert werden soll. Es besteht daher der Wunsch, den magnetischen Gleichfluss-Anteil im Transformatorkern möglichst gering zu halten.

Eine Möglichkeit den störenden Gleichfluss-Anteil zu

reduzieren besteht darin, am Transformatorkern eine

Kompensationswicklung anzuordnen, in welche mittels einer steuerbaren Gleichstromquelle ein Kompensationsstrom

eingespeist wird, der dem Gleichfluss-Anteil entgegen

gerichtet ist. Dabei tritt das Problem auf, dass in der

Kompensationswicklung eine elektrische Spannung in einer Größenordnung induziert wird, welche für die einspeisende Gleichstromquelle eine sehr hohe Spannungsbürde bedeutet.

In der PCT/EP20007/055728 wird daher vorgeschlagen, die

Kopplung zwischen der Gleichstromquelle und der

Kompensationswicklung über einen Sperrkreis, einen so

genannten Reaktanzzweipol herzustellen. In seiner einfachsten Ausprägung besteht dieser Reaktanzzweipol aus einer

Parallelschaltung eines Kondensators und einer Induktivität. Da am Reaktanzzweipol nahezu die gesamte induzierte Spannung abfällt, muss der Kondensator für diese hohe Spannung

ausgelegt sein. Bei Transformatoren mit hoher Leistung, das heißt hoher Betriebsspannung, ergeben sich daraus sehr hohe technische Anforderungen an den Kondensator. Kondensatoren die diese Anforderungen erfüllen sind nicht nur sehr kostspielig, sondern auch sehr voluminös. Die hohe Betriebsspannung beeinträchtig auch die Zuverlässigkeit des Kondensators und damit die des Reaktanzzweipols.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren so anzugeben, dass mit einem möglichst geringen technischen Aufwand und mit hoher Zuverlässigkeit eine Einspeisung eines Kompensationsstroms in eine

Kompensationswicklung eines Transformators möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Erfindungsgemäß wird bei der Einspeisung eines

Kompensationsstroms in die Kompensationswicklung eines

Transformators ein Reaktanzzweipol verwendet, bei dem im Parallelzweig des Kondensators die Spannung herabgesetzt ist. Diese Herabsetzung der Spannung wird dadurch erreicht, indem die Induktivität nach Art eines Koppeltransformators

ausgebildet ist und zwei Wicklungen aufweist: Eine erste

Wicklung ist zum Zweck der Einspeisung mit ihrem einen Ende mit den Gleichstromerzeuger und mit ihrem anderen Ende mit der Kompensationswicklung verbunden. Eine zweite Wicklung bildet mit dem Kondensator eine Parallelschaltung. Durch entsprechende Wahl der Windungszahl der ersten und zweiten Wicklung lässt sich die Spannungsbelastung des Kondensators herabsetzen. Die Herabsetzung der Spannung für den

Reaktanzzweipol-Kondensator kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, indem das Verhältnis, gebildet aus der

Windungszahl 2 der zweiten Wicklung und der Windungszahl i der ersten Wicklung gemäß der Beziehung 2 / 1 < 1 ausgeführt wird. Die Spannung am Kondensator kann dadurch frei wählbar verringert werden. Bei der Auslegung des Sperrkreises (Resonanzbedingung des Parallelkreises) kann die verringerte Spannung durch entsprechende Wahl der Kapazität leicht ausgeglichen werden: Verglichen mit einem Reaktanzzweipol der nur aus einer Wicklung besteht, muss der Kondensator eine um ( ι/ 2 ) 2 höhere Kapazität haben. Der Reaktanzzweipol weist daher eine bessere technische Zuverlässigkeit auf und ist kostengünstiger in der Herstellung. Ein zusätzlicher

Koppeltransformator ist nicht erforderlich. Da wie gesagt über die erste Wicklung der Kompensationsstrom fließt, muss der Wert dieser Induktivität im Wesentlichen konstant bleiben, das heißt, sie ist so auszuführen, dass möglichst keine Sättigungserscheinungen auftreten. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der magnetische Kern, der die erste mit der zweiten Wicklung koppelt, mit einem Luftspalt versehen ist.

Damit die in der Kompensationswicklung induzierte Spannung nahezu vollständig über den Reaktanzzweipol abfällt, sollte der Reaktanzzweipol für alle Frequenzen entsprechend einem ungeradzahligen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz eine möglichst hohe Impedanz aufweisen. Nun ist es aber so, dass der Reaktanzzweipol für die Grundschwingung die größte

Impedanz aufweist, je stärker die induktive Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung ist. Für die

Oberschwingung ist es jedoch gerade umgekehrt, die

vorteilhafte Impedanz für die Oberschwingungen ist dann gegeben, wenn die Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung möglichst klein ist. Ein für die Praxis günstiger Kompromiss dieser beiden gegensätzlichen

Anforderungen ist dann gegeben, wenn der Grad der Kopplung ε zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung durch die Beziehung ε [ (l 2 -l) /n 2 ] für alle ε { 3, 5, 7, 9, ... } gebildet ist. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnung Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Wirkungen und

Vorteile der Erfindung hervorgehen.

Es zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Reaktanzzweipol,

ausgebildet als Parallelschwingkreis, wobei die Induktivität aus einer ersten und einer zweiten Wicklung gebildet ist.

Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine mit dem Kern 4 eines nicht näher dargestellten Transformators magnetisch gekoppelte

Kompensationswicklung 3. Zum Zwecke der Verringerung oder Auslöschung eines im Kern 4 des Transformators fließenden Gleichfluss-Anteils , soll in die Kompensationswicklung 3 ein entsprechender Kompensationsstrom eingespeist werden.

Üblicherweise besteht die Kompensationswicklung nur aus einer Wicklung mit wenigen Windungen.

Der Kompensationsstrom ist ein Gleichstrom und wird von einem Gleichstromerzeuger 1 erzeugt. Dieser Gleichstromerzeuger 1 kann aus einer gesteuerten Halbleiter-Schaltvorrichtung bestehen. Der Gleichstromerzeuger 1 ist über einen Stromkreis 2 mit der Kompensationswicklung 3 verbunden. Eine nicht näher dargestellte Mess- und Steuereinrichtung gibt das maß des eingespeisten Kompensationsstroms IGL vor .

Um die Spannungsbürde für den Gleichstromerzeuger 1 möglichst gering zu halten, befindet sich im Stromkreis 2 ein Reaktanzzweipol 5, der erfindungsgemäß wie folgt ausgebildet ist : .

Der Reaktanzzweipol 5 besteht aus einer Parallelschaltung einer Kapazität C mit einer erfindungsgemäß aus zwei

Wicklungen 6 und 7 (Induktivitäten LI und L2) gebildeten Induktivität. Die erste Wicklung 6 (Induktivitäten LI) liegt im Stromkreis 2 in Serie zum Gleichstromerzeuger 1 und der Kompensationswicklung 3. Die zweite Wicklung 7

(Induktivitäten L2) liegt außerhalb des Strompfads 2 und ist mit einem Kondensator C parallel geschaltet. Die am

Kondensator C anliegende Spannung ist durch ein geeignetes Verhältnis der Windungszahlen Nl und N2 herabgesetzt. Damit kann ein kostengünstiger Kondensator gewählt werden.

Zweckmäßig ist eine Anordnung, bei der nur die

Kompensationswicklung im Transformatorkessel angeordnet und die anderen Baukomponenten außerhalb. Im Ergebnis ist die Spannungsbürde des Gleichstromerzeugers 1 mit einer einfachen und zuverlässig wirkenden

Schaltungsvorrichtung herabgesetzt, so dass diese

kostengünstig ausgeführt werden kann.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Gleichstromerzeuger

2 Strompfad

3 Kompensationswicklung

4 Kern des Transformators

5 Reaktanzzweipol

6 erste Wicklung

7 zweite Wicklung

8 weichmagnetischer Kern der Induktivität des Reaktanzzweipols

Kompensationsström