LEIKERMOSER ALBERT (AT)
HAMBERGER PETER (AT)
LEIKERMOSER ALBERT (AT)
WO2008151661A1 | 2008-12-18 | |||
WO2004013951A2 | 2004-02-12 | |||
WO2004013951A2 | 2004-02-12 |
US20040196675A1 | 2004-10-07 | |||
GB2013000A | 1979-08-01 | |||
US4346340A | 1982-08-24 | |||
DE3631438A1 | 1988-03-17 | |||
DE4021860C2 | 1996-08-22 | |||
DE4021860C2 | 1996-08-22 | |||
EP2010054857W | 2010-04-14 |
Patentansprüche Vorrichtung zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, umfassend : - eine Messeinrichtung (7), welche ein dem magnetischen Gleichfluss-Anteil entsprechendes Sensorsignal (6) bereitstellt, - eine Kompensationswicklung (K) , welche magnetisch mit dem Kern (4) des Transformators gekoppelt ist, - eine Schalteinheit (T) , welche elektrisch in einem Strompfad (3) in Reihe mit der Kompensationswicklung (K) angeordnet ist, um in die Kompensationswicklung (K) einen Strom einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit (T) mittels einer von einer Steuereinrichtung (2) bereitgestellten Stellgröße (9) steuerbar ist, - dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) während eines vorgebbaren Zeitintervalls (16), dessen EinschaltZeitpunkt (14) netzsynchron und nach Maßgabe der Stellgröße (9) in einen leitenden Zustand schaltbar ist, wobei eine Einrichtung zur Strombegrenzung im Strompfad (3) vorgesehen ist, und wobei der Steuereinrichtung (2) das Sensorsignal (6) zugeführt ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Strombegrenzung durch eine Strompfad (3) in Reihe zur Kompensationswicklung (K) zur Schalteinheit (T) geschaltete Induktivität (L) gebildet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Einrichtung (P) zum Erfassen der Phase der Spannung in der Kompensationswicklung (K) und Einrichtung (TS) zur Vorgabe des Zeitintervalls (16) umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) so gesteuert ist, dass der im Strompfad (3) fließende Strom (I GL) ein pulsierende Gleichstrom ist und die Schalteinheit (T) ausschaltet, wenn der Strom (I GD im Strompfad (3) null oder nahezu Null ist. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Gleichstrom (I GL) aus periodisch wiederkehrenden Halbwellen (18) und aus benachbarte Halbwellen (18) verbindende Stromlücken (17) gebildet ist . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) aus zumindest einem Halbleiterschalter, bevorzugt aus zumindest einem Thyristor, GTO oder IGBT gebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren gebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad (3) eine Sicherung (Si) und ein Schalter (S) angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (7) zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils ein magnetisches Nebenschluss-Teil mit einer Sensorspule umfasst, wobei das Nebenschluss-Teil am Kern des Transformators angeordnet ist, um einen Teil des magnetischen Flusses als Bypass zu führen, und das Sensorsignal von der in der Sensorspule induzierten Spannung abgeleitet oder daraus gebildet ist. 10. Verfahren zur Verringerung eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, mit einer Schalteinheit (T) , die von einer Steuereinrichtung (2) gesteuert ist, um in eine mit dem Kern (4) gekoppelte Kompensationswicklung (K) einen Kompensationsstrom (IGL) einzuspeisen, dessen Wirkung im Kern dem Gleichfluss-Anteil entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit (T) in einem Strompfad (3) in Reihe mit der Kompensationswicklung (K) angeordnet ist, wobei der im Strompfad (3) fließende Strom mittels einer Strombegrenzungseinrichtung begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) synchron zu der in der Kompensationswicklung (K) induzierten Spannung und nach Maßgabe eines Sensorsignals (6) zu einem Einschalt Zeitpunkt (14) eingeschaltet wird, wobei das Sensorsignal (6) von einer Messeinrichtung (7) zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils bereitgestellt und der Steuereinrichtung (2) zugeführt wird . 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung durch eine im Strompfad (3) in Reihe zur Kompensationswicklung (K) und zur Schalteinheit (T) geschaltete Induktivität (L) gebildet wird. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) mit einer Stellgröße (9) gesteuert wird, welche von einem in der Steuereinrichtung (2) vorhandenen Zeitglied (TS) vorgegeben wird, wobei das Zeitglied (TS) von einem Phasendetektor (P) , welcher die Phase der in der Kompensationswicklung (K) induzierten Spannung detektiert, getriggert wird. 13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) so angesteuert wird, dass in der Kompensationswicklung (K) ein pulsierender Gleichstrom (11) eingespeist wird. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende Gleichstrom (11) durch periodisch wiederkehrende sinusförmige Halbwellen (18) und dazwischen liegende Stromlücken (17) gebildet wird. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) am Ende einer Halbwelle in einem nahezu stromlosen oder in einem stromlosen Zustand ausgeschaltet wird. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (T) zumindest einen Thyristor umfasst und das Ausschalten durch das Unterschreiten des Haltestroms des zumindest einen Thyristors vorgegeben wird. 17. Verfahren zum Umrüsten eines Transformators, bei dem eine magnetisch mit dem Kern (4) des Transformators gekoppelte Kompensationswicklung (K) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verbunden wird oder das in den Ansprüchen 10 bis 16 definierte Verfahren in Verbindung mit der Kompensationswicklung (K) zur Anwendung gebracht wird. |
Vorrichtung und Verfahren zum Verringern eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators
Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verringern eines magnetischen Gleichfluss-Anteils im Kern eines Transformators, mit einer Messeinrichtung, welche ein dem magnetischen Gleichfluss-Anteil entsprechendes
Sensorsignal bereitstellt, mit einer Kompensationswicklung, welche magnetisch mit dem Kern des Transformators gekoppelt ist, mit einer Schalteinheit, welche elektrisch in einem Strompfad in Reihe mit der Kompensationswicklung angeordnet ist, um in die Kompensationswicklung einen Strom
einzuspeisen, dessen Wirkung dem Gleichfluss-Anteil
entgegengerichtet ist, wobei die Schalteinheit mittels einer von einer Steuereinrichtung bereitgestellten Stellgröße steuerbar ist; ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators.
Stand der Technik
Bei elektrischen Transformatoren, wie sie in Energie- Verteilungsnetzen eingesetzt werden, kann es zu einer
unerwünschten Einspeisung eines Gleichstroms in die
Primärwicklung oder Sekundärwicklung kommen. Eine solche Gleichstromeinspeisung, im Folgenden auch als DC-Anteil bezeichnet, kann beispielsweise von elektronischen
Baukomponenten herrühren, wie sie heutzutage bei der
Ansteuerung von elektrischen Antrieben oder auch bei der Blindleistungskompensation verwendet werden. Eine andere Ursache können so genannte "Geomagnetically Induced Currents" (GIC) sein. Ein DC-Anteil hat im Kern des Transformators einen Gleichfluss-Anteil zur Folge, der sich dem Wechselfluss überlagert. Dies führt zu einer unsymmetrischen Aussteuerung des magnetischen Werkstoffs im Kern und bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich. Bereits ein Gleichstrom von wenigen Ampere kann eine lokale Erwärmung im Transformator
verursachen, was die Lebensdauer der Wicklungsisolation beeinträchtigen kann. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist eine erhöhte Geräuschemission bei Betrieb des Transformators. Dies wird insbesondere dann als störend empfunden, wenn der Transformator in der Nähe eines Wohnbereichs installiert ist.
Zur Verringerung des Betriebsgeräusches eines Transformators sind verschiedene aktiv und passiv wirkende Einrichtungen bekannt. In der DE 40 21 860 C2 wird beispielsweise
vorgeschlagen, der Geräuschemission bereits in seiner
Entstehungsursache entgegenzutreten, nämlich die magnetische Wirkung des eingespeisten DC-Anteils direkt zu bekämpfen. Hierzu wird am Transformator eine zusätzliche Wicklung angebracht, eine so genannte Kompensationswicklung. In diese Kompensationswicklung, die üblicherweise nur einige Windungen aufweist, wird ein Kompensationsstrom eingespeist, welcher in seiner magnetischen Wirkung so gerichtet ist, dass er im Kern des Transformators dem magnetischen Fluss des störenden DC- Anteils entgegengerichtet ist. Die Einstellung des
eingespeisten Gleichstroms erfolgt nach Maßgabe eines
Einstellers oder eines Steuergeräts in Verbindung mit einem zugeordneten Messfühler, z.B. einem Mikrophon. Eine solche Messeinrichtung erfüllt aber nicht die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und dem angestrebten möglichst geringen
Wartungsaufwand, wie sie für Transformatoren in einem
Energie-Verteilungsnetz heutzutage gestellt werden. Um den Gleichfluss-Anteil im Kern eines Transformators möglichst zuverlässig zu erfassen, wird in der
unveröffentlichten PCT/EP2010/054857 eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, welche nach Art eines "magnetischen Bypass" arbeitet: mittels eines ferromagnetischen Nebenschluss-Teils wird ein Teil des magnetischen Hauptflusses am
Transformatorkern abgezweigt und stromabwärts wieder
zugeführt. Aus diesem abgezweigten und im Nebenschluss zum Kern geführten Flussanteil wird entweder direkt, oder
indirekt aus einer davon abgeleiteten physikalischen Größe, die magnetische Feldstärke in dem vom Nebenschlusszweig überbrückten Kernabschnitt ermittelt. Diese Erfassung der magnetischen Feldstärke, beziehungsweise der magnetischen Erregung, ist zuverlässiger und für den Langzeiteinsatz besser geeignet.
Auch aus der WO 20004/013951 A2 ist eine Halbleiter- Schalteinheit bekannt, mittels derer in eine
Kompensationswicklung eines Transformators zum Zwecke der DC- Minimierung ein Kompensationsstrom eingespeist wird. Von einer Steuereinrichtung mit eigenständiger Stromquelle wird eine regelbare Frequenz für die Stromflussdauer der
Halbleiterschalter (MOSFET) vorgegeben. Die elektrische
Energie zum Erzeugen des Kompensationsstroms wird dabei einem Kondensator entnommen, der zyklisch über den Freilaufkreis der MOSFET aufgeladen wird. Bei Transformatoren, wie sie in einem Energie-Verteilungsnetz eingesetzt werden, ist aber ein Kondensator als Energiespeicher aus Gründen der
Zuverlässigkeit und wegen dem angestrebten wartungsarmen Langzeitbetrieb nicht erwünscht.
Darstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Verringerung eines
Gleichanteils eines magnetischen Flusses in einem
Transformator anzugeben, welche im praktischen Einsatz für Transformatoren in einem Energie-Verteilungsnetz besser geeignet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators. Diese Aufgabe wird bezüglich einer Vorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich eines
Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die in der
Kompensationswicklung induzierte elektrische Spannung zu nutzen und für die Kompensation des störenden magnetischen Gleichfluss-Anteils heranzuziehen. Erfindungsgemäß wird mittels einer elektronischen Schalteinheit ein
Kompensationsstrom erzeugt, wobei das Einschalten der
Schalteinheit netzsynchron und nach einer vorgegebenen
Schaltstrategie erfolgt. Erfindungsgemäß wird der
EinschaltZeitpunkt von der Phase der in der
Kompensationswicklung induzierten Spannung getriggert, und die Einschaltdauer richtet sich nach Maßgabe eines
Sensorsignals, welche eine Messeinrichtung bereitstellt. Auf diese Weise wird ein sinusförmig pulsierender Gleichstrom in die Kompensationswicklung eingespeist, dessen Größe durch eine Strombegrenzungseinrichtung begrenzt wird. Eine
Energiequelle, das heißt eine Batterie oder ein Kondensator, ist für die Erzeugung dieses pulsieren Gleichstroms nicht erforderlich. Die Stromflussdauer dieses pulsierenden
Gleichstroms kann auf einfache Weise und sehr genau nach Maßgabe des zugeführten Sensorsignals, welches Richtung und Größe des zu kompensierenden DC-Anteils vorgibt, eingestellt werden. Der Mittelwert dieses so erzeugten gepulsten
Gleichstroms bewirkt im weichmagnetischen Kern des
Transformators eine Reduktion des Gleichfluss-Anteils , beziehungsweise hebt dessen Wirkung in Kern vollständig auf. Dadurch kommt es nicht mehr zu unerwünschten unsymmetrischen Aussteuerung des weichmagnetischen Kerns. In Folge davon ist die thermische Belastung der Wicklung des Transformators geringer. Bei Betrieb des Transformators sind Verluste und Geräusche geringer. Die Vorrichtung lässt sich dabei mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisieren. Dabei können sowohl diskrete und oder programmierbare Bausteine verwendet werden und sind kommerziell verfügbar. Von großem Vorteil ist dabei, dass für die Erzeugung des Kompensationsstroms kein Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator, erforderlich ist. Die Energie zur Erzeugung des Kompensationsstroms wird direkt der Kompensationswicklung entnommen. Auf Grund ihrer Einfachheit ist die
Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung hoch. Sie ist für den wartungsarmen Langzeitbetrieb eines Transformators in einem Energieverteilungsnetz gut geeignet. Der Einsatzbereich umfasst sowohl Transformatoren im Nieder- oder
Mittelspannungsbereich, wie auch Transformatoren sehr hohe Leistung. Weder die Baugröße noch sicherheitsrelevante
Einrichtungen oder andere Auslegungskriterien des
Transformators werden durch den Einsatz der Erfindung
ungünstig beeinflusst. Von besonderem Vorteil kann dabei sein, wenn zum Zweck der Strombegrenzung im Strompfad in Reihe mit der Schalteinheit und der Kompensationswicklung eine Induktivität angeordnet ist. Der Vorteil der Verwendung einer Induktivität im
Strompfad liegt alleine schon in der Tatsache begründet, dass der Spulenstrom der Kompensationswicklung dem zeitlichen
Integral der Spulenspannung entspricht und somit durch eine geeignete Steuerstrategie über eine Periode in einfacher Weise Gleichanteile dieses Spannungsintegrals und somit des Spulenstroms erzielbar sind. Bei entsprechender Wahl der Induktivität kann die Belastung beim Einschalten sehr gering gehalten werden, da die zeitliche Änderung des Stroms im Einschaltaugenblick durch die Induktivität begrenzt ist.
Grundsätzlich könnte anstelle der Induktivität auch ein anderer Zweipol verwendet werden. Schaltungstechnisch wäre auch ein ohmscher Widerstand denkbar, dessen Wirkverluste wären aber von Nachteil. Schaltungstechnisch günstig kann eine Ausführungsform sein, bei der die Steuereinrichtung im Wesentlichen aus zwei
Funktionsblöcken besteht, aus einem Phasendetektor und einem Zeitglied. Der Phasendetektor erfasst den Nulldurchgang der in der Kompensationswicklung induzierten elektrischen
Spannung und liefert das Triggersignal für den
EinschaltZeitpunkt des Zeitintervalls, dessen Dauer nach Maßgabe des Sensorsignals vorgegebenen wird. Eine weitere Schutzmaßnahme zum Schutz der Schalteinrichtung vor induktive Spannungsspitzen kann darin bestehen, dass parallel zur Serienschaltung von Induktivität und
Schalteinheit in einem parallel liegenden Schaltungszweig ein Überspannungsschutz vorgesehen ist.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinheit aus zumindest einem Thyristor gebildet. Der Vorteil der Verwendung eines Thyristors liegt zunächst darin, dass ein Thyristor mit einem Stromimpuls "gezündet", das heißt in den leitenden Zustand gebracht werden kann. Während der positiven Halbschwingung der Netzspannung hat der
Thyristor bis zum nächsten Stromnulldurchgang die Eigenschaft einer Diode. Das Ende der Stromflussdauer wird vom Thyristor selbst bewirkt, indem der Haltestrom unterschritten wird und der Thyristor automatisch " löscht", das heißt in den nicht leitenden Zustand übergeht. Selbstverständlich sind auch andere Halbleiterschalter, wie GTO, IGBT Transistoren oder andere Schaltelemente denkbar. Um in der Kompensationswicklung einem Gleichstrom in beiden Stromrichtungen einspeisen zu können, sind verschiedene
Schaltungsvarianten möglich. Es könnten zwei gegensinnig gewickelte Kompensationswicklungen in Verbindung jeweils mit einem unipolaren Halbleiterschalter verwendet werden, bzw. eine Wicklung mit bipolaren Halbleiterschaltern.
Grundsätzlich könnte auch eine Umposchaltung eingesetzt werden. Eine besonders einfache Realisierung kann aber durch eine Antiparallelschaltung von zwei Schalteinheiten,
insbesondere zwei antiparallelen Thyristoren erreicht werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn im Strompfad in Reihe ein Schalter zum Ein- und Ausschalten, sowie eine den Stromfluss begrenzende Sicherung vorgesehen sind. Dadurch kann die
Kompensationseinrichtung aktiviert beziehungsweise
deaktiviert werden. Im Fehlerfall sorgt die Sicherung für eine Begrenzung eines unzulässig hohen Stroms.
Es kann günstig sein, wenn die Schalteinheit und die
Steuereinrichtung außerhalb des Kessels eines Transformators angeordnet wird. Die gesamte elektronische Schaltung ist dadurch von außen für Kontrolle und Wartung zugänglich.
Eine ganz besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung, kann darin bestehen, dass die Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss-Anteils einen magnetischen
Nebenschluss-Teil mit einer Sensorspule umfasst. Der
Nebenschluss-Teil ist am Kern des Transformators z.B. an einem Schenkel oder am Joch anliegend angeordnet ist, um einen Teil des magnetischen Flusses in einem Bypass zu führen. Aus diesem, im Nebenschluss geführten magnetischen Fluss, lässt sich mittels einer Sensorspule sehr leicht ein langzeitstabiles Sensorsignal gewinnen, welches ggf. nach einer Signalaufbereitung den Gleichfluss-Anteil (DC-Anteil) sehr gut abbildet. Das Messergebnis ist weitgehend frei von Drift und für langzeitstabil . Da dieser Detektor im
Wesentlichen aus dem Nebenschlussteil und der darauf
angeordneten Sensorspule besteht, besitzt er eine hohe
Zuverlässigkeit .
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der
EinschaltZeitpunkt der Schalteinheit synchron zu der in der Kompensationswicklung induzierten Spannung und nach Maßgabe eines Sensorsignals erfolgt, wobei das Sensorsignal von einer Messeinrichtung zum Erfassen des magnetischen Gleichfluss- Anteils der Steuereinrichtung zugeführt wird. Ein derartiges Verfahren lässt sich schaltungstechnisch sehr einfach mit wenigen Bauelementen realisieren. Eine günstige Ausgestaltung des Verfahrens kann so aussehen, dass die Schalteinheit mit einer Stellgröße gesteuert wird, welche von einem in der Steuereinrichtung vorhandenem
Zeitglied vorgegeben wird, wobei das Zeitglied von einem Phasendetektor, welcher die Phase der in der
Kompensationswicklung induzierten Spannung detektiert, getriggert wird. Das Zeitglied kann als diskreter Baustein, oder Teil einer digitalen Schaltung sein. Es kann von Vorteil sein, wenn die Stellgröße das Ergebnis einer Rechenoperation eines Mikroprozessors ist. Der Mikroprozessor kann dabei gleichzeitig auch zur Signalaufbereitung des Sensorsignals verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird die
Schalteinheit so angesteuert, dass in der
Kompensationswicklung ein pulsierender Gleichstrom
eingespeist wird. Dies hat den Vorteil, dass der
arithmetische Mittelwert dieses pulsierenden Gleichstroms sehr einfach nach Maßgabe des zu kompensierenden DC-Anteils vorgegeben werden kann. Die elektronische Schalteinheit bleibt zwecks Reduktion der in der Induktivität gespeicherten magnetischen Energie sinnvoller Weise solange eingeschaltet, bis der pulsierende Gleichstrom abgeklungen ist. Somit hat ein Überspannungsschutz nach dem Ausschalten der elektrischen Schalteinheit faktisch keine, in der Spule gespeicherte magnetische Restenergie zu absorbieren.
Weiterhin wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe auch ein Verfahren zum Umrüsten eines Transformators
angegeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren, lässt sich auch bei bereits in Betrieb befindlichen Transformatoren vorteilhaft
einsetzen. Der Aufwand ist hierbei sehr gering. Eine
Umrüstung ist insbesondere dann sehr einfach, wenn eine bereits im Transformatorkessel angeordnete
Kompensationswicklung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In diesem Fall braucht der
Transformatorkessel nicht geöffnet zu werden, sondern die erfindungsgemäße Einrichtung nur mit den bereits
herausgeführten Klemmen der Kompensationswicklung verbunden werden .
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen, aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anhand eines nicht
einschränkenden Ausführungsbeispiels zu entnehmen sind.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, dargestellt in einer vereinfachten
Ski zze;
Figur 2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der in der Kompensationswicklung induzierten elektrischen Spannung des Kompensationsstroms;
Figur 3 eine Darstellung des Kompensationsstroms als
Funktion der Stellgröße;
Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer vereinfachten
Darstellung. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Schaltungsanordnung die über die Klemmen Kl und K2 an eine Kompensationswicklungsanordnung K angeschlossen. Die Kompensationswicklungsanordnung K ist im Transformatorkessel 12 untergebracht und mit dem Kern 4 des Transformators magnetisch gekoppelt. Sie besteht üblicherweise nur aus einer Wicklung mit wenigen Windungen, die beispielsweise um einen Schenkel oder um ein Jochteil des Transformators gewickelt ist. Von der Kompensationswicklung K im Transformatorkessel 12 sind die Anschlüsse an den Klemmen Kl und K2 in den
Außenraum 13 herausgeführt. Bei Betrieb des Transformators wird in der
Kompensationswicklung K eine elektrische Spannung induziert, die gemäß der Erfindung dazu genutzt wird, den störenden Gleichanteil des magnetischen Flusses im Kern 4 zu bekämpfen. Dies erfolgt durch netzgeführtes Schalten einer Schalteinheit T.
Im Folgenden wird näher erläutert, wie der in Figur 2
dargestellte Verlauf des Kompensationsstroms erzeugt wird: Wie aus der Darstellung der Figur 1 zu entnehmen ist, sind die Klemmen Kl und K2 der Kompensationswicklung K mit einer Steuereinrichtung 2 verbunden. Die Steuereinrichtung 2 besteht im Wesentlichen aus einem Phasendetektor P und einem Zeitglied TS. Der Phasendetektor P, z.B. ein Nulldurchgang- Detektor, leitet aus der induzierten Spannung ein
Triggersignal 8 ab, welches einem Zeitglied TS zugeführt ist. Zusammen mit einem ebenfalls der Steuereinrichtung 2
zugeführten Steuersignals 6, stellt die Steuereinrichtung 2 ausgangsseitig eine Stellgröße 9 bereit, welche einer
elektronischen Schalteinheit T zugeleitet ist. Die
Schalteinheit T liegt in einem Strompfad 3 in Reihe mit der Kompensationswicklung K und in Reihe mit einer Induktivität L. Die Induktivität L ist dabei so bemessen, dass bei einem Durchschalten der Schalteinheit T ein in eine Stromrichtung fließender, sinusförmig pulsierender Stromverlauf in die Kompensationswicklung K eingespeist wird. Im Strompfad 3 ist zum Zweck der Strombegrenzung eine
Sicherung Si vorgesehen. Diese Sicherung Si ist in Figur 1 zwischen der Klemme Kl und einem Schalter S angeordnet. Der Schalter S dient dazu, den Strompfad 3 zu schließen
beziehungsweise zu trennen.
Gemäß der Erfindung erfolgt das Einschalten der
elektronischen Schalteinheit T phasensynchron zur Spannung in der Kompensationswicklung K und nach einer vorgegebenen
Schaltstrategie. Das heißt, je nach Größe und Richtung des einzubringenden Kompensationsstroms wird der
EinschaltZeitpunkt mithilfe des vom Phasendetektor P
gesteuerten Zeitgliedes TS entsprechend einem untenstehend näher erläuterten funktionalen Zusammenhang derart gesteuert, dass der resultierende arithmetische Mittelwert des
pulsierenden Stromes in der Kompensationswicklung K durch seine Wirkung den störenden Gleichfluss-Anteil verringert beziehungsweise diesen vollständig kompensiert. Die Information bezüglich Größe und Richtung des zu
kompensierenden Gleichfeldanteils im Kern 4 erhält die
Steuereinrichtung 2 von einer Messeinrichtung 7 zum Messen des Gleichfluss-Anteils . Diese stellt das Sensorsignal 6 bereit, welches der Steuereinrichtung 2 zugeführt ist. Mit besonderem Vorteil arbeitet die Messeinrichtung 7 gemäß dem eingangs zitierten Messeprinzip des magnetischen Bypass
(PCT/EP2010/054857) . Das heißt, sie besteht im Wesentlichen aus einem magnetischen Nebenschluss-Teil , der am Kern
angeordnet ist, um einen Anteil des magnetischen Flusses in einem Bypass zu führen, aus denen dann, beispielsweise mit einer am Nebenschluss-Teil angeordneten Sensorspule in
Verbindung mit einer Signalaufbereitung der Gleichfluss- Anteil ermittelt werden kann. Das Ausschalten der elektronischen Schalteinheit T erfolgt bei Nulldurchgang des Stroms (siehe Figur 2) . Dieser
Zeitpunkt lässt sich sehr einfach ermitteln, da die
Stromflussdauer 16 der zweifachen Stellgröße x (Signal 9 in Figur 2) entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der im
Parallelzweig 5 vorgesehene Überspannungsschutz V beim
Ausschalten nur eine geringe magnetische Restenergie
absorbieren muss. Die Schaltverluste der elektronischen
Schalteinheit sind minimal, da beim Einschalten, bedingt durch die Induktivität L im Strompfad 3, der Einschaltstrom gering ist; auch beim Ausschalten sind die Schaltverluste gering, da der AusschaltZeitpunkt so festgelegt ist, dass er bei Nulldurchgang oder zumindest nahe Strom Null im Strompfad 3 erfolgt.
Der arithmetische Mittelwert des Kompensationsstroms I GL ist damit allein von dem durch die Stellgröße vorgegebenen
EinschaltZeitpunkt bestimmt. Thyristoren sind als Schalter für die Schalteinheit T besonders geeignet, da sie
prinzipbedingt bei Erreichen des stromlosen Zustandes, genauer gesagt beim Unterschreiten des so genannten
Haltestroms, von selbst wieder in den nicht leitenden Zustand übergehen .
Indem der EinschaltZeitpunkt durch das Signal 9 vorgegebenen wird und synchron zum Netz erfolgt, und indem das Ausschalten der Schalteinheit T bei Nulldurchgang des Stromes
durchgeführt wird, ist der arithmetische Mittelwert des
Kompensationsstroms I GL sehr genau durch die Stellgröße x beziehungsweise das Stellgrößensignal 9 einstellbar.
Die Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der
Kompensationswicklung K induzierten Spannung 10 und den durch die erfindungsgemäße Schaltstrategie vorgegebenen
pulsierenden Gleichstrom 11 (Kompensationsstrom I GL ) . Der Kompensationsstrom I GL weist die Form aneinander gereihter sinusförmiger Halbwellen 18 auf, die von Stromlücken 17 unterbrochen sind, wobei jede Halbwellen 18 symmetrisch zur halben Periodendauer T/2 der induzierten Spannung 10 ist. Der EinschaltZeitpunkt 14 wird wie oben dargestellt im Gleichlauf mit dem Netz und nach Maßgabe der Stellgröße 9 vorgegeben. Der Synchronisationspunkt für das Einschalten ist in Figur 2 der abfallende Nulldurchgang der Spannung 10. Durch geeignete Wahl der Induktivität L folgt nach dem Durchschalten der Schalteinheit T der Strom in Strompfad 3 dem Integral der elektrischen Spannung 10, das heißt, er hat beim
Nulldurchgang der elektrischen Spannung 10 seinen Maximalwert und klingt dann wieder ab. Wenn der Kompensationsstrom 11 nahezu Null ist, geht die Schalteinheit T, z.B. ein
Thyristor, in den nicht leitenden Zustand über. Die
Stromflussdauer 16 ist durch die Stellgröße 9 oder durch das Löschen des Thyristors bestimmt. Jeder Halbwellen 18 folgt eine Stromlücken 17.
Um in der Wicklung K einen Kompensationsstrom I GL in beiden Richtungen vorzugeben, ist in Figur 1 in unterbrochener Linie eine zweite Schalteinheit T' angedeutet. Die beiden
Schalteinheiten T und T' können beispielsweise zwei
antiparallel geschaltete Thyristoren seien.
Zwischen dem erzeugten Kompensationsstrom I GL und der
Stellgröße x besteht ein nichtlinearer Zusammenhang, der in Figur 3 graphisch dargestellt ist und im Folgenden näher erläutert wird:
In der folgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, dass der ohmsche Widerstand der Spule vernachlässigt werden kann.
Somit gilt für den funktionalen Zusammenhang zwischen
Spulenstrom l L (t) und Spulenspannung U L (t) näherungsweise:
(t) - I L (t=0) ] = [1/L] . [ f I L (t) .dt ] (1)
Sei nun:
T := Periodendauer der Spannung an der
Kompensationswicklung [ s ] 0 := Scheitelwert der Spannung an der
Kompensationswicklung [ V ]
L := Induktivität der Spule [ H ] x := Stellgröße in Prozenten [ % ] und sei ferner die Zeit t definiert durch:
1
dann folgt für den maximal erreichbaren arithmetischen
Mittelwert (Gleichanteil) des Spulenstromes bzw. des
Kompensationsstromes I MAX bei einer Stellgröße von 100 Prozent
_U_ T
MAX L ' 2π ' (3)
Für den arithmetischen Mittelwert (Gleichanteil) des
Spulenstromes bzw. Kompensationsstromes I GL [A] als Funktion der Stellgröße x [%] ergibt sich nach einiger
Zwischenrechnung :
Für den Effektivwert des im Kompensationsstromsignal
enthaltenen Grundwellenanteiles IQ W [A eff ] als Funktion der Stellgröße x [ % ] folgt :
Darüber hinaus gilt für den Effektivwert des im
Kompensationsstromsignal enthaltenen Spektralanteiles low [A EFF ] der (k) ten Harmonischen als Funktion der
Stellgröße x [ % ] :
Mit : ^eNund k > 2
Figur 3 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Kompensationsstrom I GL (bezogen auf den maximal erreichbaren Kompensationsstrom I MAX bei 100 Prozent) in Abhängigkeit der Stellgröße entsprechend Gleichung (4) .
Wenn die Größe und Richtung des zu kompensierenden
Gleichfluss-Anteils bekannt ist (Sensorsignal 6) , ermittelt die Steuereinrichtung gemäß der obigen Darstellung
beziehungsweise des in Figur 3 dargestellten Zusammenhangs, die zur Kompensation erforderliche Stellgröße x (Signal 9) . Dadurch kann auf einfache Weise bei einem Transformator die thermische Belastung der Wicklung sowie die störende Emission von Geräuschen reduziert werden. Die oben erläuterte
elektronische Schaltung kann potenzialfrei aufgebaut werden. Dadurch treten auch im Einsatzbereich von hohen
Netzspannungen keine Isolationsprobleme auf.
Zusammenstellung der verwendeten AI korrigiere Bezugszeichen
1 Schaltungsvorrichtung
2 Steuereinrichtung
3 Strompfad
4 magnetischer Kern des Transformators
5 Parallelzweig
6 Sensorsignal
7 Messeinrichtung zum erfassen des Gleichfluss-Anteils
8 Triggersignal
9 Signal Stellgröße x
10 zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung an der
Kompensationswicklung
11 zeitliche Verlauf des Kompensationsstroms I GL im
Strompfad 3
12 Kesselraum Transformators
13 Außenraum
14 EinschaltZeitpunkt
15 AusschaltZeitpunkt
16 Stromflussdauer
17 Stromlücken
18 Halbwelle
L Spule
T Schalteinheit, Thyristor
V Überspannungsschütz
TS Zeitglied
P Phasendetektor
K Kompensationswicklung
S Schalter
Si Sicherung
I GL Kompensationsström
Kl Anschlussklemme
K2 Anschlussklemme
X Stellgröße
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