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(11) | EP 0 149 169 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
Stromrichtertransformator Transformer-rectifier Transformateur-redresseur |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Stromrichtertransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Stromrichtertransformatoren Bezug, wie er in dem Buch: H. Happoldt, D. Oeding, Elektrische Kraftwerke und Netze, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980, S. 612-614, dargestellt und beschrieben ist. Dort sind in den Bildern 19.4 bzw. 19.5'3- bzw. 4Wicklungstransformatoren einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungslage, nachfolgend HGÜ genannt, dargestellt, bei denen eine bzw. zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit Wechselstromeingängen von Stromrichtern verbunden sind. Eine Tertiär- oder Ausgleichswicklung ist mit FilterSaugkreisen für Oberschwingungsströme bzw. mit Generatoren verbunden, welche die benötigte Blindleistung für die Stromrichter liefern. Auf den S. 172 - 175 dieses Buches ist ein Beispiel eines 3Wicklungstransformators zur Einspeisung elektrischer Energie aus einem 110-kV-Netz in 10-kV-bzw. 30-kV-Netze mit ruhigen und unruhigen Verbrauchern beschrieben, bei dem die Primärwicklung zwischen zwei Sekundärwicklungen angeordnet ist. Dort sind Gleichungen zur Ermittlung der Kurzschlussimpedanzen aus Spannung, Durchgangsleistung und Nennkurzschlussspannung angegeben. Bei einem gerechneten Beispiel ist die Reaktanz der Primärwicklung negativ, während Reaktanzen der beiden Sekundärwicklungen etwa gleich den Kurzschlussreaktanzen zwischen ihnen und der mittleren Wicklung sind.
[0003] Die Stromrichter einer HGÜ erzeugen Oberschwingungsströme. Fliessen diese frei in das Drehstromnetz ab, entstehen dort Spannungsverzerrungen. Um dies zu verhindern, werden parallel zu den Stromrichtertransformatoren Filterkreise (Saugkreise) an die Drehstromsammelschiene geschaltet. Diese Filterkreise sind so dimensioniert, dass sie für bestimmte, dominant auftretende Oberschwingungen eine sehr geringe Impedanz aufweisen und dadurch für die Oberschwingungsströme einen Kurzschlussweg bilden.
[0004] Die Auswirkung ist, dass die Oberschwingungsströme vorwiegend in die Filterkreise fliessen und somit die Oberschwingungsbelastung des Netzes klein gehalten wird.
[0005] Wenn HGÜ kleiner Leistung an Drehstromsammelschienen mit hoher Spannung angeschlossen werden und die Filterkreise gleichfalls an diese hohe Spannung angeschlossen werden müssen, ergeben sich für die Filterkreise sehr hohe spezifische Kosten. Um diese zu reduzieren, werden die Filterkreise an eine zusätzliche Wicklung der Stromrichtertransformatoren angeschlossen, welche für eine niedrige Spannung dimensioniert sind. Störend ist dabei die Restimpedanz der Ausgleichswicklung, welche die Filterkreise verstimmt und damit deren Wirkung reduziert.
[0006] Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, mit einfachen Massnahmen eine bessere Filterung störender Oberschwingungsströme, die durch Verbraucher, insbesondere durch Stromrichter, erzeugt werden, zu erreichen.
[0007] Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Oberschwingungsspannungen in den Wechselstromnetzen verringert und somit unzulässige Verzerrungen der Netzspannung und Telefonstörungen vermieden werden. Durch geeignete Wicklungsanordnung kann die filterseitige Ersatzstreureaktanz gegenüber einem imaginären Mittelpunkt der Ersatzreaktanzen negativ oder möglichst nahe zu Null gebracht werden. Ist eine Ersatzstreureaktanz = 0, so werden die angeschlossenen Filterkreise nicht verstimmt. Ist die Ersatzstreureaktanz < 0, so kann gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Zusatzdrossel zwischen die Ausgleichswicklung und den Filterkreis geschaltet werden, so dass dieser nicht verstimmt wird. Die Drossel der Filtersaugkreise des an den Stromrichtertransformator angeschlossenen Filterkreises kann vorteilhafterweise so bemessen sein, dass die Zusatzdrossel entfällt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines 4Wicklungstransformators für 12pulsigen Stromrichterbetrieb, bei dem der Filterkreis im wesentlichen nurfür die Ausfilterung der 11. und 13. Oberschwingung ausgelegt sein muss.
[0008] Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer HGÜ mit Gleichrichter- und Wechselrichterstation mit erfindungsgemässen Stromrichtertransformatoren,
Fig. 2 die Wicklungsanordnung eines 4Wicklungstransformators,
Fig. 3 ein Reaktanz-Ersatzschaltbild für einen 4Wicklungstransformator gemäss Fig. 2,
Fig. 4 die Wicklungsanordnung eines 3Wicklungstransformators und
Fig. 5 ein Reaktanz-Ersatzschaltbild für einen 3Wicklungstransformator gemäss Fig. 4.
[0009] In Fig. 1 ist mit A ein 400-kV-Drehstromnetz und mit B ein 220-kV-Drehstromnetz bezeichnet, das über eine HGÜ mit dem Drehstromnetz A verbunden ist. Stromrichtertransformatoren TA bzw. TB transformieren die in den Drehstromnetzen A bzw. B vorhandenen Spannungen in Stromrichtern Si, S2 bzw. S3, S4 auf einen für die Gleichstromkupplung geeigneten Wert von 50 kV. Die Stromrichter S, und S2 auf der Sendeseite arbeiten als Gleichrichter; sie entnehmen dem Drehstromnetz A Wirkleistung und geben diese an die Gleichstromseite ab. Die Stromrichter S3 und S4 auf der Empfangsseite arbeiten als Wechselrichter; sie übernehmen die von der Gleichstromleitung übertragene Gleichstromleistung und geben diese als Wirkleistung an das Drehstromnetz B ab. Im Gleichstromkreis ist mindestens eine Glättungsdrossel L vorgesehen. Die Stromrichtertransformatoren TA und TB haben je eine Primär- oder Hochspannungswicklung 1, zwei Sekundär- oder Ventilwicklungen 2, 3 und eine Tertiär- oder Ausgleichswicklung 4. Die Primärwicklungen 1 der Stromrichtertransformatoren TA und TB sind an das jeweilige Drehstromnetz A oder B angeschlossen, die Sekundärwicklungen 2 bzw. 3 an die Wechselstromeingänge der Stromrichter S, bzw. S2 und S3 bzw. S4. Die Ausgleichswicklungen 4 der parallelgeschalteten Stromrichtertransformatoren auf der Sendeseite sind über mindestens eine Zusatzdrossel 7 mit einem Filterkreis 6 mit Filtersaugkreisen für Oberschwingungsströme der Ordnungszahl u = 11 1 und u = 13 und u ≥ 23 verbunden. In der Empfängerstation sind die beiden Ausgleichswicklungen 4 ebenfalls mit einem Filterkreis 6' verbunden. Hier sind keine Zusatzdrosseln zum Anschluss des Filterkreises 6' vorhanden, da sie entweder aufgrund des Aufbaus des Stromrichtertransformators TB nicht erforderlich oder bei der Dimensionierung der Saugkreisdrosseln berücksichtigt sind.
[0010] Je Stromrichterstation können auch zwei oder mehr Stromrichtertransformatoren mit Ventil- und Filterkreisen parallelgeschaltet sein. Die Ausgleichswicklungen 4 der Stromrichtertransformatoren können dann miteinander verbunden sein. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus können Sende- und Empfangsseite miteinander vertauscht sein.
[0011] Die Wicklungsanordnung der Zylinderwicklungen der Stromrichtertransformatoren TA, TB gemäss Fig. 1 ist für eine Wechselstromphase aus Fig. 2 ersichtlich. Um je einen Schenkel eines Transformatorkerns 5 ist eine Primärwicklung 1 bzw. 1' als Aussenwicklung, eine Sekundärwicklung 2 bzw. 3 als Innenwicklung und eine Ausgleichswicklung 4 bzw. 4" zwischen Aussen- und Innenwicklung angeordnet. Die beiden Primärwicklungen 1 bzw. 1' sind parallelgeschaltet, die beiden Ausgleichswicklungen 4 und 4" sind hintereinandergeschaltet und die beiden Sekundärwicklungen 2 und 3 getrennt ausgeführt. Durch die Anordnung auf zwei Schenkeln wird die unerwünschte magnetische Kopplung der Sekundärwicklungen 2 und 3 möglichst gering gehalten.
[0012] Ein zugehöriges Ersatz-Reaktanzschaltbild für eine Wechselstromphase ist in Fig. 3 dargestellt, in der Xl ... X4 Ersatzreaktanzen bezeichnen, welche den Wicklungen 1 ... 4 des Stromrichtertransformators TA oder TB zugeordnet sind, und xp, xq fiktive Filterkopplungsreaktanzen sind. Die Dimensionierung der Wicklungen des Stromrichtertransformators und deren Abstände zueinander sind so zu wählen, dass die filterseitige Ersatzreaktanz X4 < 0 wird. Bezüglich der relativ umfangreichen Gleichungen zur Berechnung von X4 wird verwiesen auf das Buch: Transformer Engineering (a publication of the General Electric Company's engineers of the transformer engineering department), herausgegeben von L.F. Blume, Wiley, New York (1938) S. 122 und 123.
[0013] Für einen 3Wicklungstransformator ist eine Wicklungsanordnung der Zylinderwicklungen für eine Wechselstromphase aus Fig. 4 ersichtlich. Um einen abschnittweise dargestellten Transformatorkern 5' sind von innen nach aussen eine Ausgleichswicklung 4', eine Sekundärwicklung 2, eine weitere Ausgleichswicklung 4 und eine Primärwicklung 1 angeordnet. Die beiden Ausgleichswicklungen 4 und 4' sind in Reihe geschaltet.
[0014] In dem zugehörigen Ersatz-Reaktanzschaltbild der Fig. 5 bezeichnet 8 einen Verbraucher, der über den Stromrichter S, an die Sekundärwicklung 2 angeschlossen ist. An die Ausgleichswicklung 4 ist über die Zusatzdrossel 7 der Filterkreis 6 angeschlossen. Xi2, X24 und X14 bezeichnen Streureaktanzen, die in bekannter Weise aus Messungen am Transformator zwischen den Wicklungen 1, 2 und 4 ermittelt werden können und üblicherweise auf dem Typenschild des Transformators angegeben sind. Im übrigen sind in allen Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0015] Der 3Wicklungstransformator ist wieder so zu dimensioneren, dass die Ersatzreaktanz X4 den Wert 0 oder einen kleinen negativen Wert annimmt. Im letzteren Fall wird dann in Serie zur Ausgleichswicklung 4 und gegebenenfalls 4' eine Luftdrossel mit einer (positiven) Reaktanz geschaltet, welche gleich gross ist wie die negative Ersatzreaktanz X4. Damit wird vom Filteranschlusspunkt aus gesehen die Reaktanz zu einem imaginären Mittelpunkt der Streureaktanzen zu Null gebracht und die Filterwirkung bleibt voll erhalten. X4 kann berechnet werden nach:
[0016] Werden bei einer HGÜ gemäss Fig. 1 anstelle der 4Wicklungstransformatoren TA und TB 3Wicklungstransformatoren verwendet, so entfallen die Sekundärwicklungen 3 mit angeschlossenen Stromrichtern S2 und S4.
[0017] Bei Verwendung eines 3Wicklungstransformators kann die innere Ausgleichswicklung 4' entfallen und die geforderte Bedingung für die Ersatzreaktanz X4 allein mit der Ausgleichswicklung 4 durch geeignete Einstellung der Abstände der Wicklungen erreicht werden. Vorzugsweise werden jedoch zwei Ausgleichswicklungen 4 und 4' mit gleicher Windungszahl verwendet.
a) mindestens eine Primärwicklung (1, 1'
b) mindestens eine Sekundärwicklung (2, 3) und
c) mindestens eine Ausgleichswicklung (4, 4', 4") für den Anschluss mindestens eines Filterkreises (6, 6') gewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
d) dass mindestens ein Teil der Ausgleichswicklung (4, 4") zwischen einer Primärwicklung (1) und einer Sekundärwicklung (2, 3) angeordnet ist und
e) dass die Abstände der Ausgleichswicklung von der Primärwicklung und Sekundärwicklung so gewählt sind, dass die Ersatzreaktanz (X4) dieser Ausgleichswicklung ≤ 0 ist.
a) dass ein Teil der Ausgleichswicklungen (4') zwischen dem Transformatorkern (5') und der Sekundärwicklung (2) angeordnet ist und
b) dass die Teilwicklungen der Ausgleichswicklung (4, 4') in Reihe geschaltet sind.
a) dass auf dem Transformatorkern (5) mindestens zwei Wicklungsanordnung angebracht sind,
b) dass jede Wicklungsanordnung eine Primärwicklung (1, 1') als Aussenwicklung aufweist,
c) dass die Primärwicklungen zueinander parallelgeschaltet sind,
d) dass jede Wicklungsanordnung eine getrennte Sekundärwicklung (2, 3) aufweist und
e) dass die Ausgleichwicklungen (4, 4") zwischen jeder Primär- und Sekundärwicklung in Reihe geschaltet sind.
a) dass die Ausgleichswicklung (4, 4' , 4") mit einer Zusatzdrossel (7) in Wirkverbindung steht und
b) dass die Reaktanz dieser Zusatzdrossel betragsmässig gleich dem Betrag der Ersatzstreureaktanz (X4) der Ausgleichswicklung ist.
a) at least one primary winding (1, 1'),
b) at least one secondary winding (2, 3) and
c) at least one compensating winding (4, 4' , 4") for connecting at least one filter circuit (6, 6') is wound,
characterized in that
d) at least one section of the compensating winding (4, 4") is arranged between a primary winding (1) and a secondary winding (2, 3), and that
e) the distances between the compensating winding and the primary winding and the secondary winding have been selected in such a manner that the equivalent reactance (X4) of this compensating winding is ≤ 0.
a) a part of the compensating windings (4') is arranged between the transformer core (5') and the secondary winding (2), and that
b) the part-windings of the compensating winding (4, 4') are connected in series.
a) at least two winding arrangements are provided on the transformer core (5),
b) each winding arrangement has a primary winding (1, 1') as external winding,
c) the primary windings are connected in parallel with each other,
d) each winding arrangement has a separate secondary winding (2, 3), and
e) the compensating windings (4, 4") are connected in series between each primary and secondary winding.
a) the compensating winding (4,4', 4") is effectively connected to an additional inductance (7) and that
b) the value of the reactance of this additional inductance is equal to the value of the equivalent leakage reactance (X4) of the compensating winding.
a) au moins un enroulement primaire (1, 1'),
b) au moins un enroulement secondaire (2, 3), et
c) au moins un enroulement équipotentiel (4, 4' , 4" ) en vue de la connexion d'au moins un circuit de filtrage (6, 6' ),
caractérisé en ce que
d) au moins une partie de l'enroulement équipotentiel (4, 4") est disposée entre un enroulement primaire (1) et un enroulement secondaire (2, 3), et
e) les distances séparant l'enroulement équipotentiel de l'enroulement primaire et de l'enroulement secondaire sont choisies telles que la réactance équivalente (X4) de cet enroulement équipotentiel soit ≤ 0.
a) une partie des enroulements équipotentiels (4' ) est disposée entre le noyau de transformateur (5') et l'enroulement secondaire (2), et
b) les enroulements partiel de l'enroulement équipotentiel (4, 4') sont connectés en série.
a) au moins deux ensembles d'enroulements sont montés sur le noyau du transformateur (5),
b) chaque ensemble d'enroulements comporte un enroulement primaire (1, 1') en tant qu'enroulement extérieur,
c) les enroulements primaires sont connectés en parallèle,
d) chaque ensemble d'enroulements comporte un enroulement secondaire séparé (2, 3), et
e) les enroulements équipotentiels (4, 4" ) sont connectés en série entre chaque fois un enroulement primaire et un enroulement secondaire.
a) l'enroulement équipotentiel (4, 4', 4") est connecté activement à une bobine équivalente (7), et
b) la réactance de cette bobine équivalente est égale en valeur à celle de la réactance de fuite équivalente (X4) de l'enroulement équipotentiel.
5. Transformateur-redresseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la bobine équivalente (7) est réunie au moins à une bobine du circuit de filtrage (6' ).