MITTELFREQUENZTRANSFORMATOR SOWIE HALBLEITERUMRICHTER MIT EINEM MITTELFREQUENZTRANSFORMATOR

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Transformator (2), insbesondere Mittelfrequenztransformator, zur Verwendung in einem Umrichter (1), umfassend:
- einen Transformatorkern (21),
- eine mehradrige Wicklung (22) mit mehreren Drähten (22a, 22b), die um den Transformatorkern (21) gewickelt sind, wobei jeder der Drähte (22a, 22b) einen Spulenzweig (24a, 24b) bildet;
- Anschlüsse (23), an denen jeweils die entsprechenden Enden der Drähte (22a, 22b) miteinander elektrisch verbunden sind;
- eine induktive Kopplung (5), um die Spulenzweige (24a, 24b) paarweise miteinander so induktiv zu koppeln, dass sich parasitäre Zweigströme in den Spulenzweige (24a, 24b) kompensieren.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft Halbleiterumrichter, die einen Mittelfrequenztransformator aufweisen, insbesondere Mittelspannungs-Halbleiterumrichter.

Technischer Hintergrund

[0002] Transformatoren in Mittelspannungsumrichter werden zum Übertragen von hohen Leistungen vorgesehen und müssen auch hohen Isolationsanforderungen genügen. Zur Reduzierung der Baugröße des Transformators werden diese bei relativ hohen Betriebsfrequenzen von mehreren Kilohertz betrieben. Übliche Anwendungen für derartige Umrichter sind beispielsweise Traktionsanwendungen oder Stromnetze, bei denen solche Mittelfrequenztransformatoren mit Leistungen zwischen 100 kW und 1000 kW, bei Spannungen von z.B. 20 kV und mit Transformatorfrequenzen von zwischen 5 kHz und 15 kHz betrieben werden.

[0003] Zwar ist es durch die hohe Betriebsfrequenz des Mittelfrequenztransformators möglich, dessen Größe zu reduzieren, jedoch ist die Baugrößenreduzierung durch die für Mittelspannungsanwendungen geforderten Isolationsabstände und erforderlichen Kühlmaßnahmen begrenzt.

[0004] Aufgrund der hohen Betriebsfrequenz werden in der Regel mehradrige Drähte für die Spulenwicklungen des Mittelfrequenztransformators verwendet, da aufgrund der ansonsten notwendigen hohen Spulenleiterquerschnitte die mechanische Wickelbarkeit erheblich erschwert ist und zudem Stromverdrängungseffekte durch benachbarte Windungen entstehen, die zu hohen Verlusten führen können. Bei Verwendung dieser Spulenwicklung werden die einzelnen Drähte zwischen den Anschlüssen des Transformators parallel geschaltet.

[0005] Durch die Verwendung von mehradrigen Spulenwicklungen für Mittelfrequenztransformatoren führen jedoch Streufelder außerhalb des Transformatorkerns bzw. Transformatorjochs zu induzierten Spannungen in den Spulenwindungen, die parasitäre Stromflüsse bewirken. Die magnetischen Streufelder verlaufen im Wesentlichen parallel zu der Ausrichtung des Transformatorkerns bzw. jochs. Aufgrund des unterschiedlichen Abstands der einzelnen Drähte vom Transformatorjoch werden in den Drähten zueinander gegenläufige parasitäre Ströme erzeugt, die aufgrund der Parallelschaltung der durch die Drähte gebildeten Spulenwicklungen zu Ringströmen führen können. Diese Ringströme können zu hohen Strömen im Bereich von mehreren hundert Ampere führen, da die Drähte einen niedrigen Ohm'schen Widerstand aufweisen und die Ringströme nur durch die innere Induktivität des Strompfades der parasitären Ströme begrenzt sind.

[0006] Die parasitären Ringströme überlagern den Betriebsstrom durch die Spulenwicklung des Mittelfrequenztransformators, so dass es zu einer unausgeglichenen Stromverteilung innerhalb der Drähte der Spulenwicklung kommt. Wenn die parasitären Ringströme sehr hoch werden, kann einer der Drähte mehr als den gesamten nominalen Strom führen und ein weiterer der Drähte einen entsprechend negativen, d.h. um 180° phasenverschobenen Strom führen. Dadurch ist nicht nur der Kupferfüllfaktor um 50% reduziert, sondern es entstehen zusätzliche Verluste, und die maximale Leistungsabgabe des Mittelfrequenztransformators ist um einen Faktor von zwei oder mehr reduziert.

[0007] Eine herkömmliche Lösung, um diesen Effekt zu kompensieren, besteht darin, die Drähte der Spulenwicklung zu verdrillen, um so das Stromungleichgewicht zu reduzieren. Bei höheren Drahtquerschnitten ist jedoch das Verdrillen von Drähten in der Fertigung schwierig und führt zu einem erhöhten Raumbedarf der verdrillten Drähte, was der beabsichtigten Reduzierung der Baugröße entgegenwirkt. Zusätzlich wird durch das Verdrillen von Drähten bei größeren Querschnittsflächen ein hoher Biegestress auf die Drähte ausgeübt, wodurch diese mechanisch beschädigt werden können und deren elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt werden kann.

[0008] Aus der Druckschrift US 2015/114676 A1 ist bekannt, ein Stromverdrängungseffekt durch Verdrillen von Drähten auf eine einfach herzustellende Weise zu reduzieren.

[0009] Aus den Druckschriften US 2003/141829 A1 und US 6,323,602 B1 ist dazu bekannt, Filterspulen vorzusehen, um einen Laststrom auszugleichen.

[0010] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Entstehung von Ringströmen in Mittelfrequenztransformatoren für Mittelspannungsanwendungen zu reduzieren und die oben genannten Probleme, die sich aus dem Verdrillen von Drähten höherer Querschnittsfläche ergeben können, zu vermeiden.

Offenbarung der Erfindung

[0011] Die obige Aufgabe wird durch den Mittelfrequenztransformator gemäß Anspruch 1 sowie durch den Halbleiterumrichter mit einem Mittelfrequenztransformator gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.

[0012] Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0013] Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Transformator, insbesondere Mittelfrequenztransformator, zur Verwendung in einem Umrichter vorgesehen, umfassend:

• einen Transformatorkern,
• eine mehradrige Wicklung mit mehreren Drähten, die um den Transformatorkern gewickelt sind, wobei jeder der Drähte einen Spulenzweig bildet;
• Anschlüsse, an denen jeweils die entsprechenden Enden der Drähte miteinander elektrisch verbunden sind;
• eine induktive Kopplung, um die Spulenzweige paarweise miteinander so induktiv zu koppeln, dass sich parasitäre Zweigströme in den Spulenzweigen kompensieren.

[0014] Bei Mittelfrequenztransformatoren für die Verwendung in Umrichtern werden aufgrund der hohen Betriebsfrequenzen von mehreren Kilohertz mehradrige Leiter verwendet, die beim Bewickeln des Transformatorkerns zwei oder mehr als zwei Spulenwicklungen bilden, die an ihren Anschlüssen parallel geschaltet sind. In der Regel werden die Drähte so gelegt, dass diese in verschiedenen Lagen einer mehrlagigen Wicklungsanordnung ausgebildet sind. Aufgrund von Streuflüssen, die mit zunehmendem Abstand von dem Transformatorkern abnehmen, werden im Betrieb des Transformators unterschiedliche Spannungen in den Drähten induziert, die zu unterschiedlichen parasitären Strömen in den Windungen der durch die Drähte gebildeten Spulenzweige führen. Durch mehrlagige Anordnung der Drähte kommt es dazu, dass die in den Spulenzweigen bewirkten umlaufenden Ströme zueinander entgegengesetzt sind. Da die Spulenzweige an ihren Anschlüssen verbunden sind, kann dadurch ein Ringstrom entstehen, der aufgrund des geringen Ohm'schen Widerstandes der Drähte hohe Stromstärken erreichen kann.

[0015] Bei dem obigen Mittelfrequenztransformator werden mindestens zwei der über ihre Anschlüsse parallel miteinander verbundenen Drähte transformatorisch gekoppelt, so dass ein parasitärer Teilstrom in einem der Drähte zu einem entsprechend gleichgerichteten parasitären Kompensationsstrom in einem anderen der Drähte führt. Dadurch kompensieren sich die Stromkomponenten der Zweigströme in jedem der so gekoppelten Drähte gegenseitig und können sich so ganz oder teilweise auslöschen.

[0016] Auf diese Weise ist es möglich, eine induktive Kopplung der Drähte von Teilwicklungen eines Transformators zum gegenseitigen Kompensieren der darin fließenden parasitären Stromflüsse zu erreichen, ohne dass ein Verdrillen der Drähte oder sonstige Maßnahmen innerhalb der Spulenzweige notwendig ist. Dadurch kann der Bauraum in dem Transformator auch bei Spulenwicklungen mit Drähten größerer Querschnitte optimal ausgenutzt werden und die Wicklungsverluste erheblich reduziert werden. Weiterhin kann die geringe Streuinduktivität der induktiven, als Gleichtaktfilter wirkenden induktiven Kopplung verwendet werden, um die Streuinduktivität des Transformators abzustimmen. Insbesondere wird der Transformator-Streuinduktivität keine erhebliche Induktivität hinzugefügt.

[0017] Weiterhin kann die induktive Kopplung zwischen jeweils zwei Drähten einen Ringkern aufweisen, durch den die verschiedenen Spulenzweige über Kreuz geführt werden, so dass diese bezüglich der Wicklungsrichtung der Spulenzweige durch den Ringkern in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Ein Ringkern stellt ein geschlossenes Kreiselement aus magnetisch leitfähigem Material dar. Dieses kann ringförmig ausgebildet sein oder eine sonstige geschlossene Form aufweisen.

[0018] Gemäß einer Ausführungsform kann die induktive Kopplung zwischen jeweils zwei Drähten zwei Ringkerne aufweisen, die über einen separaten über Kreuz geführten Leiterring miteinander gekoppelt sind, wobei der Drähte mit einem Abschnitt zwischen einem der Anschlüsse und den Spulenzweigen durch einen der Ringkerne geführt und der Leiterring so durch die Ringkerne geführt wird, dass ein darin fließender Ringstrom die Ringkerne bezüglich der Zweigströme gleichgerichtet durchfließt.

[0019] Weiterhin kann die induktive Kopplung zwischen jeweils zwei Drähten einen Ringkern aufweisen, wobei durch den Ringkern ein Draht eines ersten der Spulenzweige an einem Abschnitt geführt wird, der zwischen der Teilwicklung und einem zweiten der Anschlüsse liegt und durch den Ringkern der zweite Draht eines zweiten der Spulenzweige mit einem Abschnitt geführt wird, der zwischen der Teilwicklung und einem ersten der Anschlüsse liegt.

[0020] Gemäß einer Ausführungsform können bei mehr als zwei Drähten zum Realisieren von mehr als zwei Teilwicklungen induktive Kopplungen zwischen jeder möglichen Paarung von jeweils zwei der Spulenzweige vorgesehen sein.

[0021] Es kann vorgesehen sein, dass die mehradrige Wicklung verdrillt ist, insbesondere genau einmal verdrillt ist.

[0022] Gemäß einer Ausführungsform können die Drähte der mehradrigen Wicklung in Lagen um den Transformatorkern angeordnet sein.

[0023] Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Umrichter vorgesehen, der den obigen Transformator und einen oder mehreren Wechselrichter umfasst.

[0024] Weiterhin können der eine oder die mehreren Wechselrichter so ausgebildet sein, um den Transformator mit einer Frequenz von zwischen 300Hz bis 30kHz, insbesondere zwischen 1 kHz bis 20 kHz zu betreiben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0025] Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung eines Mittelspannungsumrichters mit einem Mittelfrequenztransformator;

Figur2

eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiadrigen Spulenwicklung eines Mittelfrequenztransformators;

Figur 3

ein Schaltbild eines Mittelspannungstransformators mit einer ersten Variante einer induktiven Kopplung der Spulenzweige; und

Figur 4

ein Schaltbild eines Mittelspannungstransformators mit einer weiteren Variante einer induktiven Kopplung der Spulenzweige.

Figur 5

ein Schaltbild eines Mittelspannungstransformators mit einer weiteren Variante einer induktiven Kopplung der Spulenzweige.

Beschreibung von Ausführungsformen

[0026] Mittelfrequenztransformatoren werden in der Regel in Halbleiterumrichtern für Mittelspannungen in Bereichen zwischen 10 kV und 100 kV verwendet. Eine bekannte Anordnungsweise von Mittelfrequenztransformatoren besteht darin, diese zwischen Halbleiterwechselrichtern anzuordnen. Derartige Halbleiterumrichter können werden für Traktionsanwendungen oder Netzanwendungen verwendet werden.

[0027] In Figur 1 ist exemplarisch ein DC/DC-Umrichter 1 mit einem Mittelfrequenztransformator 2 gezeigt. Ein eingangsseitiger DC/AC-Wechselrichter 3 ist vorgesehen, um eine eingangsseitige Gleichspannung U_DC1 in eine erste Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC1 einer vorgegebenen Betriebsfrequenz zu wandeln. Die erste Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC1 wird primärseitig mit dem Mittelfrequenztransformator 2 verbunden. Sekundärseitig wird eine zweite Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC2 erhalten. Die zweite Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC2 wird mit einem ausgangsseitigen AC/DC-Wechselrichter 4 verbunden. Die vorgegebenen Betriebsfrequenzen liegen typischerweise zwischen 1 bis 20 kHz. Die Wechselrichter 3, 4 generieren dabei aus der eingangsseitigen Gleichspannung U_DC1 die erste Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC1 und aus der zweiten Wechsel-Zwischenkreisspannung U_AC2 die ausgangsseitige Gleichspannung U_AC2. Anstelle der eingangsseitigen Gleichspannung U_DC1 und/oder der ausgangsseitigen Gleichspannung U_DC2 können eingangsseitig auch eine Wechselspannung bzw. ausgangsseitig eine Wechselspannung zur Verfügung gestellt werden.

[0028] In Figur 2 ist beispielhaft ein solcher Mittelspannungstransformator im Querschnitt dargestellt. Man erkennt den Transformatorkern 21, der mit einem mehradrigen Wicklungsleiter 22 umwickelt ist, so dass ein erster Draht 22a eine innere Lage gewickelt ist und einen ersten Spulenzweig bildet, und ein zweiter Draht 22b eine darauf liegende zweite Lage gewickelt ist und einen zweiten Spulenzweig bildet. Die Spulenzweige sind an zwei Anschlüssen 23 miteinander gleichsinnig verbunden, so dass diese im Wesentlichen parallel geschaltet sind. Durch ein magnetisches Streufeld, das beim Betrieb des Wickelfrequenztransformators auftritt und durch den Bereich der Spulenwicklung verläuft, werden in den Spulenzweigen Spannungen induziert, die zueinander gegenläufigen parasitären Stromflüssen führen können. Da die Spulenzweige an ihren Anschlüssen miteinander verbunden sind, addieren sich die parasitären Ströme positiv und bilden einen parasitären Kreisstrom, der aufgrund des niedrigen Ohm'schen Widerstands der Spulenzweige hohe Stromstärken erreichen kann und dadurch zu einer ungleichförmigen Stromverteilung in den Spulenzweigen führt. Dies führt zu einer effektiven Verschlechterung des Kupferfüllfaktors und zu zusätzlichen elektrischen Verlusten, so dass unter Umständen die maximale Leistungsabgabe des Mittelfrequenztransformators um einen Faktor von zwei oder mehr reduziert sein kann.

[0029] In Figur 3 ist eine schematische Darstellung des Schaltbildes des Mittelfrequenztransformators 2 mit einer induktiven Kopplung 5 zwischen zwei Spulenzweigen 24a, 24b gezeigt. Die induktive Kopplung 5 ist zwischen einem der Anschlüsse 23 und den Spulenzweigen angeordnet und ist so ausgelegt, dass ein erster parasitärer Zweigstrom in einem ersten der Spulenzweige 24a zu einem gleichgerichteten Zweigstrom in einem zweiten der Spulenzweige 24b führt. Dadurch wird der parasitäre Zweigstrom in einer der Spulenzweige durch den parasitären Zweigstrom in einer anderen Spulenzweigen kompensiert bzw. ganz oder teilweise ausgelöscht. Auf diese Weise kann ein Gleichtaktfilter geschaffen werden, der eine ausreichend hohe Schleifeninduktivität aufweist, um die parasitären Zweigströme in der durch die Spulenzweigen 24a, 24b gebildeten Schleife zu unterdrücken. Weiterhin wird jedoch keine erhebliche Induktivität der Transformator-Streuinduktivität hinzugefügt.

[0030] In Figur 3 ist die induktive Kopplung 5 mithilfe eines Ringkerns 51 realisiert, durch den die Drähte 22a, 22b der verschiedenen Spulenzweige 24a, 24b über Kreuz geführt werden, so dass diese bezüglich der Wicklungsrichtung der Spulenzweige 24a, 24b durch den Ringkern 51 in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

[0031] In der Darstellung der Figur 4 ist eine weitere Möglichkeit einer induktiven Kopplung 5' gezeigt. Die induktive Kopplung 5' weist zwei Ringkerne 52, 53 auf, die über einen separaten über Kreuz geführten Leiterring 54 miteinander gekoppelt sind, so dass der Effekt der induktiven Kopplung ebenfalls erreicht wird. Insbesondere wird jeder der Drähte 22a, 22b mit einem Abschnitt zwischen einem Anschluss 23 und den Spulenzweigendurch einen der Ringkerne 52, 53 geführt. Weiterhin wird der Leiterring 54 so durch die Ringkerne 52, 53 geführt, dass ein darin fließender Ringstrom die Ringkerne 52, 53 bezüglich der Zweigströme gleichgerichtet durchfließt.

[0032] Die Ausführungsform der Figur 5 zeigt ebenfalls eine induktive Kopplung 5", die mithilfe eines Ringkerns 55 ausgebildet ist. Durch den Ringkern 55 wird ein Abschnitt des ersten Drahts 22a des ersten Spulenzweiges 24a geführt, der zwischen der Teilwicklung und einem zweiten der Anschlüsse 23b liegt. Analog wird durch denselben Ringkern 55 ein Abschnitt des zweiten Drahts 22b des zweiten Spulenzweiges 24b geführt, der zwischen der Teilwicklung und einem ersten der Anschlüsse 23a liegt. Dadurch sind die Spulenzweige 24a, 24b ebenfalls gegenläufig gekoppelt, so dass die parasitären Zweigströme sich gegenseitig kompensieren. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass starke Biegungen der Drähte 22a, 22b vermieden werden können, was insbesondere bei hohen Leiterquerschnitten eine erhebliche Erleichterung bei der Fertigung darstellen kann.

[0033] Sind mehr als zwei Drähte zum Realisieren von mehr als zwei Spulenzweigen vorgesehen, so sind induktive Kopplungen zwischen jeder möglichen Paarung von jeweils zwei Spulenzweigen vorzusehen, um parasitäre Kreisströme effektiv zu kompensieren.

Ansprüche

1. Transformator (2), insbesondere Mittelfrequenztransformator, zur Verwendung in einem Umrichter (1), umfassend:

- einen Transformatorkern (21),

- eine mehradrige Wicklung (22) mit mehreren Drähten (22a, 22b), die um den Transformatorkern (21) gewickelt sind, wobei jeder der Drähte (22a, 22b) einen Spulenzweig (24a, 24b) bildet;

- Anschlüsse (23), an denen jeweils die entsprechenden Enden der Drähte (22a, 22b) miteinander elektrisch verbunden sind;

- eine induktive Kopplung (5), um die Spulenzweige (24a, 24b) paarweise miteinander so induktiv zu koppeln, dass sich parasitäre Zweigströme in den Spulenzweigen (24a, 24b) kompensieren.

2. Transformator (2) nach Anspruch 1, wobei die induktive Kopplung (5) zwischen jeweils zwei Drähte (22a, 22b) einen Ringkern (51) aufweist, durch den von verschiedenen Spulenzweige (24a, 24b) über Kreuz geführt werden, so dass diese bezüglich der Wicklungsrichtung der Spulenzweige (24a, 24b) durch den Ringkern (51) in zueinander entgegengesetzten Richtungen verlaufen.

3. Transformator (2) nach Anspruch 1, wobei die induktive Kopplung (5) zwischen jeweils zwei Drähten (22a, 22b) zwei Ringkerne (52, 53) aufweist, die über einen separaten über Kreuz geführten Leiterring (54) miteinander gekoppelt sind, wobei die Drähte (22a, 22b) mit einem Abschnitt zwischen einem der Anschlüsse (23) und den Spulenzweigen (24a, 24b) durch einen der Ringkerne (52, 53) geführt und der Leiterring (54) so durch die Ringkerne (52, 53) geführt wird, dass ein darin fließender Ringstrom die Ringkerne (52, 53) bezüglich der Zweigströme gleichgerichtet durchfließt.

4. Transformator (2) nach Anspruch 1, wobei die induktive Kopplung zwischen jeweils zwei Drähten (22a, 22b) einen Ringkern (55) aufweist, wobei durch den Ringkern (55) ein Draht (22a) eines ersten der Spulenzweige (24a) an einem Abschnitt geführt wird, der zwischen der Teilwicklung und einem zweiten der Anschlüsse 23b liegt und durch den Ringkern (55) der zweite Draht (22b) eines zweiten der Spulenzweige (24b) mit einem Abschnitt geführt wird, der zwischen der Teilwicklung und einem ersten der Anschlüsse (23a) liegt.

5. Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei mehr als zwei Drähten zum Realisieren von mehr als zwei Teilwicklungen induktive Kopplungen (5) zwischen jeder möglichen Paarung von jeweils zwei der Spulenzweige (24a, 24b) vorgesehen sind.

6. Transformator (2) nach Anspruch 1 bis 5, wobei die mehradrige Wicklung verdrillt ist, insbesondere genau einmal verdrillt ist.

7. Transformator (2) nach Anspruch 1 bis 6, wobei die Drähte der mehradrigen Wicklung in Lagen um den Transformatorkern (21) angeordnet sind.

8. Umrichter (1) mit einem Transformator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mit einem oder mehreren Wechselrichtern (3, 4).

9. Umrichter (1) nach Anspruch 8, wobei der eine oder die mehreren Wechselrichter (3, 4) so ausgebildet sind, um den Transformator (2) mit einer Frequenz von zwischen 300hz und 30kHz, insbesondere zwischen 1 kHz und 20 kHz zu betreiben.

10. Umrichter (1) nach Anspruch 8 oder 9 wobei der eine oder die mehreren Wechselrichter (3, 4) so ausgebildet sind, um den Transformator (2) mit einer Frequenz von zwischen 50 Hz bis 60 kHz zu betreiben.

Zeichnung