Spulenanordnung für einen Leistungsspannungswandler

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Spulenanordnung für einen, insbesondere induktiven, Leistungsspannungswandler, insbesondere zur Spannungswandlung in Energieversorgungsanlagen der Hochspannungstechnik .

Solche Leistungsspannungswandler ( englisch : Power Voltage Trans former ) werden vorzugsweise als oder wie Trans formatoren oder Trans formatorvorrichtungen ausgebildet , die primärseitig direkt an Hochspannungsleitungen oder Sammelschienen für Hochspannungen, beispielsweise bis zu mehreren Hundert Kilovolt , angeschlossen werden . Sekundärseitig können elektrische Leistungen bei relativ niedrigen Sekundärspannungen, beispielsweise bei Sekundärspannungen bis zu einigen Hundert Volt , zur Verfügung gestellt werden . Derartige Trans formatorvorrichtungen eignen sich beispielsweise zur Eigenversorgung von Umspannwerken oder Energieversorgung von ländlichen Gebieten oder Baustellen aus Hochspannungsnetzen .

Um die Leistung solcher Messwandler zu erhöhen, kann als naheliegende Maßnahme beispielsweise ein Draht- oder Leiterquerschnitt und damit die Verlustleistung im Gerät an eine entsprechende Ausgangsleistung angepasst werden . Dies hat j edoch einen größeren Platzbedarf für beide Wicklungen und damit ein größeres Maß bzw . einen weniger kompakten Aufbau des gesamten Aktivteils zur Folge . Alternativ oder zusätzlich lässt sich über den Parameter der Wicklungs zahl die Induktion und ein Kernquerschnitt des verwendeten Magnetkerns in gewissen Grenzen zur Leistungsoptimierung variieren .

Eine Vergrößerung des Kernquerschnitts bzw . Kernfensters hat j edoch höhere Kernkosten zur Folge und bewirkt eine Vergrößerung der Spule , insbesondere in Hinblick auf die Breite und Höhe der Wicklung, welches sich dann negativ auf die Wärmeabfuhr aus dem Bauteil auswirkt . Die Vergrößerung der Spule bewirkt nachteilhaft weiterhin - aufgrund des größeren Materialeinsatzes - höhere Produktionskosten des gesamten Bauteils , da insbesondere auch das Gehäuse und gegebenenfalls ein Spannungsanschluss angepasst oder anders ausgelegt werden müsste . Mithin wirkt sich das größere Spulengewicht negativ auf den Anschluss bzw . die Montage des Bauteils aus , da insbesondere größere Kräne oder Montagevorrichtungen und/oder eine aufwändigere Abstützung vorgehalten werden muss .

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Spulenanordnung für Leistungsspannungswandler anzugeben, welche es insbesondere erlaubt , die in Rede stehenden Bauteile mit einem deutlich erhöhten Gesamtstrom bzw . einer deutlich erhöhten Gesamtleistung zu betreiben .

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft eine Spulenanordnung für einen, insbesondere induktiven, Leistungsspannungswandler, wobei die Spulenanordnung mindestens zwei , d . h . zwei oder mehr, parallel geschaltete oder entsprechend zu verschaltende oder verschaltbare gleichartige Hochspannungsspulen umfasst . Die Hochspannungsspulen sind j eweils wie ein oder als Trans formator mit einer hochspannungsseitigen Primärwicklung und einer Sekundärwicklung an der Niedervolt- Seite auf gebaut . Demgemäß handelt es sich bei den Hochspannungsspulen vorzugsweise um teilweise , also an der Primärseite für Hochspannungsanwendungen ausgelegte Spulen oder Spulenkomponenten .

Weiterhin ist die erfindungsgemäße Spulenanordnung vorzugsweise für Leistungsspannungswandler-Anwendungen, insbesondere im einphasigen Betrieb, ausgestaltet . Durch das (primärseitige ) parallele Verschalten der beiden Spulen kann der Gesamtstrom und damit die Gesamtleistung bei gleichem Kernquerschnitt und unter Vermeidung der oben genannten Nachteile vorteilhaft erhöht , insbesondere verdoppelt , werden . Demgemäß steht dem Leistungsspannungswandler als Bauteil die Möglichkeit of fen, deutlich höhere Leistungen (Ausgangsleistungen) bereitzustellen, zu entziehen bzw . zu verarbeiten .

Weiterhin bleibt das thermische Verhalten einer j eden Einzelspule ( einzelnen Hochspannungsspule ) vorteilhaft erhalten, ohne dass die oben beschriebenen Nachteile auftreten, dass insbesondere eine größere Spule bereitgestellt werden muss , welche unter anderem durch einen deutlich schlechteren Wär- meaustrag charakterisiert ist .

Noch weiterhin ist der Gehäusedurchmesser vorteilhafterweise ähnlich oder identisch mit dem eines Gerätes , gleicher Bauart , welches beispielsweise nur die halbe Ausgangsleistung bereitstellt .

Vorteilhafterweise muss bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung in Leistungsspannungswandlern überdies lediglich das Gehäuse in einer Dimension vergrößert werden, was sich weniger in den Kosten bemerkbar macht als eine Vergrößerung des Leiter- oder Magnetkernquerschnitts .

Zudem wird die Handhabung der Spulenanordnung für die beschriebenen Zwecke bei oder während der Montage aufgrund von zwei separaten oder einzelnen Spulen oder Spulenpaaren vorteilhafterweise erleichtert .

In einer Ausgestaltung sind oder werden die Sekundärwicklungen der Hochspannungsspulen j eweils weiter in einem Inneren der Spulen bzw . Spulenanordnung angeordnet , und die Primärwicklungen liegen j eweils weiter außen . In einer Ausgestaltung sind die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen identisch ausgebildet oder konfektioniert . Diese Ausgestaltung bietet insbesondere die weiter oben im Detail beschriebenen Vorteile der Montage , Inbetriebnahme , sowie insgesamt der Dimensionierung der Spulenanordnung für ihren bestimmungsgemäßen Einsatz . Abweichend von dieser Ausgestaltung können die erfindungsgemäßen Vorteile j edoch teilweise auch bei lediglich gleichartigen, aber nicht vollständig identischen, Hochspannungsspulen ausgenutzt werden .

In einer Ausgestaltung werden die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen symmetrisch auf einem gemeinsamen Magnetkern aus geschichtetem und/oder gepresstem Eisenblech bzw . in Schnittbandkern-Aus führung angeordnet . Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die elektrischen Eigenschaften der Spulenanordnung für Spannungswandlungsanwendungen der Hochspannungstechnik, insbesondere zur Verlustreduktion und Ef fizienzsteigerung vorteilhaft .

In einer Ausgestaltung sind die Primärwicklungen der Hochspannungsspulen derart gewickelt , dass entsprechende magnetische Feldstärken - während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Spulenanordnung bzw . des Spannungswandlers - in dem Magnetkern den gleichen Richtungssinn aufweisen; bzw . die gleiche (umlaufende ) Feldrichtung .

In einer Ausgestaltung ist die Primärwicklung j eweils rotationssymmetrisch, beispielsweise torusartig bzw . tellerartig, gewickelt oder ausgebildet . Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die elektrischen Eigenschaften der Spulenanordnung für Spannungswandlungsanwendungen, insbesondere zur Verlustreduktion und Ef fi zienzsteigerung vorteilhaft .

In einer Ausgestaltung sind die Primärwicklungen der beiden gleichartigen Hochspannungsspulen j eweils eingerichtet , mit einer zu trans formierenden Hochspannung in Parallelschaltung elektrisch verbunden zu werden . In einer Ausgestaltung ist die Spulenanordnung - im Vergleich zu einem Vergleichsmodell oder Bauteil der Hochspannungsspule mit gleichem Magnetkernquerschnitt - eigerichtet , einen sekundärseitigen Gesamtstrom bzw . eine Gesamtleistung des Leistungsspannungswandlers zu erhöhen, insbesondere zu verdoppeln .

In einer Ausgestaltung ist die Spulenanordnung nicht in kas- kadierter Anordnung der einzelnen Hochspannungs-Spulen geeignet ; bzw . sind die entsprechenden Spulenbauteile nicht elektrisch in Reihe geschaltet .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft einen Leistungsspannungswandler, umfassend die beschriebene Spulenanordnung, wobei die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen in einer Parallelschaltung angeordnet sind . Diese Bauform und Ausgestaltung des Leistungsspannungswandlers ermöglicht es , bei kompakter Bauart , die erfindungsgemäßen Vorteile auch für das übergeordnete Bauteil aus zunutzen .

In einer Ausgestaltung sind die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen gemäß der bestimmungsgemäßen Anordnung des Leistungsspannungswandlers (vertikal ) übereinander angeordnet . Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft eine kompakte Bauart des Leistungsspannungswandlers .

In einer Ausgestaltung sind die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen auf gegenüberliegenden Schenkeln eines gemeinsamen Magnetkerns der Spulenanordnung angeordnet bzw . um diese gewickelt . Diese Ausgestaltung ermöglicht ebenfalls vorteilhaft eine kompakte Bauart der Spulenanordnung .

In einer Ausgestaltung ist ein Hauptisoliermedium innerhalb eines Gehäuses des Leistungsspannungswandlers während seines Betriebs gas förmig, insbesondere synthetische bzw . gereinigte Luft . Durch diese Ausgestaltung kann zweckmäßigerweise eine zuverlässige I solierung bewerkstelligt und gleichzeitig auf klimaschädliches Schwefelhexafluorid als I solationsmedium verzichtet werden .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft die Verwendung der oben beschriebenen Spulenanordnung zur Erhöhung, insbesondere Verdoppelung, des Gesamtstroms und/oder der Gesamtleistung eines ( oder in bzw . an) einem Leistungsspannungswandler ( s ) .

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf die Spulenanordnung beziehen, können ferner den Leistungsspannungswandler direkt betref fen, und umgekehrt .

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw . " , wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet , dass j edes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden .

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben .

Figur 1 zeigt ein bekanntes Design eines induktiven Leistungsspannungswandlers mit einer einzigen (Hochspannungs- ) Spulenanordnung .

Figur 2 eine Ausgestaltung eines Leistungsspannungswandlers mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung, umfassend zwei parallel geschaltete ( einzelne ) Hochspannungsspulenkomponenten .

In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein . Figur 1 deutet einen konventionellen Leistungsspannungswandler 100 mit einer bekannten Spulenvorrichtung an . Die gezeigte Spule stellt zweckmäßigerweise eine Hochspannungsspule 10 bzw . ein Spulenpaar mit einer Hochspannungswicklung dar . Mit anderen Worten weist die Hochspannungsspule 10 eine beispielsweise an eine zu trans formierende Spannung anzuschließen Primärwicklung 11 sowie eine Sekundärwicklung 12 auf . Demgemäß ist die Spule vorzugsweise als Trans formator ausgebildet , womit eine Hochspannungsmessung - ebenso wie die ab Figur 2 beschriebene erfindungsgemäße Spulenanordnung - in hochspannungstechnischen Energieversorgungsanlagen ermöglicht oder prädestiniert wird .

Weiterhin weist die Spule 10 einen für Hochfrequenz- Anwendungen zweckmäßig ausgestalteten Magnetkern 21 , vorzugsweise aus Eisenblech, auf . Weitere Teile des die beschriebene Spule 10 aufweisenden Leistungsspannungswandlers sind in der Figur 1 zum Teil angedeutet , nicht aber expli zit mit Bezugszeichen gekennzeichnet .

In bestimmten Anwendungen solcher Spannungswandler für Hochspannungsanwendungen gibt es den Bedarf , den Leistungsoutput bzw . die sekundärseitigen Gesamtströme und Gesamtleistungen des Bauteils zu erhöhen . Diese Forderung wird mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung für Anwendungen induktiver Spannungswandler erfüllt .

Ein erfindungsgemäßes Bauteil 100 ist in der Figur 2 beschrieben . Der erfindungsgemäße Leistungsspannungswandler 100 weist eine verbesserte Spulenanordnung 20 auf . Im Gegensatz zu der Anordnung der Figur 1 weist die erfindungsgemäße Spulenanordnung 20 mindestens zwei parallel geschaltete gleichartige Hochspannungsspulen 10 auf , wobei beide Hochspannungsspulen 10 j eweils - ebenfalls wie ein Trans formator ausgebildet - mit einer Primärwicklung 11 und einer Sekundärwicklung 12 aufgebaut sind . Die Sekundärwicklungen 12 der beiden Spulenkomponenten 10 sind in den beispielhaften Darstellungen vorliegend nur ansatzweise erkennbar weiter in einem Spuleninneren angeordnet , wohingegen die hochspannungsseitigen Primärwicklungen 11 weiter außen liegen .

Alle oder einzelne Spulenwicklungen können beispielsweise mit einer Öl-Papier- I solation gegeneinander bzw . in einzelnen Lagen isoliert sein .

Die Wicklungen der Hochspannungsspulen 10 , insbesondere deren Primärwicklungen 11 , sind weiterhin tellerartig oder torusar- tig um den Magnetkern 21 herum angeordnet . Dieser Magnetkern 21 kann für Wechselspannungsanwendungen bzw . Netzbetrieb bei der Herstellung der Spulenanordnung vorzugsweise vorgefertigt , insbesondere aus geschichteten oder gepressten Eisenblechen . Die Wicklung der Spule (n) erfolgt dann bevorzugt zunächst auf ein Trägerrohr und erst anschließend wird der Kern für den magnetischen Feldschluss geschlossen und fertiggestellt .

Vorzugsweise sind die gleichartigen Hochspannungsspulen 10 identisch ausgebildet .

Es ist weiterhin erkennbar in Figur 2 , dass die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen 10 symmetrisch auf dem Magnetkern 21 angeordnet sind . Die Hochspannungsspulen 10 sind zudem in der übergeordneten Komponente des Leistungsspannungswandlers 100 in Parallelschaltung übereinander angeordnet . Dazu ist überdies eine elektrische Verbindung oder Durchführung 13 zwischen den beiden einzelnen Spulenanordnungen in der Figur 2 gezeigt .

Ebenfalls zeigt Figur 2 , dass die beiden gleichartigen Hochspannungsspulen 10 auf gegenüberliegenden Schenkeln des gemeinsamen Magnetkerns 21 der Spulenanordnung 20 angeordnet bzw . um diese gewickelt sind . Mit dem Bezugs zeichen 101 ist ein (Haupt- ) I soliermedium 101 innerhalb eines nicht weiter gekennzeichneten Gehäuses oder Kessels des Leistungsspannungswandlers 100 angedeutet , welches gas förmig sein kann, vorzugsweise synthetische bzw . gereinigte Luft .

Anders als in den vorliegenden Figuren dargestellt , umfasst die vorliegende Erfindung verständlicherweise auch eine entsprechende drei fache , vierfache oder mehrfache Anordnung von gleichartigen Hochspannungsspulen, welche analog zu den beschriebenen beiden gleichartigen Hochspannungsspulen eingerichtet , gewickelt oder verschaltet sein können und demgemäß die erfindungsgemäßen Vorteile mit sich bringen . Mit anderen Worten können erfindungsgemäß also auch mehr als zwei , d . h . beispielsweise drei , vier oder noch mehr gleichartige Hochspannungsspulen 10 - parallel geschaltet - um den beschriebenen Magnetkern 21 gewickelt bzw . angeordnet sein .

In der erfindungsgemäßen Anordnung von einzelnen, gleichartigen Hochspannungsspulenanordnungen eines bestimmten Designs in Parallelschaltung übereinander, wird insbesondere eine kompakte Bauweise des Spannungswandlers erhalten . In erster Linie wird durch das Design aber gleichzeitig erreicht , dass eine Gesamtleistung bzw . der gesamte Ausgangsstrom des Leistungsspannungswandlers vorteilhaft erhöht , j a insbesondere verdoppelt , werden kann . Insbesondere wird dieser technische Vorteil bei einem - beispielsweise im Vergleich zu einem gemäß der Darstellung der Figur 1 gezeigten Bauteil gleichen Kernquerschnitts - erreicht , ohne dass eine weitere Auslegung der Komponenten bzw . die Anpassung oder Optimierung weiterer Parameter erforderlich sind .

Üblicherweise wird die Hochspannung der Spannungswandler für Energieversorgungseinrichtungen über einen Hochspannungsanschluss , insbesondere ein Aluminiumrohr 2 , abgegri f fen . Weiterhin weist das Bauteil dabei wie in Figur 2 erkennbar zweckmäßigerweise eine den Spannungsanschluss 2 umgebende Isolation 1 auf . Der Leistungsspannungswandler 100 ist vorliegend lediglich ansatzweise oder schematisch angedeutet dargestellt . Es ist aber evident , dass das erfindungsgemäße Spulenkonzept grund- sätzlich für j ede Art von induktiven Spannungswandlern einsetzbar, da entsprechend skalierbar anzuwenden ist . Somit kann es in vielen Designs von Leistungsspannungswandlern zum Einsatz kommen .