DE69611176T2

DE69611176T2 - Verfahren und vorrichtung für die stufenlose einstellung und regulierung des windungsverhältnises eines transformatores und transformator mit einer solchen vorrichtung

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Publication number: DE69611176T2
Application number: DE69611176T
Authority: DE
Inventors: Gerardus Asselman; Pavol Bauer; Walter De Haan; Hendrik Griffioen; Christoffel Paap; Josephus Van De Water
Original assignee: RENDEL BV
Current assignee: RENDEL BV
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2016-07-27
Also published as: CN1122204C; ES2153966T3; EP0842460A1; DK0842460T3; CZ24598A3; MX9800816A; UA41458C2; HK1018970A1; SK9098A3; TR199800125T1; CA2226867C; PL324658A1; EP0842460B1; CZ296687B6; OA10658A; NO318108B1; AU711771B2; KR19990028845A; CA2226867A1; IL122683A

Description

Verfahren und Schaltvorrichtung zur kontinuierlichen Einstellung und Regelung eines Transformator-Übersetzungsverhältnisses sowie mit einer solchen Schaltvorrichtung versehener Transformator.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses innerhalb eines gewissen Einstellbereiches zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eines Leistungstransformators, der zumindest eine mit Anzapfungen versehene Regelwicklung aufweist.
In Netzen zur Verteilung von elektrischer Energie wird von Netzteilen Gebrauch gemacht, die unterschiedliche Spannungspegel aufweisen und die generell mit Hilfe von Transformatoren gegenseitig bzw. miteinander gekoppelt sind, deren Übersetzungsverhältnis zwischen der Spannung auf der Primärseite und der Spannung auf der Sekundärseite in Schritten bzw. Stufen innerhalb gewisser Grenzen infolge der Ausstattung zumindest einer der Wicklungen des Transformators mit Anzapfungen geregelt werden können oder einstellbar sind, die mittels einer Schaltvorrichtung ausgewählt werden können.
In Abhängigkeit von der gewünschten Transformatoranwendung kann dies eine Regelung oder Einstellung des Übersetzungsverhältnisses in einem oder mehreren Schritten unter Belastung mittels unter Last arbeitender Anzapfungs-Wechseleinrichtungen oder eine semipermanente Einstellung des Übersetzungsverhältnisses in einem oder mehreren Schritten im ausgeschalteten Zustand des Transformators mittels Anzapfungs-Wähler umfassen. Die Regelung oder Einstellung des Untersetzungsverhältnisses der Transformatoren im Verteilungsnetz ist notwendig, um einen bestimmten Spannungspegel innerhalb festliegender Grenzen im Falle von divergierenden Lastsituationen sowohl von einer Kurzzeit- als auch von einer Langzeitnatur an den Verteilerpunkten gewährleisten zu können, die mit den Verbrauchern der elektrischen Energie in Verbindung stehen.
An Hand von Messungen und Berechnungen ist festgestellt worden, dass mit den derzeitigen Transformator-Regel- und Einstelleinrichtungen die Spannungsänderung in städtischen Netzen etwa 7% der Nennspannung beträgt, während in ländlichen Netzen eine Spannungsänderung von etwa 14% vorliegt. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass die mittlere Spannung über alle Verteilerpunkte um 2% bis 4% höher ist als der Nennwert. Infolgedessen treten unnötige Verluste in den Transformatoren auf, und die Verbraucher haben im Mittel einen übermäßig hohen Verbrauch.
Bei Betrachtung vom Erzeugungsende zum Verteilungsende hin ist die Ursache der Spannungsänderung in den Verteilungsnetzen gegeben durch die kumulativen Effekte von Spannungsverlusten über das Mittelspannungsnetz, den Niederspannungstransformator und das Niederspannungsnetz, wobei in der betreffenden Verbindung die schrittweise Regelung des Mittelspannungstransformators und ein Strom-Beeinflussungssystem, das nicht genau eingestellt werden kann, eine Rolle spielen. Darüber hinaus führen ungleich belastete Kabelphasen oder eine dezentralisierte Energieerzeugung zum Auftreten von Spannungsdifferenzen im Netz.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer einfachen und billigen Weise an erster Stelle ein Verfahren des im Oberbegriff erwähnten Typs bereitzustellen, wobei mit dem Verfahren die Einstellung der Spannung in den Verteilungsnetzen beträchtlich genauer und schneller als beim Stand der Technik erfolgen kann und darüber hinaus unter Belastung. Zu diesem Zweck ist das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Transformator-Übersetzungsverhältnisses, welches innerhalb des Einstellbereiches im wesentlichen kontinuierlich einstellbar ist, eine erste Anzapfung während eines Teiles einer Periode der Wechselspannung des Transformators eingeschaltet wird und dass eine zweite Anzapfung während eines anderen Teiles der Periode der Wechselspannung eingeschaltet wird. Damit sind während einer Periode der Wechselspannung zwei Anzapfungen gesondert in Betrieb, und der Strom fließt durch eine der Anzapfungen entsprechend den Zeiten, während der die betreffenden Anzapfungen eingeschaltet sind. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Zeiten des Einschaltens auch (praktisch) Null sein können.
Mit den verbesserten Spannungsregelmöglichkeiten unter Belastung, die als Ergebnis dieses Verfahrens erzielt werden, kann das Übersetzungsverhältnis eines mit Anzapfungen versehenen Transformators genau und sehr schnell in einer solchen Weise eingestellt werden, dass die Nennspannung angenähert vorherrscht, insbesondere an den Verteilerpunkten des Verteilungsnetzes. Infolgedessen werden die Transformatoren imstande sein, ohne erhöhte Spannung im Vergleich mit den bisher üblichen Regelmöglichkeiten bzw. -einrichtungen betrieben zu werden; dies führt daher zu einer mittleren Spannungsverringerung von 2% bis 4% im Vergleich zur derzeitigen Situation. Die Nulllast-Verluste eines Transformators werden folglich etwa 5% bis 9,5% niedriger sein, und zwar in Abhängigkeit von der Spannungsabhängigkeit der Nulllast-Verluste des Transformators.
Am Verteilerpunkt der elektrischen Energie führt die Spannungsverminderung zu einer Energieeinsparung, die auf der Grundlage von Messungen in einem holländischen Verteilungsnetz und des EPRI-Berichts EL-3591 mit dem Titel "Die Auswirkungen verringerter Spannung auf den Betrieb und den Wirkungsgrad von elektrischen Systemen", Vol. 1, Projekt 1419-1, Juni 1984, etwa 1,8% bei einer 2%igen mittleren Spannungsverringerung beträgt und etwa 3,6% bei einer mittleren Spannungsverringerung von 4%. Merkliche Einsparungen sind daher sowohl für den Betreiber des Verteilungsnetzes, von dem die Transformatoren einen Teil bilden, und für die Verbraucher der elektrischen Energie zu erzielen.
Darüber hinaus nehmen die Abweichungen von der Nennspannnung über eine beliebige Zeitspanne ab.
Ferner sind große indirekte Einsparungen für die Verteilerfirma im Management und in der Netzkonfiguration des Mittelspannungs- und Niederspannungsnetzes möglich.
Im Hinblick auf die Spannungsregelung in Stationen können Spannungsprobleme in Netzen mit unterschiedlich belasteten Mittelspannungsphasen gelöst und gemanagt werden.
Im Hinblick auf die Netzkonfiguration hat sich herausgestellt, dass Mittelspannungsnetze über eine wesentlich größere Distanz betrieben werden können, da die Transformator-Leistungs- bzw. Energieabgabe unabhängig von dem Spannungsabfall des Mittelspannungsteiles des Netzes stattfinden kann. Infolgedessen sind Einsparungen in Netzkonfigurationen bei Spannungspegeln von 150 kV, 50 kV, 25 kV und 10 kV möglich.
Kabelquerschnitte können ebenfalls verringert werden, da der Spannungsabfall nicht mehr kritisch ist als Bemessungskriterium für das Netz; lediglich die Transportkapazität stellt dann noch ein Bemessungskriterium dar.
In Verbindung mit der Rückspeisung von Energie können Einsparungen dadurch erzielt werden, dass gesonderte Transformatoren nicht mehr erforderlich sind für die Abgabe und Aufnahme von Energie, da die Spannung mit Hilfe des Verfahren gemäß der Erfindung unabhängig von der Richtung der Energie geregelt werden kann.
Schließlich sei darauf hingewiesen, dass im Falle des Parallelbetriebs von Transformatoren die Energieverteilung sehr gut durch die Spannungsregelung eingestellt werden kann, und zwar unabhängig von einer Differenz in der Kurzschlußimpedanz der parallel arbeitenden Transformatoren.
Vorzugsweise erfolgt das Schalten zwischen der ersten und zweiten Anzapfung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nach bzw. entsprechend einer Pulsbreitenmodulation. Als Ergebnis kann eine gute Kompensation bezüglich Oberwellenspannungen erreicht werden. Die Oberwellenströme und -spannungen, die erzeugt werden, weisen Frequenzen auf, die ausschließlich ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz (üblicherweise: 50 oder 60 Hz) sind. Falls die Frequenz der Pulsbreitenmodulation zumindest eine Größenordnung höher liegt als die Frequenz der Wechselspannung oder der zu kompensierenden Oberwellenspannung oder des zu kompensierenden Oberwellenstromes, dann wird eine korrigierte Spannung oder ein korrigierter Strom erhalten, deren bzw. dessen Grundfrequenz gleich der Grundfrequenz der Wechselspannung ist. Darüber hinaus wird als Ergebnis der Veränderung der Pulsbreite eine Spannung erhalten, die ohne weiteres geregelt werden kann und deren Wert im wesentlichen proportional ist dem Verhältnis der Zeitspannen, während der die ersten und zweiten Anzapfungen eingeschaltet sind.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Schalten zwischen der ersten und zweiten Anzapfung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung mit Hilfe einer Phasenregelung, das heißt das Einschalten einer Anzapfung erfolgt bei einem bestimmten Phasenwinkel, womit die betreffende Phasenregelung auch als Phasenwinkelregelung bezeichnet wird. Der Spannungspegel der Regelwicklung variiert mit der Wahl des Phasenwinkels. Falls unidirektional leitende Schalter verwendet werden, erfolgt das Ausschalten einer Phase durch natürliche Kommutierung zum Zeitpunkt, zu dem der Strom durch Null läuft.
Die nächste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung des in der Einleitung erwähnten Typs zur Erreichung der oben genannten Aufgaben bzw. Ziele bereitzustellen. Zu diesem Zweck ist die betreffende Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Anzahl von elektronischen Schaltern, die mit einem ersten und einem zweiten Anschluß versehen sind und die mit Hilfe von Steuersignalen unidirektional oder bidirektional leitend gemacht werden können, wobei die ersten Anschlüsse jeweils mit einer Anzapfung der Regelwicklung verbindbar sind und wobei die zweiten Anschlüsse mit dem ersten oder zweiten Anschluß zumindest eines weiteren Schalters verbindbar sind, und durch eine Steuervorrichtung für die Abgabe der Steuersignale an die Schalter in einer solchen Weise, dass ein Transformator-Übersetzungsverhältnis erhalten wird, welches innerhalb des Einstellbreiches im wesentlichen kontinuierlich einstellbar ist, wobei eine erste Anzapfung während eines Teiles einer Periode der Wechselspannung des Transformators eingeschaltet ist und wobei eine zweite Anzapfung während eines anderen Teiles der Periode der Wechselspannung eingeschaltet ist,
wobei das Verhältnis der Zeitspannen, innerhalb der die ersten und zweiten Anzapfungen eingeschaltet sind, vom Wert eines der Steuervorrichtung zugeführten Transformator-Übersetzungsverhältnis-Steuersignals abhängt. Eine derartige Schaltvorrichtung ersetzt die konventionelle, mechanisch betriebene, unter Last arbeitende Anzapfungs-Wechseleinrichtung oder den Anzapfungs-Wähler und ermöglicht dem Betreiber bzw. dem Operator des zugehörigen Transformators, das Transformator-Übersetzungsverhältnis schnell, genau und im wesentlichen kontinuierlich einzustellen.
Mittels des Verfahrens und der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung ist eine Anzahl von neuen Steuerungs- bzw. Pegeleigenschaften in Reichweite gelangt, wie:
- Kompensation bezüglich Oberwellenspannungen. Unter der Annahme, dass die Regelwicklung des Transformators auf der Primärseite liegt, kann die Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung in einer solchen Weise gesteuert bzw. geregelt werden, dass eine Oberwellenspannungsverzerrung auf der Primärseite nicht auf der Sekundärseite vorhanden ist, mit dem Ergebnis, dass die Sekundärspannung im wesentlichen sinusförmig ist;
- Kompensation bezüglich Oberwellenströme. Unter der Annahme, dass wieder die Regelwicklung des Transformators auf der Primärseite liegt, kann die Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung in einer solchen Weise gesteuert bzw. geregelt werden, dass unter Verwendung von einem oder mehreren Kondensatoren Oberwellenströme auf der Primärseite kompensiert werden können, und dies führt zu einem im wesentlichen sinusförmigen Primärnetzstrom. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kompensation bezüglich Oberwellenströme nicht gleichzeitig mit der Kompensation bezüglich Oberwellenspannungen erfolgen kann;
- Korrektur bezüglich unsymmetrischer Spannungen. Falls die Phasenspannungen auf der Primärseite im Falle eines Mehrphasentransformators a- bzw. unsymmetrisch sind, kann diese Unsymmetrie dadurch korrigiert werden, dass die Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung für die gesonderten Phasen unterschiedlich und unabhängig von den anderen Phasen gesteuert bzw. geregelt wird;
- Fernsteuerung. Normal gesagt erfolgt die Regelung des Transformator-Übersetzungsverhältnisses durch Erzeugen eines Steuersignals in einem Steuer- bzw. Regelsystem mit geschlossener Regelschleife, wobei die Bezugsgröße für eine zu regelnde Spannung intern erzeugt wird. Eine derartige Spannungsreferenz kann jedoch auch extern Erzeugt und von fern her der Schaltvorrichtung zugeführt werden;
- Parallelschaltung von Transformatoren. Spannungsdifferenzen zwischen parallelgeschalteten Transformatoren können mittels einer geeigneten Steuerung bzw. Regelung eliminiert werden. Eine Master-/Slave-Steuerung bzw. -Regelung kann beispielsweise für diesen Zweck genutzt werden, wobei ein Master-Steuersystem die Spannung eines Transformators steuert und eine Stromeinstellung bezüglich eines Slave- Steuersystems eines anderen Transformators hervorruft.
Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung der Schaltvorrichtung imstande, mit Hilfe der Pulsbreitenmodulation die erste und zweite Anzapfung einzuschalten.
Zu diesem Zweck umfassen die Schalter in vorteilhafter Weise jeweils eine Parallelschaltung aus zwei Transistoren, die entgegengerichtet in Reihe geschaltet sind, sowie zwei Dioden, die entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Dioden mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren verbunden ist. Bei einer praktischen Ausführungsform ist der betreffende Verbindungspunkt mit den Emittern der Transistoren und mit den Anoden der Dioden verbunden, und die Transistoren sind vom IGBT-Typ.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung der Schaltvorrichtung imstande, zwischen der ersten und zweiten Anzapfung mit Hilfe einer Phasensteuerung bzw. -regelung umzuschalten, wobei in diesem Falle die Schalter Thyristoren umfassen können, die bei natürlicher Kommutierung in antiparalleler Weise verbunden sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung zumindest ein Element, welches sicherstellt, dass die Spannung an den und der Strom durch die elektronischen Schalter(n) einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet, so dass die elektronischen Schalter lediglich für die Nennspannungen und Nennströme geeignet zu sein brauchen. Ein derartiges Element kann andererseits mit einem ersten Anschluß, der mit einer Anzapfung der Regelwicklung des Transformators verbindbar ist, und mit einem zweiten Anschluß ausgelegt sein, der mit dem ersten oder zweiten Anschluß eines Schalters verbindbar ist. Andererseits kann ein derartiges Element mit einem ersten Anschluß, der mit dem ersten Anschluß eines Schalters verbindbar ist, und mit einem zweiten Anschluß versehen sein, der mit dem zweiten Anschluß eines Schalters verbindbar ist.
Beispiele der betroffenen Elemente sind: eine Impedanz, ein Thyristor, ein spannungsabhängiger Widerstand und ein Überspannungsbegrenzer bzw. eine Überspannungsschutzeinrichtung. In Kombination mit einer geeigneten Steuervorrichtung können solche Vorkehrungen getroffen sein, dass im Falle eines Kurzschlusses des Transformators der Kurzschlußstrom durch das Begrenzungselement fließt. Dasselbe kann im Falle des eingeschalteten Transformators erfolgen, wobei unter diesen Umständen Ströme auftreten, die eine Anzahl mal höher sind als der Nennstrom. Darüber hinaus kann die Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung durch den Leistungstransformator selbst gespeist werden, beispielsweise von der Anzapfung, die mit dem Begrenzungselement verbunden ist. In diesem Falle wird der Transformator über das Element eingeschaltet, nachdem die Schaltvorrichtung im Dauerzustands-Betriebszustand des Transformators in Betrieb gesetzt ist, so dass die Schaltvorrichtung keine gesonderte Spannungsversorgung benötigt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Transformator, der mit zumindest einer Wicklung mit Anzapfungen versehen ist und der eine Schaltvorrichtung aufweist, wie dies oben beschrieben worden ist.
Die Erfindung wird nachstehend in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein Diagramm eines Transformators, dessen eine Wicklung mit vier oder fünf Anzapfungen versehen ist, die mit einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung verbunden sind,
Fig. 2 eine Alternative für den in Fig. 1 dargestellten elektronischen Schalter,
Fig. 3 ein Diagramm eines weiteren Transformators, der eine mit Anzapfungen versehene Wicklung aufweist,
Fig. 4 einen noch weiteren Transformator, der eine Wicklung aufweist, die mit Anzapfungen versehen ist zur Vergrößerung des In-Phase-Regelbereichs des Transformators,
Fig. 5 einen noch weiteren Transformator, der Wicklungen aufweist, die mit Anzapfungen in zwei verschiedenen Phasen für eine In-Phase- und eine Quer- bzw. Quadraturregelung eines Drei-Phasen-Transformators versehen ist,
Fig. 6 ein sehr vereinfachtes Ersatzdiagramm eines in ein Netz einbezogenen Transformators,
Fig. 7 die Transformator-Ausgangsspannung im Falle einer Pulsbreitenmodulation gemäß Fig. 8 in dem Diagramm gemäß Fig. 6,
Fig. 8 die zugehörige Spannung an einem Schalter in Fig. 6,
Fig. 9 eine Regelcharakteristik im Falle einer Pulsbreitenmodulation,
Fig. 10 den Strom in dem nicht-angezapften Teil der Primärwicklung des Transformators gemäß Fig. 6 und den Strom durch eine Anzapfung des betreffenden Transformators im Falle einer Phasenregelung und
Fig. 11 die Spannung auf der Sekundärseite und den Strom durch eine weitere Anzapfung des Transformators gemäß Fig. 6 im Falle der Phasenregelung.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich dieselben Bezugszeichen auf dieselben Komponenten oder auf Komponenten, die dieselbe Funktion haben.
Bei der nachstehenden Beschreibung ist stets eine Einphasen- Transformatordarstellung angenommen; es dürfte klar sein, dass im Falle eines Mehrphasen-Transformators die beschriebene und dargestellte Schaltung in einer der Anzahl von Phasen entsprechenden Vielzahl vorgesehen sein wird.
Fig. 1 veranschaulicht eine Phase eines Transformators 2, der eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 6 aufweist. Er kann beispielsweise ein 400-kVA-Transformator mit einer Primär-Nennspannung von 10,5 kV und einer Sekundärspannung von 420 V sein. Die Primärwicklung 4 ist mit Anzapfungen 6a, 6b, 6c und 6d versehen, die jeweils mit einem ersten Anschluß eines Paares von Thyristoren 8a und 10a, 8b und 10b, 8c und 10c bzw. 8d und 10d verbunden sind; die betreffenden Thyristoren sind dabei antiparallel geschaltet. Die anderen (zweiten) Anschlüsse der Paare von antiparallel geschalteten Thyristoren sind miteinander verbunden und führen zu einem Anschluß 12 des Netzes. Jedes Paar der antiparallel geschalteten und von einer Strichpunktlinie umgebenen Thyristoren wird individuell (was symbolisch durch Pfeile 13a bis 13d angegeben ist) mittels einer Steuervorrichtung 14, die hier nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben ist, auf der Grundlage eines Transformator- Übersetzungsverhältnis-Steuersignals Uref gesteuert, welches der Steuervorrichtung 14 zugeführt wird. Die Betriebsweise der Steuervorrichtung wird unten unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 11 einschließlich in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Die Paare der antiparallel geschalteten Thyristoren gemäß Fig. 1 arbeiten auf der Grundlage natürlicher Kommutierung und sind daher für eine Phasenregelung bzw. Phasensteuerung besonders geeignet. Im Falle einer Pulsbreitenmodulation hat eine Zwangskommutierung möglich zu sein, wobei für diesen Zweck beispielsweise GTO-(Gate-Turn-Off)-Elemente verwendet werden können. Im zuletzt erwähnten Falle ist es auch möglich, die in Fig. 2 dargestellte Parallelschaltung von Transistoren 16 und 18, die entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, und von Dioden 20 und 22, die entgegengesetzt in Reihe geschaltet sind, zu verwenden, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Transistoren 16 und 18 und der Verbindungspunkt zwischen den Dioden 20 und 22 miteinander verbunden sind.
In Fig. 1 liegt derjenige Teil bzw. Bereich der Wicklung, der mit Anzapfungen versehen ist, an einem Ende der Primärwicklung 4. In Fig. 3 ist der betreffende Bereich einer Wicklung 4a eines Transformators 2a, die mit Anzapfungen versehen ist, indessen mehr zentral in der Wicklung gelegen. Die in Fig. 3 und folgenden dargestellten Schalter, wie die Schalter 24a, 24b, 24c und 24d, sind der Einfachheit halber in sehr vereinfachter Form dargestellt; sie umfassen aber bei einem tatsächlichen Aufbau steuerbare Halbleiterelemente, wie Thyristoren bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 oder die Transistoren und Dioden in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2. Auch in Fig. 3 und folgenden sind der Klarheit halber keine Steuervorrichtungen dargestellt.
In beiden Fig. 1 und 3 ist eine Anzapfung 6e bzw. 6f durch gestrichelte Linien dargestellt und mit einem Element 26 bzw. 28 verbunden, dessen andere Seite (Element 26) mit dem Anschluß 12 bzw. dessen andere Seite (Element 28) mit dem ersten Anschluß des Schalters 24a verbunden ist, wobei das betreffende Element dazu dient, die elektrische Spannung und den Strom zu reduzieren, die bzw. der beispielsweise die elektronischen Schalter belastet, während der Transformator eingeschaltet wird oder während Kurzschlüssen. In derartigen Situationen fließen hohe bis sehr hohe Ströme, die über das Element 26 bzw. 28 fließen können, und zwar infolge des Öffnens der Schalter. Die die Schalter belastende Spannung bleibt aufgrund des Elements hinreichend niedrig.
Ein Element 26 oder 28 kann ebenfalls einem Schalter parallelgeschaltet sein, wie dies in Fig. 3 angegeben ist: zum Schutz des Schalters 24a ist die durch eine gestrichelte Linie zwischen dem Element 28 und der Anzapfung 6f dargestellte Verbindung in diesem Fall durch eine Verbindung ersetzt, die durch eine Strichpunktlinie veranschaulicht ist.
Die Schalter sind lediglich während des normalen Dauerzustands des Transformators 2 oder 2a in Betrieb und nicht während des Einschaltens oder des Kurzschlusses des Transformators. Dies bedeutet, dass die elektrische Energieabgabe für die für die Schalter vorgesehene Steuervorrichtung vom Transformator selbst erreicht werden kann, da Leistung bzw. Energie lediglich gebraucht wird, wenn der Transformator in Betrieb ist.
Der Transformator gemäß Fig. 4 weist eine Primärwicklung 30 auf, die in der Tat eine Reihenschaltung der Wicklungen 4a gemäß Fig. 3 zur Vergrößerung des Spannungs-In-Phase-Regelbereiches aufweist.
Bei den Transformatorschaltungen gemäß Fig. 1, 3 und 4 ist stets eine sogenannte In-Phase-Regelung vorhanden, das heißt eine Spannungsregelung in einer Phase. Eine Kombination einer In-Phase- und einer Quadratur-Regelung, das heißt eine gleichzeitige Regelung von Wicklungen auf unterschiedlichen Transformatorkernen ist schematisch in Fig. 5 veranschaulicht. Der Transformator 2c gemäß Fig. 5 weist eine Regelwicklung 32 einer ersten Phase auf, wobei diese Regelwicklung mit einer Regelwicklung 34 einer anderen Phase in Reihe geschaltet ist.
Fig. 6 veranschaulicht einen Transformator 2d mit Einer Primärhauptwicklung 36, die einen Widerstand 38 aufweist, und einem Primärwicklungsabschnitt 40, der einen Widerstand 42 aufweist. Die Primärwicklungen 36, 40 weisen Anzapfungen 44a und 44b auf, die mit einer Seite der Schalter 46a bzw. 46b verbunden sind. Die anderen Seiten der Schalter 46a, 46b sind miteinander verbunden und an der Spannungsabgabeseite eines Netzes angeschlossen, welches in symbolischer Form durch eine Spannungsquelle 48 und durch eine Induktivität 50 angegeben ist.
Die Sekundärwicklung 52, die einen Widerstand 54 aufweist, ist mit einer Lastimpedanz 56 verbunden, über der die Ausgangsspannung u&sub2; auftritt. Die Spannung über dem Schalter 46a ist mit us angegeben.
Bei der Pulsbreitenmodulation wird der Schalter 46b ausgehend von der geöffneten Stellung geschlossen - und der Schalter 46a wird ausgehend von der geschlossenen Stellung geöffnet - und zwar in einem Rhythmus, der im Prinzip aus Fig. 8 abgeleitet werden kann. Gemäß Fig. 8 ist die Einschaltzeit drei- bis viermal so lang wie die Zeit, während der der Schalter 46a geöffnet ist. In dem dargestellten Fall ist die Frequenz der Pulsbreitenmodulation (1 kHz) zwanzigmal so hoch wie die Frequenz (50 Hz) der zu modulierenden Spannung. Es ist ohne weiteres in der Ausgangsspannung u&sub2; des Transformators 2d gemäß Fig. 7 erkennbar, dass die Spannung, währenddessen der Schalter 46a geöffnet ist (entspricht der Zeitspanne, während der der Schalter 46b geschlossen ist) höher ist als während der übrigen Zeit, woraufhin als Folge der Effektivwert der Spannung u&sub2; zwischen einem Wert, der erhalten wird, wenn der Schalter 46a permanent geschlossen ist, und einem Wert liegt, der erhalten wird, wenn der Schalter 46b permanent geschlossen ist. Es dürfte klar sein, dass die Spannung u&sub2; durch kontinuierliches Verändern der Pulsbreite kontinuierlich geändert werden kann.
Wenn der Einschalt-Faktor d definiert wird als das Verhältnis der Zeit, während der der Schalter 46b geschlossen ist, zu der Schaltzeit der Pulsbreitenmodulation, dann liegt eine Beziehung zwischen der Veränderung in der Transformator-Ausgangsspannung Δu&sub2; und dem Einschalt-Faktor d vor, wie dies in Fig. 9 veranschaulicht ist. Die erhaltene Kurve ist nicht- linear, was die Folge der Tatsache ist, dass die verwendeten elektronischen Schalter nicht ideale Schalter sind.
Für den Zweck der Fig. 10 und 11 ist angenommen worden, dass die Schalter 46a und 46b in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 durch Thyristoren gebildet sind, die antiparallel geschaltet sind, wobei der Schalter 46a zu Zeitpunkten geschlossen (und der Schalter 46b geöffnet ist), die den Phasenwinkeln α und 180º + α entsprechen. In Fig. 10 und 11 sind zwei Perioden des Stroms i&sub1; durch den nicht-angezapften Bereich der Primärwicklung des Transformators 2d gemäß Fig. 6 in beliebigen vertikalen Maßstäben veranschaulicht, und außerdem sind zwei Perioden des Stroms ia durch den Schalter 46a, des Stromes ib durch den Schalter 46b und der Sekundärspannung u&sub2; veranschaulicht. Aus Fig. 10 geht ohne weiteres klar hervor, dass zu den Zeitpunkten, die den Phasenwinkeln α und 180º + α entsprechen, die Ausgangsspannung u&sub2; in Stufen abnimmt und nach dem Nulldurchlauf des Stromes ia durch die Anzapfung, die mit dem Schalter 46a verbunden ist, wieder stufenweise zunimmt, da zu dem betreffenden Zeitpunkt der Schalter 46a geöffnet und der Schalter 46b geschlossen sind. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der Klarheit halber die stufenweisen Änderungen in der Ausgangsspannung u&sub2; in deutlicherer Form veranschaulicht sind als sie in der Wirklichkeit bei dem dargestellten Maßstab wären. Der Effektivwert der Ausgangsspannung u&sub2; kann innerhalb eines gewissen Einstellbereiches durch Ändern des Phasenwinkels α kontinuierlich eingestellt werden.
Schließlich sei darauf hingewiesen, dass es bei dem. Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht notwendig ist, Schalter zweier benachbarter Anzapfungen zu betreiben. Die Schaltvorrichtung kann außerdem so ausgelegt sein, dass zwischen den n-ten und m-ten Anzapfungen geschaltet wird, wobei n und m positive natürliche Zahlen sind, zwischen denen die absolute Differenz größer als 1 ist. Ein derartiges Management kann beispielsweise notwendig sein, falls einer der Schalter der Schaltvorrichtung oder dessen Steuervorrichtung defekt geworden ist, mit dem Ergebnis, dass der defekte Schalter sich kontinuierlich im geöffneten Zustand befindet, während der Transformator dennoch in Betrieb zu halten ist. Eine gewünschte Spannung kann in diesem Falle beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass zwischen der nächst höheren und der nächst niedrigen Anzapfung geschaltet wird.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses innerhalb eines gewissen Einstellbereiches zwischen der Primärwicklung (4) und der Sekundärwicklung (6) eines Leistungstransformators (2; 2a; 2b; 2c; 2d), der zumindest eine mit Anzapfungen (6a, 6b, 6c, 6c) versehene Regelwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Transformator-Übersetzungsverhältnisses, welches innerhalb des Einstellbereiches im wesentlichen kontinuierlich einstellbar ist, eine erste Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) während eines Teiles einer Periode der Wechselspannung des Transformators (2; 2a; 2b; 2c; 2d) eingeschaltet wird und dass eine zweite Anzapfung (6b, 6c, 6d, 6a) während eines anderen Teiles der Periode der Wechselspannung eingeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten zwischen der ersten und zweiten Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) nach bzw. entsprechend einer Pulsbreitenmodulation vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pulsbreitenmodulation zumindest eine Größenordnung höher ist als die Frequenz der Wechselspannung.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten zwischen der ersten und zweiten Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) mit Hilfe einer Phasenregelung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten vorgenommen wird, wenn sich der Transformator (2; 2a; 2b; 2c; 2d) im wesentlichen in seinem stationären Zustand befindet, und dass keine Anzapfung eingeschaltet wird, wenn sich der Transformator (2; 2a; 2b; 2c, 2d) im wesentlichen außerhalb seines stationären Betriebszustands befindet.

6. Schaltvorrichtung zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses innerhalb eines gewissen Einstellbereiches zwischen der Primärwicklung (4) und der Sekundärwicklung (6) eines Leistungstransformators (2; 2a; 2b; 2c; 2d), der zumindest eine mit Anzapfungen (6a, 6b, 6c, 6d) versehene Regelwicklung aufweist,

gekennzeichnet durch eine Anzahl von elektronischen Schaltern (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d; 16, 18; 24a, 24b, 24c, 24d; 46a, 46b), die mit einem ersten und einem zweiten Anschluß versehen sind und die mit Hilfe von Steuersignalen (13a, 13b, 13c, 13d) unidirektional oder bidirektional leitend gemacht werden können, wobei die ersten Anschlüsse der betreffenden Schalter jeweils mit einer Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) der Regelwicklung verbindbar sind und wobei die zweiten Anschlüsse der betreffenden Schalter mit dem ersten oder zweiten Anschluß zumindest eines weiteren Schalters (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d; 16, 18; 24a, 24b, 24c, 24d; 46a, 46b) verbindbar sind,

und durch eine Steuervorrichtung (14) für die Abgabe der Steuersignale (13a, 13b, 13c, 13d) an die Schalter (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d; 16, 18; 24a, 24b, 24c, 24d; 46a, 46b) in einer solchen Weise, dass ein Transformator-Übersetzungsverhältnis erhalten wird, welches innerhalb des Einstellbereiches im wesentlichen kontinuierlich einstellbar ist, wobei eine erste Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) während eines Teiles einer Periode der Wechselspannung des Transformators (2; 2a; 2b; 2c; 2d) eingeschaltet ist und wobei eine zweite Anzapfung (6b, 6c, 6d, 6a) während eines anderen Teiles der Periode der Wechselspannung eingeschaltet ist,

wobei das Verhältnis der Zeitspannen, innerhalb der die ersten und zweiten Anzapfungen (6a, 6b, 6c, 6d) eingeschaltet sind, vom Wert eines der Steuervorrichtung (14) zugeführten Transformator-Übersetzungsverhältnis-Steuersignals abhängt.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (14) zwischen der ersten und zweiten Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) mit Hilfe einer Pulsbreitenmodulation umzuschalten vermag.

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter jeweils eine Parallelschaltung zweier Transistoren (16, 18), die entgegengerichtet in Reihe geschaltet sind, und zweier Dioden (20, 22) umfassen, die entgegengerichtet in Reihe geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Dioden (20, 22) mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren (16, 18) verbunden ist.

9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (16, 18) vom IGBT-Typ sind.

10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (14) zwischen der ersten und zweiten Anzapfung (6a, 6b, 6c, 6d) mit Hilfe einer Phasensteuerung umzuschalten vermag.

11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter Thyristoren (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d) umfassen, die antiparallel geschaltet sind.

12. Schaltvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch zumindest ein Element (26; 28) zur Begrenzung der Spannung an den elektronischen Schaltern und des Stromes durch die elektronischen Schalter (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d; 16, 18; 24a, 24b, 24c, 24d) in einer solchen Weise, dass ein gewisser Spannungs- oder Stromgrenzwert nicht überschritten wird, wobei das zumindest eine Element (26; 28) einen ersten Anschluß, der mit einer Anzapfung (6e; 6f) der Regelwicklung des Transformators (2; 2a) verbindbar ist, und einen zweiten Anschluß aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit dem ersten oder dem zweiten Anschluß eines Schalters (8a, 8b, 8c, 8d, 10a, 10b, 10c, 10d; 16, 18; 24a, 24b, 24c, 24d) verbunden zu werden.

13. Schaltvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch zumindest ein Element (28) zur Begrenzung der Spannung über bzw. an den elektronischen Schaltern und des Stromes durch die elektronischen Schalter (24a) in einer solchen Weise, dass ein gewisser Spannungs- oder Stromgrenzwert nicht überschritten wird, wobei das zumindest eine Element (28) einen ersten Anschluß, der mit dem ersten Anschluß eines Schalters (24a) verbindbar ist, und einen zweiten Anschluß aufweist, der mit dem zweiten Anschluß des Schalters (24a) verbindbar ist.

14. Schaltvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (26, 28; 27) durch eine Impedanz, einen Thyristor, einen spannungsabhängigen Widerstand oder durch einen Überspannungsbegrenzer bzw. eine Überspannungsschutzeinrichtung gebildet ist.

15. Schaltvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie geeignet ist, von dem Transformator (2; 2a; 2b; 2c; 2d) gespeist zu werden.

16. Transformator (2; 2a; 2b; 2c; 2d), versehen mit zumindest einer Anzapfungen (6a, 6b, 6c, 6d) aufweisenden Regelwicklung und versehen mit einer Schaltvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 15.