DE102009006504A1

DE102009006504A1 - Anordnung aus Steuerung und Einphasen-Transformator

Info

Publication number: DE102009006504A1
Application number: DE200910006504
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einer elektronischen Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen außer einer Eingangswicklung mindestens alle Ausgangswicklungen außer einer Ausgangswicklung oder alle Ausgangswicklungen über jeweils einen ersten Schalter miteinander in Reihe geschaltet werden können und über einen zweiten Schalter überbrückt werden können, und bei der die Ansteuerung zur Betätigung der jeweils ersten Schalter und der jeweils zweiten Schalter über die Steuerung erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich ein erstes Wechselstromsystem und ein zweites Wechselstromsystem miteinander verbinden. Im Falle eines Spannungseinbruchs im zweiten Wechselstromsystem kann der Leistungsfluss vom ersten Wechselstromsystem in das zweite Wechselstromsystem kontrolliert und begrenzt sowie Kurzschlussströme begrenzt werden. Die Anordnung ermöglicht durch sehr schnelle Schaltvorgänge die ungestörte Aufrechterhaltung der Leistungseinspeisung von Energieerzeugungsanlagen in Netze, in denen eine einphasige Störung mit Spannungsabsenkung erfolgt. Sie ermöglicht allgemein die Stabilisierung der Spannung einer Leitung auf der Ebene des Verbrauchers oder des Erzeugers in Netzen mit schwankender Spannung. Sie kann kostengünstig in industriellen Anlagen zur Erzeugung und Fortleitung erneuerbarer Energien und allgemein bei Anlagen der elektrischen Energieübertragung und -verteilung eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind.
Anordnungen aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, können beispielsweise dazu dienen, einen Verbraucher mit einer veränderlichen, einstellbaren Spannung zu versorgen, oder aber mit einer konstanten Spannung, wenn eine Eingangsspannung in der Höhe variiert. So ist es beispielsweise bei Leistungstransformatoren in elektrischen Netzen üblich, Ausgangswicklungen mit Anzapfungen zu versehen, um über Schalter (Stufenschalter), die über eine Steuerung angesteuert werden, die Spannungshöhe variieren zu können. Der Regelbereich der Spannung ist dabei üblicherweise im einstelligen oder unteren zweistelligen Prozentbereich bezogen auf die Nennspannung.
Die Wahl der Anzapfung und damit die Höhe der an den Transformatoranschlüssen anliegenden Spannung kann unter Last mit Hilfe von Stufenschaltern erfolgen. Der Stufenschalter stellt sicher, daß während des Wechsels zwischen einer ersten Anzapfung zu einer zweiten Anzapfung kein Kurzschluß der zwischen beiden Anzapfungen liegenden Spulenwindungen erfolgt.
Stufenschalter sind auch bei sogenannten Querregler-Transformatoren verwendet, bei denen Wicklungen in Serienschaltung mit einer Leitung verbunden sind. Der Wechsel von einer Anzapfung zur nächsten Anzapfung erfolgt dabei nachteilig in einem so langen Zeitraum, daß Spannungsänderungen nicht unmittelbar kompensiert werden können.
Eine vergleichsweise schnelle Spannungsänderung kann vorteilhaft mit Hilfe von sogenannten FACTS-Geräten ausgeglichen werden [D. Westermann: Neue systemorientierte FACTS-Elemente, Schlußbericht, BfE Bundesamt für Energie (Schweiz), 2000]. Die technologische Basis von FACTS-Geräten ist ein Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis. Bei sogenannten transformatorlosen ASC-Geräten (Advanced Series Compensation), das sind transformatorlose Serienkompensatoren auf der Basis der FACTS-Technologie, werden drei einphasige Geräte auf ihrer AC-Seite in die Leitung geschaltet. ASC Geräte können ausschließlich Blindleistung in das Netz zur Spannungsbeeinflussung einspeisen. Sie benötigen zwar keinen Transformator, sie haben aber nachteilig einen hohen Aufwand an Leistungselektronik-Komponenten und an Steuerungstechnik und haben nur einen eingeschränkten Regelbereich.
Wird beispielsweise bei der Einspeisung von Energie aus Windkraftanlagen gefordert, daß die Windkraftanlage auch bei einem Spannungseinbruch im Netz bis hinunter auf 45% des Nennwertes weiterhin Leistung einspeist, dann bedeutet diese Forderung hohe Anforderungen an die Windkraftanlage. Es erscheint grundsätzlich machbar, den Spannungseinbruch durch Einsatz von FACTS-Geräten soweit von der Windkraftanlage zu entkoppeln, daß diese die oben genannte Forderung ohne weitere Maßnahme erfüllen kann. Allerdings ist zu erwarten, daß eine entsprechende Lösung mit FACTS Geräten nachteilig technisch aufwendig und ist und mit hohen Kosten verbunden ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung aufzuzeigen, mit der

• größere Spannungseinbrüche auf Leitungen schnell kompensiert und somit die Wirkung auf Verbraucher oder Erzeuger minimiert werden kann,
• Kurzschlußströme begrenzt werden können und
• die kostengünstig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff und den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie den Merkmalen der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß sind in einer Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, mindestens alle Ausgangswicklungen außer einer Ausgangswicklung über jeweils einen ersten Schalter miteinander in Reihe schaltbar und über einen zweiten Schalter überbrückbar. Die Ansteuerung zur Betätigung der jeweils ersten Schalter und der jeweils zweiten Schalter erfolgt über die Steuerung. Die beiden Anschlüsse der Eingangswicklung werden in Serienschaltung mit einer Leitung verbunden und die beiden resultierenden Anschlüsse der Serienschaltung der über die jeweils ersten Schalter oder direkt in Reihe verbundenen oder über die jeweils zweiten Schalter überbrückten Ausgangswicklungen sind in Parallelschaltung mit dieser Leitung verbunden. Die Seite der Leitung, an der diese Parallelschaltung erfolgt, sei im folgenden die „empfangende Seite” genannt, die andere Seite der Leitung sei im Folgenden die „sendende Seite” genannt.
Die jeweils einer Ausgangswicklung zugeordneten ersten Schalter und zweiten Schalter sind erfindungsgemäß in Reihe mit der entsprechenden Ausgangswicklung geschaltet
Werden alle zweiten Schalter geschlossen und ebenfalls alle ersten Schalter geschlossen und der dritte Schalter geöffnet, dann wirkt die mit ihren beiden Anschlüssen der Eingangswicklung in einen Leitungszug in Serie geschaltete erfindungsgemäße Anordnung durch ihre Transformator-Kurzschluß-Impedanz, durch die der Leitungsstrom fließt. Die damit zusätzlich in die Leistung eingebrachte Spannung ist vergleichsweise gering; sie setzt sich zusammen aus dem Spannungsabfall infolge des Leitungsstromes durch die Transformator-Kurzschluß-Impedanz sowie aus dem Spannungsabfall in den jeder Ausgangswicklung zugeordneten Strompfaden durch die in Reihe geschalteten geschlossenen ersten und zweiten Schalter.
Werden aus diesem Zustand heraus für einen oder mehrere Ausgangswicklungen der jeweils zweite Schalter geöffnet und für alle übrigen Ausgangswicklungen der jeweils erste Schalter geöffnet sowie der dritte Schalter geschlossen, dann erhöht sich die in die Leitung eingebrachte Spannung. Sie ist jetzt in etwa gegeben durch das resultierende Spannungsübersetzungsverhältnis der Anordnung und die vorgegeben Spannung der Leitung auf der empfangenden Seite.
Vorteilhaft läßt sich so die Spannung auf der Leitung auf der sendenden Seite stützen, wenn die Spannung der Leitung auf der empfangenden Seite einbricht. Da die beschriebenen Schaltvorgänge sehr schnell erfolgen, kann eine Spannungsstörung ausgeglichen oder abgemildert und von Verbrauchern oder Erzeugern ferngehalten werden. Kurzschlußströme aus der speisenden Seite können so begrenzt werden.
Der Strom-Kommutierungsvorgang beim Kurzschließen und Abtrennen von Ausgangsspulen zum Zwecke der Veränderung des Spannungsübersetzungsverhältnisses der Anordnung wird vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Anordnung von Überspannungsableitern parallel zu den Ausgangswicklungen so gestaltet, daß keine unerlaubten Überspannungen auftreten.
Wird erfindungsgemäß auf der empfangenden Seite der Leitung ein weiterer Transformator angeordnet, der vorteilhaft als Spartransformator ausgeführt sein kann, dann ist damit ermöglicht, daß im gesamten Leitungszug durch die erfindungsgemäße Anordnung keine Spannungserhöhung entsteht, wenn dies gewünscht ist.
Erfindungsgemäß wird das Schalten der ersten und zweiten Schalter beim Zuschalten sowie beim Kurzschließen und Abtrennen von Ausgangsspulen zum Zwecke der Veränderung des Spannungsübersetzungsverhältnis der Anordnung so in der Reihenfolge koordiniert, daß Stromabriß und in der Folge Überspannungen verhindert werden. Zum Schutz der Schalter, die erfindungsgemäß aus antiparallel geschalteten schaltbaren Leistungshalbleitern bestehen können, dienen erfindungsgemäß jeweils parallel geschaltete Überspannungsableiter.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen sowie weitere Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung 1 erläutert.
1 skizziert den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Leitung, in die die Anordnung eingefügt ist, hat drei hier gesondert bezeichnete Abschnitte (1), (2) und (3). Zwischen die Abschnitte (1) und (2) ist an den Anschlußpunkten (5) und (6) die Eingangswicklung (4) in Serienschaltung eingefügt. Gemäß der weiter oben gegebenen Definition ist der Leitungsabschnitt (1) die sendende Seite, während die empfangende Seite durch den Leitungsabschnitt (2) bzw., wenn ein weiterer Transformator (28) eingebracht wird, durch den Leitungsabschnitt (3) gegeben ist. In der 1 ist der weitere Transformator (28) als Stufenschalter dargestellt. Damit kann erreicht werden, daß die Spannung auf der sendenden Seite, also zwischen dem Leitungsabschnitt (1) und dem Rückleiter (17) der Leitung auf Erdpotential, identisch ist mit der Spannung auf der empfangenden Seite, also zwischen dem Leitungsabschnitt (3) und dem Rückleiter (17) der Leitung auf Erdpotential
Die Ausgangswicklungen (7), (8), (9) und (10) können über erste Schalter (11), (12), (13) und (14) in Reihe geschaltet werden. Die resultierenden Anschlüsse einer solchen Reihenschaltung der Ausgangswicklungen sind über einen dritten Schalter (26) an den Anschlußpunkten (15) und (16) in Parallelschaltung mit der Leitung bzw. mit dem Rückleiter (17) der Leitung auf Erdpotential verbunden.
Über zweite Schalter (18), (19), 20) und (21) können die Ausgangswicklungen überbrückt werden. Die beim Abkoppeln von Ausgangswicklungen in deren Induktivitäten noch gespeicherte Energie wird durch die Überspannungsableiter (22), (23), (24) und (25), die parallel zu diesen Ausgangswicklungen geschaltet sind, abgeführt und damit wird das Auftreten von unzulässigen Überspannungen verhindert.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann als geschlossene Baueinheit (27) ausgeführt werden, in die die Steuerung (30) integriert wird. Die Steuerung kann auf vielfältige Weise ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Spannung auf der empfangenden Seite, also die Spannung zwischen dem Leitungsabschnitt (3) und dem Rückleiter (17) der Leitung auf Erdpotential, mit einem Sensor erfaßt werden. Bei Absenkung dieser Spannung kann über die Steuerung (30) das Übersetzungsverhältnis des Einphasentransformator durch Schließen von zweiten Schaltern und Öffnen von ersten Schaltern bei einigen Ausgangswicklungen so weit gesenkt werden, daß der dann größere Spannungsabfall an der Eingangswicklung diese Spannungsabsenkung auf der empfangenden Seite ausgleicht, und dadurch die Spannung auf der sendenden Seite konstant gehalten werden kann.
Die notwendige Leistungselektronik und die erforderliche Steuerung sind einfach im Vergleich zu Lösungen basierend auf der FACTS-Technologie; dies führt zu kostengünstigen Lösungen. Schaltvorgänge sind nur bei Änderung des Spannungsübersetzungsverhältnis erforderlich. Dies reduziert vorteilhaft Schaltverluste im Betrieb.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- D. Westermann: Neue systemorientierte FACTS-Elemente, Schlußbericht, BfE Bundesamt für Energie (Schweiz), 2000 [0005]

Claims

Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens alle Ausgangswicklungen außer einer Ausgangswicklung oder alle Ausgangswicklungen über jeweils einen ersten Schalter miteinander in Reihe schaltbar sind und über einen zweiten Schalter überbrückt werden können, und daß die Ansteuerung zur Betätigung der jeweils ersten Schalter und der jeweils zweiten Schalter über die Steuerung erfolgt.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlüsse der Eingangswicklung in Serienschaltung mit einer Leitung verbunden sind und daß die beiden resultierenden Anschlüsse der Serienschaltung der über die jeweils ersten Schalter oder direkt ohne Zwischenschaltung eines ersten Schalters in Reihe verbundenen oder über die jeweils zweiten Schalter überbrückten Ausgangswicklungen in Parallelschaltung direkt oder über einen dritten Schalter mit dieser Leitung verbunden sind.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einer Ausgangswicklung zugeordnete erste Schalter und der derselben Ausgangswicklung zugeordnete zweite Schalter in Reihe mit der entsprechenden Ausgangswicklung angeordnet sind.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu Ausgangswicklungen Überspannungsableiter geschaltet sind.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden resultierenden Anschlüsse der Serienschaltung der über die jeweils ersten Schalter oder direkt ohne Zwischenschaltung eines ersten Schalters in Reihe verbundenen oder über die jeweils zweiten Schalter überbrückten Ausgangswicklungen in Reihenschaltung mit den Eingangsklemmen eines weiteren Transformators verbunden sind, der als Spartransformator ausgeführt sein kann.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über das Schließen der jeweils zweiten Schalter und das Öffnen der jeweils ersten Schalter vorher zugeschaltete Ausgangswicklungen überbrückt und daß die Steuerung über das Öffnen der jeweils zweiten Schalter und das Schließen der jeweils ersten Schalter vorher überbrückte Ausgangswicklungen zuschaltet.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überbrückung von einer oder mehreren Ausgangswicklungen der jeweils zweite Schalter zunächst geschlossen wird, bevor der jeweils erste Schalter öffnet, und daß bei Zuschalten von einer oder mehreren vorher überbrückten Ausgangswicklungen der jeweils erste Schalter zunächst geschlossen wird, bevor der jeweils zweite Schalter öffnet.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den jeweils zweiten Schaltern und/oder parallel zu den jeweils ersten Schaltern Überspannungsableiter geschaltet sind.
Anordnung aus einer Steuerung und einem Einphasen-Transformator, der eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, von denen eine Wicklung eine Eingangswicklung ist und alle anderen Wicklungen Ausgangswicklungen sind, nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der ersten und zweiten Schalter und/oder der dritte Schalter aus antiparallel geschalteten schaltbaren Leistungshalbleitern aufgebaut sind.