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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ortsnetztrafo bzw. eine Schaltung
für einen Verteiltransformator zur Schaffung eines erfindungsgemäßen
Ortsnetzttrafos zur Steuerung und/oder Regelung des Spannungsbereichs
je Phase für die Mittelspannungs-/Niederspannungsebene
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
Veränderungsprozesse in den Strom-Netzen, vor allem durch
die Integration regenerativer Energiewandlersysteme auf der Niederspannungsebene,
führen zu stark veränderten technischen Rahmenbedingungen.
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Durch
die zu erwartende große Anzahl der technisch sehr unterschiedlichen
Wandlersysteme muss prinzipiell zwischen zwei Veränderungen
gegenüber der früheren Netzsituation differenziert
werden. Zum einen ändern die Leistungsflüsse in
den Stromnetzen je nach Einspeisesituation ihre Richtung und speisen
auch in höher gelegene Netzebenen zurück. Zum
anderen ändern sich durch die fluktuierende Einspeisung
auch die Qualitätsparameter der Netze. Insbesondere muss
mit erhöhten Spannungsschwankungen im Niederspannungsnetz
gerechnet werden.
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Die
bisher dort eingesetzten Transformatoren zur Kopplung der Mittel-
und der Niederspannungsebene sind bisher immer mit einer festen
Einstellung Ihres Übersetzungsverhältnisses betrieben
worden. Fluktuierende Eigenschaften kannte das Stromnetz bisher
nicht, so dass diese Vorgehensweise den Anforderungen vollkommen
entsprochen hat. Durch die Einspeisung von regenerativen Energien ändern
sich die qualitativen Eigenschaften insofern, dass durch die zu
erwartenden Spannungsschwankungen die zulässigen Toleranzbänder
verletzt werden. Die Spannungsqualität ist dann nicht mehr
zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist es zukünftig
notwendig, auch aktiv gesteuerte oder geregelte Transformatoren
in diese Spannungsebene einzubringen.
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Grundsätzlich
können Verteiltransformatoren sowohl primärseitig
als auch sekundärseitig geregelt werden. Während
für die primärseitige Regelung aufgrund der hohen
Spannungen und den damit entstehenden hohen Kosten für
entsprechend leistungsfähige Schalter, teilweise noch mechanische
Stellantriebe zur Verstellung des Übersetzungsverhältnisses
eingesetzt werden müssen, bietet sich für die
Regelung auf der 230/400 V Spannungsebene der Einsatz von heute
verfügbaren geeigneten leistungselektronischen Schaltern an.
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Auf
der Niederspannungsebene können alle drei Phasen bei entsprechend
vorliegender Verbraucher/erzeugerbedingter Schieflast getrennt geregelt
werden; auf der Mittelspannungsebene ist das durch die meist vorliegende
Dreiecksverkettung der drei Phasen deutlich schwieriger zu bewerkstelligen.
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Für
den Bereich der Regelung auf der Mittelspannungsebene sind durch
drei Druckschriften
DE: 101 19
664.4 ;
WO 97/05536 ;
WO 95/27931 und ein laufendes
F&E *Projekt
„Technische
und wirtschaftliche Optimierung der Versorgungsqualität
in Niederspannungsnetzen mit dezentraler Energieeinspeisung",
1. Projektphase von 2004 bis 2006 und
„Entwicklung
eines kompakten universellen Traforeglers für Verteilnetztransformatoren",
2. Projektphase von 2007 bis 2008 Verfahren beschrieben
worden, die man als Stand der Technik für die gestellte
Problemlösung ansehen kann.
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Stand der Technik
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In
der Druckschrift
WO 97/05536 wird
ein komplexes Verfahren beschrieben, bei dem im Primärkreis (Hoch-
oder Mittelspannung) verschiedene Anzapfungen, ausgestattet mit
antiparallelen Thyristoren oder einer Kombination von Dioden und
IGBT's angesteuert werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist zunächst
die für die Ansteuerung benutzte Pulsweitenmodulation,
die ein großes Störspektrum erzeugt, und die Tatsache, dass
Mittel- und Hochspannungstransformatoren primärseitig üblicherweise
in Dreieck geschaltet sind. Damit lassen sich größere
Spannungsunsymmetrien in den einzelnen Strängen der Niederspannungsseite,
beispielsweise eine starke Spannungsanhebung durch Rückspeisung
in einem Strang, kaum vernünftig ausregeln.
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In
der umfangreichen Druckschrift
WO
95/27931 werden Verfahren beschrieben, die verschiedene elektronische
Schalter in Anzapfungen der Transformatoren mit über der
Zeit gepulsten Ansteuerungen betreiben, um im Mittel eine fast kontinuierlich
veränderbare Regelgröße zu erzielen.
Das geht auf Kosten von entstehender hochfrequenter Störstrahlung.
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Eine
Kaskadierung mehrerer paketgesteuerter Anzapfungen, ebenso wie Addition
und Subtraktion von Teilzweigen ist möglich. Die Druckschrift
zeigt auf, dass auch bei Hochspannungstransformatoren mit Sekundäranzapfungen,
die mehrere Windungen pro Teilwicklung haben, ein Einsatz der geschilderten
Verfahren möglich ist.
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Für
den vorliegenden Zweck, nämlich dreiphasige Regelung der
Sekundärspannung von Verteiltransformatoren, sind alle
die erwähnten Verfahren nicht einsetzbar, da für
einen Strang (eine Phase) mit 230 V Nennspannung nur insgesamt etwa
25 Windungen als Folien- oder Bandwicklung kernnah vorhanden sind. Eine
Herausführung mehrerer Anzapfungen ist fertigungstechnisch
schwierig, sehr kostenintensiv und erlaubt als feinste Stufung nur
circa 4% (9,2 V) Spannungsänderung.
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Als
Ansatz für eine Verbesserung der beschriebenen, problematischen
Netzqualitäten, bzw. zur Erweiterungen deren Möglichkeiten
auf Spannungsschwankungen reagieren zu können, kann auch
der Netzregler der Fa. Walcher gesehen werden.
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Hier
werden einzelne Transformatoren in Reihe geschaltet und somit erreicht,
dass ein Spannungsbereich stufenweise, durch zu- oder weg-schalten
von einzelnen Transformatoren abgedeckt werden kann. Die Zuschaltung
jedes Transformators erfolgt über ein separates, jedem
Transformator einzeln zugeordnetes Umschaltschütz.
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Diese
beschriebene Ausführung benötigt aber für
Abdeckung eines sinnvollen Bereichs der Spannungsanpassung viele
einzelne Transformatoren für die zu wählenden
Stufen von einer minimal bis zu einer maximal möglichen,
einschaltbaren Spannung. Als weitere Nachteile haften dieser Lösung
hohe Verluste bei vielen aktiven Stufen, sowie einer zu großen
Umschaltzeit beim Umschaltprozess der Spannung an, die Produktbeschreibung
der Herstellerfirma gibt hier eine Regelgeschwindigkeit von 300
bis 700 Millisekunden an.
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In
dem erwähnten F&E-Projekt,
welches in der Phase 2 wohl im Endstadium ist, werden 5 Anzapfungen
auf der Mittelspannungsseite über Thyristorschalter angesteuert.
Die Stufung der Anzapfungen beträgt ±4%, 0; ±8%,
aber die Verkettung der drei Phasen erfolgt im Dreieck.
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Die
angeführten und wohl teilweise realisierten Systeme, welche
oberspannungsseitig den Regelvorgang ausführen, haben aber
neben den geschilderten Nachteilen einen gravierenden Vorteil: Durch
die geringeren Ströme sind die durch die elektronischen
Schalter entstehenden Zusatzverluste gering. So wird beispielsweise
bei einem 400 kVA-Verteiltrafo (Dyn5-Schaltgruppe, 20 kV/400 V)
im Nennbetrieb ein Leiterstrom von
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Die
geschätzten zusätzlichen Verluste betragen dann
bei einer Durchlassspannung von einem leitenden Ventil pro Außenleiter
nur PV = 11,5 A·1,3 V = 15 W. Für
alle drei Außenleiter entstehen also ca. 45 W Verlustleistung.
Da bei einer Mittelspannung von 20 kV ca. 4 bis 6 Thyristorpaare
wegen der Spannungsfestigkeit in Reihe geschaltet werden müssen,
um einen rea len Schalter aufbauen zu können, ist mit einer
Gesamtverlustleistung durch die Schalter von PV = 180 W bis 270
W zu rechnen.
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Jede
Realisierungsmöglichkeit aber, die Spannungsregelung auf
die Sekundärseite mit all ihren Vorteilen zu verlegen,
wird zu deutlich höheren Stromwärmeverlusten führen,
die es durch geeignete Strukturen zu minimieren gilt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ortsnetztrafo zu
schaffen, bei welchem die dreiphasig getrennte Verbraucherspannung
von 230 V in einem wählbaren Band von z. B. ±4%; ±8%
eingestellt werden kann, und womit unter Berücksichtigung
der Rückspeisung von dezentralen Leistungsquellen wie Biomassekraftwerken,
Blockheizkraftwerken, Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, elektrischen
Speicherbatterien etc., eine erforderliche Netzqualität,
insbesondere bezüglich der Spannungslage realisierbar ist.
Dabei soll der Steuer-/Regeleingriff auf der Sekundärseite
erfolgen und ein Umbau oder Austausch von vorhandenen Verteiltransformatoren
nicht notwendig werden, ebenso soll eine sehr schnelle, für
Anwendungen unterrechungsfreie Spannungsumschaltung gewährleistet
sein.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst. Fortbildungen und vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen umfasst.
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Erfindungsgemäß ist
ein Ortsnetztrafo, bzw. Schaltung für einen elektrischen
Verteiltransformator zur Steuerung und/oder Regelung des Spannungsbereichs
je Phase für die Niederspannungsebene, wobei einem Verteiltransformator
wenigstens ein Transformator mit wenigstens einer Primär-
und einer Sekundär- Wicklung nachgeschaltet ist, wobei
die Sekundärseite in Reihe mit der Phase vom Verteiltransformator
geschaltet ist und die Wicklungen der Primärseite mittels
einer Schaltmatrix aus Leistungshalbleiterschaltern kurzschließbar
oder mit einer gleichphasigen oder gegenphasigen Spannung durch
schnelles Umschalten versorgbar ist und wobei die Ausgangsspannung
während der Schaltvorgänge unterbrechungsfrei
bleibt, weil durch die Sekundärwicklungen in Reihe zum
Verteiltransformator eine galvanische Verbindung besteht.
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Das
zu verwendende Übersetzungsverhältnis des einzusetzenden
Zusatztransformators ist grundsätzlich frei wählbar
und dem Einsatzfall anpassbar. Für die Anwendung, zur Regelung
und Anpassung des Verbraucherstromnetzes hat sich ein Übersetzungsverhältnis
von 25 als gut geeignet herausgestellt, wobei die Primärseite
für 230 V ausgelegt ist und auf der Sekundärseite
somit 9,2 V anliegen, welche je nach Richtung der Primärwicklung,
bzw. deren Ansteuerung bezüglich der Phasenlage, auf der
Sekundärseite für das Verbraucherstromnetz als
Spannungserhöhung oder Spannungsabfall anfallen.
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Das
Ein-, oder Zuschalten, bzw. das Umschalten des primärseitigen
Anschlusses des Zusatztransformators erfolgt bevorzugt mittels Leistungshalbleiterschaltern,
womit Umschaltzeiten von unter 20 Millisekunden, bevorzugt in einem
Bereich von 10 bis 20 Millisekunden erreicht werden. Diese erfindungsgemäß erreichbare
Umschaltzeit stellt eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung
dar, d. h. beim Wechsel zwischen einzelnen Spannungsfenstern gibt
es keine Unterbrechung des Niederspannungsnetzes. Damit können
angeschlossene Rechner in Krankenhausern, Banken etc. nicht ausfallen,
wenn ein Regelvorgang zur Spannungsanpassung stattfindet. Diese
Tatsache ist dominant wichtig, alle anderen Strukturen weisen durch
die Reihenschaltung von selbstgeführten Schaltelementen
immer eine größere Unterbrechung des Stromkreises
auf.
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Erfindungsgemäß kann
die Schaltung auch aus zwei oder mehr Zusatztransformatoren bestehen,
welche, wie beschrieben, dem Verteiltransformator nachgeschaltet
werden, bzw. kann ein einzelner oder mehrere Zusatztransformatoren
eine Anzahl von 2, 3, 4, u. s. w., Primärwicklungen aufweisen,
welche mittels Leistungshalbleiterschalter ein- oder ausgeschaltet,
bzw. umgepolt werden, womit es an der Phase des Abganges zu verschiedenen,
einzustellenden Spannungen kommt. Durch somit einzustellende Spannungserhöhungen
oder Abfällen wird ein wählbarer Spannungsbereich
zum Ausgleich der Spannungsschwankungen im Stromnetz realisiert
und die Netzqualität sichergestellt.
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Zur
Auswahl der geeigneten Ausführung der Schaltung wird das
Bestreben sein, diese möglichst einfach auszuführen,
also mit möglichst wenig zusätzlich benötigten
Transformatoren und möglichst einfachen Transformatoren,
also mit möglichst wenig zusätzlichen Primärwicklungen.
Der Einsatz einfacherer und/oder weniger Baugruppen ist für
einen weniger großen und weniger feinen Regelbereich ausreichend.
Für feinere Regelauflösungen und einen größeren
Regelbereich ist ein entsprechend etwas größerer
Aufwand nötig.
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Nach
einer Variante der Erfindung sind die Zusatztransformatoren mit
verschiedenen Übersetzungsverhältnissen ausgeführt
oder weisen Primärwicklungen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen
auf, womit feinere Regelstufen erzielt werden, indem verschiedene
Primärwicklungen positiv oder negativ auswirkend zum Einsatz
kommen.
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Eine
bevorzugte Ausführung der Erfindung deckt einen Regelbereich
der Versorgungsspannung von –8% bis +8%, ab, welcher, je
nach Verwendung der eingesetzten Anzahl von Transformatoren und
Leistungshalbleitersachaltern in feineren oder nicht so feinen Stufen
geregelt werden kann. Die erfindungsgemäße Schaltung
ist durch weitere Kaskadierung bezüglich des regelbaren
Spannungsbereichs, sowie der zu erzielenden Regelauflösung
problemlos anzupassen, bzw. zu erweitern.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft
näher beschrieben, dabei zeigen:
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1 zeigt
ein Diagramm eines Stromnetzes.
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2 zeigt
ein einphasiges Schaltbild eines schaltbaren Ortsnetztrafos mit
dem Trafo 2 als Zusatztrafo in Sparschaltung.
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3 zeigt
ein einphasiges Schaltbild eines geregelten Ortsnetztrafos mit zwei
nachgeschalteten Zusatztrafos mit jeweils zwei Primärwicklungen.
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4 zeigt
ein einphasiges Schaltbild eines geregelten Ortsnetztrafos mit zwei
nachgeschalteten Zusatztrafos mit jeweils einer Primärwicklung.
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5.
zeigt ein einphasiges Schaltbild eines geregelten Ortsnetztrafos
mit einem nachgeschalteten Zusatztrafo mit drei Primärwicklungen.
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Wie
in 1 zu sehen ist, sind in üblichen Netzen
neben klassischen Verbrauchsstellen auch Einspeisestellen vorgesehen,
welche die Spannung, je nach Abgabe beeinflussen. Aufgrund zunehmender
Einspeisestellen wird ein erweiterter Bereich der Regelfähigkeit
der Spannung von modernen Netzen notwendig, um auf die unterschiedlichen
Situationen regieren zu können.
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In 2 ist
beispielhaft ein Trafo 1, als Verteiltrafo im Leistungsbereich von
400 bis 1000 kVA gezeigt, Trafo 2 ist ein zu fertigender Ergänzungstrafo,
als Spartransformator ausgeführt, der folgende Daten haben muss:
N1= N2 = N3 = N4, jeweils für
9,2 V (4% von 230 V) und dem Strangnennstrom, z. B. bei einem 400 kVA-System
I = 580 A ausgelegt, ev. mit Folien- oder Bandwicklungen. Die Primärwicklung
ist durch N0 + N3 + N4 für 230 V dimensioniert.
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N0 mit hoher Windungszahl wird nur durch den
um 1 / ü, ü = Übersetzungsverhältnis 2309,2 =
25 geringeren Strom durchflossen; im Falle eines 400 kVA-Systems
also mit etwa 23,2 A.
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Von
den beispielsweise als Thyristorpaar ausgeführten Schaltelementen
V1 bis V5 ist jeweils
nur ein Element leitend. Die Steuerung muss allerdings so erfolgen,
dass kapazitive und induktive Last und inverser Betrieb (Einspeisefall)
möglich ist.
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Durch
die Verschaltung des Zusatztrafos liegen nun folgende Verhältnisse
vor:
| Strangspannung
in Volt | VV leitend | Bemerkung
Sekundärstrom durch |
| 207,4
bis 216,4 | V5 | N1 + N2 |
| 216,5
bis 225,4 | V4 | N2 |
| 225,5
bis 234,6 | V3 | Normalbetrieb |
| 234,7
bis 244 | V2 | N3 |
| 244,1
bis 253,4 | V1 | N3 + N4 |
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Durch
die vorteilhafte Verschaltung des Nullleiters vom Verteiltrafo auf
die Mitte von N2 und N3 werden also
maximal 2 Wicklungen des Sekundärteiles vom hohen Strom
durchflossen, z. B. gilt dann für ein 400 kVA-System pro
Strang: PStr = 2·9,2 V·580
A = 10,672 kVA
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Für
das komplette Drehspannungssystem ist das Dreifache dieser Leistung
anzusetzen.
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Der
Zusatztrafo 2 braucht also nur etwa 32 kVA (8% vom Verteiltrafo)
zu verarbeiten, obwohl die schaltbaren Spannungsbereiche mit 5 Fenstern
von 207,4 V bis 253,4 V über mehr als 16% laufen.
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Im
Normalfall bei Nennspannung, d. h. nur V3 leitend,
entstehen neben den Wärmeverlusten in den Schaltern VV nur Leerlaufverluste durch den Trafo 2.
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Für
größere Systeme gibt die nachfolgende Tabelle
eine Übersicht über Summenleistung, Strangleistung,
Strangstrom I
2 und Primärstrom
I
1 durch den Zusatztrafo 2 und dessen Leistungsgröße
P
Tr.2 | ΣP
kVA | PStrang kVA | I2/A sekundär | I1/A primär | PTr.2 kVA |
| 400 | 133,3 | 580 | 46,4 | 32 |
| 630 | 210 | 913 | 73,1 | 51 |
| 800 | 267 | 1160 | 92,8 | 64 |
| 1000 | 334 | 1452 | 116,2 | 80 |
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Betrachtung der Verlustbilanz für
ein 400 kVA-System:
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Ein
durchgeschaltetes Ventil (pro Phase) wird etwa PV = 1,3 V·I
max = 1,3 V·580 A = 754 W umsetzen, die
1,3 V treten als Spannungsabfall am durchgeschalteten Zustand des
Thyristorpaares auf, d. h. die Summenverlustleistung durch die 3
erforderlichen Schalter für ein Drehspannungssystem liegen
bei
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Der
Zusatztransformator von der erforderlichen Größe
wird nach Unterlagen von Trafoherstellern etwa 200 W Eisenverluste
und circa 1 kW Kupferverluste (im Nennbetrieb) produzieren.
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Im
ungünstigsten Fall, d. h. bei Spannungserhöhung
oder -Erniedrigung um zwei Stufen (V1 oder
V5 geschaltet) ist also mit Summenverlusten
von ΣPV = PVelektr + PVFe + PVCu ΣPV = (2,3 + 0,2 + 1)kW = 3,5 kWdas sind
ca. 0,88% der System-Gesamtleistung, zu rechnen sein. Liegt vorwiegend
Nennbetrieb (V3 durchgeschaltet) vor, so
reduzieren sich die Gesamtverluste näherungsweise um die
Kupferverluste des Zusatztrafos, also ΣPV' = PVelektr +
PVFe = (2,3 + 0,2) kW = 2,5 kWd. h.
auf etwa 0,63%.
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Aber
die relativ hohen Schaltverluste von 2,3 kW geben Anlass zur Suche
nach weiteren Lösungen, die jetzt beschrieben werden.
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In 3 ist
eine Variante gezeigt, welche auf mehrere Zusatztransformatoren
zurückgreift, aber die Umschaltung durch Schaltelemente
wird auf einen anderen Bereich mit deutlich kleineren Strömen
verlegt.
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Der
Trafo 1 stellt wieder beispielhaft einen Verteiltransformator dar,
im Bereich von 400 kVA bis 1000 kVA. Zusätzlich werden
zwei (oder mehr für eine Verlängerung der Kaskade)
gleiche kleine Zusatztransformatoren, in der
3 durch
Trafo 2 und Trafo 3 dargestellt, benötigt. Kennzeichnende
Größen dafür sind:
N
1 =
N
2, zwei gleichsinnig gewickelte 230 V Teile,
dem Übersetzungsverhältnis.
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Die
Wicklungen N3 müssen wie bei dem
Vorschlag nach 2 Hochstromwicklungen sein,
d. h. für ein beispielhaftes 400 kVA System auf einen Nennstrom
von 580 A ausgelegt sein.
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Die
Wicklungen N3 beider Transformatoren 2 und
3 sind in Reihe zur Phase des Verteiltransformators geschaltet.
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Bei
Beschaltung von N1 der Transformatoren wird
die Spannung der Phase um je 230Vü = 9,2 V angehoben, schalten
beide Transformatoren N1 ein, erhöht
sich die Verbraucherspannung zwischen L und N um 2·9,2 V
= 8%, Spannungserhöhung.
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Sinngemäß ergibt
sich bei Beschaltung der N2 – Wicklungen
eine Erniedrigung der Verbraucherstrangspannung um 1·9,2
V bzw. 2·9,2 V.
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Als
elektronische Schaltelemente können wieder Thyristorpaare
eingesetzt werden.
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Das
erforderliche Schaltschema zeigt die nachfolgende Tabelle:
| Strangspannung
in V | Schalter
VV | Spannungsänderung
% |
| 207,8 bis 216,4 | V1 = 1
V2 = 0 | V3 = 1
V4 = 0 | +8 |
| 216,5
bis 225,4 | V1 =
1
V2 = 0 | V3 = 0
V4 = 0 | +4 |
| 225,5
bis 234,6 | V1 = 0
V2 = 0 | V3 = 0
V4 = 0 | 0
Normalzustand |
| 234,7 bis 244 | V1 = 0
V2 = 1 | V3 = 0
V4 = 0 | –4 |
| 244,1 bis 253,4 | V1 = 0
V2 = 1 | V3 = 0
V4 = 1 | –8 |
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Der
erfindungsgemäß entscheidende Vorteil dieser Anordnung
wird offenbar, wenn man die im 230 V Bereich durch die VV zu schaltenden Ströme betrachtet.
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Pro
Zusatztransformator ist bei Spannungsabweichungen immer nur ein
Schalter in Betrieb. Bei Nennlast fließen durch die Sekundärwicklung
für das beispielhafte 400 kVA System I
2 =
580 A, im Primärkreis aber nur
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Praktisch
werden für einen verlustarmen Betrieb pro Zusatztrafo zum
Kurzschluss einer oder beider Primärwicklungen ein bzw.
zwei Schaltelemente VV zusätzlich benötigt, denn
sonst sind der Spannungsabfall an N3 und
die Verluste bei leer laufenden Trafos 1 und 2 beim Nennstrom durch
N3 viel zu groß.
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Bei
einem nicht zur Spannungserhöhung oder Erniedrigung beitragendem
Trafo wird durch diesen nötigen Kurzschluss nur mit zusätzlichen
Kupferverlusten zu rechnen sein.
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Sind
beide Zusatztransformatoren zugeschaltet, so entstehen jetzt pro
Strang in den Schaltern VV Stromwärmeverluste
von: PVelektr = 2·1,3
V·23,2 A = 60,32 W
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Das
gesamte Drehspannungssystem verbraucht dann ΣPVelektr = 3·PVelektr ≈ 181
W
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Die
beiden Zusatztransformatoren haben je eine Größenordnung
von P = 3·9,2 V·580 A ≈ 16
kVA
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Für
einen solchen Transformator wird zu rechnen sein mit Eisenverlusten
PVFe ≈ 150 W und Kupferverlusten
PVCu ≈ 800 W.
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Somit
stellt sich die Verlustleistungsbilanz folgendermaßen dar: ±8%
Spannungsabweichung, 2 Zusatztransformatoren, 2 Schalter eingeschaltet: PV = ΣPVelektr + 2(PVFe +
PVCu) PV =
[181 + 2 (150 + 800)]W = 2081 W
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Das
sind ca. 0,52% der Systemleistung.
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±4%
Spannungsabweichung, 1 Zusatztransformator, 1 Schalter eingeschaltet:
Zusätzlich
muss der nicht zugeschaltete (leer laufende) Transformator auf der
230 V Seite kurzgeschlossen werden, d. h. ein Schalter mit PVelektr = 1,3 V·23,2 A = 60,32 W
pro Strang kommt hinzu. Damit sind die Schaltverluste für
das gesamte Drehspannungssystem die gleichen wie für 8%
Abweichung, nämlich ΣPVelektr ≈ 181 W.
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Der
kurzgeschlossene Transformator hat aber nur die Kupferverluste von
ca. 800 W, d. h. beide Transformatoren verbrauchen (150 + 800)W
+ 800 W = 1750 W.
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Die
gesamte Verlustleistung für diesen Betriebsfall wird somit
PV = (181 + 1750)W = 1931 W.
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Das
sind ca. 0,48% der Systemleistung.
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Im
Normalbetrieb bei ca. 230 V Strangspannung, er tritt mit größter
Wahrscheinlichkeit auf, gilt: V1 bis V4 sind offen, aber beide Zusatztransformatoren
müssen auf der Hochvolt-Seite durch je ein zusätzliches Schaltelement
VV kurzgeschlossen werden. Beide Zusatztransformatoren produzieren
nur Kupferverluste.
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Damit
ergibt sich die für diesen Betriebsfall entstehende gesamte
Verlustleistung zu: PV =
3(2·1,3 V·23,2 A) + 2·800 W = 1781 W
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Das
sind dann ca. 0,46% der Systemleistung.
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Durch
die wesentlich kleineren Ströme in den elektronischen Schaltern
lassen sich jetzt alternativ auch billige verfügbare Nullspannungsschalter
(bis IN = 100 A preisgünstig verfügbar) einsetzen.
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4 zeigt
eine auf 3 aufbauende Struktur, bei der
die zweite primärseitige Zusatzwicklung der nötigen
Transformatoren 2 und 3 eingespart wird, dafür kommen zusätzliche
elektronische Schalter VV zum Einsatz. Allerdings
ergeben sich dadurch noch weitere Vorteile zum Schutz der Schaltelemente
im Kurzschlussfall, es liegen hier je zwei Elemente VV an
der Sekundärspannung. Kurzschluss einer Phase bedeutet, dass
auf der Sekundärseite jedes Trafos der n-fache Nennstrom
(n bis 25 je nach Kurzschlussspannung) fließt, was zu einer
erheblichen Erhöhung der Primärspannungen führt.
Beim Umschalten der Schalter im Kurzschlussfall können
also erhebliche über der Nennspannung liegende Spannungen
an der Primärwicklung auftreten. Durch das Vorhandensein
zwei in Reihe liegender Schaltelemente, die die Spannung fast symmetrisch aufteilen,
nimmt die Gefährdung jedes Einzelschalters deutlich ab.
Die zusätzlichen 4 Schaltelemente in der beispielhaften
Struktur mit 2 Zusatztransformatoren 2 und 3, es könnten
im Bedarfsfall auch mehr kaskadiert werden, übernehmen
jetzt die Umpolung der Primärwicklungen.
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Die
Wicklungen N1 sind für 230 V Nennspannung
ausgelegt, durch N3 für 9,2 V (entspricht
4% von 230 V) ergibt sich wieder ein Übersetzungsverhältnis
von ü = 2309,2 = 25, wie bei der Struktur nach 3.
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Die
Einsparung der zusätzlichen zweiten Primärwicklung
kann den Zusatzaufwand zweier elektronischer Schalter wohl mehr
als kompensieren.
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Für
die Funktion des in
4 dargestellten Systems ergibt
sich folgender tabellarischer Zusammenhang:
| Strangspannung
in Volt | Schalter
VV | Spannungsänderung
% |
| 207,8 bis 216,4 | V1 = 1
V2 = 0
V3 = 0
V4 = 1 | V5 = 1
V6 = 0
V7 = 0
V8 = 1 | +8 |
| 216,5 bis 225,4 | V1 = 1
V2 = 0
V3 = 0
V4 = 1 | V5 = 1
V6 = 1
V7 = 0
V8 = 0 | +4 |
| 225,5 bis 234,6 | V1 = 1
V2 = 1
V3 = 0
V4 = 0 | V5 = 1
V6 = 1
V7 = 0
V8 = 0 | 0
Normalzustand |
| 234,7 bis 244 | V1 = 0
V2 = 1
V3 = 1
V4 = 0 | V5 = 1
V6 = 1
V7 = 0
V8 = 0 | –4 |
| 244,1 bis 253,4 | V1 = 0
V2 = 1
V3 = 1
V4 = 0 | V5 = 0
V6 = 1
V7 = 1
V8 = 0 | –8 |
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Die
beschriebene Konfiguration bietet jetzt einen weiteren erfindungsgemäßen
Vorteil: Bei Auftreten eines Kurzschlusses (pro Strang oder in mehreren
Strängen) kann über den Kurzschluss-Sensor, z.
B. auf 5 × IN eingestellt, das
Steuergerät innerhalb einer Halbperiode der Netzfrequenz
alle Steuersignale für die V1 bis V8 unterbrechen und dafür sorgen,
dass V1 = 1, V2 =
1 und V5 = 1, V6 =
1 gesetzt werden. Damit werden die Primärwicklungen der
Zusatztransformatoren kurzgeschlossen und vor dem Durchschlagen
geschützt. Der Sättigungseffekt der Transformatoren
2 und 3 bei sekundärseitig fließendem höheren
als Nennstrom unterstützt diesen Betriebsfall.
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Für
die Verlustbilanz der geschilderten Anordnung, wieder für
den beispielhaften Fall eines 400 kVA Systems ergeben sich:
Die
Verlustleistungen in den Zusatztransformatoren bleiben wie im Beispiel
zur 3, die Schaltverluste für die elektronischen
Schalter VV verdoppeln sich, es sind unabhängig
von der Schaltstufe pro Strang 4 Elemente leitend.
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Für
den Fall eines 400 kVA Systems gelten also:
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±8% Spannungsabweichung:
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PVelektr = 4·1,3
V·23,2 A = 120,64 W
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Für
drei Stränge entstehen somit ΣPVelektr =
362 W.
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Beide
Zusatztransformatoren sind eingeschaltet, sie verbrauchen also je
150 W + 800 W = 950 W. PV =
362 W + 2 950 W = 2262 W,das sind 0,57% der Systemleistung.
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±4% Spannungsabweichung:
-
ΣPVelektr = 362 W, ein Zusatztransformator ist
in Betrieb und verbraucht 950 W, der andere verbraucht nur Kupferverluste,
ca. 800 W.
-
Somit
entstehen insgesamt PV = ΣPVelektr + (950 + 800)W = 2112 W,das sind
0,53% der Systemleistung.
-
Normalbetrieb, 230 V:
-
-
Beide
Zusatztransformatoren produzieren nur Kupferverluste, damit ergibt
sich PV = ΣPVelektr + 2·800 W = 1962 W,das
sind 0,49% der Systemleistung.
-
Für
ein 800 kVA System verdoppeln sich die Schaltverluste, die beiden
Zusatztransformatoren werden auch bezüglich der Leistung
doppelte Größe haben, aber die Transformatoren
haben einen besseren Wirkungsgrad. Schaltverluste:
- Trafo 2, 3 je PS ≈ 32
kVA, PVFe ≈ 190 W, PVCu ≈ 830
W
-
Wenn
also Spannungsabweichungen von ±8% auszuregeln sind (2
Trafos geschaltet, 4 Schaltelemente in Betrieb), wird eine Verlustleistung
von PV = (724 + 380 +
1660)W = 2764 Wzu erwarten sein. Das sind nur 0,35% der Systemleistung
-
Das
in 4 vorgeschlagene Konzept wird mit steigender Systemleistung
einen besseren Wirkungsgrad, d. h. kleinere Verluste besitzen!
-
Sollte
für bestimmte Anforderungen eine feinere Stufung der Verbraucher-Strangspannungen
als ±4%, ±8% erforderlich sein, so lässt
sich das durch 4 dargestellte und vorher erklärte
System noch verfeinern, d. h. es sind weitere Zwischenstufen mit
etwas aufwändigeren Zusatztransformatoren und zusätzlichen
elektronischen Schaltern erreichbar.
-
In 5 sind
diese Verhältnisse für nur einen Zusatztransformator
dargestellt. Eine Kaskade aus zwei oder mehreren solcher Teilsysteme
ist erfindungsgemäß möglich.
-
Die
V
V sind für ein Teilsystem durch
acht Thyristor-Module, je zwei Stück antiparallel wie in
2 dargestellt,
oder durch acht Nullspannungsschalter ausgeführt. Trafo
1 ist der Verteilnetztrafo, Trafo 2 ist zusätzlich zu investieren.
Beispielhaft hat dieser für hier gewählte 3 (6)
Stufen ±4%, ±3% und ±2% folgende Dimensionierung
zu erhalten: N
1 ist die 230 V Wicklung,
N
1 + N
2 ist für
306,7 V und N
1 + N
2 +
N
3 ist für 460 V vorzusehen. Die
Sekundärwicklung N
4 ist als Hochstromwicklung
für 9,2 V auszuführen. Somit ergeben sich folgende Übersetzungsverhältnisse:
-
Um
die Sekundärspannung in der Wicklung N
4 zur
Istspannung des Verteiltrafos sekundärseitig zu summieren
oder zu subtrahieren, sind jeweils nur zwei Elemente V
V entsprechend
folgender Tabelle einzuschalten. Beachtet werden muss dabei, dass
zur primärseitigen Einspeisung von Trafo 2 in jedem Fall
nur etwa 230 V zur Verfügung stehen, die sich je nach geschaltetem Übersetzungsverhältnis ü in
die unterschiedlichen Sekundärspannungen transformieren.
| Strangspannung
in V | Schalter
VV | Spannung
an N4/V | Spannungsänderung
% |
| 216,38 bis 225,22 | V1 = 1
Rest 0
V4 =
1 | 9,2 | +4 |
| 219,75 bis 226,45 | V2 = 1
Rest 0
V4 =
1 | 6,9 | +3 |
| 223,15 bis 227,75 | V3 = 1
Rest 0
V4 =
1 | 4,6 | +2 |
| 227,8 bis 232,25 | V4 = 1
Rest 0
V6 =
1 | 0 | 0 |
| 232,3 bis 236,95 | V5 = 1
Rest 0
V6 =
1 | –4,6 | –2 |
| 231,08 bis 240,45 | V5 = 1
Rest 0
V7 =
1 | –6,9 | –3 |
| 234,42 bis 243,98 | V5 = 1
Rest 0
V8 =
1 | –9,2 | –4 |
-
In
der Normalstellung, d. h. 225,5 < UStr < 234,6
V sind auch hier nur 2 Schalter VV und damit
beide Zusatztransformatoren kurzgeschlossen, wodurch als Zusatzverluste
des gesamten Systems nur die Kupferverluste in den Sekundärwicklungen
des Zusatztransformators auftreten, plus die Schaltverluste in 3·2
Schaltern VV. Eine für den praktischen
Einsatz erfindungsgemäß sehr wichtige Tatsache
muss hier festgestellt werden: Die bisher vorgeschlagenen Strukturen
aus den 3, 4, und 5 sind
voll USV-fähig, d. h. beim Wechsel zwischen einzelnen Spannungsfenstern
gibt es keine Unterbrechung des Niederspannungsnetzes. Damit können
angeschlossene Rechner in Krankenhäusern, Banken etc. nicht
ausfallen, wenn ein Regelvorgang zur Spannungsanpassung stattfindet.
Diese Tatsache ist dominant wichtig, es ist bei allen auch in den erwähnten
Druckschriften und Fördervorhaben erwähnten Strukturen
durch die Reihenschaltung von selbstgeführten Schaltelementen
z. B. Thyristoren fast immer mit einer Unterbrechung des Stromkreises
im Bereich ≥ 100 ms zu rechnen.
-
Die
Vielfalt einzelner Zwischenschritte steigt durch weitere Kaskadierung
von Einzelstufen nach 5.
-
Wird
beispielsweise eine gleichartige Stufe in
5 (Trafo
2 und weitere acht Schalter V
V) in Reihe geschaltet,
so ergeben sich nur durch entsprechende Ansteuerung von jeweils
2 Schaltern pro Stufe folgende Kombinationsmöglichkeiten:
| 1.
Stufe Einstellung in % | 2.
Stufe Einstellung in % | Gesamtwirkung
in % |
| 4 | 4 | 8 |
| 3 | 4 | 7 |
| 3 | 3 | 6 |
| 3 | 2 | 5 |
| 4 | 0 | 4 |
| 3 | 0 | 3 |
| 2 | 0 | 2 |
| 3 | –2 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
| –3 | 2 | –1 |
| –2 | 0 | –2 |
| –3 | 0 | –3 |
| –4 | 0 | –4 |
| –3 | –2 | –5 |
| –3 | –3 | –6 |
| –3 | –4 | –7 |
| –4 | –4 | –8 |
-
Für
das gewählte Beispiel ist also mit 2 Zusatztransformatoren,
die jeweils zwei weitere Primärwicklungsanzapfungen besitzen
und insgesamt 16 Schaltern VV pro Phase
eine im Raster von 1% liegende Spannungsänderung im Bereich
von –8% bis +8% möglich.
-
Für
ein komplettes Drehspannungssystem, da die bisherigen Ausführungen
der Übersichtlichkeit wegen nur für einen Strang
(eine Phase) dargestellt sind, benötigt man also nur 2
Zusatz-Drehspannungstransformatoren der Schaltgruppe Y/Y und 3 × 16
= 48 elektronische Schaltelemente VV. Die
nötige Ansteuerung der Schalter erfolgt über eine
prozessorgesteuerte Schaltung pro Phase, wie in 6 dargestellt.
Die auszuwertenden Signale werden so früh wie möglich
digitalisiert. Dazu ist eine vielkanalige A/D-Wandlung mit mindestens
10 Bit Wortbreite einsetzbar.
-
Als
Spannungsistwert kann entweder ein verteiltrafonaher Wert pro Phase
oder ein kritischer Wert aus dem Verteilnetz, welcher über
PLC (Power-Line Carrier), d. h. direkt auf das Netz aufmoduliert
wird, verwendet werden, s. a. 1.
-
Ein
leistungsfähiger Mikrocontroller, wie in 6 zu
sehen ist, der über flexible und problemanpassbare Software
gesteuert wird, erledigt das Setzen von Schwellen, Fenstern für
die Auswahl der Schaltkanäle, eventuell notwendige Verzögerungen,
Verriegelungen für das Schalten der VV etc.
Die digitalisierten aufbereiteten Daten werden über den
mehrkanaligen DAC (Digital-Analog-Wandler) umgesetzt und gehen über
eventuell notwendige Leistungsverstärker (bei Einsatz von
Thyristoren erforderlich) auf die Schaltstufen VV.
-
Bei
Verwendung von Triacs als Nullspannungsschalter für die
VV vereinfacht sich der Block Leistungsverstärker.
-
Die
Umsetzung der Schaltmatrix in entsprechende Steuersignale kann einfach
durch eine Ansteuerung eines programmierten (Festwert-)Speichers
erfolgen.
-
Nachdem
bevorzugte Ausführungen der Erfindung in Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurden, ist festzuhalten, dass
die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungen beschränkt
ist und dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen
daran von einem Fachmann ausgeführt werden können,
ohne dass vom Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen
definiert ist abgewichen wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10119664 [0007]
- - WO 97/05536 [0007, 0008]
- - WO 95/27931 [0007, 0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Technische
und wirtschaftliche Optimierung der Versorgungsqualität
in Niederspannungsnetzen mit dezentraler Energieeinspeisung”,
1. Projektphase von 2004 bis 2006 [0007]
- - „Entwicklung eines kompakten universellen Traforeglers
für Verteilnetztransformatoren”, 2. Projektphase von
2007 bis 2008 [0007]
