DE102009054032B4

DE102009054032B4 - Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen-Mehrwicklungstransformatoren

Info

Publication number: DE102009054032B4
Application number: DE102009054032.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Letas Heinz-Hermann
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2029-11-21
Also published as: DE102009054032A1

Abstract

Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen-Mehrwicklungstransformatoren, die je eine erste Primärwicklung (11) mit einer ersten Scheinleistung (S1), eine zweite Primärwicklung (12) mit einer zweiten Scheinleistung (S2) sowie eine Sekundärwicklung (13) mit einer dritten Scheinleistung (S3) umfassen, einem Versorgungsanschluss (4), Anschlusssätzen (10, 20) für einen Prüfmittel-Transformator (2) und einen Prüflings-Transformator (1), die jeweils je einen Sekundärwicklungsanschluss und zwei Primärwicklungsanschlüsse umfassen, wobei die beiden Sekundärwicklungs-Anschlüsse (13, 23) parallel an den Versorgungsanschluss (4) geschaltet sind, und zwei Verbindungszweige (51, 52) vorgesehen sind, welche die Primärwicklungen (21, 22) des Prüfmittel-Transformators (2) mit den Primärwicklungen (11, 12) des Prüflings-Transformators (1) verbinden, und in einem ersten der Verbindungszweige (51) eine Zusatzquelle (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppeltransformator (7) in den Verbindungszweigen (51, 52) angeordnet ist, wobei eine Sekundärwicklung (71) des Koppeltransformators (7) zusammen mit der Zusatzquelle (6) in dem ersten Verbindungszweig (51) und dessen Primärwicklung (72) in den anderen Verbindungszweig (52) eingeschleift sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen-Mehrwicklungstransformatoren umfassend einen Netzanschluss, Anschlusssätzen für einen Prüfmittel-Transformator und einen Prüflings-Transformator aufweist, die jeweils je eine Sekundärwicklungs- und zwei Primärwicklungsanschlüsse umfassen, wobei die beiden Sekundärwicklungsanschlüsse parallel an den Versorgungsanschluss geschaltet sind, und zwei Verbindungszweige vorgesehen sind, welche die Primärwicklungen der Prüfmittel-Transformators mit denen des Prüflings-Transformators verbinden, und in einem ersten der Verbindungszweige eine steuerbare Zusatzquelle angeordnet ist.
Bei serienmäßig hergestellten Transformatoren wie sie insbesondere für Windenergieanlagen verwendet werden, ist eine Prüfung durch den Hersteller erforderlich. Denn anders als bei einzeln angefertigten Transformatoren, wie sie insbesondere für herkömmliche Großkraftwerke üblich sind, kann bei serienmäßig hergestellten Transformatoren für Windenergieanlagen die Prüfung nicht erst im Rahmen der Inbetriebnahme im Feld erfolgen. Für Transformatoren für Windenergieanlagen stellt sich daher das Problem, diese bereits beim Hersteller auf ihre Belastungsfähigkeit prüfen zu können.
Eine der üblichen Prüfungen für Transformatoren ist eine Erwärmungsprüfung, wobei der Transformator unter Nennbedingungen betrieben wird. Um den Transformator mit einer solch großen Last beaufschlagen zu können, sind dementsprechend bei dem Hersteller eine leistungsstarke Einspeisung wie auch leistungsstarke Belastungsmittel erforderlich. So verlangt die Prüfung eines Transformators für eine 6 MW-Anlage beispielsweise ein Belastungsmittel, das in der Lage ist 6 MW zu dissipieren. Wegen der kontinuierlich ansteigenden Leistung der Windenergieanlagen ist hiermit in Zukunft mit einer weiteren Erhöhung zu rechnen. Derartige Prüffelder sind praktisch für die Hersteller kaum zu realisieren.
Um diese aus praktischen Gründen kaum durchzuführende sogenannte Volllastprüfung zu vermeiden, sind Ersatzverfahren vorgeschlagen worden. Bei einem ersten Ersatzverfahren erfolgt die Erwärmungsprüfung durch Bestimmung von Einzelverlusten. Aus diesen wird dann rechnerisch ein Gesamtverlust und damit die Gesamterwärmung bestimmt. Dies geschieht zum Beispiel bei einem einfachen Zweiwicklungstransformator dadurch, dass nacheinander zwei Erwärmungsprüfungen, eine im Leerlauf bei Nennspannung und eine im Kurzschlussbetrieb mit Nennstrom, durchgeführt werden. Daraus wird mittels eines vorgeschriebenen Berechnungsverfahrens die Gesamterwärmung rechnerisch bestimmt. Während dies im Fall eines einfachen Zweiwicklungstransformators noch mit vertretbarem Aufwand und annehmbarer Genauigkeit gelingt, so ändern sich die Verhältnisse deutlich bei der Prüfung eines Dreiwicklungstransformators. Hier sind bis zu vier Einzelerwärmungsprüfungen erforderlich, die wegen ihrer vielfältigen Beziehungen untereinander eine Umrechnung auf einen Gesamtverlust außerordentlich schwierig und das Ergebnis damit unsicher machen. Ein weiterer gravierender Nachteil dieses Ersatzverfahrens liegt darin, dass eine wesentliche Komponente moderner Transformatoren, nämlich deren Kühlkreislauf, nicht hinreichend geprüft werden kann. Denn da nur einzelne und damit kleinere Belastungen bei den Einzelerwärmungsprüfungen vorgesehen sind, wird der Kühlkreislauf niemals richtig unter Last geprüft. Für die Prüfung von Dreiwicklungstransformatoren (oder welchen mit noch mehr Wicklungen) ist diese Art der Ersatzprüfung daher fragwürdig in Bezug auf Genauigkeit und Aussagekraft.
Ein weiteres Ersatzverfahren wird in Fuchs, E. F.; Yildirim, D.; Batan, T.: Innovative procedure for measurement of losses of transformers supplying nonsinusoidal loads: IEE Proc-Gener. Transm. Distrib., Vol. 146, No. 6, November 1999 offenbart. Es besteht darin, dass an den zu prüfenden Transformator (Prüfling) ein gleichartiger Transformator (Prüfmittel) in Gegenanordnung angeschlossen wird. Bei dieser so genannten Back-to-Back-Prüfung sind die beiden Transformatoren beispielsweise primärseitig miteinander verbunden, so dass die sekundärseitig an den einen Transformator eingespeiste Leistung wieder an der Sekundärseite des anderen Transformators abgegeben wird und über eine entsprechende Verbindungsleitung zurückgeführt werden kann. Da somit die Leistung im Kreise geführt wird, braucht das Netz nur die Verluste der beiden Transformatoren abdecken. Es genügt daher eine Einspeisung mit wesentlich kleinerer Leistung, als diese bei der konventionellen Prüfung unter Volllast erforderlich war; ein Belastungsmittel ist überhaupt nicht erforderlich. Erforderlich ist aber noch eine Steuerspannungsquelle kleinerer Leistung zur Einstellung des Betriebspunktes. Diese Steuerspannungsquelle dient hierbei zur Einstellung des Prüf-Scheinstroms. Damit ergibt sich der Phasenwinkel des Prüfstroms aus den Phasenwinkeln der beiden Spannungsquellen (die eine ist die Einspeisung, in der Regel das Netz, und die andere die Steuerspannungsquelle) und den Impedanzen des Transformators. Dieses Verfahren vermeidet die hohen Leistungsanforderungen der konventionellen Volllastprüfung und kombiniert dies mit dem Vermeiden der Unsicherheiten aus einem Ersatzverfahren unter Berechnung aus Einzelverlusten. Jedoch hat sich gezeigt, dass dieses vom Konzept her bestechende Verfahren mit gegeneinander geschalteten gleichartigen Transformatoren dann Schwierigkeiten aufwirft, wenn Dreiwicklungstransformatoren zu prüfen sind. Denn hierbei ist es wegen der zwei Primärwicklungen der Transformatoren erforderlich, zwei Steuerspannungsquellen vorzusehen. Die Einstellung der beiden Scheinströme mittels der Steuerspannungsquellen kann aber nicht rückwirkungsfrei durchgeführt werden, so dass Änderungen an einer Steuerspannung auch zu Veränderungen an der anderen Steuerspannungsquelle führen. Auch deren Phasenlage relativ zur ersten Steuerspannungsquelle kann nicht frei bestimmt werden. Der gezielten Messung (gerade im Hinblick auf Wirk- und Blindverluste sind damit enge Grenzen gesetzt.
Das Lehrbuch Feinberg, Raphael: Modern power transformer practice; Repr. London [u. a.]: Macmillian, 1980; ISBN: 0-333-24537-7 offenbart als Lasttest für Transformatoren ebenfalls die Back-to-Back-Prüfung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass Mehrwicklungstransformatoren besser geprüft werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen-Mehrwicklungstransformatoren umfassend einen Versorgungsanschluss, Anschlusssätzen für einen Prüfmittel-Transformator und einen Prüflings-Transformator, die je eine erste Primärwicklung mit einer Scheinleistung S1, eine zweite Primärwicklung mit einer Scheinleistung S2 sowie eine Sekundärwicklung mit einer Scheinleistung S3 umfassen, wobei die beiden Sekundärwicklungs-Anschlüsse parallel an den Versorgungsanschluss geschaltet sind, und zwei Verbindungszweige vorgesehen sind, welche die Primärwicklungen des Prüfmittel-Transformators mit den Primärwicklungen des Prüflings-Transformators verbinden, und in einem ersten der Verbindungszweige eine Zusatzquelle angeordnet ist, ist gemäß der Erfindung ein Koppeltransformator in den Verbindungszweigen angeordnet ist, wobei eine Sekundärwicklung des Koppeltransformators zusammen mit der Zusatzquelle in dem ersten Verbindungszweig und dessen Primärwicklung in den anderen Verbindungszweig eingeschleift sind.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, für eine erste Primärwicklung eine Zusatzquelle vorzusehen und ausgehend davon über einen Koppeltransformator die zweite Primärwicklung zu beaufschlagen. Damit kann auf eine eigene (zweite) Zusatzquelle für die zweite Primärwicklung verzichtet werden. Dadurch wird erreicht, dass mit dem Einstellen von nur einer Steuerspannung nicht nur die beiden direkt angeschlossenen ersten Primärwicklungen von Prüflings- und Prüfmitteltransformator direkt mit dem richtigen Strom versorgt werden, sondern dass über das durch den Koppeltransformator festgelegte Verhältnis sich auch der Strom in Bezug auf die beiden zweiten Primärwicklungen der beiden Transformatoren einstellt, und zwar gemäß der durch den Koppeltransformator bestimmten Übertragungscharakteristik. Damit kommt die erfindungsgemäße Prüfungsvorrichtung mit lediglich einer Steuerspannungsquelle aus. Darüber hinaus können die Betriebsströme aller Wicklungen gezielt und einfach eingestellt werden. Der Koppeltransformator braucht in den meisten Fällen nur eine kleine Leistung aufzuweisen, welche weniger als 1/10 der Nennleistung des zu prüfenden Transformators betragen kann. Grundlage ist, dass der Prüfmittel-Transformator und Prüflings-Transformator elektrisch gleich bzw. gleichartig sind; mit Vorteil sind es identische Modelle. Neben diesen baulichen Vereinfachungen bietet die Erfindung auch den Vorzug, dass erfindungsgemäß durchgeführte Prüfungen eine höhere Aussagequalität erreicht werden kann, als sie bisher mit den bekannten Ersatzverfahren erreicht werden konnte. Die Erfindung schafft es, die Aussagequalität der Prüfung unter Volllast zu erreichen, ohne deren enormen apparativen wie auch betriebstechnischen Aufwand zu verlangen. Verglichen mit den üblicherweise angewandten herkömmlichen Ersatzverfahren kann eine wesentlich genauere Messung erfolgen, so dass die Transformatoren unter Zugrundelegung der verbesserten Prüfvorrichtung genauer ausgelegt werden können.
Damit ist auch eine Qualitätssteigerung in Bezug auf die Transformatoren ermöglicht.
Vorzugsweise weist der Koppeltransformator ein Windungsverhältnis auf, das dem inversen Verhältnis der Nennströme der beiden Primärwicklungen des Prüfmittel-Transformators entspricht. Damit wird erreicht, dass trotz des alleinigen Vorhandenseins von nur einer Steuerspannungsquelle beide Primärwicklungen bezogen auf die jeweiligen Bemessungswerte gleich stark belastet sind. Die Prüfung vereinfacht sich dadurch erheblich, da eine gute Belastung beider Primärwicklungen damit gewährleistet ist, ohne dass es stets eines Nachregelns bedarf, wie es bei den herkömmlicherweise verwendeten eigenen Steuerspannungsquellen für die beiden Primärwicklungen erforderlich war. Gemäß einem besonderen Vorteil der Erfindung ist es daher dank des Koppeltransformators nicht mehr erforderlich, dass für die zweite Primärwicklung eine Steuerspannungsquelle vorzusehen ist. Sie kann vielmehr entfallen, so dass der Koppeltransformator direkt mit der zweiten Primärwicklung verbunden ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Koppeltransformator nur verhältnismäßig klein zu sein braucht. Er kann in seiner Leistung deutlich kleiner sein als die Leistung des Prüflings-Transformators. Unter deutlich kleiner wird hier etwa eine Zehnerpotenz kleiner verstanden. Vorzugsweise beträgt die Leistung des Koppeltransformators weniger als 10% der Leistung des Prüflings-Transformators bzw. des Prüfmittel-Transformators. Für besondere Ausführungsformen von Zwei-, Drei- oder Mehrwicklungstransformatoren können im Bedarfsfall auch leistungsstärkere Koppeltransformatoren eingesetzt werden. Besonders bewährt hat sich eine Auslegung des Koppeltransformators dahingehend, dass seine Leistung etwa der Größe der relativen Kurzschlussspannung (Kurzschlussspannung geteilt durch Leerlaufspannung) des Prüfmittel-Transformators beträgt, vorzugsweise liegt dies zwischen 6% und 7%. Zur Prüfung eines Transformators mit 5500 kVA ist damit für den Koppeltransformator eine Leistung von nur 300 kVA ausreichend.
Als Zusatzspannungsquelle zum Speisen des Koppeltransformators kann eine aus aktiven oder passiven Betriebsmitteln hergestellte Quelle verwendet werden. Vorzugsweise ist die Zusatzspannungsquelle aus passiven Betriebsmitteln, insbesondere einem Stelltransformator gebildet. Dies hat den Vorteil einfacher Handhabung und einer automatischen Anpassung an Veränderungen der Netzspannung und -frequenz. Die Erfindung ermöglicht es aber selbstverständlich auch, die Steuerspannung aus aktiven Betriebsmitteln wie eine Unterbrechungsreinstromversorgung in einem Umrichter oder einen speziellen Umformersatz bereitzustellen. Damit kann die gesamte Prüfung jetzt unabhängig durchgeführt werden.
In der Regel genügt es, einen Koppeltransformator zur Speisung einer Primärwicklung von der anderen vorzusehen. Es ist aber auch möglich, dass anstatt einem Koppeltransformator zwei Koppeltransformatoren in Tandemanordnung vorgesehen sind. Unter Tandemanordnung wird hierbei verstanden, dass die beiden Koppeltransformatoren mit ihren jeweiligen Sekundärwicklungen gegensinnig, d. h. mit verschiedener Wicklungsrichtung, in die Verbindungsleitungen zwischen den Primärwicklungen von Prüfmittel- und Prüfling-Trafo eingeschleift sind, während die beiden Primärwicklungen des Koppeltransformators in Serie geschaltet und kurzgeschlossen sind. Die beiden kurzgeschlossenen Primärwicklungen bilden damit eine Hilfswicklung, in der ein Strom fließt. Dies kann dazu verwendet werden, eine strommäßige Normierung bereit zu stellen, anhand derer beispielsweise der in der Hilfswicklung fließende Strom festgelegt wird. Sofern beide Koppeltransformatoren für dieselbe Leistung ausgelegt sind haben die beiden Primärwicklungen vorzugsweise die gleiche Wicklungszahl, während das Verhältnis der Sekundärwicklungen der beiden Koppeltransformatoren vorzugsweise dem inversen Verhältnis der Nennströme zwischen erster und zweiter Primärwicklung entspricht. Bei unterschiedlicher Leistungsauslegung beider Koppeltransformatoren können die Windungszahlen abweichend festgelegt werden. Wichtig ist in einem solchen Fall, dass die Übersetzungsverhältnisse der Koppeltransformatoren so gewählt sein müssen, dass die gewünschte Kopplung der Ströme erzielt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die Prüfung von Mehrwicklungstransformatoren mit zwei Primärwicklungen beschränkt. Es können auch solche mit mehr als zwei Primärwicklungen geprüft werden. Dazu ist die Vorrichtung Weise so weitergebildet, dass für jede zusätzliche Primärwicklung ein zusätzlicher Koppeltransformator (allein oder in Tandemanordnung) zur Speisung vorgesehen ist.
Bei einer Sonderform kann der Koppeltransformator so ausgebildet sein, dass eine gezielte Phasenverschwenkung entsteht. Damit wird bewirkt, dass die Phase in den zweiten Primärwicklungen von Prüfmittel- und Prüflings-Transformator phasenverschoben ist von der Phase in den ersten Primärwicklungen, und zwar um einen Verschwenkungswinkel. Damit kann auch eine Sonderbauart von Transformatoren geprüft werden, die insbesondere für Windenergieanlagen Verwendung findet, und zu deren Prüfung bisher aufwändige Prüffelder mit gesondert ansteuerbaren Steuerquellen erforderlich gewesen sind. Diese besonders für Windenergieanlagen verwendete Sonderbauart zeichnet sich dadurch aus, dass die betragsmäßige Summe der Scheinleistungen S1, S2 der beiden Primärwicklungen größer ist als der Betrag der Scheinleistung S3 der Sekundärwicklung. Dies wird in der Praxis dazu verwendet, den Rotor- und Statorkreis einer Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator mit voneinander verschiedenen Phasen zu betreiben. Durch die vektorielle Addition der Scheinleistungen in beiden Primärwicklungen ergibt sich dabei eine Gesamtscheinleistung, die kleiner ist als die betragsmäßige Summe. Das Übertragungsvermögen des Transformators kann dadurch trotz unveränderter Bauweise gesteigert werden.
Für Mehrphasensysteme, insbesondere dreiphasigen Drehstrom, kann der Koppeltransformator so ausgebildet sein, dass zu einer Wicklung eine mit ihr galvanisch verbundene Zusatzwicklung auf einem Schenkel anderer Phase vorgesehen ist. Es wird so eine verteilte Wicklung gebildet, in der zwei mit um den Betrag der Phasendifferenz (bei üblichem Drehstrom beträgt diese 120°) verschobenen Teilströme induziert werden. Daraus ergibt sich eine Gesamtphasenabweichung, die als Verschwenkung bezeichnet wird. Je nach Verhältnis der Wicklungszahlen der beiden Teile der verteilten Wicklung kann damit die Verschränkung eingestellt sein. Vorzugsweise ist dazu ein Schwenktransformator vorgesehen, der mit dem Koppeltransformator derart zusammenwirkt, dass die Phasen in den Primärwicklungen des Prüflings-Transformators verschoben sind gegenüber der Phase in der Sekundärwicklung. Der Winkelunterschied wird als Schwenkwinkel bezeichnet. Grundsätzlich kann die Verschwenkung mittels eines gesonderten Schwenktransformators erfolgen, jedoch hat es sich bewährt, wenn der Schwenktransformator und der Koppeltransformator kombiniert sind. Damit ergibt sich eine besonders kompakte und günstig zu handhabende Ausführung.
Vorzugsweise ist eine Einstelleinrichtung für den Schwenkwinkel vorgesehen. Diese kann insbesondere darin bestehen, dass an den verteilten Wicklungen mehrere Anzapfungen vorgesehen sind, so dass das relative Verhältnis der Windungszahlen innerhalb einer der verteilten Windung durch Wahl verschiedener Anzapfungen eingestellt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schwenkwinkel δ für den Fall S1 + S2 > S3 so bestimmt, dass er der Bedingung
genügt. Sie muss nicht unbedingt exakt erfüllt sein, jedoch sollten die Abweichungen klein gehalten werden, um die resultierenden Prüfströme möglichst genau einprägen zu können. Vorzugsweise sind die maximalen Abweichungen ±0,15, weiter vorzugsweise weniger als ±0,05. Mit einem solchen Schwenkwinkel wird eine optimale Anpassung der Prüfvorrichtung an einem Transformator erreicht, bei dem die betragsmäßige Summe der Scheinleistung S1, S2 der beiden Primärwicklungen größer ist als die Scheinleistung S3 der Sekundärwicklung. Damit ermöglicht die Erfindung eine besonders einfache und effiziente Prüfung auch dieser Sonderbauform von Transformatoren.
Bei einer verteilten Schwenkwicklung ist vorzugsweise das Verhältnis der Wicklungszahlen der beiden Teilwicklungen so gewählt, dass es dem Verhältnis
im Fall einer Addition des verschwenkten Anteils oder dem Verhältnis
im Fall einer Subtraktion des verschwenkten Anteils genügt. Dies braucht nicht unbedingt exakt zu sein, jedoch sollten die Abweichungen klein gehalten werden. Vorzugsweise betragen die Abweichungen maximal ±0,1.
Die Prüfvorrichtung kann in einem Prüffeld angeordnet sein. Vorzugsweise ist sie als eine Kompakteinheit mit einem Gehäuse ausgeführt, welches die Verbindungsschaltung mit dem Koppeltransformator, Anschlüsse für den Prüfmittel- und Prüflingstransformator sowie eine Kühlung aufweist. Eine solche Kompakteinheit ist gut transportabel, da sie als eigenen Transformator nur lediglich den sehr kleinen und damit leichten Koppeltransformator benötigt. Sie kann dann zu dem Prüfort transportiert werden, wo der Prüflings-Transformator und der Prüfmittel-Transformator dann nur noch über die dafür vorgesehenen Anschlüsse angeschlossen zu werden brauchen. Dies eignet sich damit besonders zur Anwendung bei dem Hersteller von Windenergieanlagen bzw. Transformatoren dafür.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine Schemaansicht einer Prüfvorrichtung hier gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Schemaansicht einer Prüfvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 Schaltbilder für verschiedene Ausführungsformen von Koppeltransformatoren;
4 Erläuterungsdarstellungen zur Phasenlage;
5 Diagramme zu einer Prüfung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
6 Diagramme zu einer Prüfung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
7 Darstellung einer Kompakteinrichtung;
8 eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage mit einem Mehrwicklungstransformator; und
9 ein Schaltbild für den in 9 dargestellten Mehrwicklungstransformator.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zuerst auf den grundsätzlichen Aufbau einer modernen Windenergieanlage verwiesen. Der elektrische Aufbau ist in 8 schematisch dargestellt. Die Windenergienlage umfasst einen Generator 9, der einen Stator 91 sowie einen Rotor 92 aufweist. Der Stator 91 ist über ein Schaltglied 93 direkt an eine erste Primärwicklung 11 eines Dreiwicklungstransformators 1 angeschlossen. Der Rotor 92 des Generators 9 ist über einen Umrichter 94, der aus zwei über einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Wechselrichtern besteht, an eine zweite Primärwicklung 12 des Transformators 1 angeschlossen. An eine Sekundärwicklung 13 des Transformators ist über ein Schaltglied 98 ein Energieverteilungsnetz 99 angeschlossen. Die von dem Generator 9 erzeugte elektrische Energie fließt über den Statur 91 mit dem Schalter 93 bzw. den Rotor 92 und den Umrichter 94 an die beiden Primärwicklungen 11, 12 des Transformators 1, wird von diesem auf eine höheres Spannungsniveau umgewandelt und über dessen Sekundärwicklung 13 an das Netz 99 abgegeben. Zur Anpassung an unterschiedliche Spannungen des Stators 91 und des Umrichters 94 ist es häufig so, dass die beiden Primärwicklungen 11, 12 verschiedene Wicklungszahlen aufweisen, so dass sie bezogen auf die Sekundärwicklung 13 unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse haben.
Neben dieser beispielhaft dargestellten Anwendung eines Dreiwicklungstransformators für eine Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Generatorsystem werden Mehrwicklungstransformatoren auch für Windenergieanlagen mit parallel geschalteten Vollumrichtern oder für Onshore- und Offshore-Windparktransformatoren größerer Leistung eingesetzt. Eine Offshore-Transformatorplattform mit zwei Dreiwicklungstransformatoren stellt eine ideale Anwendung für dieses Prüfverfahren dar und würde aufgrund der Gleichartigkeit der Teilwicklungen mit sehr kleinen Koppeltransformatoren für die Prüfung auskommen.
Ein elektrisches Ersatzschaltbild für den Dreiwicklungstransformator 1 ist in 9 dargestellt. Man erkennt auf der rechten Seite die beiden Primärwicklungen 11, 12 in einer Konfiguration für Dreiphasendrehstrom mit herausgeführtem Sternpunkt. Auf der linken Seite dargestellt ist die Sekundärwicklung 13, bei der die drei Phasen in Dreieckschaltung konfiguriert sind. Typische Größenordnungen für solche Transformatoren für Windenergieanlagen liegen im Bereich mehrerer MVA, wobei schon heute Werte von knapp 7 MVA üblich sind und zukünftig größere Werte zu erwarten sind. Höhere Leistungen werden vor allem im Offshore-Bereich erwartet, wo der Transport und die Wartung von Transformatoren schwierig und zeitaufwändig sind. Man ist daher bestrebt, nur vorher geprüfte Transformatoren zu verwenden.
Eine Prüfvorrichtung für Transformatoren ist in 1 dargestellt. Die Prüfvorrichtung ist nach dem Back-to-Back-Prinzip aufgebaut. Es sind zwei Anschlusssätze 10, 20 für einen Prüflings-Transformator 1 und einen Prüfmittel-Transformator 2 vorgesehen. Der Anschlusssatz 1 weist Anschlüsse zur Verbindung der ersten Primärwicklung 11, der zweiten Primärwicklung 12 und der Sekundärwicklung 13 auf; für den Anschlusssatz 20 gilt entsprechendes. Weiter ist eine Verbindungsschaltung 5 vorgesehen, welche zwei Verbindungszweige 51, 52 umfasst. Der erste Verbindungszweig 51 verbindet die Anschlüsse für die erste Primärwicklung 11, 21 des Prüflings-Transformators 1 bzw. des Prüfmittel-Transformators 2. Dementsprechend verbindet der zweite Verbindungszweig 52 die zweite Primärwicklung 22 des Prüfmittel-Transformators 2 mit der zweiten Primärwicklung 12 des Prüflings-Transformators 1. Die Anschlüsse für die Sekundärwicklungen 13, 23 sind über eine Parallelleitung 3 miteinander verbunden. Die Parallelleitung 3 ist ferner angeschlossen an eine Versorgungsquelle 4. Sie kann intern oder extern ausgeführt sein, insbesondere kann es sich bei ihr um einen Anschluss an ein Versorgungsnetz (nicht dargestellt) handeln.
In der Verbindungsschaltung 5 weist der erste Verbindungszweig 51 eine Zusatzspannungsquelle 6 auf. Sie dient dazu, zusätzliche elektrische Energie beim Betrieb der Prüfvorrichtung einzuspeisen und damit im Betrieb entstehende Verluste auszugleichen. Weiter ist gemäß der Erfindung ein Koppeltransformator 7 vorgesehen, der die beiden Verbindungszweige 51, 52 der Verbindungsschaltung 5 miteinander verbindet. Dazu ist eine Sekundärwicklung 71 des Koppeltransformators 7 in den ersten Verbindungszweig 51 und eine Primärwicklung 72 des Koppeltransformators 5 in den zweiten Verbindungszweig 52 eingespeist. Über den Koppeltransformator 7 wird der von der Zusatzquelle 6 in dem ersten Verbindungszweig 51 eingespeiste Strom gemäß dem Übersetzungsverhältnis des Koppeltransformators 7 auch in den zweiten Verbindungszweig 52 eingespeist. Damit genügt erfindungsgemäß die eine Spannungsquelle 6 um die beiden Primärwicklungen verbindenden Verbindungszweige 51, 52 zu versorgen. Über den Koppeltransformator 7 wird gemäß der Erfindung durch die Änderung von nur einer Steuerspannung, nämlich durch Verändern der Zusatzquelle 6, eine anteilsmäßig gleiche Änderung bei den Verbindungszweigen erreicht. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Übersetzungsverhältnis des Koppeltransformators 7 dem gewünschten Stromverhältnis der beiden Primärwicklungen 21, 22 des Prüfmittel-Transformators 2 entspricht.
Die Verbindungszweige 51, 52 sind so gewählt, dass die Wicklung 22 des Prüfmittel-Transformators 2, und dementsprechend auch die Wicklung 12 des Prüflings-Transformators 1, mit einer niedrigeren Leistung am zweiten Verbindungszweig 52, und die Primärwicklung 21 bzw. 11 mit der höheren Leistung am Verbindungszweig 51 angeschlossen sind. Die in 1 dargestellte Zusatzquelle 6 sei als ein passives Betriebsmittel ausgeführt, nämlich als ein Stelltransformator. Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine Zusatzquelle aus aktiven Betriebsmitteln vorgesehen sein kann, beispielsweise eine Batterie mit einem Wechselrichter, ähnlich dem in 8 dargestellten Aufbau eines Umrichters 94. Mit dieser Anschaltung des Koppeltransformators 7 wird erreicht, dass nur geringstmögliche Anforderungen an seine Leistung gestellt werden. In der Praxis genügt es meist, wenn seine Leistung etwa 10% der Leistung des Prüfmittel-Transformators 1 entspricht. In bestimmten Fällen können auch höhere Werte zur Anwendung kommen. Es sei an dieser Stelle daran erinnert, dass die elektrischen Charakteristika des Prüfmittel-Transformators 1 und des Prüflings-Transformators 2 vorzugsweise identisch sind. Maßgeblich für die Prüfungsvorrichtung sind die elektrischen Charakteristika des Prüfmittel-Transformators 2, der als integraler Bestandteil der Prüfungsvorrichtung oder seiner extern anzuschließenden Komponente ausgeführte sein kann.
Der Koppeltransformator 7 kann auch in Tandemanordnung ausgeführt sein. Dies ist in 2 dargestellt. Es sind zwei Koppeltransformatoren 7, 7' vorgesehen, wobei die Sekundärwicklung des ersten Koppeltransformators 7 in dem ersten Verbindungszweig 51 und die Sekundärwicklung des zweiten Koppeltransformators 7' mit umgekehrtem Wicklungssinn in den zweiten Verbindungszweig 52 eingeschleift sind. Die beiden Sekundärwicklungen 71, 71' der Koppeltransformatoren 7, 7' sind also gegensinnig beschaltet. Weiter weisen beide Koppeltransformatoren 7, 7' Primärwicklungen 72, 72' auf, die in Reihe zu einem Kurzschluss verschaltet sind. Es kann ein Kurzschlussstrom fließen. Dieser Strom kann über einen Messaufnehmer bestimmt und zur Grundlage einer Normierung gemacht werden, mit dem Ziel einen bestimmten Strom festzulegen. Hierbei sind die Wicklungsverhältnisse der beiden Sekundärwicklungen der beiden Koppeltransformatoren 7, 7' unter der Annahme identischer Primärwicklungen so gewählt, dass das Wicklungsverhältnis dem umgekehrten Verhältnis der Nennströme in den Verbindungszweigen 51, 52 entspricht.
Es sei angemerkt, dass der Koppeltransformator 7 gemäß der Erfindung nicht nur Wirkströme zwischen den beiden Verbindungszweigen überträgt, sondern auch die Phasenlage berücksichtigt und damit die Übertragung von Blindströmen ermöglicht. Um gezielt die Phase in dem zweiten Verbindungszweig 52 zu beeinflussen, ist vorzugsweise eine Schwenkeinrichtung vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie in den Koppeltransformator 7 integriert, kann jedoch grundsätzlich auch gesondert ausgeführt sein. Es wird Bezug genommen auf 3. 3a zeigt einen Koppeltransformator 7 in Grundausführung. Für jede Phase sind eine Sekundärwicklung 71 und eine Primärwicklung 72 vorgesehen. In der praktischen Ausführung ist dies so realisiert, dass der Koppeltransformator 7 drei Schenkel im Transformatorenkern aufweist, wobei auf jedem Schenkel jeweils ein Paar bestehend aus einer Sekundärwicklung 71 und Primärwicklung 72 aufgewickelt ist. Zum Verschwenken ist der Koppeltransformator 7 mit integriertem Schwenkelement so ausgestaltet, dass die Primärwicklung 72 geteilt ausgeführt ist. Sie umfasst eine erste Teilwicklung 73 und eine zweite Teilwicklung 74, die auf einen anderen Schenkel gewickelt ist. Die bei zyklischer Vertauschung der jeweiligen Schenkel sich ergebene Anschaltung ist in der 3b schematisch dargestellt. Die Verschwenkung ergibt sich durch Addition des um den Phasenversatzwinkel von 120° verschobenen Beitrags der zweiten Teilwicklung 74 der Primärwicklung. An mindestens einer der Teilwicklungen 73, 74 können Anzapfungen vorgesehen sein, um hierdurch den Schwenkwinkel je nach verwendeter Anzapfung 75 einstellen zu können.
Eine alternative Ausführungsform ist in 3c dargestellt. Wiederum sind die einzelnen Primärwicklungen als geteilte Wicklung ausgeführt, wobei die zweite Teilwicklung jeweils auf einem anderen Schenkel zyklisch vertauscht angeordnet ist. Jedoch ist bei dieser Ausführung die zweite Teilwicklung 74' gegensinnig gewickelt, weshalb der Beitrag der zweiten Teilwicklung 74' mit umgekehrten Vorzeichen, also negativ einfließt. Hierbei handelt es sich also letztlich um eine Verschwenkung durch Subtraktion. Je nach einzustellendem Verschwenkwinkel δ ist einer Verschwenkung durch Addition oder durch Subtraktion der Vorzug zu geben. Welche Möglichkeit dies ist, richtet sich danach, wie groß der Schwenkwinkel ist.
Das Verschwenken sei nachfolgend kurz erläutert. Zur Erreichung einer möglichst hohen Übertragungsleistung, insbesondere bei Transformatoren von Windenergieanlagen, gibt es häufig die Bedingung, dass die Summe der zu übertragenen Scheinleistungen des Stators und Rotors 91, 92 größer sein soll als die an sich für den Transformator 1 angegebene Scheinleistung. In der Praxis gelingt dies dadurch, dass der Rotor mit einem anderen Leistungsfaktor als der Stator betrieben wird. Ein Leistungszeigerdiagramm für die Betriebsart ist in der 4a dargestellt. Jeweils angenommen, dass der Stator an die erste Primärwicklung S1 und der Rotor an die zweite Primärwicklung S2 angeschlossen ist. Die insgesamt über die Sekundärwicklung geführte Leistung ist als Leistung S3 bezeichnet. Man erkennt, dass es zum Erreichen einer solchen Leistungsverteilung in der Prüfvorrichtung erforderlich ist, dass die Ströme in der Wicklung für den Rotor um den Winkel δ gegenüber dem Stator verschwenkt sind. Aus dem Cosinussatz ergibt sich folgende Beziehung: S3² = S1² + S2² – 2 × S1 × S2 × cos(180° – δ)
Das sich hierbei ergebene Leistungszeigerdiagramm ist in 4b dargestellt. Um solche gewünschte Verhältnisse zu erreichen, muss gemäß den Darstellungen in 3 die Primärwicklung 72 mit einer Schwenkwicklung versehen sein. Die Windungszahlen der beiden Teilwicklungen 73, 74 seien als W × A bzw. W × B bezeichnet. Das erforderliche Wicklungsverhältnis ist wie folgt bestimmt:
Für den Fall der in der 4c dargestellten Subtraktion gilt die Beziehung:
Hierbei stehen die 120° für den Phasenversatzwinkel θ bei dreiphasigem Drehstrom bzw. die Angabe 60° steht für den sich aus dem Phasenversatzwinkel ergebenden Gegenwinkel in Höhe von 180° minus dem Phasenversatzwinkel θ.
Dies sei näher erläutert anhand eines Beispiels für einen Dreiwicklungstransformator mit Leistungen von 4950 kVA und 850 kVA für die erste bzw. zweite Primärwicklung und 5500 kVA für die Sekundärwicklung. Nennströme für die beiden Primärwicklungen sollen 3008 Ampere bzw. 743 Ampere und der für die Sekundärwicklung 96,2 Ampere betragen. Für einen Koppeltransformator 7 ohne Verschwenkung lautet damit das erforderliche Übersetzungsverhältnis B3/W2 = 3008/743 = 4,048. Allerdings ist in dem vorliegenden Fall eine Verschwenkung erforderlich, da die Summe der Scheinleistungen der beiden Primärwicklungen größer ist als die Scheinleistung der Sekundärwicklung. Daher muss eine Verschwenkung um einen Winkel δ durchgeführt werden. Gemäß oben angegebener Beziehung berechnet sich für den Schwenkwinkel ein Wert von 53,33°. Da es sich hier um einen relativ großen Schwenkwinkel handelt, wird die Verschwenkung gemäß Substraktionsprinzip wie in 4c dargestellt angewendet. Das Verhältnis W × A/W × B der Teilwicklungen 73, 74 bestimmt sich damit zu 1,1455. Damit ergibt sich bei einer angenommenen Windungszahl W × A von 7 für die erste Primärwicklung eine Wicklungszahl W × B von 28,21 für die zweite Primärwicklung, wobei aus der vektoriellen Subtraktion Anteile für die erste Teilwicklung 73 und die zweite Teilwicklung 74 von 30 Wicklungen bzw. 26 Wicklungen folgen.
Die sich hierbei ergebenden Resultate für verschiedene Phasenwinkel φ sind in den 5 und 6 dargestellt. So zeigt 5a Wirk- und Blindanteile der vom Prüflings-Transformator 1 übertragenen Spannung (wobei in den Diagrammen a)–c) die Scheinleistung gepunktet, die Wirkleistung gestrichelt und die Blindleistung durchgezogen dargestellt sind). Die von der Versorgungsquelle 4 aus dem Netz bezogenen Leistungen sind dargestellt in 5b. Die als Ergänzung von der Zusatzquelle 6 eingespeisten Leistungen sind dargestellt in 5c. Schließlich ergibt sich daraus unter dem Einfluss des Koppeltransformators 7 der in der 5d dargestellte, auf den Nennstrom normierte Verlauf von Wirkströmen durch den Prüf-Transformator, wobei der Strom durch dessen Sekundärwicklung 13 gepunktet, durch die erste Primärwicklung 11 gestrichelt und durch die zweite Primärwicklung 12 durchgezogen dargestellt sind (die Kurven liegen alle übereinander, so dass nur die durchgezogene sichtbar ist). In 6a bis d sind entsprechende Darstellungen für den Fall dargestellt, wobei zusätzlich um den Schenkwinkel δ geschwenkt wird. Deutlich ist zu erkennen, wie hierbei die Phase in der zweiten Primärwicklung 12 (durchgezogen dargestellt) abweicht.
In 7 ist eine Darstellung für ein als Kompakteinheit ausgeführtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Kompakteinheit umfasst einen Anschluss 20 mit einem Prüfmittel-Transformator 2, der zusammen mit einem Koppeltransformator 7 in einem Gehäuse 8 angeordnet ist. Das Gehäuse 8 umfasst ferner einen Hauptventilator 80, der innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet ist, und zwar so, dass ein Luftstrom den Prüfmittel-Transformator 2 umstreicht wie auch durch den Bereich der Sekundärwicklung 71 des Koppeltransformators 7 strömt. weiter ist noch ein Hilfsgebläse 81 vorgesehen, welches die Primärwicklung 72 des Koppeltransformators 7 durchströmt. An einer Außenseite sind im Bereich der Primärwicklung des Koppeltransformators 7 Anschlüsse für einen Prüflings-Transformator (nicht dargestellt) zu einem Anschlussfeld 10 zusammengefasst angeordnet. Die Kompakteinheit kann damit als Blockgerät von einem zu prüfenden Transformator zunächst transportiert werden. Es ist lediglich erforderlich, den Prüflings-Transformator an das Anschlussfeld 10 anzuschließen. Damit kann ohne weiteres, insbesondere ohne das Erfordernis eines starken Netzversorgungsanschlusses der Transformator geprüft werden.

Claims

Prüfvorrichtung für Windenergieanlagen-Mehrwicklungstransformatoren, die je eine erste Primärwicklung (11) mit einer ersten Scheinleistung (S1), eine zweite Primärwicklung (12) mit einer zweiten Scheinleistung (S2) sowie eine Sekundärwicklung (13) mit einer dritten Scheinleistung (S3) umfassen, einem Versorgungsanschluss (4), Anschlusssätzen (10, 20) für einen Prüfmittel-Transformator (2) und einen Prüflings-Transformator (1), die jeweils je einen Sekundärwicklungsanschluss und zwei Primärwicklungsanschlüsse umfassen, wobei die beiden Sekundärwicklungs-Anschlüsse (13, 23) parallel an den Versorgungsanschluss (4) geschaltet sind, und zwei Verbindungszweige (51, 52) vorgesehen sind, welche die Primärwicklungen (21, 22) des Prüfmittel-Transformators (2) mit den Primärwicklungen (11, 12) des Prüflings-Transformators (1) verbinden, und in einem ersten der Verbindungszweige (51) eine Zusatzquelle (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppeltransformator (7) in den Verbindungszweigen (51, 52) angeordnet ist, wobei eine Sekundärwicklung (71) des Koppeltransformators (7) zusammen mit der Zusatzquelle (6) in dem ersten Verbindungszweig (51) und dessen Primärwicklung (72) in den anderen Verbindungszweig (52) eingeschleift sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransformator (7) ein Wicklungsverhältnis aufweist, das dem inversen Verhältnis der Nennströme der beiden Primärwicklungen (21, 22) entspricht.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransformator (7) auf eine Leistung von höchstens 10% der Leistung des Prüfmittel-Transformators (2) ausgelegt ist.
Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransformator (7) in Tandemanordnung mit einem zweiten Koppeltransformator (7') ausgeführt ist, wobei im zweiten Verbindungszweig (52) anstatt besagter Primärwicklung eine Sekundärwicklung (71') des zweiten Koppeltransformators (7') gegensinnig zu der Sekundärwicklung (71) des ersten Koppeltransformators (7) im ersten Verbindungszweig (51) angeschlossen ist, und die Primärwicklungen der Koppeltransformatoren in Serie geschaltet und kurzgeschlossen sind.
Prüfvorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Prüflings-Transformator (1) und der Prüfmittel-Transformator (2) mehr als zwei Primärwicklungen aufweisen und entsprechend zusätzliche Verbindungszweige vorgesehen sind.
Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransformator (7) so ausgebildet ist, dass eine Phasenverschwenkung entsteht.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransformator (7) auf einem Schenkel eine Zusatzwicklung (74) aufweist, die galvanisch mit der Wicklung (73) auf einem Schenkel anderer Phase verbunden ist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwenktransformator vorgesehen ist, der mit dem Koppeltransformator (7) derart zusammenwirkt, dass die Phasen der Primärwicklungen (11, 12) des Prüf-Transformators (1) gegeneinander und gegenüber den im Verbindungszweig der Sekundärwicklung (13) verschoben sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenktransformator und der Koppeltransformator (7) kombiniert ausgeführt sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinrichtung für einen Schwenkwinkel δ vorgesehen ist, die mehrere Anzapfungen (75) umfasst.
Prüfvorrichtung der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schenkwinkel δ der Bedingung
genügt, vorzugsweise mit einer maximalen Abweichung von ±0,15.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Schwenkwinkel δ die Windungszahlen einer ersten Teilwicklung (73) (W × A) in Phase zu den Windungszahlen einer zweiten Teilwicklung (74) W × B anderer Phase, die um den Phasenversatzwinkel θ verschoben ist, entweder dem Verhältnis
oder
genügen, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von ±0,1.
Prüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompakteinheit mit einem Gehäuse (8) vorgesehen ist, welches die Verbindungsschaltung mit dem Koppeltransformator (7), Anschluss für die Transformatoren sowie eine Kühleinrichtung (80, 81) umfasst.