DE102012202105B4

DE102012202105B4 - Transformator mit Stufenschalteinrichtung

Info

Publication number: DE102012202105B4
Application number: DE102012202105.1A
Authority: DE
Inventors: Jochen von Bloh; Volker Karrer; Dr. Dohnal Dieter; Karsten Viereck
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2014-08-07
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: BR112014019987A2; WO2013120642A1; AU2013220673A1; US9123464B2; EP2815411B1; UA114419C2; ES2637656T3; CN104094369B; CA2861465C; JP2015510268A; DE102012202105A1; EP2815411A1; KR20140122278A; RU2014137003A; HK1201634A1; KR102014225B1; JP6250560B2; AU2013220673B2; RU2632194C2; CN104094369A

Abstract

Transformator mit Stufenschalteinrichtung (3),
wobei der Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist,
wobei wahlweise die Primärseite oder die Sekundärseite mittels der Stufenschalteinrichtung (3) regelbar ist,
wobei an der zu regelnden Seite des Transformators eine Stammwicklung und mindestens eine Regelwicklung (4, W1, W2, W3), die von der Stufenschalteinrichtung (3) beschaltbar ist, angeordnet sind, wobei die Stammwicklung in zwei Stammwicklungsteile (1, 2) aufgeteilt ist,
wobei die Stufenschalteinrichtung (3) zwischen den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) angeordnet und elektrisch mit den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) in Reihe geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stufenschalteinrichtung (3) mindestens ein Modul (M1, M2, M3) aufweist,
dass das mindestens eine Modul (M1, M2, M3) jeweils eine Regelwicklung (4, W1, W2, W3) sowie beidseitig davon zwei zur Regelwicklung (4, W1, W2, W3) parallel geschaltete Überbrückungspfade umfasst und
dass jeder Überbrückungspfad jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen (S1.1–S3.4) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator mit Stufenschalteinrichtung zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Teilen einer Regelwicklung des Transformators.
Stufenschalteinrichtungen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators sind seit vielen Jahren bekannter Stand der Technik. Die entsprechenden Stufentransformatoren, an denen geregelt werden soll, weisen primär- oder auch sekundärseitig eine gestufte Regelwicklung auf. Die Wicklung auf der zur regelnden Seite des Transformators besteht insgesamt aus einem festen Teil, der Stammwicklung, und der eigentlichen Regelwicklung, die mehrere Wicklungsanzapfungen besitzt. Dies ist beispielweise ausführlich erläutert in der Publikation ”KRÄMER, Axel: On-Load Tap-Changers for Power Transformers: Operation principles, Applications and Selection. Maschinenfabrik Reinhausen, 2000.”
Es ist also etablierter Stand der Technik, dass der zu regelnde Stufentransformator auf seiner zu regelnden Seite eine Stammwicklung und in Reihe dazu eine gestufte Regelwicklung aufweist.
Nach dem frühere Stufeneinrichtungen mechanische Schaltelemente zur Umschaltung zwischen den einzelne Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung aufwiesen, haben sich seit einer Reihe von Jahren Vakuumschaltelemente etabliert. In jüngster Zeit schließlich sind auch Halbleiter-Schaltelemente zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen derartigen Wicklungsanzapfungen vorgeschlagen worden. Solche Halbleiter-Schaltelemente besitzen zahlreiche Vorteile; ein Umschalten ist ohne mechanische Bauteile möglich, sie sind jedoch relativ empfindlich gegenüber Überspannungen. Beim Stand der Technik sind solche Halbleiter-Schaltelemente stets einer hohen Belastung bei einer Blitzspannungsbeanspruchung bei der Prüfung des Transformators sowie bei Transienten im Netz (z. B. beim Schalten von SF₆-/Vakuumleistungsschaltern) ausgesetzt.
Aus der US 3 176 089 A ist ein Transformator mit einem Laststufenschalter bekannt. Die Primärseite des Transformators besteht aus drei Teilwicklungen, wobei die mittlere Teilwicklung mittels eines Laststufenschalters zur Regelung einer Spannung genutzt werden kann. Dies geschieht durch Zu- bzw. Abschalten von Windungen der mittleren Teilwicklung. Dieses Dokument bildet den Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Aus der US 4 061 963 A ist ein Laststufenschaltersystem für Hochspannungstransformatoren bekannt. Dieses besteht aus einem Wähler zur lastfreien Vorwahl einer zu beschaltenden Wicklungsanzapfung und einem Lastumschalter zur eigentlichen Umschaltung. Weiterhin weist das System eine Sicherheitseinrichtung auf.
Aus der DE 101 02 310 C1 ist ein Thyristor-Stufenschalter bekannt, der aus einem mechanischen Stufenwähler und einem Lastumschalter mit Thyristoren als Schaltmittel besteht. Dabei ist nur der Stufenwähler im ölgefüllten Transformatorkessel untergebracht, während sich der Lastumschalter mit den Thyristoren in einem seitlich angebauten separaten Gehäuse in Luft befindet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator mit einer Stufenschalteinrichtung anzugeben, bei dem die elektrische Belastung der in der Stufenschalteinrichtung verwendeten Halbleiter-Schaltelemente minimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 1 oder gemäß dem Patentanspruch 3 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung liegt die allgemeine Idee zugrunde, die nach dem Stand der Technik einheitliche Stammwicklung auf der zu regelnden Seite des Transformators in zwei gleiche Wicklungsteile aufzuteilen und zwischen diesen Wicklungsteilen die Regelwicklung und an dieser wiederum die entsprechende Stufenschalteinrichtung vorzusehen.
Diese Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile. Zunächst einmal können die Halbleiter-Schaltelemente nicht mehr mit der vollen Amplitude der Blitzspannungswelle belastet werden, da die jeweilige Impedanz der halben Stammwicklung vorgeschaltet ist. Da der quasi vorgeschaltete Teil der Stammwicklung auch einen Teil der Energie der Blitzspannungswelle aufnimmt, kann die Schutzbeschaltung der Schaltelemente auch kleiner dimensioniert werden, was zu Kosten- und Platzeinsparung führt. Weiterhin können auch Halbleiter-Schaltelemente mit kleinerer Blockier-/Sperrspannung eingesetzt werden, da diese in erster Linie nach der Blitzspannungsbelastung zu dimensionieren sind und nicht nach der Stehwechselspannung.
Da der vorgeschaltete Teil der geteilten Stammwicklung erfindungsgemäß wie eine Drossel für schnelle Transienten auf der Netzleitung wirkt, werden die Halbleiter-Schaltelemente auch in diesem Fall nicht mit der vollen Amplitude und Flankensteilheit belastet, da die einzelnen Wicklungsteile wie eine vorgeschaltete Drossel dämpfend wirken. Besonders vorteilhaft ist das Wicklungsdesign für die geteilte Stammwicklung symmetrisch ausgelegt; dadurch wird die Kraftwirkung im Kurzschlussfall minimiert. Die Fertigung der beiden Teile der erfindungsgemäß geteilten Stammwicklung kann vorteilhaft auf einzelne Lagen aufgeteilt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transformators mit Stufenschalteinrichtung
2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung
3 einen Tabelle der bei der Ausführung gemäß 2 erzielbaren Spannungsstufen
4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt in einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen Transformator, dessen Primär- und Sekundärseite durch eine schematisch angedeutete Strichpunktlinie voneinander getrennt sind. Auf der linken Seite der Darstellung ist die Primärseite gezeigt, an der geregelt werden soll. Erfindungsgemäß ist eine geteilte Stammwicklung vorgesehen, die aus zwei identischen Stammwicklungsteilen 1, 2 besteht. Dazwischen ist eine Stufenschalteinrichtung 3 angeordnet, die durch eine Strichlinie symbolisiert ist. Die Stufenschalteinrichtung 3 weist hier, als den einfachsten Fall, eine Regelwicklung 4 auf, die von Schaltelementen S in Form einer Brücke umgeben ist. Als Schaltelemente S sind beispielsweise antiparallele Thyristorpaare, IGBTs o. ä. Halbleiter-Schaltelemente, einsetzbar. Bei diesem einfachsten Fall der Erfindung ist die Regelwicklung 4 zu- oder abschaltbar. Gezeigt ist hier noch ein Schalter 5, ein sogenannter Black-Start-Schalter, der sicherstellt, dass der Transformator auch bei Ausfall des Reglers bzw. des Ausfalls von Halbleiter-Schaltelementen weiter betrieben werden kann. Auf der rechten Seite ist die Sekundärwicklung 6 angedeutet. Mit 7 und 8 sind Anfang und Ende des gesamten Wicklungsaufbaus auf der Primärseite bezeichnet.
2 zeigt eine weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei besteht die Stufenschaltereinrichtung 3 aus mehreren Teilen einer Regelwicklung W1, W1, W3. Die Stufenschalteinrichtung 3 besteht hier aus drei einzelnen Modulen M1, M2, M3. Das erste Modul M1 umfasst die erste Regelwicklung W1 sowie beidseitig davon zwei Überbrückungspfade, die jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiter-Schaltelementen S1.1 und S1.2 bzw. S1.3 bzw. S1.4 umfassen. Jeweils zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltelementen ist eine Mittenanzapfung M1.1 bzw. M1.2 angeordnet. Die einzelnen Halbleiter-Schaltelemente sind hier wie auch in den nachfolgenden Figuren nur schematisch als einfache Schalter dargestellt. Sie umfassen in der Praxis parallel geschaltete antiparallele Thyristorpaare, IGBT's oder andere Halbleiter-Schaltelemente. Sie können auch jeweils eine Reihen- oder Parallelschaltung mehrerer solcher einzelner Halbleiter-Schalterelemente umfassen. Die eine Mittenanzapfung M1.2 ist mit dem Stammwicklungsteil 2 elektrisch verbunden. Die andere Mittenanzapfung M1.1 steht mit einer Mittenanzapfung M2.1 eines zweiten Moduls M2 in Verbindung. Dieses zweite Modul M2 ist identisch aufgebaut; es umfasst ebenfalls eine Regelwicklung W2 sowie die beiden Reihenschaltungen aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen S2.1 und S2.2 bzw. S2.3 und S2.4. Ebenfalls sind zwischen den jeweiligen Reihenschaltungen wieder Mittenanzapfung M2.1 und M2.2 angeordnet. Die Beschaltung der einen Mittenanzapfung M2.1 mit dem ersten Modul M1 wurde bereits erläutert; die zweite Mittenanzapfung M2.2 ihrerseits ist mit einer Mittenanzapfung M3.2 eines dritten Moduls M3 verbunden.
Dieses dritte Modul M3 ist wiederum identisch aufgebaut. Es umfasst wiederum eine Regelwicklung W3 sowie die beiden Reihenschaltungen aus Halbleiter-Schaltelementen S3.1 und S3.2 bzw. S3.3 und S3.4 sowie die dazwischen liegenden Mittenanzapfungen M3.1 und M3.2. Die bisher noch nicht erwähnte Mittenanzapfung M3.1 des dritten und hier letzten Moduls M3 ist mit dem Stammwicklungsteil 1 elektrisch verbunden. Die beschriebenen hier drei Module M1...M3 unterscheiden sich nur durch die Bemessungen der jeweiligen Regelwicklungen W1...W3. Die Regelwicklung W2 im zweiten Modul M2 weist hier die dreifache Windungszahl der Regelwicklung W1 im ersten Modul M1 auf. Die Teilwicklung W3 im dritten Modul M3 weist hier die sechsfache Windungszahl der Regelwicklung W1 im ersten Modul M1 auf.
3 zeigt eine Beschaltungstabelle der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Stufenschalteinrichtung. Das Symbol „0” bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung nicht eingeschaltet, d. h. überbrückt ist. Das Symbol „+” bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung zum Teil der Stammwicklung 2 im gleichen Sinn dazu geschaltet ist. Das Symbol ”–„ schließlich bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung gegensinnig zur Stammwicklung 2 geschaltet ist. In der Beschaltungstabelle sind die zehn Spannungsstufen dargestellt, die sich ergeben, wenn man zur Stufenspannung des Teils der Stammwicklung 2 weitere Teilspannungen hinzufügt. Diese Teilspannungen ergeben sich durch die unterschiedliche Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der einzelnen Regelwicklungen W1...W3. Es ist zu sehen, dass sich bestimmte Spannungsstufen redundant, d. h. durch unterschiedliche Schaltzustände, erzeugen lassen. Ebenso, in der Tabelle aber nicht dargestellt, ist es möglich, in der anderen Richtung entsprechende gestufte Teilspannungen von der Spannung in der Stammwicklung 2 abzuziehen. Insgesamt ergeben sich bei dieser Ausführungsform mithin einundzwanzig mögliche Spannungsstufen. In der Mittelstellung, hier mit N bezeichnet, ist die Stufenschalteinrichtung nicht eingeschaltet. Stammwicklungsteil 1 und 2 sind dann direkt miteinander verbunden. Das erläuterte Zu- bzw. Gegenschalten oder die Überbrückung der einzelnen Regelwicklungen W1...W3 erfolgt durch eine entsprechende Beschaltung der Halbleiter-Schaltelemente S1.1...S3.4.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Zwischen dem Stammwicklungsteil 1 und dem Stammwicklungsteil 2 ist die hier gezeigte Stufenschalteinrichtung 3 angeordnet. Sie besitzt zwei in Reihe geschaltete Schaltbaugruppen A und B. Die erste Schaltbaugruppe A ihrerseits besitzt eine Parallelschaltung von zwei Zweigen 9 und 10. Im ersten Zweig 9 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S1, S2 vorgesehen. Im parallelen zweiten Zweig 10 sind in Reihenschaltung zueinander zwei weitere Halbleiter-Schalteinheiten S3, S4 angeordnet. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S1, S2 im ersten Zweig 9 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S3, S4 im zweiten Zweig 10 ist eine erste Regelwicklung W1 angeordnet.
Die zweite Schaltbaugruppe B besitzt eine Parallelschaltung von drei Zweigen 11, 12 und 13. Im dritten Zweig 11 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S5, S6, im vierten Zweig 12 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S7, S8 und im fünften Zweig 13 in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S9, S10 angeordnet. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S5, S6 im dritten Zweig 11 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S7, S8 im vierten Zweig 12 ist eine zweite Regelwicklung W2 und zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S7, S8 im vierten Zweig 12 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S9, S10 im fünften Zweig 13 ist eine dritte Regelwicklung W3 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Schaltbaugruppe B mit dem Stammwicklungsteil 2 elektrisch verbunden.
Im Rahmen der Erfindung sind unterschiedlichste Ausführungen der Stufenschalteinrichtung 3 mit der unterschiedlichsten Zahl von zu regelnden Teilwicklungen und verschiedensten Beschaltungen mittels Halbleiter-Schaltelementen möglich. Wichtig ist bei allen diesen Ausführungsformen allein, dass die entsprechende Schalteinrichtung 3 zwischen den beiden Stammwicklungsteilen 1, 2 der erfindungsgemäß geteilten Stammwicklung auf der Seite des Transformators, an der geregelt werden soll, vorgesehen ist.

Claims

Transformator mit Stufenschalteinrichtung (3), wobei der Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei wahlweise die Primärseite oder die Sekundärseite mittels der Stufenschalteinrichtung (3) regelbar ist, wobei an der zu regelnden Seite des Transformators eine Stammwicklung und mindestens eine Regelwicklung (4, W1, W2, W3), die von der Stufenschalteinrichtung (3) beschaltbar ist, angeordnet sind, wobei die Stammwicklung in zwei Stammwicklungsteile (1, 2) aufgeteilt ist, wobei die Stufenschalteinrichtung (3) zwischen den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) angeordnet und elektrisch mit den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenschalteinrichtung (3) mindestens ein Modul (M1, M2, M3) aufweist, dass das mindestens eine Modul (M1, M2, M3) jeweils eine Regelwicklung (4, W1, W2, W3) sowie beidseitig davon zwei zur Regelwicklung (4, W1, W2, W3) parallel geschaltete Überbrückungspfade umfasst und dass jeder Überbrückungspfad jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltelementen (S1.1–S3.4) umfasst.
Transformator mit Stufenschalteinrichtung (3) gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltelementen (S1.1–S3.4) jedes Überbrückungspfades eine Mittenanzapfung (M1.1 M3.2) angeordnet ist, wobei die Regelwicklungen (W1, W2, W3) unterschiedliche Windungszahlen besitzen, wobei jeweils eine der beiden Mittenanzapfungen (M1.1–M3.2) jedes Moduls (M1, M2, M3) mit einer Mittenanzapfung (M1.1–M3.2) der benachbarten Module verbunden ist und wobei die eine verbleibende Mittenanzapfung (M1.2) des ersten Moduls (M1) mit dem einen Stammwicklungsteil (2) und die eine verbleibende Mittenanzapfung (M3.1) des letzten Moduls (M3) mit dem anderen Stammwicklungsteil (1) elektrisch verbunden sind.
Transformator mit Stufenschalteinrichtung (3), wobei der Transformator eine Primärseite und eine Sekundärseite aufweist, wobei wahlweise die Primärseite oder die Sekundärseite mittels der Stufenschalteinrichtung (3) regelbar ist, wobei an der zu regelnden Seite des Transformators eine Stammwicklung und mindestens eine Regelwicklung (4, W1, W2, W3), die von der Stufenschalteinrichtung (3) beschaltbar ist, angeordnet sind, wobei die Stammwicklung in zwei Stammwicklungsteile (1, 2) aufgeteilt ist, wobei die Stufenschalteinrichtung (3) zwischen den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) angeordnet und elektrisch mit den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenschalteinrichtung (3) zwei in Reihe geschaltete Schaltbaugruppen (A, B) aufweist, wobei die erste Schaltbaugruppe (A) ihrerseits eine Parallelschaltung von zwei Zweigen (9, 10) besitzt, wobei im ersten Zweig (9) in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten (S1, S2) und im parallelen zweiten Zweig (10) in Reihenschaltung zueinander zwei weitere Halbleiter-Schalteinheiten (S3, S4) vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S1, S2) im ersten Zweig (9) und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S3, S4) im zweiten Zweig (10) eine erste Teilwicklung (W1) der Regelwicklung angeordnet ist, wobei die zweite Schaltbaugruppe (B) eine Parallelschaltung von drei Zweigen (11, 12, 13) aufweist, wobei im dritten Zweig (11) in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten (S5, S6), im vierten Zweig (12) in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten (S7, S8) und im fünften Zweig (13) in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten (S9, S10) vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S5, S6) im dritten Zweig (11) und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S7, S8) im vierten Zweig (12) eine zweite Regelwicklung (W2) und zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S7, S8) im vierten Zweig (12) und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten (S9, S10) im fünften Zweig (13) eine dritte Regelwicklung (W3) angeordnet ist und wobei jeweils eine der beiden Schaltbaugruppen (A, B) mit jeweils einem der Stammwicklungsteile (1, 2) elektrisch verbunden sind.
Transformator mit Stufenschalteinrichtung (3) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Kontakt (5) zusätzlich vorgesehen ist, der die Stufenschalteinrichtung (3) überbrücken kann, derart, dass bedarfsweise eine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Stammwicklungsteilen (1, 2) herstellbar ist.