DE102022117112A1

DE102022117112A1 - Transformatoranordnung mit einstellbarer Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE102022117112A1
Application number: DE102022117112.4A
Authority: DE
Inventors: Norbert Buch
Original assignee: Eeg Elektronik Entw Mbh; Eeg Elektronik Entwicklungsgesellschaft Mbh
Current assignee: Eeg Elektronik Entw Mbh; Eeg Elektronik Entwicklungsgesellschaft Mbh
Priority date: 2022-07-08
Filing date: 2022-07-08
Publication date: 2024-01-11
Also published as: EP4303899A1

Abstract

Es ist eine Transformatoranordnung mit einstellbarer Ausgangsspannung offenbart. Die Transformatoranordnung umfasst eine Primärwicklung (2), eine Sekundärwicklung (3) und einen ersten Kern (4). Die Primärwicklung (2) ist zum Eingeben einer Wechselspannung (U_in) ausgebildet. Die Sekundärwicklung (3) ist zum Ausgeben einer Ausgangsspannung (U_out) an eine Last ausgebildet. Der erste Kern (4) ist durch die Primärwicklung (2) und die Sekundärwicklung (3) geführt und lenkt einen durch die Primärwicklung (2) erzeugten magnetischen Fluss zu der Sekundärwicklung (3). Zudem umfasst die Transformatoranordnung (1) eine Steuerwicklung (8), einen zweiten Kern (7) und eine Ansteuereinheit (9), wobei der zweite Kern (7) durch die Sekundärwicklung (3) oder die Primärwicklung (2) geführt ist, wobei der zweite Kern (7) zusätzlich durch die Steuerwicklung (8) geführt ist, wobei die Ansteuereinheit (9) mit der Steuerwicklung (8) verbunden ist und wobei die Ansteuereinheit (9) zum Eingeben eines Steuerstroms in die Steuerwicklung (8) derart ausgebildet ist, dass der an der Sekundärwicklung (3) wirksame magnetische Fluss und damit die Ausgangsspannung (U_out) erhöht oder reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformatoranordnung mit einstellbarer Ausgangsspannung sowie einen entsprechenden Transformator.
In Energieversorgungsnetzwerken muss eine gewisse Versorgungsqualität sichergestellt sein, um das Netzwerk in einem stabilen Zustand zu halten und Beschädigungen von angeschlossenen Verbrauchern, Erzeugern und Betriebsmitteln zu vermeiden. Ein wichtiger Aspekt der Versorgungsqualität ist die Netzspannung, die in einem relativ engen Toleranzbereich gehalten werden muss. Das Sicherstellen einer ausreichenden Versorgungsqualität ist bei Netzwerken mit einem hohen Anteil dezentraler Energieerzeuger, wie Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, keine triviale Aufgabe.
Jeder Erzeuger und jeder Verbraucher kann Einfluss auf die Versorgungsqualität in ihn umgebenden Bereichen des Energieversorgungsnetzwerks haben. Das Beziehen von Leistung aus dem Energieversorgungsnetzwerk durch einen Verbraucher kann zu einer Reduzierung der Netzspannung führen, beispielsweise wenn mehr Leistung bezogen wird, als das Netzwerk liefern kann. Andererseits benötigt jeder Erzeuger eine geringfügig höhere Ausgangsspannung als die Netzspannung, um Energie in das Energieversorgungsnetzwerk einspeisen zu können. Dies kann bei zu viel eingespeister Leistung relativ zu der bezogenen Leistung zu einer Erhöhung der Netzspannung führen. Auch das Verhalten von Betriebsmitteln des Energieversorgungsnetzwerks ist von der Betriebssituation abhängig. So erhöht sich beispielsweise bei einem hohen Stromfluss durch einen Leiter der Spannungsabfall über diesen Leiter.
In der Praxis bedeutet dies, dass innerhalb des Energieversorgungsnetzwerks flexibel auf veränderte Anforderungen reagiert werden muss. Bei Erzeugern mit einem Wechselrichter mit aktiven Wechselrichterbrücken ist dies meist keine allzu große Herausforderung, da erforderliche Anpassungen rasch per Software vorgenommen werden können. Allerdings sind die Leistungen und Einsatzbereiche derartiger Wechselrichter beschränkt.
Eine gute Eingriffsmöglichkeit bestünde in einer Anpassung der Ausgangsspannung direkt am Transformator. Bei üblichen Transformatoren ist die Ausgangsspannung jedoch durch die Eingangsspannung und das Windungsverhältnis, d.h. das Verhältnis der Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklungen, festgelegt. Damit ist eine flexible Einflussnahme auf die Ausgangsspannung bei derartigen Transformatoren nicht möglich.
Eine einfache Lösung besteht darin, die Anzahl der wirksamen sekundärseitigen Wicklungen zu verändern. Hierzu können eine vordefinierte Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung manuell zugeschaltet oder weggeschaltet werden. Je höher die Anzahl wirksamer Windungen, desto höher die Ausgangsspannung. Allerdings ist dadurch lediglich eine sprunghafte Änderung der Ausgangsspannung möglich. Zudem ist eine manuelle Anpassung der Spannung stets mit einem Freischalten des Transformators verbunden, weshalb stets Ausfälle entstehen. Für ein flexibles Reagieren auf veränderte Betriebssituationen ist dies wenig geeignet.
Alternativ könnten die Windungen über Schalteinrichtungen zugeschaltet oder weggeschaltet werden, was auch im laufenden Betrieb erfolgen könnte. Hier ist jedoch problematisch, dass derartige Schalteinrichtungen erhebliche Zusatzkosten verursachen würden und ferner den Wartungsbedarf erhöhen.
Ein anderer Transformator mit anpassbarer Ausgangsspannung ist beispielsweise aus der DE 18 73 209 U1 bekannt. Hierbei ist eine Einstellbarkeit der Ausgangsspannung über Schleifkontakte erreichbar, die über einen Schleifbereich eines Ringtransformator geführt sind. Allerdings sind diese Transformatoren wartungsintensiv, kompliziert in der Herstellung und können lediglich für kleinere Übertragungsleistungen genutzt werden.
Ein anderer regelbarer Transformator ist aus der DE 76 17 26 A bekannt. Hier wird eine Flussverdrängung in einem Schenkel eines Dreischenkelkerns genutzt. Allerdings entstehen dadurch Kerne mit erheblichem Materialbedarf. Ferner sind auch hierbei die Übertragungsleistungen beschränkt.
Eine andere Möglichkeit einer Spannungsanpassung ist aus der EP 3 101 796 A1 bekannt. Die Primärwicklung eines Transformators ist in einen Außenleiter des Versorgungsnetzwerks eingekoppelt ist. Mit einer Vielzahl von Schaltern können verschiedene Strompfade zwischen Primär- und Sekundärwicklung geschaltet und die Ausgangsspannung beeinflusst werden. Eine Zusatzwicklung, die in dem magnetischen Kreis der Primär- und der Sekundärwicklung angeordnet ist, kann zum Aufrechterhalten des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis genutzt werden. Auf diese Weise können sprunghafte Änderungen des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis verhindert werden. Allerdings sind Eingang und Ausgang der Anordnung galvanisch miteinander verbunden. Zudem sind die Einstellmöglichkeiten beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transformatoranordnung bereitzustellen, bei der eine flexible Einstellbarkeit der Ausgangsspannung möglich ist. Dabei ist erstrebenswert, wenn die Transformatoranordnung relativ einfach aufgebaut ist, prinzipiell auch bei höheren Übertragungsleistungen einsetzbar ist und eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Anpassung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Die vorliegende Offenbarung nutzt den Effekt, dass bei einer Leiterschleife die induzierte Spannung U von der zeitlichen Veränderung des magnetischen Flusses Φ durch die Leiterschleife abhängt (Induktionsgesetz). Das bedeutet, dass durch Beeinflussen des magnetischen Flusses durch die Sekundärspule eines Transformators die Ausgangsspannung des Transformators beeinflusst werden kann. Da sich magnetische Flüsse überlagern, kann die Wirkung eines ersten magnetischen Flusses durch einen zweiten magnetischen Fluss - je nach Flussrichtung - verstärkt oder abgeschwächt werden. Wenn also die Primärspule des Transformators einen ersten magnetischen Fluss erzeugt, kann der an der Sekundärspule wirksame magnetische Fluss und damit die Ausgangsspannung des Transformators durch einen zweiten magnetischen Fluss geändert werden.
Zum Ändern des an der Sekundärwicklung wirksamen magnetischen Flusses kann ein zweiter magnetischer Fluss in die Primärwicklung und/oder die Sekundärwicklung eingebracht werden. Hierzu wird gemäß der vorliegenden Offenbarung ein zweiter Kern und eine Steuerwicklung genutzt, wobei der zweite Kern durch die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung geführt ist und die Steuerwicklung um den zweiten Kern angeordnet ist. Wenn sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärseite ein zweiter Fluss eingekoppelt werden soll, können entsprechend zwei zweite Kerne und zwei Steuerwicklungen vorhanden sein. Die Steuerwicklung erzeugt einen zweiten magnetischen Fluss in dem zweiten Kern und der zweite Kern leitet diesen zweiten magnetischen Fluss zu der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung.
Wenn der zweite Kern durch die Primärwicklung geführt ist, wird der durch die Primärwicklung erzeugte erste magnetische Fluss sowohl durch den ersten als auch den zweiten Kern geleitet. Der zweite magnetische Fluss, der durch die Steuerwicklung in dem zweiten Kern erzeugt wird, überlagert sich im zweiten Kern mit dem ersten magnetischen Fluss. Der zweite magnetische Fluss gelangt über den zweiten Kern zu der Primärwicklung und wirkt auf die Primärwicklung ein. Wenn der erste und der zweite magnetische Fluss im Bereich der Primärwicklung gleichgerichtet ist, erhöht der zweite magnetische Fluss den im ersten Kern geführten magnetischen Fluss. Wenn der erste und der zweite magnetische Fluss im Bereich der Primärwicklung entgegengerichtet ist, reduziert der zweite magnetische Fluss den im ersten Kern geführten magnetischen Fluss. In beiden Fällen kann also durch die Steuerwicklung und den damit erzeugten magnetischen Fluss der an der Sekundärwicklung wirksame magnetische Fluss und damit die Ausgangsspannung beeinflusst werden.
Wenn der zweite Kern durch die Sekundärwicklung geführt ist, werden sowohl der durch die Primärwicklung erzeugte erste magnetische Fluss als auch der durch die Steuerwicklung erzeugte zweite magnetische Fluss durch die Sekundärwicklung gelenkt, die beide gemäß dem Induktionsgesetz zu einer induzierten Spannung beitragen. Wenn der erste magnetische Fluss und der zweite magnetische Fluss durch die Sekundärwicklung gleichgerichtet sind, wird die induzierte Spannung und damit die Ausgangsspannung angehoben. Wenn der erste magnetische Fluss und der zweite magnetische Fluss durch die Sekundärwicklung entgegengerichtet sind, wird die induzierte Spannung und damit die Ausgangsspannung abgesenkt. Auf diese Weise kann durch die Steuerwicklung der an der Sekundärwicklung wirksame magnetische Fluss und damit die Ausgangsspannung beeinflusst werden.
In allen Fällen ist es Aufgabe einer mit der Steuerwicklung verbundenen Ansteuereinheit, die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom geeignet anzusteuern. Wie konkret die Ansteuereinheit aufgebaut ist und diese Aufgabe erfüllt, ist für die vorliegende Offenbarung nicht entscheidend. Üblicherweise dürfte die Ansteuereinheit dazu ausgebildet sein, einen Stromfluss durch die Steuerwicklung zu erzeugen, der zu der gewünschten Veränderung der Ausgangsspannung der Transformatoranordnung führt. Dabei können insbesondere die Richtung und Stärke des Stromflusses wichtig sein. Die konkreten Einstellungen des Stromflusses dürften von der jeweiligen Ausgestaltung der Transformatoranordnung abhängen, beispielsweise der Wicklungsrichtung und Windungszahl der Steuerspule, der jeweils durch den Transformator übertragenen Leistung, der Anordnung des zweiten Kerns (an der Primär- oder Sekundärwicklung), etc. Es kann sich anbieten, wenn der Steuerstrom und der Strom durch die Primärwicklung annähernd in Phase sind. Dadurch ist die Einstellung der Ausgangsspannung besonders effektiv.
Insgesamt kann durch die Steuerwicklung, den zweiten Kern und die Ansteuereinheit die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung und damit die Ausgangsspannung der Transformatoranordnung eingestellt werden. Dabei kann die Transformatoranordnung einfach aufgebaut sein. Wenn die Ansteuereinheit derart aufgebaut ist, dass der Stromfluss durch die Steuerwicklung kontinuierlich oder zumindest quasikontinuierlich angepasst werden kann, ergibt sich daraus auch eine kontinuierliche oder quasikontinuierliche Einstellbarkeit der Ausgangsspannung der Transformatoranordnung. Ferner ist die hier offenbarte Technologie nicht auf niedrige Übertragungsleistungen beschränkt, sondern lässt sich annähernd beliebig skalieren. Damit lässt sich die hier offenbarte Transformatoranordnung in Energieversorgungsnetzwerken einsetzen, um beispielsweise das Spannungsniveau zu stabilisieren oder durch Anheben oder Senken der Netzspannung die Einspeisefähigkeit von dezentralen Energieerzeugern zu kontrollieren.
Eine „kontinuierliche Anpassung“ bedeutet, dass die Ausgangsspannung prinzipiell stufenlos verändert werden kann. Eine „quasikontinuierliche Anpassung“ bedeutet, dass es zwar Abstufungen in der Ausgangsspannung gibt, dass diese Abstufungen aber sehr klein im Vergleich zu der Ausgangsspannung sind und daher praktisch nicht als Abstufungen wahrgenommen werden. Dies kann bedeuten, dass eine Abstufung kleiner oder gleich 1% der Ausgangsspannung, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,1% ist.
Das Ausmaß der „einstellbaren Ausgangsspannung“ ist prinzipiell beliebig. Bei geeignet dimensionierter Steuerspule, Ansteuereinheit und zweitem Kern kann die Ausgangsspannung prinzipiell auf eine Spannung von Null Volt oder darunter reduziert werden. Ebenso ist es denkbar, die Ausgangsspannung im Vergleich zu einer Nennspannung (d.h. eine Ausgangsspannung ohne Einfluss durch die Steuerwicklung) deutlich zu erhöhen, beispielsweise eine Verdoppelung der Ausgangsspannung. In praktischen Einsatzszenarien dürfte sich jedoch eine Auslegung der Transformatoranordnung anbieten, mit der die Ausgangsspannung im ein- oder zweistelligen Prozentbereich erhöht und/oder reduziert werden kann. Je geringer die gewünschte Einstellbarkeit ist, desto kleiner können die Steuerwicklung, der zweite Kern und die Ansteuereinheit dimensioniert sein.
Generell wird vorliegend unter eines „Transformatoranordnung“ eine Anordnung verstanden, die eine Wechselspannung in eine Wechselspannung umsetzt. Dazu wird eine Eingangswechselspannung in eine Primärwicklung eingegeben, durch die Primärwicklung in einen magnetischen Fluss gewandelt, durch einen ersten Kern zu einer Sekundärwicklung geleitet und der magnetische Fluss in der Sekundärwicklung in eine Ausgangswechselspannung gewandelt. Dadurch findet eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang statt. Prinzipiell ist es unerheblich, ob die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist oder umgekehrt. D.h. die Transformatoranordnung kann zum Hoch- oder Runtertransformieren einer Spannung genutzt werden. Dabei kann die Transformatoranordnung prinzipiell auch für einen bidirektionalen Betrieb ausgelegt sein. Es ist prinzipiell auch denkbar, dass die Nenneingangs- und die Nennausgangswechselspannung dieselbe Amplitude haben, sodass die Transformatoranordnung zum Anpassen der Ausgangsspannung auf einem vergleichbaren Spannungsniveau ausgestaltet ist.
Der Begriff „Primärwicklung“ bezeichnet vorliegend eine Spule, die mit einem Eingang der Transformatoranordnung verbunden ist. Der Begriff „Sekundärwicklung“ bezeichnet eine Spule, die mit einem Ausgang der Transformatoranordnung verbunden ist. In einem gängigen Einsatzszenarium kann dies bedeuten, dass die Primärwicklung mit einem Energieversorgungsnetzwerk und die Sekundärwicklung mit einer Last verbunden ist. Auch wenn der Begriff „Primärwicklung“ häufig als eine Wicklung bezeichnet wird, die mit der höheren Spannung verbunden ist, stellt dies für die vorliegende Offenbarung keine zwingende Anforderung dar. Entsprechendes gilt für die „Sekundärwicklung“. Bei einem bidirektionalen Betrieb können sich die Funktionen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sogar vertauschen.
Wie konkret die Wicklungen (insbesondere Primärwicklung, Sekundärwicklung und Steuerwicklung) aufgebaut sind, ist nicht entscheidend, solange die Wicklungen die hier offenbarten Funktionen erfüllen. Insbesondere sind keine speziellen Wicklungsarten erforderlich. Vielmehr können die Wicklungen in üblicher Weise auf einen hohlen Trägerkörper gewickelt und danach auf den Kern gesteckt werden. Damit lassen sich die Wicklungen mit klassigen Wickelmaschinen herstellen.
Die Wicklungen können als Hohlzylinder aufgebaut sein, wobei die einzelnen Windungen der Wicklung entlang des Umfangs geführt sind. Als Grundfläche des Hohlzylinders sind Kreise, Ellipsen, Rechtecke, Quadrate, Sechsecke, Rechtecke mit abgerundeten Ecken, etc. denkbar. Insbesondere zur Vermeidung von Feldspitzen kann es sich anbieten, wenn die Windungen mit möglichst geringer Biegung gewickelt sind, weshalb Grundflächen wie Kreise oder Ellipsen vorteilhaft sein können.
Die „Steuerwicklung“ kann auf unterschiedliche Weise aufgebaut und dimensioniert sein. Es ist auch denkbar, dass die Steuerwicklung in zwei oder mehr Teilwicklungen unterteilt ist, um beispielsweise einen verfügbaren Platz optimal nutzen zu können. Von Bedeutung ist, dass die Steuerwicklung einen Steuerstrom leiten kann, der die benötigte Änderung der Ausgangsspannung ermöglicht. Dies dürfte üblicherweise bedeuten, dass bei hohen maximalen Steuerströmen ein höherer Leiterquerschnitt benötigt wird als bei niedrigeren maximalen Steuerströmen. Entsprechend kann es sich anbieten, die Windungszahl zu erhöhen, um den Steuerstrom und den Leiterquerschnitt reduzieren zu können.
Wenn vorliegend davon die Rede ist, dass ein „Kern durch eine ...wicklung geführt ist“ bedeutet dies, dass die Wicklung um den Kern angeordnet ist. Üblicherweise ist dabei eine Achse der Wicklung und der Kern bei der Wicklung parallel zueinander angeordnet.
Der „erste Kern“ und der „zweite Kern“ können auf gebräuchliche Weise aufgebaut und dimensioniert sein. Das bedeutet, dass der Kern durch einen Stapel aus Transformatorblechen gebildet sein kann, wobei die Transformatorbleche gegeneinander isoliert sein können. Der Kern kann durch mehrere Teilkerne zusammengesetzt sein, was insbesondere das Zusammensetzen des Transformators erleichtern kann. Für die Dimensionierung ist es sinnvoll, wenn der Kern den zu erwartenden maximalen magnetischen Fluss leiten kann und es zu keinen oder zumindest keinen nennenswerten Sättigungseffekten kommt. Derartige Dimensionierungen sind aus der Praxis jedoch hinlänglich bekannt.
In einer Ausgestaltung ist zwischen dem ersten Kern und dem zweiten Kern ein Luftspalt angeordnet und/oder ein Teil des ersten Kerns und ein Teil des zweiten Kerns ist parallel zueinander angeordnet. Durch einen Luftspalt können die magnetischen Kreise des ersten und zweiten Kerns stärker magnetisch getrennt werden. Dies kann die Dimensionierung der Kerne erleichtern. Dabei bildet der Luftspalt einen Bereich mit erhöhtem magnetischem Widerstand. Dies bedeutet nicht zwingend, dass in dem Luftspalt auch tatsächlich Luft angeordnet ist. Vielmehr kann in dem Luftspalt auch ein anderes, magnetisch wenig oder nicht leitendes Material, beispielsweise ein Kunststoff oder eine Vergussmasse, angeordnet sein. In einer Ausgestaltung ist der Luftspalt größer oder gleich einen oder einige Millimeter. In einer Ausgestaltung ist der Luftspalt kleiner oder gleich 10 Zentimeter. Dies ermöglicht einen hohen magnetischen Widerstand. In einer anderen Ausgestaltung ist der Luftspalt kleiner oder gleich 5 Zentimeter. Dadurch kann der Platzbedarf reduziert werden. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Luftspalt kleiner oder gleich einem Zentimeter. Dies bietet bei vielen Ausgestaltungen der Transformatoranordnung einen guten magnetischen Widerstand bei gleichzeitig überschaubarem Platzbedarf. Ein paralleles Anordnen von Teilen des ersten und zweiten Kerns kann das Leiten des magnetischen Flusses durch die Sekundärwicklung bzw. Primärwicklung (je nach Anordnung des zweiten Kerns) begünstigen.
In einer Ausgestaltung ist die Ansteuereinheit als Regler ausgebildet, wobei der Regler eine sekundärseitige Ausgangsspannung auf eine Sollausgangsspannung oder eine sekundärseitige Ausgangsleistung auf eine Sollausgangsleistung regelt. Das Nutzen eines Reglers erlaubt ein zügiges Reagieren auf Veränderungen in einer Betriebssituation. Damit kann ein Istzustand erfasst und mit einem Sollzustand verglichen werden. Wenn eine Abweichung zwischen Ist- und Sollzustand über ein vorbestimmtes Maß hinaus festgestellt wird, kann der Regler geeignet gegensteuern, beispielsweise die Ausgangsspannung anheben oder absenken. Das Regeln auf eine Sollausgangsspannung ermöglicht ein Stabilhalten der Ausgangsspannung in unterschiedlichen Betriebssituationen. Das Regeln auf eine Sollausgangsleistung kann einer Überlastung entgegenwirken.
In einer Ausgestaltung ist zur Aufnahme des zweiten Kerns der Querschnitt der Sekundärwicklung oder der Primärspule senkrecht zu einer Spulenachse eiförmig oder ellipsenförmig ausgebildet. Dabei kann der Querschnitt der Wicklung, in der der zweite Kern nicht angeordnet ist, auf übliche Weise ausgestaltet sein. Ein ellipsenförmiger Querschnitt ermöglicht die Aufnahme eines ersten und zweiten Kerns, die ähnliche Abmessungen aufweisen. Ein eiförmiger Querschnitt erlaubt das Aufnahmen eines größeren ersten Kerns und eines zweiten Kerns, dessen Querschnitt kleiner als der des ersten Kerns ist. Dabei kann der zweite Kern an der Spitze des „Eis“ angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung ist um den ersten Kern zusätzlich eine Abnahmewicklung derart angeordnet, dass ein durch die Primärwicklung erzeugter magnetischer Fluss in der Abnahmewicklung eine Abnahmespannung induziert, wobei die Abnahmewicklung mit der Ansteuereinheit verbunden ist und wobei die Ansteuereinheit dazu ausgebildet ist, den Steuerstrom aus der Abnahmespannung zu erzeugen. Auf diese Weise kann eine Versorgung der Steuerwicklung aus der Primärseite erreicht werden, was eine zusätzliche Energieversorgung erspart. Zudem vereinfacht diese Ausgestaltung ein Halten einer definierten Phasenlage des Steuerstroms relativ zu dem Strom in die Primärwicklung.
In einer Ausgestaltung umfasst die Ansteuereinheit zum Erzeugen des Steuerstroms eine Stromeinstellschaltung, wobei die Stromeinstellschaltung zum stufenlosen oder quasistufenlosen Einstellen des Steuerstroms ausgebildet ist und vorzugsweise einen Potentiometer oder einen Wechselrichter mit Gleichspannungs-/Gleichstromzwischenkreis umfasst. Die Stromeinstellschaltung kann einen Stromregler umfassen. Als Potentiometer wird in diesem Zusammenhang ein einstellbarer Spannungsteiler angesehen. Auf diese Weise lässt sich auf besonders einfache Art eine Stromeinstellschaltung realisieren. Das Nutzen eines Wechselrichters mit Gleichspannungs-/Gleichstromzwischenkreis erlaubt ein besonders flexibles Einstellen des Steuerstroms.
In einer Ausgestaltung umfasst die Steuerwicklung zum Reduzieren des Steuerstroms um einen Faktor x eine x-fache Windungszahl. Dabei ist x eine reelle Zahl, vorzugsweise eine natürliche Zahl, mit einem Wert mindestens gleich 2. Die Windungszahl sollte nicht zu groß werden, da dann der Wicklungsaufwand sehr groß wird. Daher ist x in einer Ausgestaltung kleiner oder gleich 100, in einer anderen Ausgestaltung kleiner oder gleich 50 und in einer weiteren Ausgestaltung kleiner oder gleich 25. Als Basis für Ver-x-fachung der Windungszahl kann die Windungszahl der jeweiligen Hauptwicklung (also der Wicklung, durch die der zugehörige zweite Kern geführt ist) dienen. Wenn beispielweise der zweite Kern mit der zu dimensionierenden Steuerwicklung durch die Sekundärwicklung geführt ist und die Ausgangsspannung um bis zu 10% verändert werden soll, so kann die Basiswindungszahl der Steuerwicklung auf 10% der Windungszahl der Sekundärwicklung dimensioniert werden. Bei dieser Ausgestaltung würde die Windungszahl der Steuerwicklung auf die x-fache Basiswindungszahl gesetzt.
In einer Ausgestaltung ist die Transformatoranordnung zum Verbinden mit einer Einphasen- oder Mehrphasen-Energieversorgung ausgebildet, wobei die Transformatoranordnung für jede Phase eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, eine Steuerwicklung und vorzugsweise einen zweiten Kern umfasst. Das Nutzen eines Einphasen-Systems ist insbesondere für kleinere Übertragungsleistungen denkbar. Mehrphasensysteme, insbesondere ein dreiphasiges Drehstromsystem, können deutlich höhere Leistungen übertragen. Insbesondere erlaubt die Ausbildung als Dreiphasensystem den Einsatz der Transformatoranordnung in üblichen Energieversorgungsnetzwerken. Bei einer Mehrphasen-Energieversorgung kann für jede Phase eine eigene Einphasen-Transformatoranordnung verwendet werden. Insbesondere bei einer Dreiphasen-Energieversorgung kann ein gemeinsamer erster Kern für alle drei Primärspulen und alle drei Sekundärspulen genutzt werden.
In einer Weiterbildung ist die Ansteuereinheit bei einer Ausgestaltung für einen Anschluss an einer Mehrphasen-Energieversorgung zu einer identischen Ansteuerung der einzelnen Steuerwicklung oder zum individuellen Regeln der einzelnen Phasen ausgebildet. Die identische Ansteuerung der einzelnen Steuerwicklungen führt insbesondere dazu, dass die Transformatoranordnung auch bei unsymmetrischer Belastung der einzelnen Phasen trotzdem zuverlässige Anpassungen der Ausgangsspannungen erlaubt. „Identische Ansteuerung“ bedeutet, dass die Steuerströme durch die einzelnen Steuerwicklungen prinzipiell identisch ausgebildet sind, aber um eine netzspezifische Phasenlage gegeneinander verschoben sind. Die Phasenlage kann beispielsweise 360° geteilt durch die Anzahl der Phasen sein, beispielsweise 120° bei einem Drehstromnetz. Das individuelle Regeln der einzelnen Phasen erlaubt das Verwirklichen unterschiedlicher Regelziele für die einzelnen Phasen.
In einer Ausgestaltung umfasst die Transformatoranordnung ein Transformatorgehäuse, in dem vorzugsweise die Primärwicklung, die Sekundärwicklung, der erste Kern, der zweite Kern und die Steuerwicklung angeordnet sind. Ein Transformatorgehäuse bietet einen guten Schutz gegen Berühren von Spannung führenden Teilen. Zudem kann auf diese Weise der Transformator mit einer Kühlung versehen werden, beispielsweise durch eine Ölfüllung. An dem Transformatorgehäuse können Anschlüsse vorgesehen sein, insbesondere einen Spannungseingang, einen Spannungsausgang und einen Steuereingang. Wenn die Transformatoranordnung eine Abnahmewicklung aufweist, kann diese ergänzend in dem Transformatorgehäuse angeordnet sein. Die Ansteuereinheit kann ebenfalls in dem Transformatorgehäuse oder in einem Zusatzgehäuse angeordnet sein, wobei das Zusatzgehäuse an der Außenseite des Transformatorgehäuses befestigt sein kann.
In einer Ausgestaltung sind die Steuerwicklung und die Ansteuereinheit derart dimensioniert, dass eine Erhöhung und/oder Reduzierung der Ausgangsspannung von bis zu 50% der Nennausgangsspannung, vorzugsweise von bis zu 25%, besonders bevorzugter Weise von bis zu 10% möglich ist. Als Nennausgangsspannung wird hier die Ausgangspannung angesehen, die die Transformatoranordnung ohne einen Steuerstrom durch die Steuerwicklung ausgibt. Dabei wird angenommen, dass in die Transformatoranordnung eine Nenneingangsspannung eingegeben wird. Eine Reduzierung bzw. Erhöhung der Ausgangsspannung um 50% erlaubt einen großen Anpassungsbereichs. Eine Reduzierung bzw. Erhöhung der Ausgangsspannung um 25% erlaubt eine relativ großen Ausgangsspannungsbereich bei geringeren Anforderungen an den zweiten Kern, die Steuerwicklung und die Ansteuereinheit. Eine Reduzierung bzw. Erhöhung der Ausgangsspannung um 10% erlaubt in praktischen Energieversorgungsnetzwerken eine nützliche Anpassbarkeit. Gleichzeitig ist der Zusatzaufwand für den zweiten Kern, die Steuerwicklung und die Ansteuereinheit überschaubar.
In einer Ausgestaltung ist die Transformatoranordnung zum Übertragen einer Leistung mindestens einem Kilovoltampere, vorzugsweise mindestens 30 Kilovoltampere, weiter bevorzugter Weise mindestens 150 Kilovoltampere, besonders bevorzugter Weise mindestens 3 Megavoltampere, ganz besonders bevorzugter Weise mindestens 500 Megavoltampere ausgebildet. Prinzipiell ist die Transformatoranordnung für die verschiedensten Leistungsanforderungen nutzbar. Bei einer Leistung von mindestens 30 Kilovoltampere kann die Transformatoranordnung gut als Industrietransformator oder vergleichbaren Einsatzszenarien genutzt werden. Mit Leitungsfähigkeiten von mindestens 150 Kilovoltampere lassen sich kleinere Transformatorstationen in einem Energieversorgungsnetzwerk ausstatten. Mit einer Leistungsfähigkeit von mindestens 3 Megavoltampere lassen sich auch größere Transformatorstationen ausstatten. Eine Leistungsfähigkeit von mindestens 500 Megavoltampere ist auch für Maschinentransformatoren einsetzbar.
In einer Ausgestaltung ist die Transformatoranordnung zum eingangsseitigen Verbinden mit einem Niederspannungsnetzwerk, einem Mittelspannungsnetzwerk oder einem Hochspannungsnetzwerk ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich die Transformatoranordnung an verschiedenen Stellen eines Energieversorgungsnetzwerks einsetzen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Transformatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer einphasigen Ausgestaltung,
2 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Transformatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer dreiphasigen Ausgestaltung und
3 ein Schnitt durch das zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Transformatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die einphasig ausgebildete Transformatoranordnung 1 umfasst eine Primärwicklung 2, eine Sekundärwicklung 3 und einen ersten Kern 4, wobei der erste Kern 4 durch die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 3 geführt ist. Die Primärwicklung 3 ist mit einem Spannungseingang 5 verbunden, der zum Eingeben einer Eingangsspannung U_in ausgebildet ist. Die Sekundärwicklung 3 ist mit einem Spannungsausgang 6 verbunden, der zum Ausgeben einer Ausgangsspannung U_out ausgebildet ist.
Durch die Sekundärspule 3 ist zusätzlich ein zweiter Kern 7 geführt. Um den zweiten Kern 7 ist eine Steuerwicklung 8 angeordnet, die durch eine Ansteuereinheit 9 mit einem Steuerstrom angesteuert werden kann. Die Ansteuereinheit 9 wird durch eine Abnahmewicklung 10 mit Energie versorgt, wobei die Abnahmewicklung 10 um den ersten Kern 4 angeordnet ist und damit ebenfalls durch einen von der Primärspule 4 erzeugten magnetischen Fluss durchflossen ist. Die Ansteuereinheit 9 ist als Regler ausgeführt. Hierzu umfasst die Ansteuereinheit 9 einen Reglereingang 11, in den insbesondere ein Sollwert, aber auch Messwerte aus der Transformatoranordnung (hierfür genutzte Sensoren nicht dargestellt) eingegeben werden können.
In 1 ist angedeutet, dass zwischen dem ersten Kern 4 und dem zweiten Kern 7 ein Luftspalt 12 ausgebildet ist. Ferner sind im Bereich der Sekundärspule 3 Teile des ersten Kerns 4 und Teile der zweiten Kerns 7 parallel zueinander angeordnet.
Die Transformatoranordnung 1 umfasst ferner ein Transformatorgehäuse 13, das in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. In dem Transformatorgehäuse 13 sind die Primärwicklung 2, die Sekundärwicklung 3, der erste Kern 4, der zweite Kern 7, die Steuerwicklung 8 und die Abnahmewicklung 10 angeordnet.
Beim Betrieb dieser Transformatoranordnung 1 erzeugt ein Stromfluss durch die Primärwicklung 2 einen magnetischen Fluss, der durch den ersten Kern 4 zu der Sekundärwicklung 3 und die Abnahmewicklung 10 gelenkt wird. In der Abnahmewicklung wird dadurch eine Abnahmespannung induziert, die zur Versorgung der Ansteuereinheit 9 dient. Die Ansteuereinheit 9 erzeugt aus der Abnahmespannung einen Steuerstrom, der in die Steuerwicklung 8 eingegeben wird. Dadurch erzeugt die Steuerwicklung 8 in dem zweiten Kern einen magnetischen Fluss, der ebenfalls zu der Sekundärwicklung 3 gelenkt wird. Die Sekundärwicklung 3 wird also durch einen von der Primärwicklung 2 erzeugen magnetischen Fluss und durch einen durch die Steuerwicklung 8 erzeugten magnetischen Fluss durchflossen, wobei sich die beiden Flüsse durch den Luftspalt 12 praktisch nicht gegenseitig beeinflussen. Die Summe dieser magnetischen Flüsse induziert dann in der Sekundärspule 3 eine Spannung, die als Ausgangsspannung U_out an den Spannungsausgang 6 ausgegeben wird. Je nachdem, ob die magnetischen Flüsse gleichgerichtet (also allgemein in gleichen Zeiteinheiten gleiche Vorzeichen aufweisen) oder entgegengerichtet (also allgemein in gleichen Zeiteinheiten unterschiedliche Vorzeichen aufweisen) sind, kann durch die Steuerwicklung 8 bzw. den dadurch fließenden Steuerstrom die Ausgangsspannung U_out angehoben oder abgesenkt werden.
Üblicherweise dürfte die Eingangsspannung U_in eine sinusförmige Wechselspannung sein. Entsprechend ist auch die Ausgangsspannung U_out eine sinusförmige Wechselspannung. Es ist offensichtlich, dass der Steuerstrom dann ebenfalls einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf aufweisen sollte.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Transformatoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei die dort dargestellte Transformatoranordnung 1' dreiphasig ausgebildet ist. Ein erster Kern 4' ist dreischenklig ausgebildet, wobei um jeden Schenkel jeweils eine Primärwicklung (der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt) und eine Sekundärwicklung 3', 3", 3''' angeordnet ist. Durch jede Sekundärwicklung 3', 3", 3''' ist jeweils ein zweiter Kern 7', 7", 7''' geführt. Um jeden der zweiten Kerne 7', 7", 7''' ist jeweils eine Steuerwicklung 8', 8", 8''' angeordnet.
3 zeigt einen Schnitt durch diese Transformatoranordnung 1' entlang einer horizontalen Linie in 2 in mittlerer Höhe des ersten Kerns 4'. Es ist deutlich zu erkennen, dass die zweiten Kerne 7', 7", 7''' parallel zu dem ersten Kern 4' geführt ist, wobei zwischen den ersten und zweiten Kernen jeweils ein Luftspalt angeordnet ist. Ferner ist zu erkennen, dass die Sekundärwicklungen 3', 3", 3''' eiförmig ausgebildet sind.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Transformatoranordnung
2: Primärwicklung
3: Sekundärwicklung
4: Erster Kern
5: Spannungseingang
6: Spannungsausgang
7: Zweiter Kern
8: Steuerwicklung
9: Ansteuereinheit
10: Abnahmewicklung
11: Reglereingang
12: Luftspalt
13: Transformatorgehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1873209 U1 [0008]
DE 761726 A [0009]
EP 3101796 A1 [0010]

Claims

Transformatoranordnung mit einstellbarer Ausgangsspannung, umfassend eine Primärwicklung (2), die zum Eingeben einer Wechselspannung (U_in) ausgebildet ist, eine Sekundärwicklung (3), die zum Ausgeben einer Ausgangsspannung (U_out) an eine Last ausgebildet ist, einen ersten Kern (4), der durch die Primärwicklung (2) und die Sekundärwicklung (3) geführt ist und einen durch die Primärwicklung (2) erzeugten magnetischen Fluss zu der Sekundärwicklung (3) lenkt, gekennzeichnet durch eine Steuerwicklung (8), einen zweiten Kern (7) und eine Ansteuereinheit (9), wobei der zweite Kern (7) durch die Sekundärwicklung (3) oder die Primärwicklung (2) geführt ist, wobei der zweite Kern (7) zusätzlich durch die Steuerwicklung (8) geführt ist, wobei die Ansteuereinheit (9) mit der Steuerwicklung (8) verbunden ist und wobei die Ansteuereinheit (9) zum Eingeben eines Steuerstroms in die Steuerwicklung (8) derart ausgebildet ist, dass der an der Sekundärwicklung (3) wirksame magnetische Fluss und damit die Ausgangsspannung (U_out) erhöht oder reduziert wird.
Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kern (4) und dem zweiten Kern (7) ein Luftspalt (12) angeordnet ist und/oder dass ein Teil des ersten Kerns (4) und ein Teil des zweiten Kerns (7) parallel zueinander angeordnet ist.
Transformatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (9) als Regler ausgebildet ist, wobei der Regler eine sekundärseitige Ausgangsspannung auf eine Sollausgangsspannung oder eine sekundärseitige Ausgangsleistung auf eine Sollausgangsleistung regelt.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme des zweiten Kerns (7) der Querschnitt der Sekundärwicklung (3) oder der Primärspule (2) senkrecht zu einer Spulenachse eiförmig oder ellipsenförmig ausgebildet ist.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass um den ersten Kern (4) zusätzlich eine Abnahmewicklung (10) derart angeordnet ist, dass ein durch die Primärwicklung (2) erzeugter magnetischer Fluss in der Abnahmewicklung (10) eine Abnahmespannung induziert, und dass die Abnahmewicklung (10) mit der Ansteuereinheit (9) verbunden ist, wobei die Ansteuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, den Steuerstrom aus der Abnahmespannung zu erzeugen.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (9) zum Erzeugen des Steuerstroms eine Stromeinstellschaltung umfasst, wobei die Stromeinstellschaltung zum stufenlosen oder quasistufenlosen Einstellen des Steuerstroms ausgebildet ist und vorzugsweise einen Potentiometer oder einen Wechselrichter mit Gleichspannungs-/Gleichstromzwischenkreis umfasst.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwicklung zum Reduzieren des Steuerstroms um einen Faktor x eine x-fache Windungszahl umfasst.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgebildet zum Verbinden mit einer Einphasen- oder Mehrphasen-Energieversorgung, wobei die Transformatoranordnung (1) für jede Phase eine Primärwicklung (2), eine Sekundärwicklung (3), eine Steuerwicklung (8) und vorzugsweise einen zweiten Kern (7) umfasst.
Transformatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausgestaltung für einen Anschluss an einer Mehrphasen-Energieversorgung die Ansteuereinheit (9) zu einer identischen Ansteuerung der einzelnen Steuerwicklung oder zum individuellen Regeln der einzelnen Phasen ausgebildet ist.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Transformatorgehäuse (13), in dem vorzugsweise die Primärwicklung (2), die Sekundärwicklung (3), der erste Kern (4), der zweite Kern (7) und die Steuerwicklung (8) angeordnet sind.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerwicklung (8) und die Ansteuereinheit (9) derart dimensioniert sind, dass eine Erhöhung und/oder Reduzierung der Ausgangsspannung von bis zu 50% der Nennausgangsspannung, vorzugsweise von bis zu 25%, besonders bevorzugter Weise von bis zu 10% möglich ist.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ausgebildet zum Übertragen einer Leistung mindestens einem Kilovoltampere, vorzugsweise mindestens 30 Kilovoltampere, weiter bevorzugter Weise mindestens 150 Kilovoltampere, besonders bevorzugter Weise mindestens 3 Megavoltampere, ganz besonders bevorzugter Weise mindestens 500 Megavoltampere.
Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ausgebildet zum eingangsseitigen Verbinden mit einem Niederspannungsnetzwerk, einem Mittelspannungsnetzwerk oder einem Hochspannungsnetzwerk.
Transformator zur Verwendung in einer Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Primärwicklung (2), eine Sekundärwicklung (3), einen ersten Kern (4), einen zweiten Kern (7) und eine Steuerwicklung (8).