DE102022118217A1

DE102022118217A1 - Elektrisches Betriebsmittel mit Stufenschalter

Info

Publication number: DE102022118217A1
Application number: DE102022118217.7A
Authority: DE
Inventors: Laurenc Kirchner; Sebastian Rehkopf; Karsten Viereck
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01
Also published as: WO2024017645A1

Abstract

Elektrisches Betriebsmittel (1) umfassend- wenigstens eine Regelwicklung (3) mit Wicklungsanzapfungen (n, n+1) und wenigstens eine Teilwicklung (4, 5),- einen Stufenschalter (6) zur Änderung eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (1), wobei- der Stufenschalter (6) ein erstes Modul (7) zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) und ein zweites Modul (8) zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung (4, 5) umfasst,- das zweite Modul (8) wenigstens ein Untermodul (9) mit Halbleiterschaltelementen und einen Bypass-Schalter (10) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Betriebsmittel umfassend wenigstens eine Regelwicklung mit Wicklungsanzapfungen, wenigstens eine Teilwicklung und einen Stufenschalter zur Änderung eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels.
Bei der Regelung von Energieversorgungsnetzen wird zwischen zwei unterschiedlichen Zeitbereichen unterschieden. Im sogenannten Steady-State-Bereich wird mit geeigneten Betriebsmitteln in einem Energieversorgungsnetz ein stationärer Arbeitspunkt eingestellt, der einen sicheren Betrieb des Netzes bei geringen Last- und Einspeiseschwankungen ermöglicht. Hierbei erfolgt die Regelung im Minuten-Zeitbereich. Im dynamischen Bereich wird mit geeigneten Betriebsmitteln auf dynamische Schwankungen im Netz reagiert, die beispielsweise durch Fehler oder schnelle und gegebenenfalls nur vorübergehende Änderungen in der Einspeise- und Lastsituation hervorgerufen werden können. In diesem Fall ist eine sehr schnelle Regelung im Bereich von Millisekunden erforderlich, um das Netz stabil zu halten.
Da sich mit der jeweiligen Einspeise- und Lastsituation auch der Blindleistungsbedarf ändert, stellt die Blindleistungsregelegung eine wesentliche Komponente der sicheren, effizienten und verlustminimierten Netzführung dar.
Sowohl für die Netzregelung im Steady-State-Bereich als auch für die dynamische Spannungsregulierung sind geeignete Betriebsmittel aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So werden zur Regelung des stationären Netzbetriebs beispielsweise regelbare Transformatoren, Phasenschieber oder regelbare Shunt-Reaktoren verwendet. Zur Regelung bei dynamischem Netzverhalten kommen zum Beispiel statisch synchrone Kompensatoren (STATCOM) oder statische Blindleistungskompensatoren (SVC) zum Einsatz.
Insbesondere die Betriebsmittel zur Regelung im dynamischen Bereich werden auf absehbare Zeit für eine versorgungssichere Netzbetriebsführung aufgrund der Energiewende und der Integration dezentraler Energieerzeugung in den Netzbetrieb immer relevanter, da die Einspeisung durch erneuerbare Energien weniger gut planbar ist.
Neben der Regelung von Energieversorgungsnetzen spielen die zuvor erwähnten unterschiedlichen Zeitbereiche auch bei der Energieversorgung von Lichtbogenöfen eine wesentliche Rolle. Entsprechende Ofentransformatoren zur Versorgung von Lichtbogenöfen enthalten in der Regel Stufenschalter, mit welchen eine Leistungsregelung des Ofentransformators im Bereich einiger Sekunden bis Minuten ermöglicht wird. Aufgrund sich schnell ändernder Betriebsbedingungen in Lichtbogenöfen, wie z.B. das Abreißen der zur Schmelze genutzten Lichtbögen, kommt es in Lichtbogenöfen jedoch auch häufig zu unerwünschten Netzrückwirkungen wie z.B. Flicker, mit Zeitkonstanten im Millisekundenbereich. Zur Begrenzung dieser Netzrückwirkungen kommen üblicherweise ebenfalls aufwändige und kostenintensive Kompensationsanlagen (SVC) zum Einsatz.
Ein weiteres Einsatzgebiet, in welchem die zuvor genannten Zeitbereiche eine Rolle spielen, sind Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffgewinnung, bei welchen mittels Stufenschaltern geregelte Gleichrichtertransformatoren zum Einsatz kommen. Für die Teilnahme am Regelenergiemarkt ist insbesondere die Möglichkeit zur Regelung im dynamischen Zeitbereich relevant, um dem Netz möglichst schnell positive oder negative Regelenergie zur Verfügung stellen zu können.
Ein Betriebsmittel, welches sowohl die Regelung im Steady-State-Bereich bzw. Sekundenbis Minutenbereich als auch im dynamischen bzw. Millisekundenbereich kombiniert ermöglicht, ist bisher aus dem Stand der Technik noch nicht bekannt geworden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zur Regelung von Energieversorgungsnetzen oder Energieversorgungsanlagen anzugeben, welches eine kombinierte, flexible Regelungslösung zur Bedienung beider Zeitbereiche angibt, die zudem kostengünstig, platzsparend und verlustarm ist im Betrieb und in der Herstellung.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, einen klassischen Stufenschalter, wie er aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist, mit einem dazu in Reihe befindlichen, leistungselektronischen Stufenschalter zu kombinieren. Da der leistungselektronische Stufenschalter schnell, nämlich im Millisekundenbereich seine Schaltungsposition ändern und dabei jede beliebige Stellung einnehmen kann, ermöglicht dieser ein schnelles Anpassen der Spannung an sich schnell ändernde Last- und Einspeiseverhältnisse. Mit dem klassischen Stufenschalter wird der Steady-State-Bereich bedient, wobei ein möglichst großer Regelbereich abgedeckt wird. So kann für die Netzführung und auch die Anlagen- bzw. Prozessführung ein großes Maß an Flexibilität erzielt werden.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein elektrisches Betriebsmittel angegeben, das wenigstens eine Stammwicklung, wenigstens eine Regelwicklung mit Wicklungsanzapfungen, wenigstens eine Teilwicklung und einen Stufenschalter zur Änderung eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels umfasst.
Das elektrische Betriebsmittel kann als regelbarer Transformator, als Phasenschiebertransformator, als regelbare Drossel oder als regelbarer Transformator mit Kondensator ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbarer Transformator und der Stufenschalter zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des regelbaren Transformators ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbare Drossel und der Stufenschalter zur Änderung der Impedanz der regelbaren Drossel ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das elektrische Betriebsmittel eine erste induktive Anordnung und eine zweite induktive Anordnung. Mit der Ist-Spannung in der ersten induktiven Anordnung wird die zweite induktive Anordnung angeregt und dadurch die Leistung der ersten induktiven Anordnung erhöht. Mit anderen Worten wird gemäß dieser Ausführungsform ein Erreger-Transformator, eine erste induktive Anordnung, um einen Booster-Transformator, eine zweite induktive Anordnung, ergänzt. Die Änderung der zur Erregung des Booster-Transformators verwendeten Spannung erfolgt mittels des Stufenschalters. Durch die Anordnung ist es insbesondere bei Einheiten mit großer Leistung möglich, die Betriebsparamater des Stufenschalters, Strom und Spannung, flexibler einzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als Phasenschiebertransformator ausgebildet. Phasenschiebertransformatoren sind spezielle Leistungstransformatoren, die durch Einbringen einer Querspannung oder einer Schrägspannung den Phasenwinkel der Spannung bzw. den elektrischen Lastfluss über eine Freileitung gezielt beeinflussen können. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der Phasenschiebertransformator einen Serientransformator und einen Erregertransformator. Der Stufenschalter ist dazu ausgebildet, über die Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Erregertransformators eine bestimmte Phasenverschiebung einzustellen.
Der Stufenschalter umfasst ein erstes Modul zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung und ein zweites Modul mit Halbleiterschaltelementen zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung. Das zweite Modul umfasst wenigstens ein Untermodul mit Halbleiterschaltelementen und einen Bypass-Schalter.
Gemäß einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Teilwicklung mindestens so groß wie einer zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung liegender Anteil der Regelwicklung. Mit anderen Worten besitzt die wenigstens eine Teilwicklung eine bestimmte Windungszahl, die mindestens so groß ist wie die kleinste vorhandene Windungszahl zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung. Für den Fall, dass das elektrische Betriebsmittel mehrere Teilwicklungen aufweist, so können die Windungszahlen der mehreren Teilwicklungen ganzzahlige Vielfache voneinander sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Modul als Laststufenschalter, insbesondere als Widerstandsschnellschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen verschiedenen Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung des elektrischen Betriebsmittels ausgebildet und weist einen Wähler zur leistungslosen Vorwahl derjenigen Wicklungsanzapfung des elektrischen Betriebsmittels, auf die umgeschaltet werden soll, sowie einem Lastumschalter zur eigentlichen, unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherig beschalteten Wicklungsanzapfung auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung auf. Für die leistungslose Vorwahl der Wicklungsanzapfungen weist der Wähler in der Regel zwei bewegliche Wählerkontakte auf, welche die Wicklungsanzapfungen beschalten. Der Lastumschalter weist für die eigentliche Lastumschaltung üblicherweise Schaltkontakte und Widerstände auf. Die Schaltkontakte sind beispielsweise als Vakuumschaltröhren ausgebildet. Die Widerstände dienen zur Begrenzung des kurzzeitig, während des Umschaltvorganges im Lastumschalter fließenden Kreisstroms und werden auch als Überschaltwiderstände bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Modul als Reaktorschalter ausgebildet. Gemäß dem Reaktorschaltprinzip wird der Kreisstrom durch Drosseln, die auch als Reaktoren bezeichnet werden, begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Betriebsmittel mehrere Teilwicklungen auf und das zweite Modul mehrere Untermodule mit Halbleiterschaltelementen. Jedem Untermodul ist wenigstens eine Teilwicklung zugeordnet und jedes Untermodul ist zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen, zugeordneten Teilwicklung ausgebildet. Überbrückung, das bedeutet konkret, dass die jeweilige Teilwicklung nicht stromdurchflossen ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Untermodul beispielsweise vier Kommutierungszellen, die als Brückenschaltung ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Kommutierungszelle jeweils zwei anti-parallel geschaltete Thyristorpfade, wobei ein Pfad auch aus mehreren in Reihe geschalteten Thyristoren bestehen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Bypass-Schalter dazu ausgebildet, das zweite Modul mit dem wenigstens einen Untermodul mit Halbleiterschaltelementen zu überbrücken.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Bypass-Schalter als Leistungsschalter oder Lasttrennschalter ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Stufenschalter in einem vordefinierten Betriebsmodus betätigbar, in dem der Bypass-Schalter geschlossen und das wenigstens eine Untermodul mit Halbleiterschaltelementen überbrückt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird, wenn sich der Stufenschalter in dem vordefinierten Betriebsmodus befindet, nur das erste Modul zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt das zweite Modul, wenn sich der Stufenschalter in dem vordefinierten Betriebsmodus befindet, eine neutrale Stellung ein, in der die wenigstens eine Teilwicklung gebrückt ist. Gebrückt, d. h. auf Potential, aber nicht stromdurchflossen. Mit anderen Worten, die Halbleiterschaltelemente des zweiten Moduls werden derart zueinander verschaltet, dass ein Bypass für die wenigstens eine Teilwicklung gebildet wird.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass das elektrische Betriebsmittel mit dem ersten Modul ohne Unterbrechung betrieben werden kann, während der Bypass-Schalter den Dauerstrom führt und somit die Halbleiterschaltelemente brückt. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn das zweite Modul gewartet wird oder eine Störung bedingt durch einen Ausfall der Spannungsversorgung für die Steuerung der Halbleiterschaltelemente vorliegt. Zudem können durch den Betrieb des Stufenschalters in dem vordefinierten Betriebsmodus Verluste durch die Halbleiterschaltelemente des zweiten Moduls vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Stufenschalter in einem vordefinierten, zweiten Betriebsmodus betrieben, in dem die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls erfolgt.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass beim Betrieb des Stufenschalters im zweiten Betriebsmodus die Mechanik und die elektrisch schaltenden Kontakte des ersten Moduls geschont und bedingt durch weniger Verschleiß der entsprechenden Bauteile dessen Lebenszeit verlängert wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das erste Modul eine erste Steuereinheit, umfasst das zweite Modul eine zweite Steuereinheit und umfasst das elektrische Betriebsmittel eine Systemsteuerung, die dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Steuereinheit zu betätigen.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit und die Systemsteuerung jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit und die Systemsteuerung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die zweite Steuereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die erste Steuereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die zweite Steuereinheit und die Systemsteuerung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die erste Steuereinheit und die Systemsteuerung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Modul und die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit und die Systemsteuerung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite Modul in einem Gehäuse des elektrischen Betriebsmittels angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Bypass-Schalter in einem separaten Gehäuse oder mit dem zweiten Modul in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste Steuereinheit einen Motorantrieb. Der Motorantrieb ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Wählerkontakte und die Schaltkontakte des Laststufenschalters zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung zu betätigen. Der Motorantrieb kann als Direktantrieb ohne zwischengeschaltetes Getriebe ausgebildet sein.
Die zweite Steuereinheit ist beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Steuereinheit dazu ausgebildet, das wenigstens eine oder die mehreren Untermodule bzw. deren zugeordneten Kommutierungszellen in geeigneter Weise zu betätigen, derart, dass die wenigstens eine oder die mehreren Teilwicklungen schnell der Regelwicklung zu- oder gegengeschaltet werden oder überbrückt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen

1 eine erste Ausführungsform eines elektrischen Betriebsmittels gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung;
2 eine zweite Ausführungsform des elektrischen Betriebsmittels gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung;
3 eine dritte Ausführungsform des elektrischen Betriebsmittels gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung;
4 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept.

In 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektrischen Betriebsmittels 1 gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung gezeigt.
Das elektrische Betriebsmittel 1 ist hier beispielhaft als regelbarer Transformator einphasig ausgebildet. Der regelbare Transformator 1 weist auf der Primär- oder Sekundärseite eine Stammwicklung 2, eine Regelwicklung 3 mit n Wicklungsanzapfungen und zwei Teilwicklungen 4 und 5 auf. Die Teilwicklung 5 besitzt eine größere Windungszahl als die Teilwicklung 4, beispielsweise eine drei Mal so hohe Windungszahl. Außerdem ist die Windungszahl der Teilwicklung 4, und folglich auch die der Teilwicklung 5 größer als die kleinste vorhandene Windungszahl zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen, beispielsweise zwischen n und n+1, der Regelwicklung 3.
Die Anzahl der Teilwicklungen ist nicht auf zwei beschränkt. Es können grundsätzlich auch mehrere Teilwicklungen vorgesehen sein, deren Wicklungszahl jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Teilwicklung 4 aufweisen kann.
Des Weiteren weist der Transformator 1 einen Stufenschalter 6 zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 1 auf. Der Stufenschalter 6 umfasst ein erstes Modul 7 zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen n, n+1 der Regelwicklung 3 sowie ein in Reihe zum ersten Modul 7 geschaltetes zweites Modul 8 zur Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der Teilwicklungen 4, 5. Das erste Modul 7 ist zur Regelung im Steady-State-Bereich vorgesehen und das zweite Modul 8 zur Regelung im dynamischen Zeitbereich.
Bevorzugt ist das erste Modul 7 als Laststufenschalter bestehend aus einem Wähler zur leistungslosen Vorwahl der Wicklungsanzapfungen n, n+1 und einem Lastumschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung von der bisherig beschalteten Wicklungsanzapfung n auf die neue, vorgewählte Wicklungsanzapfung n+1. Zudem kann der Laststufenschalter einen Vorwähler aufweisen, der als Grobstufe oder Wender ausgeführt sein kann. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das erste Modul 7 in 1 jedoch stark vereinfacht dargestellt.
Das zweite Modul 8 weist bevorzugt zwei Untermodule 9 mit jeweils vier Kommutierungszellen in H-Brückenschaltung auf. Eine Kommutierungszelle weist hier jeweils ein antiparallel geschaltetes Thyristoren-Paar auf. Jedem Untermodul 9 ist jeweils eine Teilwicklung 4 oder 5 zugeordnet und jedes Untermodul 9 ist dazu ausgebildet, mittels der Kommutierungszellen bzw. Halbleiterschaltelemente die jeweilige Teilwicklung 4 oder 5 schnell, d. h. innerhalb von 10 bis 1000 Millisekunden, der Regelwicklung 3 zu- oder gegenzuschalten, oder die jeweilige Teilwicklung 4 oder 5 zu überbrücken, derart, dass die Teilwicklung 4, 5 ein bestimmtes Potenzial aufweist, jedoch nicht stromdurchflossen ist.
Des Weiteren weist das zweite Modul 8 einen Bypass-Schalter 10 auf, der in einer zu dem zweiten Modul 8 parallelen Verbindungsleitung 14 angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zweite Modul 8 bzw. die zwei Untermodule 9 zu überbrücken. Die Verbindungsleitung 14 mündet in einer Lastableitung 15.
Das erste Modul 7 umfasst eine erste Steuereinheit 11, die bevorzugt als Motorantrieb, besonders bevorzugt als Direktantrieb ohne zwischengeschaltetes Getriebe ausgebildet ist, der den Wähler und den Lastumschalter betätigt.
Das zweite Modul 8 wird von einer zweiten Steuereinheit 12 gesteuert. Die zweite Steuereinheit 12 ist dazu ausgebildet, die zwei Untermodule 9 bzw. deren zugeordneten Kommutierungszellen in geeigneter Weise zu betätigen, derart, dass die zwei Teilwicklungen 4 und 5 schnell zur Regelwicklung 3 zu- oder gegengeschaltet, oder überbrückt werden. Außerdem ist die zweite Steuereinheit 12 dazu ausgebildet, den Bypass-Schalter 10 zu betätigen.
Die erste Steuereinheit 11 und die zweite Steuereinheit 12 werden von einer Systemsteuerung 13 in Abhängigkeit voneinander betätigt.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform des elektrischen Betriebsmittels gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung dargestellt. Bezüglich des elektrischen Betriebsmittels 1 aus der 2 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu dem elektrischen Betriebsmittel aus 1 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede und Ergänzungen zum dem elektrischen Betriebsmittel 1 aus 1 eingegangen.
2 zeigt ein elektrisches Betriebsmittel 1, das als regelbare Drossel ausgebildet ist. Derartige Anordnungen werden zur Blindleistungsregelung im Energieversorgungsnetz eingesetzt. Die regelbare Drossel 1 weist neben einer Stammwicklung 2, einer Regelwicklung 3 mit n Wicklungsanzapfungen und zwei Teilwicklungen 4 und 5 zusätzlich eine Grobstufenwicklung 16 und einen Grobstufenregler 17 auf. Der Grobstufenregler 17 kann eine erste Stellung, in der er ein erstes Ende Ader Grobstufenwicklung 16 kontaktiert, und eine zweite Stellung, in der er ein zweites Ende B der Grobstufenwicklung 16 kontaktiert, einnehmen. Befindet sich der Grobstufenregler 17 in der ersten Stellung, ist die Grobstufenwicklung 16 nicht stromdurchflossen. Befindet sich der Grobstufenregler 17 hingegen in der zweiten Stellung, so wird die Grobstufenwicklung 16 von Strom durchflossen und folglich zur Stammwicklung 2 und der Regelwicklung 3 hinzuaddiert. Auf diese Weise wird der Regelbereich der Drossel 1 erhöht.
Die Drossel 1 ist in einem Kessel 18 untergebracht und weist einen Kern 19 auf, an dem die Wicklungen 2, 3, 16, 4, 5 angeordnet sind. Ebenso ist der Laststufenschalter 7 in diesem Kessel 18 angeordnet. Über Durchführungen 20 werden die elektrischen Leitungen des Laststufenschalters 7 und der Wicklungen 2, 3, 16, 4, 5 aus dem Kessel 18 herausgeführt. Außerhalb des Kessels 18 können an die Durchführungen 20 beispielsweise flexible Leitungen angeschlossen werden, die wiederum zu dem zweiten Modul 8 und/oder den Steuereinheiten 11, 12 führen.
Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform sind das zweite Modul 8, welches hier vereinfacht dargestellt ist, und der Bypass-Schalter 10 gemeinsam in einem ersten Gehäuse 21 angeordnet und die erste Steuereinheit 11, die zweite Steuereinheit 12 und die Systemsteuerung 13 gemeinsam in einem zweiten Gehäuse 22 angeordnet. Die Gehäuse 21 und 22 können dabei als handelsübliche Schaltschränke oder Container ausgebildet sein und unmittelbar an dem Kessel 18 der Drossel 1 bzw. des elektrischen Betriebsmittels oder aber in räumlicher Nähe, beispielsweise innerhalb des Umspannwerkes, in dem sich das Betriebsmittel 1 befindet, angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, das zweite Modul 8, den Bypass-Schalter 10, die Steuereinheiten 11 und 12 sowie die Systemsteuerung 13 in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen oder aber jeweils separate Gehäuse für die einzelnen Einheiten vorzusehen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des elektrischen Betriebsmittels gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung. Bezüglich des elektrischen Betriebsmittels 1 aus der 3 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu dem elektrischen Betriebsmittel aus den 1 und 2 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede und Ergänzungen zu dem elektrischen Betriebsmittel 1 aus den 1 und 2 eingegangen.
In 3 ist ein elektrisches Betriebsmittel 1 dargestellt, das als Phasenschiebertransformator ausgebildet ist. Zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit ist der Phasenschiebertransformator 1 hier beispielhaft einphasig ausgebildet. Der in 3 gezeigte Phasenschiebertransformator 1 ist als Querregler zur Wirkleistungsregelung ausgebildet und weist ein Zweikerndesign bestehend aus einem Serientransformator 23 und einem Erregertransformator 24, die jeweils auf einem Kern angeordnet sind, auf. Der Erregertransformator 24 weist eine Primärseite mit einer Stammwicklung 2 und eine Sekundärseite umfassend eine Regelwicklung 3 mit n Wicklungsanzapfungen und zwei Teilwicklungen 4 und 5 sowie einen Laststufenschalter 6 auf. Über den Erregertransformator 24 wird auf dessen Primärseite eine Spannung ausgekoppelt und diese auf der Sekundärseite über die Regelwicklung 3 und die beiden Teilwicklungen 4 und 5 mittels des Laststufenschalters 6 als Zusatzspannung der Größe nach geregelt. Im Serientransformator 23 wird diese, im Erregertransformator 24 erzeugte, Zusatzspannung im Dreieck geschalten. Daraus resultiert eine Phasenverschiebung der Zusatzspannung um 90 Grad gegenüber der Eingangsspannung am Phasenschiebertransformator.
Das in 3 gezeigte elektrische Betriebsmittel in Form eines Phasenschiebertransformators ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Der Phasenschiebertransformator kann gleichermaßen in einem symmetrischen oder unsymmetrischen Zweikerndesign, in einem Einkerndesign mit Regelwicklung im Sternpunkt, als Querregler oder Schrägregler, oder auch als Autotransformator mit zwei Eisenkreisen und einem geerdeten Boosterkreis ausgebildet sein.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer vorteilhaften Ausführungsform eines Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept, insbesondere eines Verfahrens zur Inbetriebnahme eines elektrischen Betriebsmittels 1 gemäß einer der Ausführungsformen, wie sie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert wurden.
In der Ausgangssituation ist ein dem elektrischen Betriebsmittel 1 zugeordneter Leistungsschalter geöffnet, das heißt der Stromkreis zwischen dem elektrische Betriebsmittel und einem entsprechenden Energienetz, dem das elektrische Betriebsmittel zugeordnet ist, ist unterbrochen. Mit anderen Worten, das elektrische Betriebsmittel ist von dem zugehörigen Energienetz getrennt. Gleichermaßen befindet sich der Bypass-Schalter 10 in einem geöffneten Zustand.
Zur Inbetriebnahme des elektrischen Betriebsmittels wird nun in einem Schritt a der Bypass-Schalter 10 geschlossen. In einem nächsten Schritt b wird der Leistungsschalter geschlossen und damit das elektrische Betriebsmittel 1 mit dem Energienetz verbunden. Mit der Anbindung des elektrischen Betriebsmittels 1 an das Netz kann es zu erhöhten Einschaltströmen (sog. Inrush-Effekt) kommen. Diese fließen jedoch über den geschlossenen Bypass-Schalter 10 des zweiten Moduls 8, sodass die Untermodule 9 mit den Halbleiterschaltelemente dabei nicht beschädigt werden. Ab diesem Zeitpunkt ist das zweite Modul bereits betriebsbereit und kann zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels 1 verwendet werden. In einem nächsten Schritt c wird das zweite Modul 8 in die neutrale Stellung kommutiert, in der die Teilwicklungen 4 und 5 gebrückt, das heißt nicht stromdurchflossen sind. In einem nächsten Schritt d wird der Bypass-Schalter 10 wieder geöffnet. Nun ist auch das zweite Modul 8 betriebsbereit und kann neben dem ersten Modul 7 zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels genutzt werden.
Die Kombination eines klassischen Laststufenschalters, eines ersten Moduls, mit einem leistungselektronischen Stufenschalter, einem zweiten Modul, ermöglicht die Realisierung eines großen Regelbereiches bei gleichzeitig kostengünstiger und platzsparender Anordnung auf hohem Potential. Denn das im Vergleich zu dem ersten Modul kostenintensivere zweite Modul für die schnelle Regelung im dynamischen Regelbereich kann für die jeweilige Anwendung optimiert ausgelegt werden. Folglich kann das zweite Modul nur für den Teil der Regelung, für den das leistungselektronisch basierte zweite Modul aufgrund seiner Schaltgeschwindigkeit einen Vorteil bietet, entsprechend ausgelegt sein. Hinzu kommt, dass die kombinierte Lösung deutlich platzsparender ist als eine rein leistungselektronisch basierte Lösung. Zusammengefasst kann mit der erfindungsgemäßen Lösung ein großes Maß an Flexibilität mit vergleichsweise geringem Platzbedarf für die Netzführung sowie den Ofenbetrieb gewonnen werden.
BEZUGSZEICHEN

1: Elektrisches Betriebsmittel
2: Stammwicklung
3: Regelwicklung
4: erste Teilwicklung
5: zweite Teilwicklung
6: Stufenschalter
7: erstes Modul von 6
8: zweites Modul von 6
9: Untermodul von 8
10: Bypass-Schalter
11: erste Steuereinheit
12: zweite Steuereinheit
13: Systemsteuerung
14: Verbindungsleitung
15: Lastableitung
16: Grobstufenwicklung
17: Grobstufenregler
18: Kessel
19: Kern
20: Durchführung
21: erstes Gehäuse
22: zweites Gehäuse
23: Serientransformator
24: Erregertransformator
A: erstes Ende von 16
B: zweites Ende von 16
n-1, n, ... n+4: Wicklungsanzapfungen

Claims

Elektrisches Betriebsmittel (1) umfassend - wenigstens eine Regelwicklung (3) mit Wicklungsanzapfungen (n, n+1) und wenigstens eine Teilwicklung (4, 5), - einen Stufenschalter (6) zur Änderung eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (1), wobei - der Stufenschalter (6) ein erstes Modul (7) zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) und ein zweites Modul (8) zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung (4, 5) umfasst, - das zweite Modul (8) wenigstens ein Untermodul (9) mit Halbleiterschaltelementen und einen Bypass-Schalter (10) umfasst.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach Anspruch 1, wobei - die wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) mindestens so groß ist wie einer zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) liegender Anteil der Regelwicklung (3).
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, wobei - der Bypass-Schalter (10) dazu ausgebildet ist, das zweite Modul (8) mit dem wenigstens einen Untermodul (9) mit Halbleiterschaltelementen zu überbrücken.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei - der Bypass-Schalter (10) als Leistungsschalter oder Lasttrennschalter ausgebildet ist.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, wobei - der Stufenschalter (6) in einem vordefinierten Betriebsmodus betätigbar ist, in dem der Bypass-Schalter (10) geschlossen und das wenigstens eine Untermodul (9) mit Halbleiterschaltelementen überbrückt ist.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach Anspruch 5, wobei - wenn sich der Stufenschalter (6) in dem vordefinierten Betriebsmodus befindet, - nur das erste Modul (7) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (1) verwendet wird.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei - das erste Modul (7) eine erste Steuereinheit (11) umfasst, - das zweite Modul (8) eine zweite Steuereinheit (12) umfasst, - das elektrische Betriebsmittel (1) eine Systemsteuerung (13) umfasst, die dazu ausgebildet ist, die erste Steuereinheit (11) und die zweite Steuereinheit (12) zu betätigen.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach Anspruch 7, wobei - das zweite Modul (8) und/oder die erste Steuereinheit (11) und/oder die zweite Steuereinheit (12) und/oder die Systemsteuerung (13) jeweils in einem separaten Gehäuse oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei - die erste Steuereinheit (11) einen Motorantrieb umfasst, - der Motorantrieb als Direktantrieb ohne zwischengeschaltetes Getriebe ausgebildet ist.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, wobei - der Bypass-Schalter (10) in einem separaten Gehäuse oder mit dem zweiten Modul (8) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.
Elektrisches Betriebsmittel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, wobei - das erste Modul (7) als Widerstandsschnellschalter oder als Reaktorschalter ausgebildet ist.