DE19541341C2 - Transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator zur unterbrechungslosen Spannungsregelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Transformator ist aus der DE 26 34 472 A1 bereits bekannt. Er ist als Trenntrafo ausgebildet, dessen Sekundärwicklung in Einzelabschnitte geteilt ist, die mit Halbleiterbauelementen als Schaltglieder versehen sind. Über die Einzelabschnitte fließt der gesamte Laststrom zu dem Verbraucher. Die als Schaltglieder verwendeten Bauelemente sind mit hohen Kosten verbunden, gegenüber Überströmen und Überspannungen anfällig und erfordern eine aufwendige Ansteuerelektronik.

Ein Spartransformator weist einen Eisenkern mit nur einer Wicklung auf, die eingangsseitig mit der Phase des Netzes und dem Nulleiter und ausgangsseitig mit einem Abgriff der Transformatorwicklung und dem Nulleiter verbunden ist. Die abzunehmende Spannung wird durch Abgriff der Leitung, welche zur Phase des Verbrauchers führt, an einer Windung der Wicklung erhalten. Das Verhältnis der abzunehmenden Spannung zur Nennspannung entspricht dabei dem Verhältnis der Zahl der Windungen, die sich zwischen der Ausgangsseite der Wicklung und der abgegriffenen Windung befinden, zu der Gesamtzahl der Windungen der Wicklung. Die gesamte Wicklung bildet also die Primärwicklung, während der Wicklungsabschnitt zwischen dem Abgriff und dem Nulleiter die Sekundärwicklung des Spartrafos bildet.

Um den Transformator regelbar auszubilden, ist es bekannt, für die Wicklung blanke Drähte zu verwenden, und für den Abgriff einen Abnehmer, der entlang der Wicklung über die blanken Drähte gleitet. Da der gesamte Laststrom über den Abnehmer fließt, muß er entsprechend aufwendig ausgebildet werden. Außerdem ist ein Motor zur Verschiebung des Abnehmers notwendig, und der Abnehmer wird durch den Gleitkontakt mit der Wicklung abgenutzt.

Aus der DE 31 04 676 A1 ist eine Beleuchtungsanlage bekannt, bei der jede Lampe mit einer Drossel ausgeregelt wird, die durch einen aufwendigen Schutzmechanismus angesteuert wird.

In dem Aufsatz von Chiesa und Toso in: Control Engineering, Januar 1964 Seiten 84 bis 86, wird ein Spartransformator mit Anzapfungen beschrieben, welche entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung nach Binärstufen abgegriffen werden. Um unterbrechungslos zu steuern, werden die einzelnen Schaltkombinationen mit Hilfe von Halbleiterelementen mit aufwendiger Ansteuerelektronik geschalten. Vor allem bei Regelung von induktiven und kapazitiven Lasten kann dies zu Problemen führen. Da über samtliche Schaltelemente der Laststrom fließt, müssen die Schaltelemente entsprechend groß und aufwendig gehalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten Transformator zur unterbrechungslosen Spannungsregelung bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Transformator erreicht. In den Ansprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben. Im Anspruch 4 ist eine Verwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Transformators angegeben.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines Spartransformators nach einer Ausführungsform; und

Fig. 2 die Schaltung eines Spartransformators nach einer weiteren Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besteht der Spartransformator aus einem geschlossenen Eisenkern und einer Wicklung 2. Die Wicklung 2 besteht aus zwei Abschnitten, nämlich dem Lastabschnitt 3 und dem Steuerabschnitt 4.

Der Lastabschnitt 3 ist eingangsseitig mit der Phase L des Netzes verbunden und ausgangsseitig über die Leitung 6 an die Phase des Verbrauchers 7 angeschlossen.

Der Abgriff 8 der Leitung 6 trennt den Lastabschnitt 3 vom Steuerabschnitt 4. Das heißt der Lastabschnitt 3 besteht aus den Windungen der Wicklung 2 zwischen der Eingangsseite des Trafos und dem Abgriff 8, während der Steuerabschnitt 4 aus den Windungen der Wicklung 2 zwischen Abgriff 8 und der Ausgangsseite des Trafos besteht.

Bei dem Trafo nach Fig. 1 fließt der Laststrom entsprechend den Pfeilen IL durch den Lastabschnitt 3 über den Verbraucher 7 zum Nulleiter N, während durch den Steuerabschnitt 4 entsprechend dem Pfeil IM der Magnetisierungsstrom fließt.

Der Steuerabschnitt 4 ist aus einem ersten Teil 12 und einem zweiten Teil 13 gebildet. Die Windungen des zweiten Teiles 13 schließen sich an die Windungen des Lastabschnittes 3 an. Die Windungen des ersten Teils 12 des Steuerabschnittes 4 bestehen aus mehreren Einzelabschnitten I bis IV.

Jeder Einzelabschnitt I bis IV weist in seinem Stromweg ein erstes Schaltglied 14 bis 17 auf. Ferner ist ein Schaltglied 18 bis 21 zwischen der Eingangsseite E und der Ausgangsseite A jedes Einzelabschnittes I bis IV vorgesehen. Von der Eingangsseite E jedes Einzelabschnittes I bis IV führt eine Leitung 22 bis 25 zu den Windungen des betreffenden Einzelabschnittes I bis IV, wobei in den Leitungen 22 bis 25 das erste Schaltglied 14 bis 17 angeordnet ist. Eine weitere Leitung 26 bis 29 führt von den Windungen des jeweiligen Einzelabschnittes I bis IV zu der Ausgangsseite A desselben.

Die Eingangsseite E des ersten Einzelabschnittes I ist über eine Leitung 30 mit der Ausgangsseite des zweiten Teils 13 des Steuerabschnittes 4 verbunden, während die Ausgangsseite A des vom zweiten Teil 13 abgewandten Einzelabschnittes IV über eine Leitung 31 mit dem Nulleiter N verbunden ist. Zwischen den Leitungen 22 und 26, 23 und 27, 24 und 28 sowie 25 und 29 jedes Einzelabschnittes I bis IV befinden sich die Schaltglieder 18 bis 21.

Jeder Einzelabschnitt I bis IV weist eine unterschiedliche Anzahl von Windungen auf. Zum Beispiel kann der Einzelabschnitt I 10, der Einzelabschnitt II 20 der Einzelabschnitt III 40 und der Einzelabschnitt IV 80 Windungen aufweisen.

Damit kann die Zahl der Windungen NM des Steuerabschnittes 4, die mit dem Nulleiter verbunden sind, entsprechend der abzunehmenden Spannung U2 geändert werden. Die Windungszahl NM des Steuerabschnittes besteht dabei aus der unveränderbaren Windungszahl NM konst. des zweiten Teils 13 und der veränderbaren Windungszahl NMv der Einzelabschnitte I bis IV, die mit dem Nulleiter N verbunden sind.

Das heißt, wenn beispielsweise sich die Windungszahl NM des Steuerabschnittes 4 aus der Windungszahl NM konst. des zweiten Teils 13 und den 10 Windungen des Einzelabschnitts I zusammensetzten soll, wird das Schaltglied 14 des Einzelabschnitts I geschlossen und das Schaltglied 18 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A des Einzelabschnittes I geöffnet, während die Schaltglieder 15, 16, 17 der übrigen Einzelabschnitte II bis IV geöffnet und die Schaltglieder 19 bis 21 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der Einzelabschnitte II bis IV geschlossen werden.

Wenn z. B. die Windungszahl NM des Steuerabschnittes 4 NM konst. plus 70 Windungen betragen soll, werden die Schaltglieder 14, 15, 16 der Einzelabschnitte I bis III geschlossen und die Schaltglieder 18, 19, 20 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der Einzelabschnitte I bis III geöffnet, während das Schaltglied 17 des Einzelabschnittes IV geöffnet und das Schaltglied 21 zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A des Einzelabschnittes IV geschlossen wird.

Es ist ersichtlich, daß sich mit dem Einzelabschnitten I bis IV gemäß Fig. 1 die Anzahl der zugeschalteten Windungen in 16 Schritten von je 10 Windungen von 0 bis 80 ändern läßt. Dabei entspricht jeder Schritt einer bestimmten Änderung der Größe der abzunehmenden Spannung U2.

Wenn die Nennspannung U1 beispielsweise 220 V beträgt, die abzunehmende Spannung U2 bei allen zugeschalteten vier Einzelabschnitten I bis IV z. B. 210 V und die abzunehmende Spannung U2 bei allen abgeschalteten vier Einzelabschnitten I bis IV, also nur mit den Windungen des zweiten Teils 13 des Steuerabschnittes 4 z. B. 170 V beträgt, kann die Spannung U2 also zwischen 170 V und 210 V in 16 Stufen geändert werden.

Die Änderung der Spannung bei den einzelnen Stufen ist allerdings nicht gleich groß. Das heißt, es besteht keine Linearität zwischen der zugeschalteten Windungszahl und der Änderung der Größe der abzunehmenden Spannung U2.

Die Abhängigkeit zwischen der zugeschalteten Windungszahl NR und der abzunehmenden Spannung U2 ergibt sich aus folgender Formel

worin
NL die Windungszahl des Lastabschnittes 3, U1 die Nennspannung und NF die unveränderbare Windungszahl des zweiten Teils 13 des Steuerabschnittes 4 bedeuten.

Aufgrund der Formel (I) wurde errechnet, da sich beispielsweise mit sechs Einzelabschnitten I bis VI die abzunehmende Spannung U2 bei einer Nennspannung von 220 V von 120 bis 205 V annähernd in 5 V-Schritten linear ändern läßt, wenn der Einzelabschnitt I 2, der Einzelabschnitt II 5, der Einzelabschnitt III 11, der Einzelabschnitt IV 24, der Einzelabschnitt V 54 und der Einzelabschnitt VI 103 Windungen aufweist. Bei zahlreichen Anwendungen z. B. der Steuerung von Beleuchtungsanlagen ist jedoch eine lineare Zu- und Abnahme von U2 nicht erforderlich, mitunter sogar unerwünscht.

Die gesamte wirksame Wicklung, d. h. der Lastabschnitt 3, der zweite Teil 13 des Steuerabschnitts 4 mit der unveränderlichen Windungszahl NF sowie die zugeschalteten Windungen NR des ersten Teils 12 des Steuerabschnitts 4 bilden die Primärwicklung des Spartrafos, während der zweite Teil 13 und die zugeschalteten Windungen NR des ersten Teils 12 die Sekundärwicklung bilden. Es ist ersichtlich, daß damit bei dem Spartrafo die Primär- und die Sekundärwicklung verändert werden, je nachdem welche Einzelabschnitte I bis IV zusammengeschaltet und mit dem Nulleiter N verbunden sind.

Der Trafo kann auch 3-phasig ausgeführt werden.

Wenn gemäß Fig. 1 das erste Schaltglied 14 bis 17 und das zweite Schaltglied 18 bis 21 der Einzelabschnitte I bis IV gleichzeitig geschlossen werden, dann ist der betreffende Einzelabschnitt I bis IV kurzgeschlossen, so daß er zerstört werden kann.

Als Schaltglieder 14 bis 21 werden Schütze, also fernbetätigte elektromagnetische Schalter, verwendet, die preiswert sind und beispielsweise bis zu 10 Millionen Umschaltungen standhalten. Das heißt, die beiden Schaltglieder 14, 18; 15, 19; 16, 20 und 17, 21 jedes Einzelabschnitts I bis IV, von denen jeweils einer offen ist, wenn das andere geschlossen ist, bestehen aus einem Schütz mit Öffner und Schließer.

Durch die Verwendung von Schützen als Schaltglieder 14 bis 21 ist eine kurze Unterbrechung des Magnetisierungsstromes IM jedoch unvermeidbar. Während der Umschaltzeit, also dieser kurzen Unterbrechung von z. B. wenigen Millisekunden wirkt der Lastabschnitt 3 als Drossel für den Verbraucher 7. Dadurch wird an den Verbraucher 7 während der Umschaltzeit eine Spannung angelegt, die der Nennspannung U1 minus der Lastspannung UL entspricht. Das heißt, wenn beispielsweise die Nennspannung 220 V beträgt und die Lastspannung 5 V, wird damit beim Schalten mit einem Schütz an den Verbraucher 7 eine Spannung von 215 V angelegt. Wenn der Verbraucher 7 beispielsweise eine Lampe ist, tritt damit ein kurzes Zucken des Lichtes auf.

Die beiden Schaltglieder 14 und 18, 15 und 19, 16 und 20 sowie 17 und 21 jedes Einzelabschnittes I bis IV sollen also möglichst einerseits gleichzeitig schalten, damit das Zucken wegfällt, andererseits dürfen sie nicht gleichzeitig geschlossen sein, weil sonst ein Kurzschluß auftritt.

Der Kurzschlußstrom benötigt allerdings eine bestimmte Zeit von z. B. 2 bis 10 Millisekunden, bis er sich voll aufbaut. Wenn daher Schaltglieder 14 bis 21 verwendet werden, die eine sehr kurze Umschaltzeit besitzen, beispielsweise die Hälfte der oder weniger als die Aufbauzeit für den Kurzschlußstrom, dann ist die Gefahr, daß ein Kurzschluß zu einer Beschädigung des betreffenden Einzelabschnitts I bis IV führt, wesentlich reduziert.

Die preiswerteren handelsüblichen Schütze sind also ohne weiteres einsetzbar, wenn die erwähnten Spannungsspitzen beim Umschalten in Kauf genommen werden, die sich bei einer Lampe als Verbraucher 7 durch ein kurzes Zucken des Lichtes äußern. Die preiswerteren Schütze sind allerdings dann nicht mehr einsetzbar, wenn die Schalter 14 und 18, 15 und 19, 16 und 20 und 17 und 21 der Einzelabschnitte I bis IV gleichzeitig betätigt werden, auch dann nicht, wenn die Umschaltzeit der Schütze kürzer ist als die Aufbauzeit des Kurzschlußstromes.

Um dem abzuhelfen, können entweder größer dimensionierte Schütze verwendet werden oder es können in dem Stromweg der Einzelabschnitte I bis IV an beliebiger Stelle, beispielsweise in den Leitungen 26 bis 29, ein Widerstand oder eine Drossel angeordnet werden, wie für den Einzelabschnitt I in Fig. 1 durch den Widerstand 33 in der Leitung 26 gezeigt. Durch den Widerstand bzw. die Drossel wird der Kurzschlußstrom für kurze Zeit entsprechend begrenzt. Ferner kann durch eine nicht dargestellte Sicherung in Serie mit der Drossel 33 ein Trafobrand bei Fehlschaltungen verhindert werden.

Durch den Lastabschnitt 3 geht ein Teil des Regelbereiches des Transformators verloren. Das heißt, man kann für die Verbraucher 7 nicht über die volle Nennspannung U1 verfügen. Demgemäß wird der Lastabschnitt 3 möglichst klein ausgebildet, so daß die abzunehmende Spannung U2 beispielsweise maximal bis zu 95% der Nennspannung U1 beträgt. So kann bei einer Nennspannung von 220 V der Regelbereich 215 V betragen, und der Bereich des Lastabschnitts 35 V.

Wenn die volle Nennspannung an den Verbraucher 7 angelegt werden soll, ist es möglich, in der Leitung 6, die den Lastabschnitt 3 mit dem Verbraucher 7 verbindet, ein Schaltglied 34 anzuordnen, sowie den Verbraucher 7 mit einer weiteren Leitung 35, die ebenfalls mit einem Schaltglied 36 versehen ist, an die Phase des Netzes L anzuschließen. Wenn die volle Spannung erwünscht ist, dann wird das Schaltglied 34 geöffnet und das Schaltglied 36 geschlossen. Die Schaltglieder 34 und 36 können als Schütze ausgebildet sein. Damit wird zugleich der Regelbereich des Transformators um die Lastspannung UL vergrößert.

Der erfindungsgemäße Spartrafo ist überall dort verwendbar, wo eine unterbrechungslose, feinstufige Spannungsregelung notwendig ist.

Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Spartrafo zur Regelung oder Steuerung einer Beleuchtungsanlage einsetzbar. Dies gilt insbesondere für eine Beleuchtungsanlage mit Gasentladungslampen, die unterbrechungslos geregelt werden müssen, damit die Gasentladungslampen nicht erlöschen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden dazu die Schaltglieder 14 bis 21 und gegebenenfalls die Schaltglieder 34 und 36 von einem Rechner 37, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung, betätigt, der als Eingangsgrößen z. B. der Tageslichteinfall a, Lampenalterungsfaktoren b, Verschmutzungsfaktoren c, Netzverspannungsschwankungen e, Absenkung des Helligkeitsniveaus f während geringer oder keiner Benutzung, Reinigungsarbeiten, Zeiten außergewöhnlichen Energieverbrauchs und somit der Überbrückung von Energieengpässen, die Reduzierung von Planungsüberwerten g, bei einer Straßenbeleuchtungsanlage z. B. Werte über das Verkehrsaufkommen h zugeführt werden.

Der so gesteuerte Transformator wird der Beleuchtungsanlage 7 vorgeschaltet. Damit ist eine wesentliche Energieeinsparung der Beleuchtungsanlage erreichbar.

Bei der Ausführungsform des Spartrafos nach Fig. 2 sind drei Einzelabschnitte I bis III vorgesehen. An die Leitung 30, also die Ausgangsseite des zweiten Teils 13 des Steuerabschnitts 4 ist ein Wechselschalter 40 angeschlossen, der mit der Eingangsseite E oder der Ausgangsseite A des ersten Einzelabschnitts I verbindbar ist. Der Einzelabschnitt III, dessen Ausgangsseite A aber ein Schaltglied 41 an den Nulleiter N angeschlossen ist, weist ein erstes Schaltglied 42 in seinem Stromweg, also zwischen seiner Eingangsseite E und seiner Windung auf und ein zweites Schaltglied 43 zwischen seiner Eingangsseite E und seiner Ausgangsseite A. Der Einzelabschnitt II weist einen Wechselschalter 44 auf, der die Eingangsseite E des Einzelabschnitts III mit der Eingangsseite E oder der Ausgangsseite A des Einzelabschnitts II verbindet.

Die Windungszahl der Einzelabschnitte I bis III kann unterschiedlich und beispielsweise so bemessen sein, daß bei zugeschaltetem Einzelabschnitt I (und abgeschaltetem Einzelabschnitt II und III) die abzunehmende Spannung U2 um 5 V bei zugeschaltetem Einzelabschnitt II (und abgeschaltetem Einzelabschnitt I und III) um 16 V und bei zugeschaltetem Einzelabschnitt III (und abgeschaltetem Einzelabschnitt I und II) um 20 V zunimmt.

Die Schaltglieder 42 und 43 im Einzelabschnitt III sind als Schutz mit Öffner und Schließer ausgebildet, desgleichen werden die Schaltglieder 36 und 41 durch einen Schutz mit Öffner und Schließer gebildet.

Der Spartrafo nach Fig. 2 ist z. B. für eine Straßenbeleuchtungsanlage geeignet. Die Netzspannung mit z. B. 220 V ist bekanntlich Schwankungen unterworfen. Auf der anderen Seite ist zum Betrieb einer Gasentladungslampe eine Mindestspannung erforderlich, von z. B. 170 V; sonst fällt sie aus.

Die Straßenbeleuchtung soll während der abendlichen Hauptverkehrszeit, also z. B. bis 22 Uhr, mit voller Lichtstärke, d. h. mit Netzspannung betrieben werden, danach mit reduzierter Spannung.

Mit den Wechselschaltern 40, 44 wird die Grundeinstellung der Beleuchtungsanlage vorgenommen. Das heißt, die Einzelabschnitte I und/oder II werden so zugeschaltet, daß bei zugeschaltetem Einzelabschnitt III, also bei geschlossenem Schaltglied 42 und offenem Schaltglied 43, die Lampe 7 mit einer um 5 V bis 10 V über der Mindestspannung liegenden Spannung, also z. B. mit 180 V versorgt wird, so daß auch bei Schwankung der Netzspannung die Mindestspannung von 170 V nicht unterschritten wird. Diese Grundeinstellung wird bei Betriebsaufnahme der Straßenbeleuchtung durchgeführt.

Beim Einschalten der Straßenbeleuchtung am Abend wird der Einzelabschnitt III zugeschaltet. Durch die z. B. auf 180 V reduzierte Spannung wird ein Sanftanlauf durchgeführt, der beispielsweise fünf bis vierzig Minuten dauern kann. Dadurch wird der Warmschock reduziert und damit die Lebensdauer der Lampen wesentlich erhöht.

Danach wird der Schalter 41 geöffnet und der Schalter 36 geschlossen, so daß die Beleuchtungsanlage 7 an die Netzspannung angeschlossen ist, also ihre volle Lichtstärke besitzt.

Um die Grundeinstellung vorzunehmen, können die Wechselschalter 40, 44 auch durch elektrische Leitungen ersetzt werden. So kann die Klemme 45 mit einem Draht mit der Klemme 46 oder 47 verbunden werden, und mit einem weiteren Draht die Klemme 48 mit den Klemmen 49 oder 50.

Claims (4)

1. Transformator zur unterbrechungslosen Spannungsre­ gelung, bei dem ein Teil der Wicklung Einzelabschnitte aufweist, die mit einem ersten Schaltglied im Stromweg des Einzelabschnitts und mit einem zweiten Schaltglied zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Einzelabschnitts in einer der abzunehmenden Spannung entsprechenden Kombination zusammenschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator als Spartransformator ausgebildet ist, dessen Wicklung (2) einen eingangsseitig an die Phase (L) des Netzes und ausgangsseitig an die Phase des Verbrauchers (7) angeschlossenen Lastabschnitt (3) und einen ausgangsseitig mit dem Nulleiter (N) verbundenen Steuerabschnitt (4) auf­ weist, welcher die in einer der abzunehmenden Spannung ent­ sprechenden Kombination zusammenschaltbaren Einzelab­ schnitte (I-IV) aufweist, und daß die Schaltglieder durch Schütze (14-21) gebildet sind, welche derart gesteuert sind, daß der Lastabschnitt (3) beim Umschalten zur Änderung der Spannung (U2) an dem Verbraucher (7) eine Drossel bildet.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (35) mit einem Schütz (36) vorgesehen ist, mit der der Verbraucher (7) an die Phase (L) des Netzes anschließbar ist.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerabschnitt (4) aus einem ersten Teil (12) und einem zweiten Teil (13) besteht, der zwischen dem ersten Teil (12) und dem Lastabschnitt (3) angeordnet ist, wobei der erste Teil (12) aus den in einer der abzu­ nehmenden Spannung entsprechenden Kombination zusammen­ schaltbaren Einzelabschnitten (I-IV) besteht und die Zahl der mit den Nulleiter (N) verbundenen Windungen des zweiten Teils (13) unveränderbar ist.

4. Verwendung des Transformators nach einem der vor­ stehenden Ansprüche zur Regelung einer Beleuchtungsanlage.