DE2847391A1

DE2847391A1 - Contactless tap changer for distribution transformer - has unity ratio current transformer and having antiparallel thyristor pair connected across primary winding

Info

Publication number: DE2847391A1
Application number: DE19782847391
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Kratzmair
Original assignee: GIESENHAGEN KG
Current assignee: Schaltbau GmbH
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1978-11-02
Publication date: 1980-05-14

Abstract

In tap changers using anti-parallel connected thyristor pairs instead of moving contacts a change from a low to a higher tap occurs with natural commutation. However, in the reverse direction accurate and complicated timing and detection circuits are needed to ensure safe operation. The proposed modification incorporates a 1:1 current transformer (10) in the output line (3) with a common connection between windings at one end. The primary winding is bridged by an anti-parallel thyristor pair (11), and the free end of the secondary winding connected through a similar switch (12) to the lowest transformer tap (6). To tap down the switch (11) bridging the current transformer primary is turned off whereupon the secondary voltage rises rapidly until the series switch (12) is triggered. Trigger pulses to the high tap (7) are stopped and it commutates off. The lower tap (8) is then triggered, the current transformer primary short circuited again, and normal operation restored.

Description

Kontaktloser NetzstabilisatorContactless network stabilizer

Gegenstand der Anmeldung ist ein kontaktloser Netzstabilisator mit unterbrechungsfreier Umschaltung von Transformator-Anzapfungskombinationen.The subject of the application is a contactless network stabilizer with uninterrupted switching of transformer-tap combinations.

Es sind bereits kontaktlose Netzstabilisatoren bekannt, welche zum Konstanthalten der Ausgangsspannung Transformatoronzapfungen über Thyristor oder Triacschalter umschalten. Es ist dabei üblich, mit mehreren Gruppen von Anzapfungen, überwiegend mit je einer Gruppe von Grobanzapfungen und einer Gruppe von Feinanzapfungen, zu arbeiten. Die Anzapfungen können sich dabei auf der Eingangs- oder Ausgangsseite eines an der Netzspannung liegenden Transformators befinden, der mit seinem Ausgang den Verbraucher speist. Die zwischen den Anzapfungen abgegriffenen Spannungen können jedoch auch über einen Zusatztransformator, der zwischen Netz und Verbraucher liegt, eingespeist werden. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, die Variante - Transformator mit ausgangsseitigen Anzapfungen- zu benutzen.There are already contactless network stabilizers known, which for Keeping the output voltage constant via thyristor or transformer taps Toggle triac switch. It is common to use several groups of taps, predominantly with one group of coarse taps and one group of fine taps, to work. The taps can be on the input or output side a transformer connected to the mains voltage is located with its output feeds the consumer. The voltages tapped between the taps can but also via an additional transformer, which is located between the network and the consumer, be fed in. However, in this case it is necessary to use the variant - transformer to be used with taps on the output side.

Die Ansteuerung der einzelnen Anzapfungen erfolgt über ein gesondertes Steuermittel in Abhängigkeit von der am Netz anstehen- den Spannung oder sonstigen Parametern. Ein solcher elektronischer Netzspannungskonstanthalter ist u. a. in der DE-PS 23 o8 319 angegeben.The individual taps are controlled via a separate one Control means depending on the the tension or other parameters. Such an electronic mains voltage stabilizer is i.a. specified in DE-PS 23 08 319.

Bei den bisher üblichen Geräten wird die Umschaltung der Anzapfung in einem Stromnulldurchgang eingeleitet. Sie erfolgt mit Unterbrechung der Verbindung zwischen Netz und Verbraucher.With the devices that have been used up to now, the tap is switched over initiated in a current zero crossing. It takes place with the interruption of the connection between network and consumer.

Mit Rücksicht auf die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen Anzapfungen kann die Umschaltpause eine Mindestzeit nicht unterschreiten. Die Auswirkung solcher Unterbrechungen zwischen Netz und Verbraucher während der Umschaltpause reicht je nach Verwendungszweck von einem - wenn der Strom gegenüber der Spannung phasenverschoben ist - zwar sichtbaren aber nicht weiter störenden Einbruch der Verbraucherspannung, bis zu einer erheblichen Beeinträchtigung und Störung des verbraucherseitigen Betriebes. Um nun die Umschaltpause nicht noch länger werden zu lassen als für die Thyristorschalter ohnehin schon erforderlich ist, ist der Einsatz sehr genauer und damit auch aufwendiger Stromnullerfassungen notwendig.Taking into account the risk of short circuits between taps the switchover pause cannot fall short of a minimum time. The impact of such Interruptions between the network and the consumer during the switchover pause are sufficient according to the purpose of one - when the current is out of phase with the voltage is - although visible but not further disturbing drop in consumer voltage, up to a considerable impairment and disruption of the consumer-side operation. In order not to let the switchover pause become even longer than for the thyristor switch is already required anyway, the use is very precise and therefore also more complex Current zero measurements necessary.

Bei der herkömmlichen Ausführung und Anwendung der Netzstabilisatoren ist eine solche unterbrechungsfreie Umschaltung an sich möglich, wenn man ausgehend von einem gerade stromführenden Thyristor einen an einer Anzapfung höherer Spannung liegenden Thyristor gleicher Stromrichtung zündet. Der Strom geht dann in natürlicher Kommutierung von dem an der Anzapfung niedrigerer Spannung angeschlossenen auf den an der Anzapfung höherer Spannung angeschlossenen Thyristor über. Die Zeiträume innerhalb einer Netzhalbwelle, in der eine solche Kommutierung, die man natiirliche Kommutierung nennt, möglich ist, sind für Ströme von kapazitiver über ohmscher bis zu induktiver Phasenlage eindeutig definiert und von weit ausreichender Zeitdauer. In umgekehrter Richtung dagegen, nämlich von einer Anzapfung höherer zu einer Anzapfung niedrigerer Spannung umzuschalten, ist ohne Unterbrechung nicht in gleich problemloser Weise möglich. Ausgehend von rein kapazitiver oder induktiver Phasenlage des Stromes schrumpfen die Zeiträume, in denen eine solche natürliche Kommutierung möglich ist, bis auf den Wert Null bei ohmscher Phasenlage. Außerdem muß die Einrichtung, welche die Umschaltung steuert, die Richtung, in der umgeschaltet werden soll, unterscheiden können, um die Umschaltung im richtigen Moment freigeben zu können. Diese Aufgabe kompliziert sich darüberhinaus dadurch, daß eine Gesamtumschaltung bestimmter Richtungen in der Gruppe der Grobstufen und der Gruppe der Feinstufen durchaus unterschiedliche Schaltrichtung bedeuten kann. Die aus der Gleichstromsteller- und Wechselrichtertechnik bekannten Zwangskommutierungsschaltungen sind für Wechsel stromanwendungen wenig geeignet. Eine Anpassung an die veränderte Aufgabe führt zu aufwendigen Lösungen.With the conventional design and application of the network stabilizers such an uninterrupted switchover is actually possible when starting out from a current-carrying thyristor one to a higher voltage tap lying thyristor in the same current direction ignites. The current then goes in more natural Commutation from the one connected to the lower voltage tap to the thyristor connected to the higher voltage tap. The periods within a network half-wave in which such a commutation, which is natural Commutation calls, is possible, are for currents from capacitive to ohmic to to inductive phase position clearly defined and of a long enough period of time. In the opposite direction, however, namely from a higher tap to a tap Switching to a lower voltage is not just as problematic without interruption Way possible. Based on a purely capacitive or inductive phase position of the current the periods in which such a natural commutation is possible shrink, except for the value zero ohmic phase position. In addition, the The device that controls the switching, the direction in which the switching takes place should be able to distinguish in order to enable the switchover at the right moment can. This task is further complicated by the fact that an overall switchover certain directions in the group of coarse stages and the group of fine stages can mean different switching directions. The from the DC chopper and inverter technology known forced commutation circuits are for change not suitable for electricity applications. An adaptation to the changed task leads to complex solutions.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen Netzstabilisator mit unterbrechungsfreier Umschaltung der Anzapfungskombinationen anzugeben, bei dem auch eine unterbrechungsfreie Umschaltung von einer höheren auf eine niedrigere Spannung problemlos möglich ist.The present invention is therefore based on the object Contactless network stabilizer with uninterrupted switching of the tap combinations specify, in which there is also an uninterrupted switchover from a higher to a lower voltage is possible without any problems.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Netzstabilisator mit einem Transformator, der die Last speist und der entweder netzseitig oder lastseitig ein Anzapfungssystem mit ein oder mehreren Anzapfungsgruppen besitzt, deren einzelne Anzapfungen mittels aus antiparallelen Thyristoren oder Triacs bestehenden und über gesonderte Steuermittel angesteuerten Halbleiterschaltern eingeschaltet werden und der sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß in einer dem Primär- oder Sekundärstrom des Transformators führenden Leitung die Primärwicklung eines Stromwandlers mit der Übersetzung 1: 1 liegt, die ihrerseits mit einem Halbleiterschalter überbrückbar ist, wobei bei gleichem Wickelsinn Primär- und Sekundärwicklung einpolig an ihren transformatorseitigen Anschlüssen verbunden sind und die Sekundärwicklung an ihrer anderen Seite über einen Halbleiterschalter mindestens an dem Abgriff liegt, der an den Lastkreis die geringste Spannung legt oder zusätzlich dazu über jeweils gesonderte Halbleiterschalter an allen oder einer Auswahl der anderen Abgriffe liegt.The invention is accordingly a network stabilizer with a Transformer that feeds the load and that feeds in either on the grid side or on the load side Tapping system with one or more tapping groups, whose individual Taps by means of anti-parallel thyristors or triacs and over separate control means controlled semiconductor switches are switched on and which differs from the previously known in that in one of the primary or secondary current of the transformer carrying the primary winding of a line Current transformer with the ratio 1: 1, which in turn with a semiconductor switch Can be bridged, with single-pole primary and secondary windings with the same winding direction are connected at their transformer-side terminals and the secondary winding is on its other side via a semiconductor switch at least at the tap, which applies the lowest voltage to the load circuit or, in addition, via each separate semiconductor switches at all or a selection of the other taps.

Das Prinzip der Erfindung wird anhand der Figur 1 erläutert, die eine der möglichen Grundformen mit einem am Netz liegenden Transformator mit ausgangsseitigen Anzapfungen für den Verbraucher darstellt. Bei 1 und 2 liegt die Netzspannung an, bei 3 und 4 wird der Verbraucher angeschlossen. Die Anschlüsse 18, 5 und 6 führen über die jeweils zugeordneten antiparallelen Thyristorenpaare 7, 8 und 9 an den Verbraucher. Erfindungsgemäß ist in die gemeinsame Leitung zum Verbraucher die Primärwicklung des Stromwandlers 10 mit einem Übersetzungsverhältnis 1 : 1 eingeschaltet. Parallel zur Primärwicklung des Stromwandlers 10 liegt der Thyristorschalter 11. Die einseitig mit der Primärwicklung verbundene Sekundärwicklung des Stromwandlers 10 ist über den Thyristorschalter 12 mit der niedrigsten Transformatoranzapfung verbunden. Im Ausgangszustand sei das Thyristorpaar 7 und 11 angesteuert und damit stromführend.The principle of the invention is explained with reference to Figure 1, the one of the possible basic forms with one lying on the network transformer with taps on the output side for the consumer. Located at 1 and 2 the mains voltage on, at 3 and 4 the consumer is connected. The connections 18, 5 and 6 lead via the respectively assigned anti-parallel thyristor pairs 7, 8 and 9 to the consumer. According to the invention is in the common line to Consumers the primary winding of the current transformer 10 with a transformation ratio 1: 1 switched on. The is parallel to the primary winding of the current transformer 10 Thyristor switch 11. The secondary winding connected on one side to the primary winding of the current transformer 10 is via the thyristor switch 12 with the lowest transformer tap tied together. In the initial state, the thyristor pair 7 and 11 is activated and thus live.

Dabei wird mit dem Thyristorpaar 11 der Stromwandler 10 überbrückt. Die übrigen Thyristorschalter sind stromlos und ohne Zündstrom. Erfolgt nun von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung der Befehl, hinunterschalten auf Thyristorschalter 8, so wird zunächst der Zündstrom des Thyristorschalters 11 abgeschaltet. Der Thyristorschalter 11 führt trotzdem weiter Strom bis zum nächsten Stromnulldurchgang. Der Strom der nächsten Halbwelle kann jedoch nicht mehr über den Thyristorschalter 11, sondern muß über die Primärwicklung des Stromwandlers 10 fließen. Nach seinen Gesetzen versucht der Stromwandler 10 in seiner Sekundärwicklung eine gegensinnige Durchflutung gleicher Größe zu erzwingen. Die Spannung in der Sekundärwicklung steigt steil an und ermöglicht nach Zünden des Thyristorschalters 12 aus der Steuereinrichtung eine Übernahme des Stromes auf diesen Zweig, wobei der Strom im Thyristorschalter 7 gelöscht wird.The current transformer 10 is bridged with the thyristor pair 11. The other thyristor switches are de-energized and have no ignition current. Now done by a control device, not shown, the command to switch down to thyristor switch 8, the ignition current of the thyristor switch 11 is switched off first. The thyristor switch 11 still carries current until the next current zero crossing. The stream of However, the next half-wave can no longer be via the thyristor switch 11, but must flow through the primary winding of the current transformer 10. Tried according to his laws the current transformer 10 in its secondary winding has an opposite flow of the same Force size. The voltage in the secondary winding rises steeply and enables after triggering the thyristor switch 12 from the control device a takeover of the Current on this branch, the current in the thyristor switch 7 is deleted.

Der Zündstrom des Thyristorschalters 7 wird jetzt abgeschaltet und Thyristorschalter 11 wieder gezündet, so daß der Stromwandler 10 wieder überbrückt ist. Unmittelbar anschließend wird der Zündstrom von Thyristorschalter 12 abgeschaltet und Thyristorschalter 8 gezündet, der den Strom vom Zweig des Thyristorschalters 12 übernimmt. Die Zeit während der der Stromwandler Spannung abgegeben muß, ist sehr kurz. Demzufolge kann auch die Typenleistung des Stromwandlers klein gewählt werden. Beschränkt man nun Umschaltungen auf Strom- halbwellen einer einzigen Richtung, so kann in Weiterbildung der Erfindung der Thyristorschalter 12 auf einen einzelnen Thyristor einer Stromrichtung reduziert werden. Da dieser nur außerordentlich kurze Zeit Strom führt, kann außerdem die Überlastungsfähigkeit des Thyristors für kurze Zeiträume ausgenutzt werden.The ignition current of the thyristor switch 7 is now switched off and Thyristor switch 11 ignited again, so that the current transformer 10 bridges again is. Immediately thereafter, the ignition current of the thyristor switch 12 is switched off and thyristor switch 8 triggered, the current from the branch of the thyristor switch 12 takes over. The time during which the current transformer must deliver voltage is very short. As a result, the type output of the current transformer can also be selected to be small will. If one restricts switchovers to current half waves one single direction, in a further development of the invention, the thyristor switch 12 can be reduced to a single thyristor of one current direction. Since this only carries electricity for an extremely short time, the overload capacity can also of the thyristor can be used for short periods of time.

So ist es wirtschaftlich vertretbar, jede der drei Anzapfungen 18, 5 und 6 über einen einpoligen Thyristorschalter mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers 10 zu verbinden, so daß eine Umschaltung direkt auf die von der Steuereinrichtung angeforderte Anzapfung möglich wird. Der an der gleichen Anzapfung liegende Zweirichtungsthyristorschalter übernimmt den Strom dann spätestens beim nächsten Nulldurchgang voll. Überträgt man dieses Prinzip auf die Grobanzapfungen einer Anordnung mit Grob- und Feinanzapfungen, so wird der vorübergehende Rückgang der Verbraucherspannung während der Umschaltung schon nahezu vernachlässigbar. Solche Systeme sind in Figur 2 und Figur 3 dargestellt, wobei die Figur 2, ähnlich Figur 1, die Anzapfung lastseitig in Figur 3 dagegen netzseitig erfolgt.So it is economically justifiable to use each of the three taps 18, 5 and 6 via a single-pole thyristor switch with the secondary winding of the current transformer 10 to connect, so that a switchover directly to that of the control device requested tapping becomes possible. The bidirectional thyristor switch on the same tap then takes over the current fully at the latest at the next zero crossing. Transmits apply this principle to the coarse taps of an arrangement with coarse and fine taps, so will the temporary drop in consumer voltage during switchover already almost negligible. Such systems are shown in Figure 2 and Figure 3, FIG. 2, similar to FIG. 1, with the tap on the load side in FIG. 3 on the other hand takes place on the network side.

Um den Magnetisierungseigenschaften realer Stromwandler Rechnung zu tragen, wird in Weiterbildung der Erfindung die Sekundärwicklung des Stromwandlers ganz geringfügig kürzer ausgelegt als seine Primärwicklung.To take into account the magnetization properties of real current transformers wear, in a further development of the invention, the secondary winding of the current transformer designed very slightly shorter than its primary winding.

Nach der Ausführungsform nach Figur 2 und 3 wird immer noch eine geringfügige Absenkung der Spannung im Umschaltmoment hingenommen. Um auch diese zu vermeiden, wird in Weiterbildung der Erfindung bei einem Netzstabilisator mit zwei oder mehreren Anzapfungsgruppen derart vorgegangen, daß die Zuleitung von der Sekundärwicklung des Stromwandlers zu dem oder den Abgriffen des Transformators über eine der Zahl der zusätzliche Anzapfungsgruppen gleiche Zahl von Zusatzwicklungen führt, die nach Anzahl und Windungszahl gleiche Abgriffe wie die den zugehörigen Anzapfungsgruppen zugeordnete Wicklungen haben, daß weiterhin diese Abgriffe über je einen Halbleiterschalter an dem oder den Halbleiterschaltern an den Abgriffen des Transformators liegen, und daß die Halbleiterschalter an den Abgriffen der Zusatzwicklungen und an den Abgriffen des Transformators in Serie mit gleicher Durchlaßric-htung geschaltet sind. Eine solche Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in Figur 4 dargestellt. Zusätzlich zu der den Feinanzapfungen zugeordneten Wicklung 13 ist eine davon getrennte zusätzliche Wicklung 14 vorgesehen, die eine gleiche Zahl und im gleichen Abstand angeordnete Gruppe von Anzapfungen 15, 16 und 17 aufweist.According to the embodiment of Figures 2 and 3 is still a slight Acceptance of lowering of the voltage in the moment of switching. To avoid this too, is in a development of the invention in a network stabilizer with two or more Tap groups proceeded in such a way that the lead from the secondary winding of the current transformer to the tap (s) of the transformer via one of the number the additional tap groups leads to the same number of additional windings after Number and number of turns the same taps as those of the associated tap groups Associated windings have that these taps continue to each have a semiconductor switch at the semiconductor switch or switches at the transformer taps lie, and that the semiconductor switch at the taps of the additional windings and connected in series with the same passage direction at the taps of the transformer are. Such an embodiment of the subject matter of the invention is shown in FIG. In addition to the winding 13 assigned to the fine taps, one is separate from it additional winding 14 is provided, which is the same number and at the same distance arranged group of taps 15, 16 and 17 has.

Bei den Netzstabilisatoren mit lastseitigen Anzapfungsgruppen ist es darüberhinaus möglich, daß der Transformator die Last i.ndirekt über einen weiteren netz- oder lastseitigen Zu satztransformator speist, wie dies für eine lastseitige Einspeisung in Figur 5 dargestellt ist.In the case of the network stabilizers with load-side tapping groups, It is also possible that the transformer is the load i.indirectly via another Line-side or load-side auxiliary transformer feeds, as is the case for a load-side Feed is shown in Figure 5.

Claims

Claims 1. Network stabilizer with a transformer that feeds the load and a tapping system either on the network side or on the load side with one or more tap groups whose individual taps by means of consisting of anti-parallel thyristors or triacs and via separate control means controlled semiconductor switches are switched on, characterized in that in a line carrying the primary or secondary current of the transformer Primary winding of a current transformer with a ratio of 1: 1, which in turn can be bridged with a semiconductor switch, with the same winding meaning primary and secondary winding connected with one pole at their transformer-side connections and the secondary winding on its other side via a semiconductor switch is at least at the tap that applies the lowest voltage to the load circuit or in addition to this via separate semiconductor switches on all or one Selection of the other taps lies.

2. Network stabilizer according to claim 1, characterized in that the or the semiconductor switch between the secondary winding of the current transformer and the taps consist of only one thyristor each.

3. Network stabilizer according to claim 1 or 2, characterized in that that the secondary winding of the current transformer is very slightly shorter than his Primary winding.

4. Network stabilizer according to claim 1, 2 or 3 with two or more Tap groups, characterized in that the supply line from the secondary winding of the current transformer to the tap (s) of the transformer via one of the number of the additional tap groups leads to the same number of additional windings in terms of number and number of turns, the same taps as the associated tap groups Associated windings have that these taps each have a semiconductor switch on the semiconductor switch or switches on the taps of the transformer and that the semiconductor switches at the taps of the additional windings and at the taps of the transformer are connected in series with the same forward direction.

5. Network stabilizer according to claim 1 or one of the following with the load side Tapping groups, characterized in that the transformer takes the load indirectly feeds via an additional transformer on the network or load side.