EP0349604B1

EP0349604B1 - Transformator

Info

Publication number: EP0349604B1
Application number: EP88909506A
Authority: EP
Inventors: Hanspeter Bitterli
Original assignee: RIEDI-JOKS Susanne
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2008-11-17
Also published as: DE3889658D1; ATE105969T1; JPH02502955A; EP0349604A1; WO1989006860A1; US5422620A; CH676763A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und geht aus von der US-A-1'662'132.
Transformatoren dienen dazu, die elektrische Energie einer bestimmten Spannung in eine solche einer anderen Spannung umzuwandeln. Sie finden daher auf dem gesamten Gebiet der Elektro-Technik und der Elektronik Anwendung. Die Tatsache, dass die elektrische Energie auf dem langen Weg von der Produktion bis zum Verbrauch meist dreimal, oft sogar noch häufiger, transformiert wird, zeigt auch die Wichtigkeit der Transformatoren für die Elektro-Energie-Versorgung. Von ihrer Betriebssicherheit und ihrem Wirkungsgrad wird die technische und wirtschaftliche Güte der Elektrizitätsversorgung massgeblich beeinflusst. Unter diesen Gegebenheiten wurde die Entwicklung des Transformatorenbaues aussergewöhnlich weit getrieben. Der Transformator ist eines der betriebssichersten Glieder der Elektro-Energie-Versorgungs-Systeme. Der Transformator besteht im Prinzip aus einem Eisenkern und zwei gegeneinander und gegen Erde isolierten Wicklungen. Der Eisenkern ist einerseits der mechanische Träger der Wicklungen und andererseits führt er den magnetischen Fluss, der die Uebertragung der Spannung von der einen Wicklung zur anderen bewirkt. Diejenige Wicklung, welcher die Energie zugeführt wird, heisst Primärwicklung und diejenige, welcher die Energie, vermindert um den Eigenverbrauch des Transformators, entnommen wird, heisst Sekundärwicklung.
Aufgrund des Aufbaues der Transformatoren ist die relative Sekundärspannungsschwankung genau gleich der relativen Primärspannungsschwankung. Bei Belastung des Transformators sinkt die Sekundärleerlaufspannung um den inneren Spannungsabfall, hervorgerufen durch die Kurzschlussimpedanz und den Belastungsstrom, ab. Die Sekundärspannung des Transformators ist primärspannungsschwankungs- und belastungsstromabhängig. Dieser Umstand führt dazu, dass durch die dauernd auftretende Wechselbelastung in den Elektro-Energie-Verteilnetzen die Verbraucherspannung ständig auf einen bestimmten Verbraucherspannungspegel von 400/231 Volt ausreguliert werden muss. Diese Ausregulierung erfolgt mit elektromotorisch angetriebenen Laststufenschaltern oberspannungsseitig in den Unterwerkstransformatoren unter Last. Diese Betriebsart hat unweigerlich einen enormen Verschleiss der Schaltkontakte der Laststufenschalter zur Folge, so dass diese periodisch einer kostspieligen Revision unterzogen werden müssen. Einerseits ist die mögliche Stufenzahl der Laststufenschalter aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen begrenzt, so dass daher doch eine relativ grobe Ausregulierung der Verbraucherspannung erfolgt und andererseits die Belastungsänderung relativ feinstufig auftritt. Diese Tatsachen führen dazu, dass die Verbraucherbetriebsspannung auf 400/231 Volt angesetzt wird, durchschnittlich ca. 5 % über der Verbrauchernennspannung von 380/220 Volt liegt, und dauernd in bestimmten Grenzen schwankt. Aufgrund der Dimensionierung der Elektro-Apparate weisen diese einen festen inneren ohmschen Widerstand oder eine feste innere Impedanz auf. Diese Begebenheiten führen dazu, dass diese Apparate beim Anschluss an eine ca 5 %-ige Ueberspannung auch einen ca. 5 %-igen höheren Betriebsstrom aus dem Verbrauchernetz ziehen und dadurch einen ca. 10 %-igen Elektro-Energie-Mehrverbrauch verursachen. Dieser wird in den Elektro-Apparaten zum grössten Teil nur in eine ungenutzte Mehrverlustwärme umgesetzt, welche sich negativ auf die Betriebstüchtigkeit und die Lebensdauer dieser Apparate auswirkt. Ebenso sind die vorliegenden Spannungsschwankungen und die bei der Stufenumschaltung auftretenden Ueberspannungsspitzen bei hochempfindlichen Anlagen, wie Computer-Anlagen, numerisch gesteuerten Maschinen etc., sehr unerwünscht und können daher schädliche oder gar katastrophale Folgen haben. Die herkömmlichen Transformatoren sind die Verursacher eines ca. 10 %igen Elektro-Energie-Mehrverbrauches und bringen gerade auch im Zusammenhang mit der sich immer mehr ausbreitenden, hochempfindlichen Prozessortechnik eine Vielzahl von Problemen, welche gelöst werden müssen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator zu schaffen, der die erwähnten Probleme löst. Mit dem erfindungsgemässen Transformator sollen die Laststufenschalter in den Unterwerkstransformatoren für die Elektro-Energie-Verteilung und die Stufenumschaltung in den übrigen Transformatoren für gleiche oder ähnliche Anwendung überflüssig werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator zu schaffen, mittels dem die unstabile Sekundärspannung über einen bestimmten Primärspannungsschwankungsbereich belastungsunabhängig von Leerlauf bis Vollast, respektive bis zu einer bestimmten Ueberlast, in bestimmten Grenzen leistungsfaktorunabhängig und in bestimmten Grenzen frequenzunabhängig konstant gehalten werden kann. Im weiteren soll die Erfindung einen Transformator schaffen, mittels dem jedes beliebig bestimmbare Sekundärspannungsverhalten belastungsunabhängig und/oder belastungsabhängig innerhalb eines bestimmten Primärspannungsbereiches erzeugt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Transformator, der die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist.
Ein Transformator mit vier voneinander getrennten Kernen, wobei eine Wicklung alle vier Kerne gemeinsam umfasst, ist in der US 1 662 132 offenbart. Auf jedem der Kerne, die alle ohne Luftspalt ausgeführt sind, ist je eine weitere Wicklung vorhanden. Die Windungszahlen der Wicklungen sind so, dass die in der alle Kerne umfassenden Wicklung induzierte Spannung per Ampèrewindung doppelt so gross ist wie die Spannung pro Ampèrewindung in jeder der weiteren Wicklungen. Der Transformator wird als Aufwärts- oder Abwärts-Transformator für Spannungen eingesetzt. Ein von normalen bekannten Transformatoren abweichender Sekundärspannungsverlauf bei Primärspannungsschwankungen und/oder Laständerungen ist nicht offenbart.
In den Zeichnungen sind erfindungsgemässe Transformatoren in verschiedenen Ausführungsarten beispielsweise dargestellt. Die einzelnen Ausführungsarten dienen zur Schaffung bestimmter Verhaltensarten der Sekundärspannung, entweder belastungsunabhängig und/oder belastungsabhängig. Weiter sind die physikalischen Hintergründe seiner Wirkungsweise anhand von verschiedenen Magnetisierungskurven veranschaulicht. In der nachfolgenden Beschreibung ist der grundsätzliche Aufbau und das Funktionsprinzip des erfindungsgemässen Transformators und des erfindungsgemässen Transformatoren-Systems erläutert. Ferner werden die gezeigten Ausführungsarten beschrieben und deren Wirkungsweise erklärt. Der erfindungsgemässe Transformator wird im folgenden Delta-Phi-Trafo genannt.
Es zeigen

Fig. 1

den prinzipiellen Aufbau des Delta-Phi-Trafos bestehend aus den Kernen SK und RK und den Wicklungen A, B und C, der Kern SK ist in zwei Kerne 1 und 2 unterteilt, mit der Wicklung A als Primärwicklung, Wicklungen B und C in offener Schaltung;

Fig. 2

den prinzipiellen Aufbau des Delta-Phi-Trafos in erweiterter Ausführung, bestehend aus den Kernen SK, RK, SAK und RAK und den Wicklungen A, B, C, D und E, mit der Wicklung A, welche die Kerne SK, RK und SAK umschlingt, als Primärwicklung, die Wicklungen B, C, D und E als Sekundärwicklungen in offener Schaltung;

Fig. 3

die Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Feldstärke für zwei verschiedene Materialien;

Fig. 4

den Einfluss der Luftspaltstrecken auf die Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung:

Kurve A: die Magnetisierungskurve für das Kernblech,
Kurve B: die Magnetisierungskurve für eine kleine Luftspaltstrecke,
Kurve C: die Resultierende aus Kurve A und Kurve B,
Kurve D: die Magnetisierungskurve für eine grosse Luftspaltstrecke,
Kurve E: die Resultierende aus Kurve A und Kurve D;

Fig. 5

eine aus mehreren, teilweise mit Luftspalten versehenen Kernen (1, 2, 3, ..., n-1, n), aufgebaute Kernanordnung

Kern 1: ohne Luftspalt
Kern 2: mit einem kleinen Luftspalt
Kern 3: mit einem grösseren Luftspalt
Kern n-1: mit zwei Luftspalten
Kern n: mit vier Luftspalten;

Fig. 6

mögliche Luftspaltformen, dabei bedeuten:

a) paralleler Luftspalt
b) Luftspalt keilförmig nach unten
c) Luftspalt keilförmig nach oben
d) Luftspalt symmetrischkeilförmig
e) Luftspalt trapezförmig nach unten
f) Luftspalt trapezförmig nach oben
g) Luftspalt symmetrisch trapezförmig;

Fig. 7

die Magnetisierungskurven für zwei Kerne mit verschiedenen magnetischen Charakteristika Induktion in Funktion der Durchflutung und der daraus resultierenden Gesamtinduktion:

Kurve A: die Magnetisierungskurve für den Kern SK
Kurve B: die Magnetisierungskurve für den Kern RK
Kurve C: die Gesamtmagnetisierungskurve für beide Kerne SK und RK;

Fig. 8

die Magnetisierungskurven für zwei Kerne mit verschiedenen magnetischen Charakteristika Induktion in Funktion der Primärspannung und der daraus resultierenden Gesamtinduktion mit gleicher Steigung der drei Kurven innerhalb des bestimmten Primärspannungsbereiches:

Fig. 9

die Magnetisierungskurven für zwei Kerne mit verschiedenen magnetischen Charakteristika Induktion in Funktion der Primärspannung und der daraus resultierenden Gesamtinduktion mit ungleicher Steigung der drei Kurven innerhalb des bestimmten Primärspannungsbereiches:

Kurve A: die Magnetisierungskurve für den Kern SK
Kurve B: die Magnetisierungskurve für den Kern RK
Kurve C: die Gesamtmagnetisierungskurve für beide Kerne SK und RK,

die Kurve B hat die grössere Steigung als die Kurve A;

Fig. 10

die Kurve B hat die kleinere Steigung als die Kurve A;

Fig. 11

den Bereich des Verhaltens der Sekundärspannung.

Bevor im einzelnen auf den prinzipiellen Aufbau und die Wirkungsweise des Delta-Phi-Trafos eingegangen wird, sei vorausgeschickt, dass er sinnvollerweise in mindestens drei verschiedenen Funktionsstufen betrieben werden kann, nämlich in einer Primär-, Sekundär- und Tertiärfunktion.
Arbeitet der Delta-Phi-Trafo in der Primärfunktion, so erfolgt die elektrische Einspeisung direkt aus einem unstabilisierten Netz. Arbeitet er in der Sekundärfunktion, so erfolgt die elektrische Einspeisung auf mindestens eine Primärwicklung von mindestens einem Sekundärzweig eines vorgeschalteten Delta-Phi-Trafos mit Primär- oder Sekundärfunktion oder direkt aus einem stabilisierten Netz. Es können also auch mehrere Delta-Phi-Trafos mit Sekundärfunktion hintereinander geschaltet werden. Ein Transformator mit Tertiärfunktion kann sowohl ein Delta-Phi-Trafo als auch Transformator herkömmlicher Bauart sein. Die Sekundärwicklung des Transformators mit Tertiärfunktion wird in Serie mit dem oder den Hauptstrom-Sekundärwicklungszweig(en) des oder der Delta-Phi-Trafos mit Primär- und/oder Sekundärfunktion geschaltet. Beim Transformator mit Tertiärfunktion erfolgt die elektrische Einspeisung auf mindestens eine Primärwicklung aus dem oder den Nebenstrom-Sekundärwicklungszweigen des oder der Delta-Phi-Trafos mit Primär- und/oder Sekundärfunktion(en). Die Sekundärwicklungen mehrerer Transformatoren mit Tertiärfunktion können in Serie geschaltet werden. Auch die Parallelschaltung oder kombinierte Schaltungen der Sekundärwicklungen der Transformatoren mit Tertiärfunktion sind möglich.
Die Funktionsweise des Delta-Phi-Trafos liegt einem speziellen Magnetisierungseffekt zugrunde.
Werden mindestens zwei getrennte Kerne mit unterschiedlichen magnetischen Charakteristika von einer gemeinsamen Erregerwicklung umschlossen, die Erregerwicklung an eine ansteigende Spannung gelegt, so fliesst in der Erregerwicklung der Leerlaufstrom.
Dadurch, dass diese Kerne von der gleichen Erregerwicklung mit der entsprechenden Windungszahl umschlossen sind, erfahren die Kerne die gleiche magnetische Durchflutung, d.h., die Durchflutung des einen Kernes ist gleich der Durchflutung des anderen Kernes. Infolge der unterschiedlichen magnetischen Charakteristika werden die Kerne unterschiedlich magnetisiert, d.h., es bilden sich in den Kernen unterschiedliche magnetische Flüsse respektive Induktionen. Da von der Erregerwicklung aus gesehen, der Leerlaufstrom auf einen gemeinsamen Kern, zusammengesetzt aus den einzelnen Kernen, deren Gesamtquerschnitt aus der Summe der einzelnen Kerne besteht, wirkt, kann aufgrund der angelegten Erregerspannung, der Frequenz, der Windungszahl der Erregerwicklung und des gesamten Kernquerschnittes bei jeder angelegten Erregerspannung die entsprechende Gesamtinduktion bestimmt werden. Anhand der vorliegenden Magnetisierungskurven Induktionen in Funktion der Durchflutung und den einzelnen Kernquerschnitten kann ebenfalls die Gesamtinduktion bestimmt werden. Die Gesamtinduktion B ist die Summe der einzelnen magnetischen Flüsse geteilt durch die Summe der einzelnen Kernquerschnitte. Die, auf diese Art, bestimmte Gesamtinduktion B in Funktion der Durchflutung muss eine Kurve darstellen. Die Umgestaltung der Magnetisierungskurve Induktion in Funktion der Durchflutung in die Magnetisierungskurve Induktion in Funktion der Primärspannung geschieht so, dass die Kurve der Gesamtinduktion B in der Magnetisierungskurve Induktion in Funktion der Durchflutung in gleiche Teilinduktionen einzuteilen ist, welche den zugehörigen Teilerregerspannungen entsprechen. Die über respektive unter den Teilungspunkten liegenden Induktionen der einzelnen Kerne entsprechen ebenfalls den Teilerregerspannungen und können in die neue Kurve Induktion in Funktion der Primärspannung übertragen werden.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer Delta-Phi-Trafo prinzipiell dargestellt. Der Trafo weist zwei Kerne mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften auf, nämlich dem Stammkern SK, welcher seinerseits in zwei Kerne 1 und 2 mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften aufgeteilt ist. Der Kern 1 weist im Gegensatz zum Kern 2 eine Luftspaltstrecke LSK auf. Der Regulierkern RK weist ebenfalls eine Luftspaltstrecke LRK auf. Die Wicklung A, in der Funktion der Primärwicklung, umschlingt gemeinsam die beiden Kerne SK und RK. Die Wicklung B ist auf dem Stammkern SK und die Wicklung C ist auf dem Regulierkern RK aufgebaut und stellen zwei Sekundärwicklungen in offener Schaltung dar. Diese Ausführungsart wird hauptsächlich für den Delta-Phi-Trafo mit Primärfunktion verwendet. Durch die entsprechende Schaltung der Sekundärwicklungen, entweder additive Serieschaltung, d.h., die in den Wicklungen B und C induzierten Spannungen werden addiert, subtraktive Serieschaltung, d.h., die in der Wicklung C induzierte Spannung wird von der in der Wicklung B induzierten Spannung subtrahiert oder offene Schaltung, können alle bestimmbaren Sekundärspannungsverhalten erzeugt werden. Die in den Wicklungen B und C induzierten Spannungen resp. die für diese Wicklungen benötigten Windungszahlen lassen sich nach dem Transformationsgesetz berechnen, wobei die Berechnung für beide Kerne, sowohl an der oberen, wie an der unteren Grenze des Primärspannungsbereiches durchzuführen ist.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erweiterten Delta-Phi-Trafos mit dem Stammkern SK, dem Regulierkern RK, dem Stammausgleichskern SAK und dem Regulierausgleichskern RAK mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften. Die Primärwicklung A umschlingt die Kerne SK, RK und SAK. Die Wicklung B ist auf dem Stammkern SK, die Wicklung C ist auf dem Regulierkern RK und dem Regulierausgleichskern RAK, die Wicklung D ist auf dem Stammausgleichskern SAK und die Wicklung E ist auf dem Regulierausgleichskern RAK aufgebaut. Die Wicklungen B, C, D und E sind Sekundärwicklungen und entsprechend der elektrischen und magnetischen Auslegung sind ihnen bestimmte Funktionen zugeteilt. Diese Ausführungsart wird für einen Delta-Phi-Trafo mit Primärfunktion verwendet.
Fig. 5 zeigt eine in mehrere Kerne, mit unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften aufgeteilte Kernanordnung. Die unterschiedlichen magnetischen Gesamtwirkungseigenschaften werden dadurch erreicht, dass der Kern 1 keine Luftspaltstrecke und die übrigen Kerne unterschiedliche Luftspaltstrecken aufweisen. Die anwendbaren Luftspaltformen sind in Fig. 6 dargestellt. Entsprechend den Figuren 3 und 4 werden die magnetischen Charakteristika in den einzelnen Kernen 1, ..., n beeinflusst. In den Zonen der Luftspaltstrecken streuen die magnetischen Feldlinien aus. Damit die Kerne sich nicht magnetisch gegenseitig beeinflussen, sind die einzelnen Kerne um mindestens die Distanz der grössten benachbarten Luftspaltstrecke, zu distanzieren.
Wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, muss die Magnetisierungskurve Induktion in Funktion der Durchflutung für die Kurve A entsprechend für den Stammkern SK zwischen den Punkten D und E eine Gerade sein. Dasselbe gilt auch für die Kurve B entsprechend für den Regulierkern RK zwischen den Punkten F und G. Ebenso muss auch die Kurve C entsprechend gemeinsam für beide Kerne SK und RK zwischen den Punkten H und I auch eine Gerade sein. Die Punkte D, F und H sind somit die unteren Grenzwerte für den bestimmten Durchflutungsbereich respektive Primärspannungsbereich und die Punkte E, G und I die oberen Grenzwerte. Die Punkte H und I auf der Kurve C müssen so gewählt werden, dass die Induktionen bei diesen Punkten gemäss dem Transformationsgesetz den unteren und oberen Grenzenwertspannungen des bestimmten Primärspannungsbereiches entsprechen.
Gemäss den Fig. 8 bis 10 ist die Gesamtmagnetisierungskurve C entsprechend gemeinsam für die beiden Kerne SK und RK gemäss dem Transformationsgesetz $U = 4,44 x f x w x A x B x 10000$
für B in Tesla immer eine Gerade. Diese ist in gleiche Teile einzuteilen, die entsprechenden Induktionen sind zu bestimmen und in die Kurve C der Magnetisierungskurve Induktion in Funktion der Durchflutung gemäss Fig. 7 zu übertragen, womit auch die vorhandenen Durchflutungswerte bei den entsprechenden Induktionen der Kurve C bestimmt sind. Die zugehörigen Induktionen für die Kurven A und B sind somit auch bestimmt und sind in die Magnetisierungskurven Induktion in Funktion der Primärspannung zu übertragen.
Nach der gleichen Methode sind auch die Gesamtmagnetisierungskurven Induktion in Funktion der Durchflutung und Induktion in Funktion der Primärspannung für eine in Kerne mit unterschiedlichen magnetischen Charakteristiken unterteilte Kernanordnung nach Fig. 5 zu bestimmen.
Fig. 11 zeigt die Bereiche der Verhaltensarten der Sekundärspannung. So bedeutet die horizontale Linie A einen konstanten, die strichpunktierte Linie B einen prozentual gleichen, die schraffierte Fläche C einen prozentual kleineren, die schraffierte Fläche D einen prozentual grösseren und die schraffierte Fläche E einen negativen, die Sekundärspannung nimmt bei zunehmender Primärspannung ab resp. die Sekundärspannung nimmt bei abnehmender Primärspannung zu, Verlauf der Sekundärspannung in Funktion der Primärspannungsänderung von U1+v% bis U1-w%.

Claims

Transformator mit mindestens drei voneinander getrennten Kernen (SK, SK1, SK2, SAK, RK, RAK), die je einen magnetischen Kreis bilden, mit einer ersten Wicklung (A), die mindestens zwei der genannten Kerne umschlingt, und mindestens einer zweiten Wicklung (B), wobei mindestens einer der Kerne sowohl von der ersten als auch von der zweiten Wicklung umschlungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne, die von der ersten Wicklung (A) umschlungen sind, einen Luftspalt aufweist, dass mindestens zwei der von der ersten Wicklung umschlossenen Kerne (SK1, SK2, SK, SAK, RK) unterschiedliche magnetische Kennlinien aufweisen, wobei die resultierende magnetische Kennlinie dieser beiden Kerne unterschiedlich ist zur magnetischen Kennlinie von mindestens dem dritten Kern und dass die zweite Wicklung (B, Fig. 1; C, Fig. 2) ebenfalls mindestens zwei Kerne umschlingt.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dritte Wicklung (C, Fig. 1; D, E, Fig. 2), vorhanden ist, welche mindestens einen der Kerne umschlingt.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einander benachbarte Kerne, wovon einer den mindestens einen Luftspalt aufweist, um mindestens die Distanz des Luftspaltes oder des grösseren Luftspaltes, wenn jeder der einander benachbarten Kerne einen Luftspalt aufweist, voneinander getrennt sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wicklungen (B, C, Fig. 1), miteinander derart in Serie geschaltet sind, dass sich darin induzierte Spannungen subtrahieren.
Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass höchstens einer der Kerne (SK2, Fig. 1), der von der ersten Wicklung (a) umschlungen ist, keinen Luftspalt aufweist.