EP4511938A1 - Verfahren und vorrichtung zum ändern eines übersetzungsverhältnisses, einer impedanz oder einer zur erregung verwendeten spannung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ändern eines übersetzungsverhältnisses, einer impedanz oder einer zur erregung verwendeten spannung

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Publication number
EP4511938A1
EP4511938A1 EP23722841.6A EP23722841A EP4511938A1 EP 4511938 A1 EP4511938 A1 EP 4511938A1 EP 23722841 A EP23722841 A EP 23722841A EP 4511938 A1 EP4511938 A1 EP 4511938A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
module
winding
impedance
voltage
electrical equipment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23722841.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Laurenc KIRCHNER
Karsten Viereck
Sebastian Rehkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP4511938A1 publication Critical patent/EP4511938A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/12—Arrangements for adjusting voltage in AC networks by changing a characteristic of the network load
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/12—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC
    • G05F1/14—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using tap transformers or tap changing inductors as final control devices
    • G05F1/147—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is AC using tap transformers or tap changing inductors as final control devices with motor driven tap switch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings
    • H01F29/04—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings having provision for tap-changing without interrupting the load current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1878—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using tap changing or phase shifting transformers

Definitions

  • the invention relates to a method for changing a gear ratio, an impedance or a voltage used for excitation of an electrical equipment and a device for changing a gear ratio, an impedance or a voltage used for excitation of an electrical equipment.
  • reactive power control represents an essential component of safe, efficient and loss-minimized network management.
  • Suitable operating resources are already known from the prior art both for network regulation in the steady-state range and for dynamic voltage regulation.
  • controllable transformers, phase shifters or controllable shunt reactors are used to control stationary network operation.
  • static synchronous compensators (STATCOM) or static reactive power compensators (SVC) are used to control dynamic network behavior.
  • the resources for control in the dynamic range will become increasingly relevant in the foreseeable future for a secure supply of network operations due to the energy transition and the integration of decentralized energy generation into network operations, since the feed-in from renewable energies is less easy to plan.
  • the improved concept is based on the idea of combining a classic tap changer, as is well known from the prior art, with a power electronic tap changer in series. Since the power electronic tap changer can change its switching position quickly, namely in the millisecond range, and can assume any position, it enables the voltage to be quickly adjusted to rapidly changing load conditions.
  • the steady state range is operated with the classic tap changer, covering the largest possible control range. In this way, a great deal of flexibility can be achieved for network management as well as system and process management.
  • a method for changing a gear ratio, an impedance or a voltage used for excitation of an electrical equipment includes at least one main winding, a control winding with winding taps and at least one partial winding.
  • the electrical equipment includes a tap changer for changing the gear ratio, the impedance or the voltage used for excitation of the electrical equipment.
  • the electrical equipment can be designed as a controllable transformer, in particular as a phase shifter transformer, as a controllable choke or as a controllable transformer with a capacitor.
  • the tap changer comprises a first module for connecting the winding taps of the control winding and a second module with semiconductor switching elements for quickly connecting, counter-switching or bridging the at least one partial winding.
  • the at least one partial winding has a specific number of turns, which is preferably greater than the largest number of turns present between two adjacent winding taps of the control winding.
  • the number of turns of the several partial windings can be integer multiples of one another.
  • the first module is designed as an on-load tap changer for uninterrupted switching between different winding taps of the control winding of the electrical equipment and has a selector for power-free preselection of the winding tap of the electrical equipment to which switching is to be made, as well as a diverter switch for the actual, uninterrupted switching from the the previously connected winding tap to the new, preselected winding tap.
  • the selector usually has two movable selector contacts, which cover the winding taps.
  • the diverter switch usually has switching contacts and resistors for the actual load transfer.
  • the switching contacts are designed, for example, as vacuum interrupters.
  • the resistors serve to limit the circulating current flowing briefly in the diverter switch during the switching process and are also referred to as switching resistors.
  • the second module comprises at least one, in the event that the electrical equipment has several partial windings, preferably several sub-modules with semiconductor switching elements. At least one partial winding is assigned to each sub-module and each sub-module is designed for quick connection, counter-connection or bridging of the assigned partial winding.
  • the semiconductor switching elements each comprise a thyristor or IGBT pair connected in anti-parallel.
  • the method of changing the gear ratio, impedance or to The voltage of the electrical equipment used for excitation has the following steps: a) receipt of a request to change the gear ratio, the impedance or the voltage used for excitation of the electrical equipment, b) checking at least one relevant parameter, c) changing the gear ratio, the impedance or the voltage used for excitation of the electrical equipment either by means of the first module or by means of the second module depending on the testing of the at least one relevant parameter.
  • the relevant parameter comprises an amount of deviation of an actual voltage of the electrical equipment, for example the voltage on the primary or secondary side of a transformer, from a predetermined target voltage.
  • the transmission ratio is changed by means of the second module if the amount of deviation from the target voltage is greater than a step voltage present between two adjacent winding taps of the control winding.
  • the electrical equipment is designed as a controllable transformer.
  • the change in the transformation ratio of the transformer i.e. the adjustment to the desired target voltage on the primary or secondary side of the transformer, is carried out with the second module when the amount of the voltage to be regulated or the desired voltage change is so large that the change cannot be achieved by operating the first module.
  • the relevant parameter comprises an amount of deviation of an impedance of the electrical equipment from a predetermined target impedance.
  • the impedance is changed by means of the second module if the amount of deviation from the target impedance is greater than an impedance acting between two adjacent winding taps of the control winding.
  • the electrical equipment is designed as a controllable throttle.
  • the change in the impedance of the choke i.e. the adjustment to the desired target impedance
  • the relevant parameter comprises an amount of deviation of an actual voltage in a first inductive arrangement for exciting a second inductive arrangement from a predetermined target voltage.
  • the actual voltage is measured, for example, on the primary side of the first inductive arrangement or the secondary side of the second inductive arrangement.
  • the voltage used for excitation of the second inductive arrangement is then adjusted using the second module if the amount of deviation from the target voltage is greater than a step voltage present between two adjacent winding taps of the control winding.
  • the electrical equipment comprises a first inductive arrangement and a second inductive arrangement.
  • the actual voltage in the first inductive arrangement excites the second inductive arrangement and thereby increases the performance of the first inductive arrangement.
  • an exciter transformer a first inductive arrangement
  • a booster transformer a second inductive arrangement
  • the setting of the voltage used to excite the booster transformer is carried out here using the second module if the amount of the desired voltage to excite the booster transformer is so large that the change is not achieved by actuating the first module can be.
  • the electrical equipment can be designed as a phase shifter and the first inductive arrangement can be designed as an excitation transformer and the second inductive arrangement can be designed as a booster transformer.
  • the method can therefore also be used analogously for the operation of a phase shifter transformer.
  • the relevant parameter comprises the gradient of a required voltage change.
  • the transmission ratio is changed using the second module if the gradient of the required voltage change is greater than a specified limit value.
  • the electrical equipment is designed as a controllable transformer.
  • the change in gear ratio of the transformer i.e. the adaptation to the desired target voltage on the primary or secondary side of the transformer, is carried out with the second module if the gradient of the required voltage change is so high, for example a required rate of change of the voltage in the millisecond range, that a change in the transformation ratio with the first Module could not run fast enough.
  • the set limit is, for example, one second.
  • the relevant parameter comprises the gradient of a required impedance change.
  • the impedance is changed using the second module if the gradient of the required impedance change is greater than a specified limit value.
  • the electrical equipment is designed as a controllable throttle.
  • the change in the impedance of the choke i.e. the adaptation to the desired target impedance
  • the second module when the gradient of the required impedance change is so high, for example a required rate of change of the impedance in the millisecond range, that a change in the impedance occurs the first module could not be executed fast enough.
  • the set limit is, for example, one second.
  • the relevant parameter comprises a fundamental oscillation plus a component of harmonics of a voltage applied to the electrical equipment.
  • the gear ratio is changed using the second module if the proportion of harmonics is greater than a specified limit value.
  • the electrical equipment is designed as a controllable transformer.
  • the change in the transformation ratio of the transformer i.e. the adjustment to the desired target voltage on the primary or secondary side of the transformer, is carried out with the second module when the proportion of harmonics above the fundamental wave of the voltage applied to the transformer is so high that the harmonics can no longer be controlled with the first module.
  • the definition of the limit value depends on the respective system configuration and the grid connection conditions.
  • the proportion of harmonics above the fundamental oscillation of the voltage applied to the electrical equipment is determined Voltage, a Fourier analysis was carried out.
  • the first and second modules are actuated such that the second module assumes a neutral position in which the at least one partial winding is bridged .
  • Bridged i.e. H. at potential, but not carrying current.
  • the semiconductor switching elements of the second module are connected to one another in such a way that a bypass is formed for the at least one partial winding.
  • the first and second modules are operated alternately.
  • the first and second modules are operated alternately until the first module has reached a position that indicates a new, stationary operating point of the energy supply network, and the second module is in the neutral position.
  • the first module is tightened in stages by adjusting the winding ratio by switching between the winding taps of the control winding with the first module and thereby switching out the at least one partial winding again by gradually actuating the semiconductor switching elements of the second module.
  • the tap changer is then in a position in which the first module has resumed the new stationary operating point and the second module is in the neutral position.
  • the advantage of this embodiment is that the tap changer is then again in a starting position in which current no longer flows through the at least one partial winding, and the full control range is again available to the second module in both directions starting from the neutral position.
  • the first module and the second module are actuated in such a way that the second module assumes a first end position from which the entire dynamic control range of the second module from the first end position to a second end position is available.
  • the first end position of the second module there is at least one Partial winding of the control winding is switched on, ie the turns of the partial winding are added to the control winding, and in the second end position the partial winding of the control winding is switched against, ie the turns of the partial winding are subtracted from the control winding.
  • the advantage of this embodiment is that the entire control range of the second module is available for specific network requirements that require a quick response in one direction.
  • the first module and the second module are not activated at the same time.
  • a device for changing a gear ratio, an impedance or a voltage used for excitation of an electrical equipment is provided.
  • the device is preferably designed to carry out a method according to the first aspect of the invention.
  • the electrical equipment has at least one main winding, a control winding with winding taps, at least one partial winding and a tap changer for changing the gear ratio, the impedance or the voltage used for excitation of the electrical equipment.
  • the device comprises at least one sensor for measuring a voltage present at a suitable measuring point and/or at least one sensor for measuring a current flowing at a suitable measuring point.
  • the device has an evaluation unit which is designed to carry out a method according to the first aspect of the improved concept.
  • the tap changer comprises a first module for connecting the winding taps of the control winding and a second module with semiconductor switching elements for quick connection, counter-switching or bridging of the at least one partial winding.
  • the first module includes a first control unit and the second module includes a second control unit.
  • the evaluation unit is designed to actuate the first control unit and the second control unit.
  • the first module is designed as an on-load tap changer for uninterrupted switching between the different winding taps of the control winding of the electrical equipment and has a selector for the power-free preselection of the winding tap of the electrical equipment to which switching is to be made, as well as a diverter switch for the actual, uninterrupted switching of the previously connected winding tap to the new, preselected winding tap.
  • the selector usually has two movable selector contacts, which cover the winding taps.
  • the diverter switch has mechanical switching contacts, for example vacuum interrupters, for the actual load transfer.
  • the first control unit is designed as a motor drive that actuates the selector contacts and the switching contacts of the on-load tap changer.
  • the second module comprises at least one, in the event that the electrical equipment has several partial windings, preferably several sub-modules with semiconductor switching elements. At least one partial winding is assigned to each sub-module and each sub-module is designed for quick connection, counter-connection or bridging of the assigned partial winding.
  • the second control unit is designed to actuate the at least one or more sub-modules or their associated semiconductor switching elements in a suitable manner, such that the at least one or more partial windings are quickly switched on or off the control winding or are bridged .
  • the second control unit is designed, for example, as a microcontroller.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a device according to the improved concept in a schematic representation
  • Figure 2 shows a second embodiment of the device in a schematic representation
  • Figure 3 shows a third embodiment of the device in a schematic representation
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of the device in a schematic representation
  • Figure 5 shows a fifth embodiment of the device in a schematic representation
  • Figure 6 shows a sixth embodiment of the device in a schematic representation
  • Figure 7 shows a preferred embodiment of a method according to the improved concept
  • Figure 8 shows a control range of a tap changer in a device according to an embodiment of the method according to the improved concept
  • Figure 9 shows a further control range of a tap changer in a device according to a further embodiment of the method according to the improved concept.
  • the device 1 is used to change the transmission ratio of an electrical equipment 14, which is designed here as a single-phase controllable transformer.
  • the controllable transformer 14 has a main winding 2, a control winding 3 with n winding taps and two partial windings 4 and 5 on the primary or secondary side.
  • the partial winding 5 has a larger number of turns than the partial winding 4, for example three times as many turns.
  • the number of turns of the partial winding 4, and consequently also that of the partial winding 5 is greater than the largest number of turns available between two adjacent winding taps, for example between n and n + 1, of the control winding 3.
  • the number of partial windings is not limited to two. In principle, several partial windings can also be provided, the number of windings of which can each have an integer multiple of the partial winding 4.
  • the first module 7 is preferred as an on-load tap changer consisting of a selector for power-free preselection of the winding taps n, n+1 and a load changeover switch for uninterrupted switching from the previously connected winding tap n to the new, preselected winding tap n+1.
  • the on-load tap changer can have a preselector, which can be designed as a coarse step or turner.
  • the first module 7 is shown in a very simplified manner in FIG.
  • the device 1 also has a voltage sensor 9 and a current sensor 10.
  • the voltage sensor 9 is arranged here, for example, on the high-voltage terminal of the main winding 2 and is designed to measure the equipment voltage or actual voltage.
  • the current sensor 10 is between the second module 8 and one Load derivation 15 arranged and designed to measure the current flowing between the second module 8 and the load derivation 15.
  • FIG. 1 A second embodiment of the device 1 according to the invention is shown schematically in FIG. With regard to the device 1 from FIG. 2, reference is made to the previous explanations of the device from FIG. 1 in an analogous manner and only the differences from the device from FIG.
  • FIG. 2 shows a device 1 for changing the impedance of an electrical equipment 14, which is designed here as a controllable throttle. Such arrangements are used to control reactive power in the energy supply network.
  • a control winding 3 with n winding taps and two partial windings 4 and 5 the controllable throttle 14 also has a coarse step winding 16 and a coarse step controller 17.
  • the coarse stage controller 17 can assume a first position in which it contacts a first end A of the coarse stage winding 16 and a second position in which it contacts a second end B of the coarse stage winding 16. If the coarse step controller 17 is in the first position, no current flows through the coarse step winding 16.
  • the device 1 regulates the consumption of reactive power from the network.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the device 1 according to the invention shown schematically.
  • the device 1 from FIG. 3 reference is made to the previous explanations of the device from FIGS. 1 and 2 in an analogous manner and only the differences will be discussed below.
  • FIG. 3 shows a device 1 for changing the transmission ratio of an electrical equipment 14, which is designed here as a controllable transformer 14 with a connected capacitor 18.
  • the controllable transformer 14 can, for example, include a series winding 19, a control winding 3 and a main winding 2 with load derivation 15.
  • the capacitor 18 is arranged between the first module 7 and the second module 8 of the tap changer 6.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the device 1 according to the invention schematically, which, like FIG. 3, shows a device 1 for changing the transmission ratio of an electrical equipment 14, which is designed as a controllable transformer 14 with a connected capacitor 18. Therefore, reference will be made here in an analogous manner to the previous explanations of the device from FIGS. 1, 2 and 3 and only the differences will be discussed below.
  • controllable transformer 14 comprises a main winding 2, a control winding 3 with n winding taps, two partial windings 4 and 5 and an additional coarse step winding 16 with a coarse step controller 17.
  • a capacitor 18 for controlling capacitive reactive power into the energy supply network is in an electrical line 20 arranged, which branches off between the main winding 2 and the coarse stage winding 16 and ends in a load transfer 15.
  • FIG. 1 A fifth embodiment of the device 1 according to the invention is shown schematically in FIG. With regard to the device 1 from Figure 5, reference is made to the previous explanations of the device from Figures 1, 2, 3 and 4 in an analogous manner and only the differences will be discussed below.
  • FIG. 5 shows a device 1 for changing the voltage used to excite an electrical equipment 14, which is used, for example, in arc furnace applications.
  • the electrical equipment 14 here consists of a first inductive arrangement 22, which is designed as an excitation transformer, and a second inductive arrangement 23, which is designed as a booster transformer.
  • the excitation transformer 22 includes a main winding 2, a control winding 3 with n winding taps and two partial windings 4 and 5.
  • the booster transformer 23 has a Primary winding 24 and a secondary winding 25, with an arc furnace 21 being arranged on the secondary side.
  • the control winding 3 of the excitation transformer 22 is electrically conductively connected to the primary winding 24 of the booster transformer 23.
  • the voltage of the excitation transformer 22, which is used to excite the booster transformer 23, is regulated via the tap changer 6.
  • the first module 7 or the second module 8 is used.
  • FIG. 6 A sixth embodiment of the device 1 according to the invention is shown schematically in FIG. With regard to the device 1 from FIG. 6, reference is made to the previous explanations of the device from FIGS. 1, 2, 3, 4 and 5 in an analogous manner and only the differences will be discussed below.
  • Figure 6 shows a further device 1 for changing the voltage used to excite an electrical equipment 14, as used, for example, in arc furnace applications.
  • the electrical equipment 14 consists of a first inductive arrangement 22, which is designed as an excitation transformer, and a second inductive arrangement 23, which is designed as a booster transformer.
  • the excitation transformer 22 has a primary winding 26 and a secondary winding 27 and the booster transformer 23 has a control winding 24 on the primary side.
  • the secondary winding 27 of the excitation transformer 22 is electrically connected to the control winding 24 or to the primary side of the booster transformer 23.
  • the voltage excited by the excitation transformer 22 in the booster transformer 23 is regulated by means of the tap changer 6.
  • FIG. 7 shows a flowchart of an advantageous embodiment of a method according to the improved concept. The method is carried out using a device according to one of the embodiments, as already explained in connection with FIGS. 1 to 6.
  • a request to change the gear ratio, the impedance or the voltage used for excitation of an electrical equipment 14 is received.
  • This request can come from a higher-level system, for example a control center of an energy supply network operator, or from an on-site control device, such as for example a voltage regulator.
  • a step b at least one relevant parameter is checked and in a step c, the transmission ratio, the impedance or the voltage used for excitation of the electrical equipment is changed 14 by means of the first module 7 or the second module 8 of the tap changer 6 depending on the test of the at least one relevant parameter.
  • Steps b and c are carried out by means of the evaluation unit 13, which controls either the first control unit 11 or the second control unit 12 depending on the test carried out in step b.
  • the relevant parameter can be an amount of deviation of an actual voltage of the electrical equipment 14 from a predetermined target voltage.
  • the actual voltage or the operating medium voltage is measured using the voltage sensor 9 and the measured value is compared with the specified target voltage using the evaluation unit 13.
  • the transmission ratio is changed by means of the second module 8 if the amount of deviation from the target voltage is greater than a step voltage present between two adjacent winding taps of the control winding 3, for example between n and n+1.
  • Another example of a relevant characteristic that can be checked is an amount of deviation of an impedance of the electrical equipment 14 from a predetermined target impedance.
  • the impedance of the electrical equipment 14 is determined based on current values measured with the current sensor 10 and the determined value is compared with a predetermined target impedance by means of the evaluation unit 13.
  • the impedance is changed by means of the second module 8 if the amount of deviation from the target impedance is greater than an impedance acting between two adjacent winding taps n, n+1 of the control winding 3.
  • relevant parameters are the gradient of a required voltage change, the gradient of a required impedance change or the amount of a deviation of an actual voltage in a first inductive arrangement 22 for exciting a second inductive arrangement 23 from a predetermined target voltage.
  • the first module 7 and the second module 8 are alternately actuated until the first module 7 reaches a position has reached, which indicates a new, stationary operating point of a power supply network or a process-driven system, and the second module 8 is in a neutral position in which the partial windings 4 and 5 are bridged, ie at potential, but no current flows through them.
  • the first module 7 is “tightened” in stages.
  • the first module 7 switches one level up (+1) and the second module switches one level down again (- 1 ).
  • the first module 7 switches one step up again (+1) and the second module 8 switches one step down again (-1).
  • the first module 7 is two steps higher than before and the second module 8 is back in its neutral position.
  • FIG 8 what was described above is illustrated in relation to a variable impedance. Shown here is the control range of a tap changer 6, more precisely the reactive power control range. The percentage of the reactive power of the inductive equipment 14 is plotted on the y-axis.
  • the position of the first module 7 of the tap changer 6 can be read on the x-axis, i.e. which winding tap n of the control winding 3 is contacted by the first module 7 of the tap changer 6.
  • the points 28 mark the possible positions that the first module 7 can assume, with the regulation taking place in the steady state range, i.e. every minute.
  • the point 30 represents the stationary operating point, which is set via the first module 7 according to this embodiment.
  • the area extending vertically upwards and downwards from points 28 and 30, which is limited by lines 29, is the control area that the second module 8 covers.
  • the control is carried out quickly by means of the second module 8, namely in the millisecond range, in both directions, so that dynamic fluctuations in the network or in a system can be reacted flexibly and quickly.
  • the fast, but also cost-intensive, semiconductor switching elements do not have to be dimensioned for the entire control range of the tap changer 6, but only for the area that needs to be regulated quickly.
  • FIG. 9 shows a further control range of a tap changer 6, more precisely the reactive power control range, according to a further embodiment of the method.
  • the impedance or the voltage used for excitation by means of the second module 8 are actuated in such a way that the second module 8 assumes a first end position in which the windings of the partial windings 4 and 5 are either both added to the control winding 3 or subtracted from it.
  • the respective end position represents the operating point 30.
  • the entire dynamic control range of the second module 8 is available starting from the operating point 30 in one direction, namely from the first end position to the second end position or vice versa. This version is advantageous for certain network requirements that require the tap changer 6 to react quickly in one direction.
  • the combination of a classic on-load tap changer, a first module, with a power electronic tap changer, a second module enables the realization of a large control range with a cost-effective and space-saving arrangement at high potential.
  • the second module for fast control in the dynamic control range which is more expensive than the first module, can be designed to be optimized for the respective application. Consequently, the second module can only be designed accordingly for that part of the control for which the power electronics-based second module offers an advantage due to its speed of sound.
  • the combined solution is significantly more space-saving than a purely power electronics-based solution.
  • a large degree of flexibility can be achieved with a comparatively small space requirement for network management and furnace operation.

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Abstract

Verfahren zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels (14), das elektrische Betriebsmittel (14) umfassend - zumindest eine Regelwicklung (3) mit Wicklungsanzapfungen (n, n+1) und wenigstens eine Teilwicklung (4, 5), - einen Stufenschalter (6) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14), wobei - der Stufenschalter (6) ein erstes Modul (7) zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) und ein zweites Modul (8) mit Halbleiterschaltelementen zur Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung (4, 5) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Eingang einer Anforderung zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14), - Prüfung wenigstens einer relevanten Kenngröße, - Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14) entweder mittels des ersten Moduls (7) oder mittels des zweiten Moduls (8) in Abhängigkeit von der Prüfung der wenigstens einen relevanten Kenngröße.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ÄNDERN EINES ÜBERSETZUNGSVERHÄLTNISSES, EINER IMPEDANZ ODER EINER ZUR ERREGUNG VERWENDETEN SPANNUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels sowie eine Vorrichtung zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines 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 Minutentakt. 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 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 das Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 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 Lastverhältnisse. 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 einem ersten Aspekt des verbesserten Konzepts wird ein Verfahren zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels angegeben. Das elektrische Betriebsmittel umfasst zumindest eine Stammwicklung, eine Regelwicklung mit Wicklungsanzapfungen und wenigstens eine Teilwicklung. Außerdem umfasst das elektrische Betriebsmittel einen Stufenschalter zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels. Das elektrische Betriebsmittel kann als regelbarer Transformator, insbesondere auch als Phasenschiebertransformator, als regelbare Drossel oder als regelbarer Transformator mit Kondensator ausgebildet sein.
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.
Die wenigstens eine Teilwicklung besitzt eine bestimmte Windungszahl, die bevorzugt größer ist als die größte 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 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 beschälten. 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 Ausführungsform umfasst das zweite Modul wenigstens ein, für den Fall, dass das elektrische Betriebsmittel mehrere Teilwicklungen aufweist, bevorzugt mehrere Untermodule mit Halbleiterschaltelementen. Jedem Untermodul ist wenigstens eine Teilwicklung zugeordnet und jedes Untermodul ist zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der zugeordneten Teilwicklung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Halbleiterschaltelemente jeweils ein antiparallel geschaltetes Thyristor- bzw. IGBT-Paar.
Das Verfahren zum Ändern des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels weist die folgenden Schritte auf: a) Eingang einer Anforderung zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels, b) Prüfung wenigstens einer relevanten Kenngröße, c) Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels entweder mittels des ersten Moduls oder mittels des zweiten Moduls in Abhängigkeit von der Prüfung der wenigstens einen relevanten Kenngröße.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung des elektrischen Betriebsmittels, zum Beispiel die Spannung auf der Primär- oder Sekundärseite eines Transformators, von einer vorgegebenen Sollspannung. Es erfolgt die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollspannung größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung anliegende Stufenspannung ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbarer Transformator ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators, also die Anpassung auf die gewünschte Sollspannung auf der Primäroder Sekundärseite des Transformators, mit dem zweiten Modul durchgeführt, wenn der Betrag der zu regelnden Spannung bzw. der gewünschten Spannungsänderung so groß ist, dass die Änderung durch die Betätigung des ersten Moduls nicht erzielt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Impedanz des elektrischen Betriebsmittels von einer vorgegebenen Sollimpedanz. Es erfolgt die Änderung der Impedanz mittels des zweiten Moduls, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollimpedanz größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung wirkende Impedanz ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbare Drossel ausgebildet. Mit anderen Worten wird also die Änderung der Impedanz der Drossel, also die Anpassung auf die gewünschte Sollimpedanz, mit dem zweiten Modul durchgeführt, wenn der Betrag der zu regelnden Impedanz bzw. die gewünschte Impedanzänderung so groß ist, dass die Änderung durch die Betätigung des ersten Moduls nicht erzielt werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung in einer ersten induktiven Anordnung zur Erregung einer zweiten induktiven Anordnung von einer vorgegeben Sollspannung. Die Ist-Spannung wird zum Beispiel auf der Primärseite der ersten induktiven Anordnung oder der Sekundärseite der zweiten induktiven Anordnung gemessen. Daraufhin erfolgt die Einstellung der zur Erregung verwendeten Spannung der zweiten induktiven Anordnung mittels des zweiten Moduls, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollspannung größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung anliegende Stufenspannung ist.
Gemäß dieser 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.
In dieser Anordnung wird ein Erreger-Transformator, eine erste induktive Anordnung, um einen Booster-Transformator, eine zweite induktive Anordnung, ergänzt. Dadurch ist es insbesondere bei Einheiten mit großer Leistung möglich, die Betriebsparamater des Stufenschalters, Strom und Spannung, flexibler einzustellen.
Mit anderen Worten wird also hier die Einstellung der zur Erregung des Booster-Transformators verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls durchgeführt, wenn der Betrag der gewünschten Spannung zur Erregung des Booster-Transformators so groß ist, dass die Änderung durch die Betätigung des ersten Moduls nicht erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausprägungsform dieser Ausführungsform kann das elektrische Betriebsmittel als Phasenschieber ausgebildet sein und die erste induktive Anordnung als Erreger- Transformator und die zweite induktive Anordnung als Booster-Transformator ausgebildet sein. Das Verfahren kann demnach analog auch für den Betrieb eines Phasenschiebertransformators angewendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße den Gradienten einer geforderten Spannungsänderung. Es erfolgt die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls, wenn der Gradient der geforderten Spannungsänderung größer als ein festgelegter Grenzwert ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbarer Transformator ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators, also die Anpassung auf die gewünschte Sollspannung auf der Primäroder Sekundärseite des Transformators, mit dem zweiten Modul durchgeführt, wenn der Gradient der geforderten Spannungsänderung so hoch ist, beispielsweise eine geforderte Änderungsgeschwindigkeit der Spannung im Millisekundenbereich, dass eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses mit dem ersten Modul nicht schnell genug ausgeführt werden könnte. Dementsprechend liegt der festgelegte Grenzwert beispielsweise bei einer Sekunde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße den Gradienten einer geforderten Impedanzänderung. Es erfolgt die Änderung der Impedanz mittels des zweiten Moduls, wenn der Gradient der geforderten Impedanzänderung größer als ein festgelegter Grenzwert ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbare Drossel ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Änderung der Impedanz der Drossel, also die Anpassung auf die gewünschte Sollimpedanz, mit dem zweiten Modul durchgeführt, wenn der Gradient der geforderten Impedanzänderung so hoch ist, beispielsweise eine geforderte Änderungsgeschwindigkeit der Impendanz im Milliksekundenbereich, dass eine Änderung der Impedanz mit dem ersten Modul nicht schnell genug ausgeführt werden könnte. Dementsprechend liegt der festgelegte Grenzwert beispielsweise bei einer Sekunde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die relevante Kenngröße eine Grundschwingung zuzüglich eines Anteils an Oberwellen einer an dem elektrischen Betriebsmittel anliegenden Spannung. Es erfolgt die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls, wenn der Anteil an Oberwellen größer als ein festgelegter Grenzwert ist.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das elektrische Betriebsmittel als regelbarer Transformator ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators, also die Anpassung auf die gewünschte Sollspannung auf der Primäroder Sekundärseite des Transformators, mit dem zweiten Modul durchgeführt, wenn der Anteil an Oberwellen über der Grundschwingung der an dem Transformator anliegenden Spannung so hoch ist, dass die Oberwellen mit dem ersten Modul nicht mehr ausgeregelt werden können. Die Definition des Grenzwertes ist von der jeweiligen Anlagenkonfiguration und den Netzanschlussbedingungen abhängig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zur Ermittlung des Anteils der Oberwellen über der Grundschwingung der an dem elektrischen Betriebsmittel anliegenden Spannung, bevorzugt der auf der Netzanschlussseite des elektrischen Betriebsmittels anliegenden Spannung, eine Fourieranalyse durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden nach einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls, das erste und das zweite Modul derart betätigt, dass das zweite Modul eine neutrale Stellung einnimmt, 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.
Gemäß einer Ausführungsform werden das erste und das zweite Modul dabei abwechselnd betätigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden das erste und das zweite Modul so lange abwechselnd betätigt, bis das erste Modul eine Stellung erreicht hat, die einen neuen, stationären Arbeitspunkt des Energieversorgungsnetzes angibt, und sich das zweite Modul in der neutralen Stellung befindet.
Mit anderen Worten wird nach einer Schaltung des zweiten Moduls das erste Modul stufenweise nachgezogen, indem das Wicklungsverhältnis durch Umschalten zwischen den Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung mit dem ersten Modul eingestellt und dabei die wenigstens eine Teilwicklung durch stufenweise Betätigung der Halbleiterschaltelemente des zweiten Moduls entsprechend wieder rausgeschaltet wird. Letztlich befindet sich der Stufenschalter dann in einer Position, in der das erste Modul den neuen stationären Arbeitspunkt wieder eingenommen hat und das zweite Modul in der neutralen Stellung steht.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass sich der Stufenschalter dann wieder in einer Ausgangsposition befindet, in der die wenigstens eine Teilwicklung nicht mehr stromdurchflossen ist, sowie dem zweiten Modul ausgehend von der neutralen Stellung wieder der volle Regelbereich in beide Richtungen zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden nach einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls, das erste Modul und das zweite Modul derart betätigt, dass das zweite Modul eine erste Endstellung einnimmt, aus der der gesamte dynamische Regelbereich des zweiten Moduls von der ersten Endstellung in eine zweite Endstellung zur Verfügung steht.
Beispielsweise ist in der ersten Endstellung des zweiten Moduls die wenigstens eine Teilwicklung der Regelwicklung zugeschaltet, d. h. die Windungen der Teilwicklung werden zu der Regelwicklung hinzuaddiert, und in der zweiten Endstellung die Teilwicklung der Regelwicklung gegengeschaltet, d. h. die Windungen der Teilwicklung werden von der Regelwicklung subtrahiert.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass der gesamte Regelbereich des zweiten Moduls für bestimmte Netzanforderungen, die schnelle Reaktion in eine Richtung erfordern, zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrere relevanten Kenngrößen geprüft und hinsichtlich ihrer Relevanz gewichtet. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung erfolgt entweder mittels des ersten Moduls oder mittels des zweiten Moduls in Abhängigkeit von der Prüfung und der Gewichtung der relevanten Kenngrößen.
Gemäß einer Ausführungsform werden das erste Modul und das zweite Modul nicht gleichzeitig betätigt.
Gemäß einem zweiten Aspekt des verbesserten Konzepts wird eine Vorrichtung zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels angegeben. Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen.
Bezüglich der Vorrichtung wird auf die vorangegangenen Erläuterungen, bevorzugten Merkmale, Effekte und/oder Vorteile, wie sie für das Verfahren bereits erläutert worden sind, in analoger Weise Bezug genommen. Auf eine entsprechende Wiederholung wird deshalb verzichtet.
Das elektrische Betriebsmittel weist zumindest eine Stammwicklung, eine Regelwicklung mit Wicklungsanzapfungen, wenigstens eine Teilwicklung und einen Stufenschalter zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels auf.
Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Sensor zur Messung einer an einem geeigneten Messpunkt anliegenden Spannung und/oder wenigstens einen Sensor zur Messung eines an einem geeigneten Messpunkt fließenden Stromes.
Weiterhin weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die zur Ausführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt des verbesserten Konzepts ausgebildet ist. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Stufenschalter 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 erste Modul umfasst eine erste Steuereinheit und das zweite Modul eine zweite Steuereinheit. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die erste Steuereinheit und die zweite Steuereinheit zu betätigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Modul als Laststufenschalter zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen den 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 beschälten. Der Lastumschalter weist für die eigentliche Lastumschaltung mechanische Schaltkontakte, beispielsweise Vakuumschaltröhren auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Steuereinheit als Motorantrieb ausgebildet, der die Wählerkontakte und die Schaltkontakte des Laststufenschalters betätigt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das zweite Modul wenigstens ein, für den Fall, dass das elektrische Betriebsmittel mehrere Teilwicklung aufweist, bevorzugt mehrere Untermodule mit Halbleiterschaltelementen. Jedem Untermodul ist wenigstens eine Teilwicklung zugeordnet und jedes Untermodul ist zur schnellen Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der zugeordneten Teilwicklung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Steuereinheit dazu ausgebildet, das wenigstens eine oder die mehreren Untermodule bzw. deren zugeordneten Halbleiterschaltelemente in geeigneter Weise zu betätigen, derart, dass die wenigstens eine oder die mehreren Teilwicklungen schnell der Regelwicklung zu- oder gegengeschaltet werden oder überbrückt werden.
Die zweite Steuereinheit ist beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet.
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
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 3 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 4 eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 5 eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 6 eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 7 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept;
Figur 8 einen Regelbereich eines Stufenschalters in einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept;
Figur 9 einen weiteren Regelbereich eines Stufenschalters in einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept.
In Figur 1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 1 gemäß dem verbesserten Konzept in einer schematischen Darstellung gezeigt.
Die Vorrichtung 1 dient zum Ändern des Übersetzungsverhältnisses eines elektrischen Betriebsmittels 14, das hier als regelbarer Transformator einphasig ausgebildet ist. Der regelbare Transformator 14 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 größte 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 14 einen Stufenschalter 6 zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des T ransformators 14 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 Figur 1 jedoch stark vereinfacht dargestellt.
Das zweite Modul 8 weist bevorzugt zwei Untermodule mit Haltleiterschaltelementen, zum Beispiel antiparallel geschalteten Thyristor- bzw. IGBT-Paaren, auf. Jedem Untermodul ist jeweils eine Teilwicklung 4 oder 5 zugeordnet und jedes Untermodul ist dazu ausgebildet, mittels der 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. Zur besseren Übersichtlichkeit ist auch das zweite Modul 8 in Figur 1 stark vereinfacht dargestellt.
Die Vorrichtung 1 weist zudem einen Spannungssensor 9 und einen Stromsensor 10 auf. Der Spannungssensor 9 ist hier beispielsweise an dem Hochspannungsterminal der Stammwicklung 2 angeordnet und dazu ausgebildet, die Betriebsmittelspannung bzw. Ist- Spannung zu messen. Der Stromsensor 10 ist zwischen dem zweiten Modul 8 und einer Lastableitung 15 angeordnet und dazu ausgebildet, den zwischen dem zweiten Modul 8 und der Lastableitung 15 fließenden Strom zu messen.
Das erste Modul 7 umfasst eine erste Steuereinheit 11 , die bevorzugt als Motorantrieb ausgebildet ist, der den Wähler und den Lastumschalter mechanisch, beispielsweise über einen Antriebsstrang mit Getriebe, betätigt.
Das zweite Modul 8 wird von einer zweiten Steuereinheit 12 gesteuert. Die zweite Steuereinheit 12 ist dazu ausgebildet, die zwei Untermodule bzw. deren zugeordneten Halbleiterschaltelemente in geeigneter Weise zu betätigen, derart, dass die zwei Teilwicklungen 4 und 5 schnell zur Regelwicklung 3 zu- oder gegengeschaltet, oder überbrückt werden. Die zweite Steuereinheit 12 ist zum Beispiel als Mikrokontroller oder als IGBT-Treiber ausgebildet.
Die erste Steuereinheit 11 und die zweite Steuereinheit 12 werden von einer Auswerteeinheit 13 in Abhängigkeit voneinander betätigt.
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Bezüglich der Vorrichtung 1 aus der Figur 2 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu der Vorrichtung aus Figur 1 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der Vorrichtung aus Figur 1 eingegangen.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ändern der Impedanz eines elektrischen Betriebsmittels 14, das hier als regelbare Drossel ausgebildet ist. Derartige Anordnungen werden zur Blindleistungsregelung im Energieversorgungsnetz eingesetzt. Die regelbare Drossel 14 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 A der 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 14 erhöht. Mit der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wird die Aufnahme von Blindleistung aus dem Netz geregelt.
In Figur 3 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Bezüglich der Vorrichtung 1 aus der Figur 3 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu der Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ändern des Übersetzungsverhältnisses eines elektrischen Betriebsmittels 14, das hier als regelbarer T ransformator 14 mit zugeschaltetem Kondensator 18 ausgebildet ist. Mit der Vorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform wird die Einspeisung von kapazitiver Blindleistung in das Netz geregelt. Der regelbare Transformator 14 kann beispielsweise eine Serienwicklung 19, eine Regelwicklung 3 und eine Stammwicklung 2 mit Lastableitung 15 umfassen. Der Kondensator 18 ist zwischen dem ersten Modul 7 und dem zweiten Modul 8 des Stufenschalters 6 angeordnet.
In Figur 4 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt, die ebenso wie Figur 3 eine Vorrichtung 1 zum Ändern des Übersetzungsverhältnisses eines elektrischen Betriebsmittels 14 zeigt, das als regelbarer Transformator 14 mit zugeschaltetem Kondensator 18 ausgebildet ist. Deshalb wird auch hier auf die vorangegangenen Erläuterungen zu der Vorrichtung aus den Figuren 1 , 2 und 3 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
Bei dieser Ausführungsform umfasst der regelbare Transformator 14 eine Stammwicklung 2, eine Regelwicklung 3 mit n Wicklungsanzapfungen, zwei Teilwicklungen 4 und 5 sowie eine zusätzliche Grobstufenwicklung 16 mit einem Grobstufenregler 17. Ein Kondensator 18 zur Einsteuerung von kapazitiver Blindleistung in das Energieversorgungsnetz ist in einer elektrischen Leitung 20 angeordnet, die zwischen der Stammwicklung 2 und der Grobstufenwicklung 16 abzweigt und in einer Lastableitung 15 endet.
In Figur 5 ist eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Bezüglich der Vorrichtung 1 aus der Figur 5 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu der Vorrichtung aus den Figuren 1 , 2, 3 und 4 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
Figur 5 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Ändern der zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels 14, die beispielsweise bei Lichtbogenofenanwendungen zum Einsatz kommt. Das elektrische Betriebsmittel 14 besteht hier aus einer ersten induktiven Anordnung 22, die als Erreger-Transformator ausgebildet ist, und einer zweiten induktiven Anordnung 23, die als Booster-Transformator ausgebildet ist. Der Erreger-Transformator 22 umfasst eine Stammwicklung 2, eine Regelwicklung 3 mit n Wicklungsanzapfungen sowie zwei Teilwicklungen 4 und 5. Der Booster-Transformator 23 weist eine Primärwicklung 24 und eine Sekundärwicklung 25 auf, wobei sekundärseitig ein Lichtbogenofen 21 angeordnet ist. Die Regelwicklung 3 des Erreger-Transformators 22 ist mit der Primärwicklung 24 des Booster-Transformators 23 elektrisch leitend verbunden. Über den Stufenschalter 6 wird bei dieser Ausführungsform die Spannung des Erreger-Transformators 22 geregelt, die zur Erregung des Booster-Transformators 23 genutzt wird. Je nachdem, ob im Steady-State-Bereich oder im dynamischen Bereich geregelt wird, kommt das erste Modul 7 oder das zweite Modul 8 zum Einsatz.
In Figur 6 ist eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Bezüglich der Vorrichtung 1 aus der Figur 6 wird auf die vorangegangenen Erläuterungen zu der Vorrichtung aus den Figuren 1 , 2, 3, 4 und 5 in analoger Weise Bezug genommen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
Figur 6 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zum Ändern der zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels 14, wie sie beispielsweise bei Lichtbogenofenanwendungen zum Einsatz kommt. Auch hier besteht das elektrische Betriebsmittel 14 aus einer ersten induktiven Anordnung 22, die als Erreger-Transformator ausgebildet ist, und einer zweiten induktiven Anordnung 23, die als Booster-Transformator ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform weist der Erreger-Transformator 22 eine Primärwicklung 26 und eine Sekundärwicklung 27 und der Booster-Transformator 23 eine Regelwicklung 24 auf der Primärseite auf. Die Sekundärwicklung 27 des Erreger-Transformators 22 ist elektrisch leitend mit der Regelwicklung 24 bzw. mit der Primärseite des Booster-Transformators 23 verbunden. An der Regelwicklung 24 des Booster-Transformators 23 wird mittels des Stufenschalters 6 die durch den Erreger-Transformator 22 in dem Booster-Transformator 23 erregte Spannung geregelt.
Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm einer vorteilhaften Ausführungsform eines Verfahrens gemäß dem verbesserten Konzept. Das Verfahren wird mit einer Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 erläutert wurden, durchgeführt. In einem Schritt a erfolgt der Eingang einer Anforderung zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels 14. Diese Anforderung kann von einem übergeordneten System eingehen, beispielsweise einer Leitstelle eines Energieversorgungsnetzbetreibers, oder von einer Steuereinrichtung vor Ort, wie zum Beispiel einem Spannungsregler. In einem Schritt b erfolgt daraufhin die Prüfung von wenigstens einer relevanten Kenngröße und in einem Schritt c die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels 14 mittels des ersten Moduls 7 oder des zweiten Moduls 8 des Stufenschalters 6 in Abhängigkeit von der Prüfung der wenigstens einen relevanten Kenngröße.
Die Schritte b und c werden mittels der Auswerteeinheit 13 durchgeführt, welche in Abhängigkeit von der in Schritt b erfolgten Prüfung entweder die erste Steuereinheit 1 1 oder die zweite Steuereinheit 12 ansteuert.
In Schritt b können verschiedene relevante Kenngrößen geprüft werden. Beispielsweise kann die relevante Kenngröße ein Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung des elektrischen Betriebsmittels 14 von einer vorgegebenen Sollspannung sein. Dafür wird die Ist- Spannung bzw. die Betriebsmittelspannung mittels des Spannungssensors 9 gemessen und der gemessene Wert mittels der Auswerteeinheit 13 mit der vorgegebenen Sollspannung verglichen. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Moduls 8, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollspannung größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung 3, beispielsweise zwischen n und n+1 , anliegende Stufenspannung ist. Ein weiteres Beispiel für eine relevante Kenngröße, die überprüft werden kann, ist ein Betrag einer Abweichung einer Impedanz des elektrischen Betriebsmittels 14 von einer vorgegebenen Sollimpedanz. Dafür wird die Impedanz des elektrischen Betriebsmittels 14 basierend auf mit dem Stromsensor 10 gemessenen Stromwerten ermittelt und der ermittelte Wert mittels der Auswerteeinheit 13 mit einer vorgegebenen Sollimpedanz verglichen. Die Änderung der Impedanz erfolgt dann mittels des zweiten Moduls 8, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollimpedanz größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen n, n+1 der Regelwicklung 3 wirkende Impedanz ist. Weitere Beispiele für relevante Kenngrößen sind der Gradient einer geforderten Spannungsänderung, der Gradient einer geforderten Impedanzänderung oder der Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung in einer ersten induktiven Anordnung 22 zur Erregung einer zweiten induktiven Anordnung 23 von einer vorgegebenen Sollspannung.
Ist die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls 8 erfolgt, werden daraufhin gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens das erste Modul 7 und das zweite Modul 8 abwechselnd so lange betätigt, bis das erste Modul 7 eine Stellung erreicht hat, die einen neuen, stationären Arbeitspunkt eines Energieversorgungsnetzes oder eines prozessgetriebenen Systems angibt, und sich das zweite Modul 8 in einer neutralen Stellung befindet, in der die Teilwicklungen 4 und 5 gebrückt, d. h. auf Potential , aber nicht stromdurchflossen sind. Mit anderen Worten wird nach einer Schaltung des zweiten Moduls 8 das erste Modul 7 stufenweise „nachgezogen“. Schaltet beispielsweise das zweite Modul 8 aus der neutralen Stellung (0) zwei Stufen nach oben (+2), schaltet in einem nächsten Schritt das erste Modul 7 eine Stufe nach oben (+1 ) und das zweite Modul wieder eine Stufe nach unten (-1 ). In einem darauffolgenden Schritt schaltet das erste Modul 7 nochmals eine Stufe nach oben (+1 ) und das zweite Modul 8 nochmals eine Stufe nach unten (-1 ). Schließlich steht das erste Modul 7 zwei Stufen höher als vorher und das zweite Modul 8 wieder in seiner neutralen Stellung. Durch das beschriebenen „Nachziehen“ des ersten Moduls 7 hat das erste Modul 7 eine neuen, stationären Arbeitspunkt eingestellt. Ausgehend von der neutralen Stellung steht dem zweiten Modul 8 wieder der volle Regelbereich nach oben bzw. unten zur Verfügung.
In Figur 8 ist das zuvor Beschriebene in Bezug auf eine veränderliche Impedanz veranschaulicht dargestellt. Gezeigt ist hier der Regelbereich eines Stufenschalters 6, genauer der Blindleistungsregelbereich. Auf der y-Achse ist der prozentuale Anteil der Blindleistung des induktiven Betriebsmittels 14 angetragen. An der x-Achse ist die Stellung des ersten Moduls 7 des Stufenschalters 6 ablesbar, also welche Wicklungsanzapfung n der Regelwicklung 3 durch das erste Modul 7 des Stufenschalters 6 kontaktiert wird. Die Punkte 28 markieren dabei die möglichen Stellungen, die das erste Modul 7 einnehmen kann, wobei die Regelung im Steady-State- Bereich, also im Minutentakt erfolgt. Der Punkt 30 stellt den stationären Arbeitspunkt dar, der gemäß dieser Ausführungsform über das erste Modul 7 eingestellt wird. Der ausgehend von den Punkten 28 bzw. 30 sich senkrecht nach oben und nach unten erstreckende Bereich, der begrenzt wird durch die Linien 29, ist der Regelbereich, den das zweite Modul 8 abdeckt. In diesem durch die Linien 29 begrenzten Bereich erfolgt die Regelung mittels des zweiten Moduls 8 schnell, nämlich im Millisekundenbereich, und zwar in beide Richtungen, sodass flexibel und schnell auf dynamische Schwankungen im Netz oder in einer Anlage reagiert werden kann. Somit müssen die schnellen, jedoch auch kostenintensiven Halbleiterschaltelemente nicht für den gesamten Regelbereich des Stufenschalters 6 dimensioniert werden, sondern nur für den Bereich, der schnell geregelt werden muss.
In Figur 9 ist eine weiterer Regelbereich eines Stufenschalters 6, genauer der Blindleistungsregelbereich gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform werden nach einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls 8, das erste Modul 7 und das zweite Modul 8 derart betätigt, dass das zweite Modul 8 eine erste Endstellung einnimmt, in der die Windungen der Teilwicklungen 4 und 5 entweder beide zu der Regelwicklung 3 hinzuaddiert, oder von dieser subtrahiert werden. Die jeweilige Endstellung bildet bei dieser Ausführungsform den Arbeitspunkt 30 ab. Je nachdem welcher Fall zutrifft, steht der gesamte dynamische Regelbereich des zweiten Moduls 8 ausgehend von dem Arbeitspunkt 30 in eine Richtung, nämlich von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung oder umgekehrt, zur Verfügung. Diese Ausführung ist vorteilhaft für bestimmte Netzanforderungen, die eine schnelle Reaktion des Stufenschalters 6 in eine Richtung erfordern.
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 Schallgeschwindigkeit 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 Vorrichtung
2 Stammwicklung
3 Regelwicklung
4 erste Teilwicklung
5 zweite Teilwicklung
6 Stufenschalter
7 erstes Modul von 6
8 zweites Modul von 6
9 Spannungssensor
10 Stromsensor
11 erste Steuereinheit
12 zweite Steuereinheit
13 Auswerteeinheit
14 elektrisches Betriebsmittel
15 Lastableitung
16 Grobstufenwicklung
17 Grobstufenregler
18 Kondensator
19 Serienwicklung
20 elektrische Leitung
21 Lichtbogenofen
22 erste induktive Anordnung
23 zweite induktive Anordnung
24 Primärwicklung bzw. Regelwicklung von 23
25 Sekundärwicklung von 23
26 Primärwicklung von 22 27 Sekundärwicklung von 22
28 Punkte
29 Linien A erstes Ende von 16
B zweites Ende von 16 n-1 , n, ... n+4 Wicklungsanzapfungen

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels (14), das elektrische Betriebsmittel (14) umfassend
- zumindest eine Regelwicklung (3) mit Wicklungsanzapfungen (n, n+1 ) und wenigstens eine Teilwicklung (4, 5), einen Stufenschalter (6) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14), wobei
- der Stufenschalter (6) ein erstes Modul (7) zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen (n, n+1 ) der Regelwicklung (3) und ein zweites Modul (8) mit Halbleiterschaltelementen zur Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung (4, 5) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Eingang einer Anforderung zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14),
Prüfung wenigstens einer relevanten Kenngröße, Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14) entweder mittels des ersten Moduls (7) oder mittels des zweiten Moduls (8) in Abhängigkeit von der Prüfung der wenigstens einen relevanten Kenngröße.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
- die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14) von einer vorgegebenen Sollspannung umfasst, die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls (8) erfolgt, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollspannung größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen (n, n+1 ) der Regelwicklung (3) anliegende Stufenspannung ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, wobei - die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Impedanz des elektrischen Betriebsmittels (14) von einer vorgegebenen Sollimpedanz umfasst, die Änderung der Impedanz mittels des zweiten Moduls erfolgt (8), wenn der Betrag der Abweichung von der Sollimpedanz größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) wirkende Impedanz ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei
- die relevante Kenngröße einen Betrag einer Abweichung einer Ist-Spannung in einer ersten induktiven Anordnung (22) zur Erregung einer zweiten induktiven Anordnung (23) von einer vorgegebenen Sollspannung umfasst,
- die Einstellung der zur Erregung verwendeten Spannung der zweiten induktiven Anordnung (23) mittels des zweiten Moduls (8) erfolgt, wenn der Betrag der Abweichung von der Sollspannung größer als eine zwischen zwei benachbarten Wicklungsanzapfungen (n, n+1 ) der Regelwicklung (3, 24) anliegende Stufenspannung ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, wobei
- die relevante Kenngröße den Gradienten einer geforderten Spannungsänderung umfasst,
- die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls (8) erfolgt, wenn der Gradient der geforderten Spannungsänderung größer als ein festgelegter Grenzwert ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei
- die relevante Kenngröße den Gradienten einer geforderten Impedanzänderung umfasst,
- die Änderung der Impedanz mittels des zweiten Moduls (8) erfolgt, wenn der Gradient der geforderten Impedanzänderung größer als ein festgelegter Grenzwert ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei
- die relevante Kenngröße eine Grundschwingung zuzüglich eines Anteils an Oberwellen einer an dem elektrischen Betriebsmittel (14) anliegenden Spannung umfasst, die Änderung des Übersetzungsverhältnisses mittels des zweiten Moduls (8) erfolgt, wenn der Anteil an Oberwellen größer als ein festgelegter Grenzwert ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei
- zur Ermittlung des Anteils der Oberwellen über der Grundschwingung der an dem elektrischen Betriebsmittel (14) anliegenden Spannung eine Fourierana- lyse durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, wobei
- nach einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls (8),
- das erste Modul (7) und das zweite Modul (8) derart betätigt werden, dass das zweite Modul (8) eine neutrale Stellung einnimmt, in der die wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) gebrückt ist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, wobei
- nach einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung mittels des zweiten Moduls (8),
- das erste Modul (7) und das zweite Modul (8) derart betätigt werden, dass das zweite Modul (8) eine erste Endstellung einnimmt, aus der der gesamte Regelbereich des zweiten Moduls in eine zweite Endstellung zur Verfügung steht.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, wobei mehrere relevante Kenngrößen geprüft werden,
- die Kenngrößen hinsichtlich ihrer Relevanz gewichtet werden,
- die Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung entweder mittels des ersten Moduls (7) oder mittels des zweiten Moduls (8) in Abhängigkeit von der Prüfung und der Gewichtung der relevanten Kenngrößen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei
- das erste Modul (7) und das zweite Modul (8) nicht gleichzeitig betätigt werden.
13. Vorrichtung (1) zum Ändern eines Übersetzungsverhältnisses, einer Impedanz oder einer zur Erregung verwendeten Spannung eines elektrischen Betriebsmittels (14), wobei das elektrische Betriebsmittel (14) zumindest eine Regelwicklung (3) mit Wicklungsanzapfungen (n, n+1), wenigstens eine Teilwicklung (4, 5) und einen Stufenschalter (6) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses, der Impedanz oder der zur Erregung verwendeten Spannung des elektrischen Betriebsmittels (14) aufweist, die Vorrichtung (1) umfassend
- wenigstens einen Sensor (9) zur Messung einer an einem geeigneten Messpunkt anliegenden Spannungen, und/oder
- wenigstens einen Sensor (10) zur Messung eines an einem geeigneten Messpunkt fließenden Stromes, eine Auswerteeinheit (13), die zur Ausführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
14. Vorrichtung (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- der Stufenschalter (6) ein erstes Modul (7) zur Beschaltung der Wicklungsanzapfungen (n, n+1) der Regelwicklung (3) und ein zweites Modul (8) mit Halbleiterschaltelementen zur Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der wenigstens einen Teilwicklung (4, 5) umfasst,
- das erste Modul (7) eine erste Steuereinheit (11) umfasst,
- das zweite Modul (8) eine zweite Steuereinheit (12) umfasst, wobei
- die Auswerteeinheit (13) dazu ausgebildet ist, die erste Steuereinheit (11 ) und die zweite Steuereinheit (12) zu betätigen.
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