DE102012108363A1

DE102012108363A1 - Verfahren zum Ändern der Spannung in einem einphasigen Stromnetz und Transformatorschaltung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012108363A1
Application number: DE201210108363
Authority: DE
Inventors: Andreas Averberg; Dr. Wallmeier Peter
Original assignee: AEG Power Solutions GmbH
Current assignee: AEG Power Solutions GmbH
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ändern der sinusförmigen Spannung in einem einphasigen Stromnetz gegenüber einer Nennspannung – mittels eines ersten Transformators (1), der wenigstens zwei Primärwicklungen (11, 12) und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt (L11) eines Außenleiters (L1) und einen zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) angeordnete Sekundärwicklung (13) aufweist, und – mittels wenigstens zwei ersten steuerbaren Schaltern (2, 3), – wobei mit den ersten Schaltern (2, 3) wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt des Außenleiters (L1) und einem Neutralleiter (N) des Stromnetzes geschaltet wird und – wobei durch das Schalten des Strompfades ein Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) fließt, der eine Spannung in der Sekundärwicklung (13) des ersten Transformators (1) induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter ändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ändern der Spannung in einem Stromnetz gegenüber einer Nennspannung

– mittels eines ersten Transformators, der wenigstens zwei Primärwicklungen und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt eines Außenleiters und einen zweiten Abschnitt des Außenleiters angeordnete Sekundärwicklung aufweist, und
– mittels wenigstens zwei ersten steuerbaren Schaltern und wenigstens einem zweiten steuerbaren Schalter,
– wobei wenigstens eine von den Primärwicklungen des ersten Transformators mit den ersten Schaltern in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt des Außenleiters und einem Neutralleiter des Stromnetzes geschaltet wird und
– wobei durch das Schalten des Strompfades Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen des ersten Transformators fließt, was eine Spannung in der Sekundärwicklung des ersten Transformators induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter ändert
– wobei die Primärwicklung mittels des zweiten Schalters kurzgeschlossen wird, wenn die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter gegenüber einer Nennspannung unverändert bleiben soll.

Die Erfindung betrifft ferner eine Transformatorschaltung zum Durchführen des Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in der Druckschrift DE 10 2009 014 243 A1 offenbart. Mit dem Verfahren ist es möglich, die Spannung in einem Stromnetz zu ändern, ohne dass der Strom im Stromnetz unterbrochen werden muss. Dazu wird die mit dem Verfahren die Spannung in einem Außenleiter geändert. Da Stromnetze in der Regel dreiphasig sind, wird das Verfahren für jeden Außenleiter angewendet, um die Spannung in dem Außenleiter zu ändern.
Die Änderung der Spannung erfolgt dadurch, dass durch die in der Sekundärspule induzierte Spannung die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter erhöht oder herabgesetzt wird. Zu der Spannung zwischen dem ersten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter kommt die über der Sekundärwicklung abfallenden Spannung hinzu, um die Spannung im zweiten Abschnitt gegenüber dem Neutralleiter zu erhalten. Das Potential des zweiten Abschnitts ist also gegenüber dem Potential des ersten Abschnitts um den Spannungsabfall über der Sekundärwicklung verschoben.
Die Änderung der Spannung ist nur um diskrete Werte möglich. Durch das Ändern der Strompfade wird das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators geändert. Sind die zweiten Schalter geschlossen, ist die Primärseite des ersten Transformators kurzgeschlossen. Es wird dann kein Strom transformiert. Eine Änderung der Spannung im zweiten Abschnitt des Außenleiters findet dann nicht statt. Ist wenigstens einer der zweiten Schalter geöffnet, wird das Übersetzungsverhältnis durch die Stellung der ersten Schalter bestimmt.
Eine kontinuierliche Änderung der effektiven Spannung ist nicht möglich. Zwar kann man die Schaltung, mit der das Verfahren durchgeführt wird, so gestalten, dass ein feinstufiges Umschalten zwischen diskreten Spannungsstufen möglich ist. Dazu ist aber eine große Anzahl von Primärspulen und ersten steuerbaren Schaltern notwendig, damit das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators auch in kleinen Schritten geändert werden kann. Das ist sehr aufwändig.
Es sind allerdings viele Anwendungen denkbar, bei denen ein feinstufiges oder sogar ein kontinuierliches Ändern der Spannung notwendig oder wünschenswert ist.
Eine Anwendung, für die man sich ein möglichst kontinuierliches Ändern der Spannung wünscht, ist eine Einstellung der Spannung in einem Ortsnetz, so wie es auch schon in dem Dokument DE 10 2009 014 243 A1 beschrieben worden ist.
Auch in der Zeitschrift etz, Heft 4/2012 ist unter der Überschrift „Intelligente Ortsnetzstationen als Alternative zum Netzausbau" das Bedürfnis der Änderbarkeit der Spannung in einem Ortsnetz beschrieben.
Der Wunsch nach einer Änderung einer Spannung ist aber nicht nur in Bezug auf Ortsnetze bekannt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren zum (unterbrechungsfreien) Ändern der Spannung in einem Stromnetz so weiter zu entwickeln, dass eine feinstufige oder kontinuierliche Einstellung der Effektivspannung möglich ist, ohne dass eine große Zahl von Schaltern oder Spulen erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens einer der ersten steuerbaren Schalter während aufeinanderfolgender periodischer Takte geschlossen und/oder geöffnet wird, um die induzierte Spannung zu modulieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass der erste steuerbare Schalter und der zweite steuerbare Schalter während aufeinanderfolgender periodischer Takte geschlossen und/oder geöffnet werden, um die induzierte Spannung zu modulieren.
Fände keine Modulation statt, wird in der Sekundärwicklung wie bei dem Stand der Technik eine sinusförmige Spannung induziert. Diese Spannung wird durch das Schalten moduliert. Modulation im Sinne der Anmeldung bedeutet, dass die Amplitude, die Kreisfrequenz oder der Nullphasenwinkel der induzierten Spannung zeitabhängig ist.
Erfindungsgemäß wird durch das Schießen und Öffnen der Schalter während eines periodischen Taktes das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators verändert, was die Modulation der in der Sekundärspule induzierten Spannung zur Folge hat. Die Modulation der induzierten Spannung führt zu einer Änderung der Herabsetzung oder Erhöhung der Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter. Das macht sich in einem geänderten Effektivwert der Spannung des zweiten Abschnitts des Außenleiters gegenüber dem Neutralleiter bemerkbar.
Erfindungsgemäß kann während wenigstens eines ersten Zeitintervalls innerhalb des Taktes in der Sekundärwicklung eine Spannung mit einem ersten Effektivwert und während wenigstens eines zweiten Zeitintervalls innerhalb des Taktes in der Sekundärwicklung eine Spannung mit einem zweiten Effektivwert induziert werden, wobei sich der erste Effektivwert und der zweite Effektivwert voneinander unterscheiden. Das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall können in Summe den ganzen Takt andauern.
Es ist aber auch denkbar, dass weitere Zeitintervalle innerhalb des Taktes vorgesehen sind, in denen in der Sekundärwicklung Spannungen mit andere Effektivwerten induziert werden.
Die Modulation kann während mehrer periodischer Takte erfolgen. Die Berechnung des Effektivwertes der Spannung des zweiten Abschnitts des Außenleiters gegenüber dem Neutralleiter erfolgt zumindest über einen Takt. Bei der Berechnung des Effektivwertes der in der Sekundärwicklung induzierten Spannung wird dagegen nur das erste, zweite bzw. eines der weiteren Zeitintervalle betrachtet.
Gemäß der Erfindung kann die Taktlänge der Länge einer Periode der Spannung im Stromnetz entsprechen. Takt und Netzperiode entsprechen also einander. Das erste, das zweite und ggf. ein weiteres Zeitintervall haben dann in der Summe die Länge der Periode.
Die Modulation erfolgt dann innerhalb einer Periode der Netzspannung. Die Modulation kann in folgenden Perioden der Netzspannung unverändert fortgesetzt werden. Die Modulation kann von Periode der Netzspannung zu Periode der Netzspannung verändert werden. Ebenso ist es möglich, dass keine Modulation erfolgt.
Der erste steuerbare Schalter oder der zweite steuerbare Schalter, der geschlossen wird, kann gemäß der Erfindung nur während eines einzigen ersten, eines einzigen zweiten oder ggf. eines einzigen weiteren Zeitintervalls geschlossen sein. Es ist möglich, dass einer der Schalter während der gesamten Periode der Spannung im einphasigen Stromnetz geschlossen wird.
Die Schalter können durch eine Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung gesteuert werden. Vorteilhaft wird während einer Periode ein Schalter zum Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt gesteuert, während einer der übrigen Schalter während der gesamten Periode geschlossen bleibt. In einer anderen Periode kann wenigstens ein anderer Schalter zum Phasenanschnitt oder Phasenabschnitt gesteuert werden, während einer der übrigen Schalter während der gesamten Periode geschlossen bleibt.
Die Schalter können in primärseitiger Spannungsfolgesteuerung betrieben werden, wie sie für die Sekundärseite eines Transformators in dem Buch „Thyristorised Power Controllers" von G. K. Dubey, S. R. Doradla, A. Joshi und R. M. K. Sinha im Abschnitt 5.1.4 beschrieben ist.
Gemäß der Erfindung ist es ebenso möglich, dass die Taktlänge der Länge mehrerer Perioden der Spannung im Stromnetz entspricht. Der periodische Takt kann beispielsweise 2, 5, 10, 25 oder 50 Perioden der Netzspannung entsprechen. Der periodische Takt ist vorteilhaft ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Netzspannung. Das erste, das zweite und ggf. ein weiteres Zeitintervall haben dann in der Summe die Länge des Taktes.
Die Modulation erfolgt dann innerhalb eines Taktes. Die Modulation kann in folgenden Takten unverändert fortgesetzt werden. Die Modulation kann von Takt zu Takt verändert werden. Ebenso ist es möglich, dass keine Modulation erfolgt.
Der ersten steuerbaren Schalter oder der zweite steuerbare Schalter, der geschlossen wird, kann gemäß der Erfindung nur während eines einzigen ersten, eines einzigen zweiten oder eines einzigen dritten Zeitintervalls geschlossen sein. Es ist möglich, dass einer oder mehrere der Schalter während des gesamten Taktes geschlossen wird bzw. werden.
Die Schalter können durch eine Schwingungspaketsteuerung gesteuert werden. Das erste, zweite oder jedes weitere Zeitintervall umfassen dann eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der Netzspannung.
Vorteilhaft wird während eines ersten Zeitintervalls ein Schalter geschlossen, während einer der übrigen Schalter während des gesamten periodischen Taktes geschlossen bleibt. In einem anderen periodischen Takt kann wenigstens ein anderer Schalter nur im ersten Zeitintervall geschlossen bleiben, während einer der übrigen Schalter während des gesamten periodischen Taktes geschlossen bleibt.
Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele sind anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Darin zeigen
1 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Transformatorschaltung,
2 einen ersten Verlauf einer in einer Sekundärwicklung induzierten Spannung in idealisierter Darstellung,
3 einen zweiten Verlauf einer in einer Sekundärwicklung induzierten Spannung in idealisierter Darstellung,
4 einen dritten Verlauf einer in einer Sekundärwicklung induzierten Spannung in idealisierter Darstellung und
5 einen vierten Verlauf einer in einer Sekundärwicklung induzierten Spannung in idealisierter Darstellung.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Transformatorschaltung weist einen ersten Transformator 1 mit einer ersten Primärwicklung 11, einer zweiten Primärwicklung 12 und einer Sekundärwicklung 13 auf.
Die beiden Primärwicklungen haben je zwei Anschlüsse 111, 112, 121, 122.
Ein erster Anschluss 111 der ersten Primärwicklung 11 ist mit einem Punkt P1 elektrisch verbunden.
Ein zweiter Anschluss 112 der ersten Primärwicklung 11 ist mit einem ersten Anschluss 121 der zweiten Primärwicklung in einem Punkt P2 elektrisch verbunden.
Ein zweiter Anschluss 122 der zweiten Primärwicklung ist mit einem Neutralleiter N eines Stromnetzes verbunden.
Die Primärwicklungen haben vom ersten Anschluss 111, 121 zum zweiten Anschluss 112, 122 einen gleichen Wicklungssinn. Der Wicklungssinn könnte aber auch entgegengesetzt sein.
Die Primärwicklungen können durch eine Wicklung mit einer Anzapfung zwischen den Enden der Wicklung gebildet sein. Die Anzapfung ist dann mit dem Punkt P2 verbunden. Der Transformator 1 kann auch mehr als zwei Primärwicklungen aufweisen, die dann auch durch weitere Anzapfungen einer Wicklung realisiert sein können.
Die Punkte P1 und P2 sind über je einen ersten steuerbaren bidirektionalen Schalter 2, 3, insbesondere Leistungssteller, zum Beispiel antiparallel geschaltete Thyristoren, mit einem ersten Abschnitt L11 eines Außenleiters L1 des Stromnetzes elektrisch leitend verbunden.
Der Punkt P1 ist außerdem über einen bidirektionalen Schalter 4, der zum Beispiel aus IGBTs aufgebaut sein kann, mit dem Neutralleiter N verbunden.
Neben dem ersten Abschnitt L11 weist der Außenleiter L1 auch einen zweiten Abschnitt L12 auf. Die beiden Abschnitte L11, L12 sind über die Sekundärwicklung des ersten Transformators miteinander verbunden.
Ferner weist die Transformatorschaltung eine Steuerung 5 auf, welche die ersten steuerbaren Schalter 2, 3 und den zweiten steuerbaren Schalter 4 im Betrieb der Schaltung ansteuert.
Die Transformatorschaltung ist mit einem Ortsnetztransformator 6 eines Stromversorgungsnetzes verbunden. Der Ortsnetztransformator 6 verbindet ein Netz der Mittelspannungsebene und ein Netz der Niederspannungsebene. Die erfindungsgemäße Transformatorschaltung und der Ortsnetztrafo 6 sind zu einer erfindungsgemäßen Transformatorstation zusammengefasst. Die erfindungsgemäße Transformatorschaltung ist an die Sekundärseite des Ortsnetztransformators 6 angeschlossen.
Stromnetze sind in der Regel dreiphasig. Mit der erfindungsgemäßen Transformatorschaltung wird dagegen die Spannung eines Außenleiters erhöht. Um die Spannung der drei Außenleiter des Stromnetzes anpassen zu können, sind drei erfindungsgemäße Transformatorschaltungen an die Sekundärseite des Ortsnetztransformators 6, um die Spannung in jedem Außenleiter ändern zu können. Vorstehend und nachfolgend ist eine Transformatorsschaltung zur Änderung der Spannung in einem Außenleiter beschrieben. Die Beschreibung kann aber auf die Änderung der Spannung in den anderen Außenleitern des Stromnetzes sekundärseitig des Ortsnetztransformators 6 übertragen werden.
Durch ein Schließen des ersten Schalters 2 bei gleichzeitig geöffnetem ersten Schalter 3 ist ein Strompfad vom ersten Abschnitt L11 des Außenseiters L1 zum Neutralleiter N durch beide Primärspulen 11, 12 geschaltet. Ist dagegen der erste Schalter 3 geschlossen, ist ein Strompfad vom ersten Abschnitt L11 des Außenseiters L1 über die zweite Primärspule 12 zum Neutralleiter N geschaltet. In beiden Fällen bewirkt der sinusförmige Strom durch die Primärwicklung 12 bzw. Primärwicklungen 11, 12 die Induktion einer Spannung in der Sekundärwicklung 13 des ersten Transformators 1. Je nachdem welcher Strompfad geschaltet ist, ändert sich das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators 1. Wird auf der Primärseite des ersten Transformators 1 die Anzahl der stromdurchflossen den Windungen erhöht, sinkt die in der Sekundärwicklung 13 des ersten Transformators 1 induzierte Spannung. Ist der Schalter 3 geschlossen, hat die Primärseite weniger Windungen als wenn der Schalter 2 geschlossen ist und der Schalter 3 geöffnet ist. Daher wird bei geschlossenem Schalter 3 eine größere Spannung in der Sekundärwicklung 13 induziert als wenn der Schalter 2 geschlossen und der Schalter 3 geöffnet ist.
Die Umschaltung zwischen Strompfaden, d. h. zwischen Spannungsstufen erfolgte bislang so, dass zwei diskrete Spannungen induziert werden, die je nach Wicklungssinn der Wicklungen 11, 12, 13 zu einer Erhöhung oder einer Herabsetzung der Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt L12 des Außenleiters L1 und Neutralleiter N führen, was dazu genutzt wird, die Effektivspannung im zweiten Abschnitt L12 des Außenleiters zu ändern.
Soll die Spannung im zweiten Abschnitt L12 unbeeinflusst bleiben, werden die Primärspulen 11, 12 des ersten Transformators 1 durch Schließen des zweiten Schalters 4 kurzgeschlossen.
Erfindungsgemäß wird nun durch Betätigen der ersten Schalter 2, 3 und des zweiten Schalters 4 die in der Sekundärspule 13 induzierte Spannung des ersten Transformators 1 moduliert. Die Modulation der Spannung findet in einem periodischen Takt Tp statt. Der Effektivwert der induzierten Spannung Ui kann daher auch zwischen den bekannten Spannungsstufen geändert werden.
Die in den 2 bis 5 dargestellten Beispiele für Spannungsverläufe der induzierten Spannung Ui können sich bei einem Betrieb der Transformatorschaltung gemäß der Erfindung ergeben.
Die in den 2 und 3 dargestellten Spannungsverläufe der in der Sekundärwicklung 13 des ersten Transformators 1 induzierten Spannung Ui ergeben sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Dauer des Taktes Tt der Dauer einer Periode Tp der Netzspannung im ersten Abschnitt L11 des Außenleiters L1 entspricht.
Die in den 4 und 5 dargestellten Spannungsverläufe der in der Sekundärwicklung 13 des ersten Transformators 1 induzierten Spannung Ui ergeben sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Dauer des Taktes Tt der Dauer von drei Periode Tp der Netzspannung im ersten Abschnitt L11 des Außenleiters entspricht.
In den Figuren sind mit Ui die in der Sekundärspule induzierten Spannungen, mit Tp die Dauer einer Netzperiode, mit Tt die Dauer eines Taktes, mit t2 der Zeitpunkt des Schließens des ersten Schalters 2 und mit t3 der Zeitpunkt des Schließens des ersten Schalters 3 bezeichnet.
Ferner ist mit U2 die Spannung bezeichnet, die in der Sekundärspule 13 induziert würde, wenn der erste Schalter 2 ständig geschlossen und der Schalter 3 ständig geöffnet wäre. Mit U3 ist die Spannung bezeichnet, die in der Sekundärspule induziert würde, wenn der erste Schalter 3 ständig geschlossen wäre.
Mit t2 sind die Zeitpunkte bezeichnet, an denen einer der Thyristoren des ersten Schalters 2 gezündet wird und mit t3 sind die Zeitpunkte bezeichnet, an denen einer der Thyristoren des ersten Schalters 3 gezündet wird.
Der Spannungsverlauf gemäß 2 ergibt sich, wenn mit Beginn des Taktes der erste Schalter 2 geschlossen wird und zum Zeitpunkt t3 der erste Schalter 3 geschlossen wird. Bei jedem Nulldurchgang der induzierten Spannung Ui wird der erste Schalter 3 wieder geöffnet und der erste Schalter 2 wieder geschlossen. Der Zeitpunkt t3 entspricht ungefähr einem Zündwinkel von 110° der Thyristoren des ersten Schalters 3.
Nach einem Nulldurchgang wird zunächst ein Strom vom ersten Abschnitt L11 des Außenleiters über den ersten Schalter 2, den Punkt P1, die Primärwicklung 11, die Primärwicklung 12 zum Neutralleiter N geführt. Dieser Strom induziert in der Sekundärwicklung 13 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 2 mit 1 angegeben ist. Durch das Schließen des ersten Schalters 3 wird der Strom vom ersten Schalter 2 und der Primärwicklung 11 auf den ersten Schalter 3 übernommen. Der erste Schalter 2 und die Primärwicklung 11 sind dann ohne Strom. Der durch die Primärwicklung 12 geführte Strom induziert dann auf Grund des geänderten Übersetzungsverhältnisses des ersten Transformators 1 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 2 mit 2 angegeben ist.
Der Spannungsverlauf gemäß 3 ergibt sich, wenn mit Beginn des Taktes die ersten Schalter 2, 3 geöffnet sind und der zweite Schalter 4 geschlossen ist und zum Zeitpunkt t2 der erste Schalter 2 geschlossen wird. Bei jedem Nulldurchgang der induzierten Spannung Ui wird der erste Schalter 2 wieder geöffnet und der zweite Schalter 4 wieder geschlossen. Der Zeitpunkt t2 entspricht ungefähr einem Zündwinkel von 130° der Thyristoren des ersten Schalters 2. Diese Betriebsart kann man als primärseitige Spannungsfolgesteuerung bezeichnen.
Nach einem Nulldurchgang ist die Reihenschaltung der Primärwicklungen 11, 12 kurzgeschlossen. Es fließt dann kein Strom durch die Primärwicklungen. In Folge dessen wird keine Spannung in der Sekundärwicklung induziert. Durch das Öffnen des zweiten Schalters 4 und das gleichzeitige Schließen des ersten Schalters 2 wird ein Strom vom ersten Abschnitt L11 des Außenleiters über den ersten Schalter 2, den Punkt P1, die Primärwicklung 11, die Primärwicklung 12 zum Neutralleiter N geführt. Der durch die Primärwicklung 12 geführte Strom induziert dann auf Grund des geänderten Übersetzungsverhältnisses des ersten Transformators 1 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 2 mit 1 angegeben ist. Diese Betriebsart kann man als primärseitige Phasenanschnittsteuerung bezeichnen.
Der Spannungsverlauf gemäß 4 ergibt sich, wenn mit Beginn des Taktes der erste Schalter 3 geschlossen wird und für zwei Perioden der Länge Tp geschlossen bleibt, was durch Zünden der Thyristoren des ersten Schalters 3 erreicht wird. Nach zwei Perioden der Länge Tp wird zum Zeitpunkt t2 erstmals der erste Schalter 2 geschlossen. Er bleibt für eine Periode der Dauer Tp geschlossen, bis der Takt der Dauer Tt endet. Mit dem nächsten Takt wiederholt sich das Schaltmuster aus dem ersten Takt.
Nach dem Beginn des Taktes wird zunächst ein Strom vom ersten Abschnitt L11 des Außenleiters über den ersten Schalter 3, den Punkt P2, die Primärwicklung 12 zum Neutralleiter N geführt. Dieser Strom induziert in der Sekundärwicklung 13 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 4 mit 2 angegeben ist. Durch das Öffnen des ersten Schalters 3 nach zwei Perioden der Länge Tp und das gleichzeitige Schließen des ersten Schalters 2 wird der Strom vom ersten Schalter 3 und der Primärwicklung 11 übernommen. Der Strom fließt dann vom ersten Abschnitt L11 des Außenleiters über den ersten Schalter 2, den Punkt P1, die Primärwicklung 11, den Punkt P2, die Primärwicklung 12 zum Neutralleiter N. Der durch die Primärwicklungen 11, 12 geführte Strom induziert dann auf Grund des geänderten Übersetzungsverhältnisses des ersten Transformators 1 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 2 mit 1 angegeben ist.
Der Spannungsverlauf gemäß 5 ergibt sich, wenn mit Beginn des Taktes der erste Schalter 2 geschlossen wird und für eine Periode der Länge Tp geschlossen bleibt, was durch Zünden der Thyristoren des ersten Schalters 2 erreicht wird. Nach einer Periode der Länge Tp wird zum Zeitpunkt t4 der zweite Schalter 4 geschlossen. Er bleibt für zwei Perioden der Dauer Tp geschlossen, bis der Takt der Dauer Tt endet. Mit dem nächsten Takt wiederholt sich das Schaltmuster aus dem ersten Takt.
Nach dem Beginn des Taktes wird zunächst ein Strom vom ersten Abschnitt L11 des Außenleiters über den ersten Schalter 2, den Punkt P1, die Primärwicklung 11, den Punkt P2, die Primärwicklung 12 zum Neutralleiter N geführt. Dieser Strom induziert in der Sekundärwicklung 13 die Spannung Ui mit einem Betrag, der in der 5 mit 1 angegeben ist. Durch das Öffnen des ersten Schalters 2 nach einer Periode der Länge Tp und das gleichzeitige Schließen des zweiten Schalters 4 wird die Reihenschaltung der Primärwicklungen 11, 12 kurzgeschlossen. Es fließt dann kein Strom durch die Primärwicklungen. In Folge dessen wird keine Spannung in der Sekundärwicklung induziert. Die Spannung des zweiten Abschnitts L12 des Außenleiters L1 ist dann gegenüber der Nennspannung unverändert.
Die in den 2 und 4 dargestellten Spannungsverläufe können durch Verschieben der Zündzeitpunkte der Thyristoren verändert werden, um Spannungen mit anderen Effektivwerten zu erzeugen. Die Änderung der Effektivwerte kann dabei innerhalb von durch die Thyristoren gesetzten Grenzen kontinuierlich erfolgen.
Die in den 2 und 3 dargestellten Spannungsverläufe können durch Verschieben der Zündzeitpunkte der Thyristoren, d. h. durch Änderung der Zündwinkel der für den Phasenanschnitt benutzten Thyristoren verändert werden, um Spannungen mit anderen Effektivwerten zu erzeugen. Die Änderung der Effektivwerte kann dabei innerhalb von durch die Thyristoren gesetzten Grenzen kontinuierlich erfolgen.
Die in den 4 und 5 dargestellten Spannungsverläufe können durch eine Änderung der Anzahl der Perioden, in welchen die ersten Schalter 2, 3 und der zweite Schalter 4 stromführend sind, verändert werden, um Spannungen mit anderen Effektivwerten zu erzeugen. Die Änderung kann dabei nicht kontinuierlich erfolgen, dafür hat das anhand der 4 und 5 dargestellte Verfahren, dass durch das Schalten der ersten Schalter 2, 3 und des zweiten Schalters 4 kaum Oberschwingen entstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009014243 A1 [0003, 0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zeitschrift etz, Heft 4/2012 ist unter der Überschrift „Intelligente Ortsnetzstationen als Alternative zum Netzausbau” [0009]
„Thyristorised Power Controllers” von G. K. Dubey, S. R. Doradla, A. Joshi und R. M. K. Sinha im Abschnitt 5.1.4 [0023]

Claims

Verfahren zum Ändern der sinusförmigen Spannung in einem Stromnetz gegenüber einer Nennspannung – mittels eines ersten Transformators (1), der wenigstens zwei Primärwicklungen (11, 12) und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt (L11) eines Außenleiters (L1) und einen zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) angeordnete Sekundärwicklung (13) aufweist, und – mittels wenigstens zwei ersten steuerbaren Schaltern (2, 3), – wobei mit den ersten Schaltern (2, 3) wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt des Außenleiters (L1) und einem Neutralleiter (N) des Stromnetzes geschaltet wird und – wobei durch das Schalten des Strompfades ein Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) fließt, der eine Spannung in der Sekundärwicklung (13) des ersten Transformators (1) induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter ändert, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der ersten steuerbaren Schalter (2, 3) während aufeinanderfolgender periodischer Takte geschlossen und/oder geöffnet wird, um die induzierte Spannung zu modulieren.
Verfahren zum Ändern der sinusförmigen Spannung in einem einphasigen Stromnetz gegenüber einer Nennspannung, insbesondere nach Anspruch 1 – mittels eines ersten Transformators (1), der wenigstens eine Primärwicklung (11, 12) und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt (L11) eines Außenleiters (L1) und einen zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) angeordnete Sekundärwicklung (13) aufweist, und – mittels wenigstens einem ersten steuerbaren Schalter (2, 3) und wenigstens einem zweiten steuerbaren Schalter (4), – wobei mit dem ersten Schalter (2, 3) die Primärwicklung (11) des ersten Transformators (1) in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt (L11) des Außenleiters (L1) und einem Neutralleiter (N) des Stromnetzes geschaltet wird und – wobei durch das Schalten des Strompfades ein Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) fließt, der eine Spannung in der Sekundärwicklung (13) des ersten Transformators induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) und dem Neutralleiter (N) gegenüber einer Nennspannung ändert, – wobei die Primärwicklung (11, 12) mittels des zweiten Schalters (4) kurzgeschlossen wird, wenn die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt des Außenleiters und dem Neutralleiter gegenüber der Nennspannung unverändert bleiben soll, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste steuerbare Schalter (2, 3) und der zweite steuerbare Schalter (4) während aufeinanderfolgender periodischer Takte geschlossen und/oder geöffnet werden, um die induzierte Spannung zu modulieren.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während wenigstens eines ersten Zeitintervalls innerhalb des Taktes in der Sekundärwicklung eine Spannung mit einem erste Effektivwert und während wenigstens eines zweiten Zeitintervalls innerhalb des Taktes in der Sekundärwicklung eine zweite Spannung mit einem zweiten Effektivwert induziert wird, wobei sich der erste Effektivwert und der zweite Effektivwert voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktlänge der Länge einer Periode der Spannung im Stromnetz entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste steuerbare Schalter (2, 3) oder der zweite steuerbare Schalter (4), der geschlossen wird, nur während eines Teils einer Periode der Spannung im einphasigen Stromnetz geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der während des Teils der Periode der Spannung geschlossene Schalter (2, 3, 4) durch eine Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktlänge (Tt) der Länge (Tp) mehrerer Perioden der Spannung im Stromnetz entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste steuerbare Schalter (2, 3) oder der zweite steuerbare Schalter (4), der geschlossen wird, während einer oder mehrerer Perioden während eines Taktes geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der für eine oder mehrere Perioden eines Taktes geschlossene Schalter (2, 3, 4) durch eine Schwingungspaktsteuerung gesteuert wird.
Transformatorschaltung zum Durchführen des Verfahrens zum Ändern der sinusförmigen Spannung in einem einphasigen Stromnetz zwischen einem Außenleiter (L1) und einem Neutralleiter (N) gegenüber einer Nennspannung – mit einem ersten Transformator (1), der wenigstens zwei Primärwicklungen (11, 12) und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt (L11) eines Außenleiters (L1) und einen zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) angeordnete Sekundärwicklung (13) aufweist, und – mit wenigstens zwei ersten steuerbaren Schaltern (2, 3), – wobei wenigstens eine von den Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) mit den ersten Schaltern (2, 3) in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) und einem Neutralleiter (N) des Stromnetzes schaltbar ist, – wobei durch das Schalten des Strompfades ein Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) fließt, was eine Spannung in der Sekundärwicklung (12) des ersten Transformators (1) induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) und dem Neutralleiter (N) ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 betreibbar ist und eine Steuerung aufweist, die geeignet und eingerichtet ist, während mehrerer periodischer Takte die ersten steuerbaren Schalter (2, 3) zum Modulieren der induzierten Spannung anzusteuern.
Transformatorschaltung zum Durchführen des Verfahrens zum Ändern der sinusförmigen Spannung in einem einphasigen Stromnetz zwischen einem Außenleiter (L1) und einem Neutralleiter (N) gegenüber einer Nennspannung, insbesondere nach Anspruch 1 – mit einem ersten Transformator (1), der wenigstens zwei Primärwicklungen (11, 12) und eine elektrisch zwischen einen ersten Abschnitt (L11) eines Außenleiters (L1) und einen zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (I1) angeordnete Sekundärwicklung (13) aufweist, und – mit wenigstens zwei ersten steuerbaren Schaltern (2, 3) und wenigstens einem zweiten steuerbaren Schalter (4), – wobei wenigstens eine von den Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) mit den ersten Schaltern (2, 3) in einen Strompfad zwischen dem ersten Abschnitt (L11) des Außenleiters (L1) und einem Neutralleiter (N) des Stromnetzes schaltbar ist, – wobei durch das Schalten des Strompfades ein Strom durch wenigstens eine der Primärwicklungen (11, 12) des ersten Transformators (1) fließt, was eine Spannung in der Sekundärwicklung (13) des ersten Transformators (1) induziert, wodurch sich die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) und dem Neutralleiter (N) ändert, – wobei die Primärwicklung (11, 12) mittels des zweiten Schalters (4) kurzschließbar ist, wenn die Spannung zwischen dem zweiten Abschnitt (L12) des Außenleiters (L1) und dem Neutralleiter (N) gegenüber einer Nennspannung unverändert bleiben soll, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 betreibbar ist und eine Steuerung aufweist, die geeignet und eingerichtet ist, während mehrerer periodischer Takte den zweiten steuerbaren Schalter (4) zum Modulieren der induzierten Spannung anzusteuern.
Transformatorschaltung nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder die zweiten steuerbaren Schalter (2, 3, 4) bidirektionale Schalter, insbesondere Triacs, antiparallel geschaltete Thyristoren, antiparallel geschaltete IGBTs oder ähnliches sind.