DE19632172A1 - Drehstromtransformator - Google Patents
DrehstromtransformatorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die elektrische Energieumwandlung
mittels Drehstromtransformatoren in elektrischen Netzwerken. Sie betrifft einen
Drehstromtransformator, wie er im Oberbegriff des ersten Anspruchs beschrieben
ist.
In vermaschten elektrischen Energieversorgungsnetzen oder Ringnetzen besteht
vielfach die Aufgabe, die Stromverteilung im Netz zu ändern, um einen Zweig vor
Überlastung zu schützen oder um einen möglichst guten Wirkungsgrad in der
Gesamtstromverteilung, also kleinste Netzverluste, zu erreichen. Dies wird da
durch möglich, daß man in das Ringnetz eine Spannung einfügt, die Kreisströme
bewirkt. Die Überlagerung der bisherigen Netzströmen mit diesen Kreisströmen
ergibt eine geänderte Stromverteilung im Netz und damit auch in den im Netz in
stallierten, parallel betriebenen Transformatoren.
Das Hinzufügen einer Zusatzspannung Uz in einem Netzzweig kann innerhalb des
Netzes sowohl die Wirkleistungsverteilung wie auch die Blindleistungsverteilung
in gewünschter Weise beeinflussen. Hierfür weist die Zusatzspannung Uz eine
sogenannte Längskomponente auf, welche mit der Netzspannung in Phase liegt,
und eine Querkomponente, die gegen die Netzspannung 90° phasenverschoben
ist. Eine Änderung der Längskomponente nimmt Einfluß auf die Blindleistungs
verteilung im Netz und die Variation der Querkomponente steuert den Wirk
leistungsfluß.
Eine nach dem obigen Prinzip wirkende Zusatzspannung Uz wird üblicherweise in
Drehstromnetzen mittels dreiphasiger Spartransformatoren realisiert, wie bei
spielsweise in "Elektrische Maschinen" von Bödefeld/Sequenz, Springer Verlag
1971, auf den Seiten 86ff beschrieben ist. Für eine Steuerung der Längskompo
nente kommt ein normaler Stern-Spartransformator mit verschiedenen Span
nungsabgriffen zum Einsatz, welcher im folgenden Längsregeltransformator ge
nannt wird. Die Steuerung der Querkomponente wird meistens mit einem ebenfalls
als Serientransformator ausgebildeten Dreieck-Spartransformator, einem soge
nannten Querregeltransformator, vorgenommen. Dementsprechend werden für
eine kombinierte Längs- und Querregelung in einem Netzzweig ein Haupttrans
formator mit einem Längsregeltransformator und einem Querregeltransformator in
Serie geschaltet. Der Haupttransformator dient der Kopplung des Oberspan
nungsnetzes und des Unterspannungsnetzes und die in Serie geschalteten
Längs- und Querregeltransformatoren erlauben durch Regelung eine verlustär
mere und damit wirtschaftlichere Ausnutzung von parallelgeschalteten Transfor
matoren. Nachteilig an der beschriebenen Serienschaltung sind allerdings die
hohen Erstellungskosten für die zusätzlichen Regeltransformatoren und ihr um
fangreicher Platzbedarf. Desweiteren sind Längs- und Querregeltransformatoren
ebenfalls verlustbehaftet und weisen namentlich Kupfer- und Eisenverlust auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstromtransformator der ein
gangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er eine einfachere
und kostengünstigere Längs- und Querregelung zur geeigneten Lastverteilung in
einem elektrischen Netz ermöglicht, wobei der für die Längs- und Querregelung
benötigte Platzbedarf reduziert, und im Vergleich zum Stand der Technik eine
Reduktion der Netzverlustleistung erzielt werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs
gelöst.
Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß innerhalb eines Drehstromtrans
formatorgehäuses sowohl die geforderte Energieübertragung zwischen zwei gal
vanisch getrennten Netzen vorgenommen wird als auch eine gewünschte Längs-
und Querregelung zur Blind- und Wirkleistungsverteilung in einem Energienetz
vorgenommen wird. Hierfür wird zu einer primärseitigen oder einer sekundärseiti
gen Phasenspannung eine stufenweise einstellbare Längsspannung, und jeweils
eine stufenweise einstellbare Querspannung der beiden benachbarten Phasen
addiert.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die sonst
zwecks regelbarer Blind- und Wirkleistungsverteilung separat in Reihe zu einem
Haupttransformator geschalteten Läng- und Querregeltransformatoren lediglich
auf wenige Zusatzwicklungen im Haupttransformator reduziert werden. Durch
diese Maßnahme werden sowohl Baukosten wie auch Betriebskosten reduziert.
An dieser Stelle umfassen die Ersparnisse bei den Baukosten die kostenintensi
ven Transformatorkerne, das Wicklungskupfer und die nötige Stellfläche der zu
sätzlichen Transformatoren. Betriebskostenersparnisse sind vor allem durch die
geringeren Eisen- und Kupferverluste zu verzeichnen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden
nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darge
stellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Drehstromtransformators mit Längs- und
Querregelwicklungen;
Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Drehstromtransformators.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
In Fig. 1 ist mit E der Eisenkern eines Drehstromtransformators vom Kerntrans
formatortyp bezeichnet. Dieser Drehstromtransformator weist drei Primärwicklun
gen UPW, VPW und WPW mit den drei Phasenspannungen Up, Vp und Wp auf und
weiterhin weist der Transformator drei Sekundärwicklungen USW, VSW und WSW
mit den drei Phasenspannungen Us, Vs und Ws auf. Auf jedem Eisenkernschenkel
sind pro Phase U, V, W des weiteren jeweils eine Längsregelwicklung UL, VL und
WL und jeweils zwei Querregelwicklungen angeordnet, nämlich UQ1, UQ2 in der
Phase U, VQ1, VQ2 in der Phase V und WQ1, WQ2 in der Phase W.
Wie bereits erläutert wurde, dienen Längs- und Querregeltransformatoren der
gezielten Blind- und Wirkleistungsverteilung in einem Energieverteilungsnetz.
Erfindungsgemäß wird diese Blind- und Wirkleistungsverteilung durch geeignete
elektrische Verbindungen der Längsregelwicklungen UL, VL und WL und der Quer
regelwicklungen, UQ1, UQ2, VQ1, VQ2, WQ1, WQ2 mit den Primär- und Sekundärwick
lungen UPW, VPW, WPW, USW, VSW und WSW erreicht. Die nötigen Regelverfahren
zur Blind- und Wirkleistungsverteilung sind hinlänglich in Verbindung mit der
Verwendung herkömmlicher Längs- und Querregeltransformatoren bekannt, so
daß diese Regelverfahren an sich im folgenden nicht näher erläutert werden. Die
Erfindung betrifft vorrangig eine elektrische Schaltung, an welcher herkömmliche
Regelverfahren zur Anwendung gelangen können.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist die Sekundärwicklung USW der Phase U über einen
Stufenschalter 1 mit einer in gleicher Phase liegenden, aus einer Anzahl Teilwick
lungen bestehenden, Längsregelwicklung UL verbunden. Die beiden Sekundär
wicklungen VSW und WSW der benachbarten Phasen V und W sind entsprechend
der Installation in Phase U mit den Längsregelwicklungen VL und WL elektrisch
über den Stufenschalter 1 verbunden. Der installierte Stufenschalter 1 ist somit in
allen drei Phasen U, V, W mit entsprechenden Stufenkontakten zur Ansteuerung
der jeweiligen Teilwicklungen der Längsregelwicklungen UL, VL und WL ausgerü
stet, die eine in Grenzen stufenweise Variation der entsprechenden Phasenspan
nungen Us, Vs und Ws erlaubt. Hierbei werden alle Phasen gleichzeitig mit nur
einem Stufenschalter 1 um den gleichen Betrag m in p.u. mittels Regelung vari
iert. Der zur Phasenspannung Us addierte Spannungsanteil der Längsregelwick
lungen UL mit der Größe m*Us kann also je nach gewähltem Schaltstellung des
Stufenschalters 1 positiv oder negativ sein, so daß die resultierende Phasen
spannung vergrößert oder verkleinert wird. Mit der Regelkorrektur der Längsre
gelwicklungen betragen die resultierenden Sekundärspannungen Us+m*Up,
Vs+m*Vp und Ws+m*Wp.
Eine geregelte Änderung der Stellung des Stufenschalters 1 wird in einem Ener
gieverteilungsnetz mit mehreren parallelbetriebenen Drehstromtransformatoren
zur Verminderung des Blindstromaustausches und der damit verbundenen Verlu
ste eingesetzt.
Die Primärwicklung UPW der Phase U ist in Hintereinanderschaltung mit den Quer
regelwicklungen VQ1 und WQ2 verbunden. Auch hier werden die an den Querre
gelwicklungen VQ1 und WQ2 anstehenden Spannungen über einen Stufenschalter
2 an entsprechenden Teilwicklungen der Querregelwicklungen abgegriffen, wobei
die Beträge der Spannungen gleich groß sind, nämlich n*Vp und n*Wp, und stu
fenweise variierbar zwischen n in p.u.
Die Phasenwinkel der an VQ1 und WQ2 anstehenden Spannungen sind gemäß
Schaltschema und Stellung des Stufenschalters 2 beide voreilend oder beide
nacheilend bezüglich der Phasenspannung Up. Dies liegt daran, daß beispiels
weise die Spannung an VQ1 bei einer gewählten Stufenschalterstellung pha
sengleich mit der Phasenspannung Vp abgegriffen wird, während die hinzuaddierte
Spannung an WQ2 zur Phasenspannung Wp in Phasenopposition steht. Es treten
also bezogen auf Up lediglich die Kombinationen 60°-voreilende Spannung an VQ1
mit 120°-voreilender Spannung an WQ2 auf, oder 60°-nacheilende Spannung an
WQ2 mit 120°-nacheilender Spannung an VQ1, und die resultierende Spannung
ergibt sich dann zu Up+n*(Vp-Wp). Die Addition der Spannungen an den Querwick
lungen ergibt aufgrund Betragsgleichheit und der aufgezeigten Wahl der Pha
senwinkel immer eine zu Up senkrecht stehende, sogenannte Querspannung, die,
einer geeigneten Regelung folgend, entweder 90°-voreilend oder 90°-nacheilend
ist. Diese Querspannung wird der Phasenspannung Up hinzuaddiert, wodurch sich
die resultierende Spannung in Betrag und Phase von Up unterscheidet. Diese
erzielte Phasenverschiebung führt zu einer bevorzugten Wirkleistungsverteilung
und zu reduzierten Verlusten.
Entsprechend der Installation an der Primärwicklung UPW sind auch VPW und WPW
über den Stufenschalter 2 mit den entsprechenden Querregelwicklungen der be
nachbarten Phasen verbunden. So ist VPW angeschlossen an den Querregelwick
lungen WQ1, und UQ2, und WPW ist verbunden mit UQ1 und VQ2, und die resultieren
den Spannungen ergeben sich zu Vp+n*(Wp-Up) und Wp+n*(Up-Vp).
Alle Spannungsabgriffe an den Querregelwicklungen UQ1, UQ2, VQ1, VQ2, WQ1, WQ2
werden über den einen Stufenschalter 2 bedient und sie sind betragsmäßig
gleich groß, nämlich n*Up, n*Wp und n*Wp.
Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante der Erfindung. Die Längsre
gelung wird hier an den Primärseite des Drehstromtransformators vorgenommen
und die Querregelung an der Sekundärseite. Dementsprechend ist die Primär
wicklung UPW über den Stufenschalter 1 mit der Längsregelwicklung UL verbunden
und die Sekundärwicklung USW über den Stufenschalter 2 mit den Querregelwick
lungen VQ1 und WQ2 der benachbarten Phasen. Durch zyklisches Drehen ergeben
sich die Verbindungen der beiden anderen Phasen. Die Längsregelwicklung VL ist
über den Stufenschalter 1 mit der Primärwicklung VPW verbunden, der Stufen
schalter 2 verbindet die Sekundärwicklung VSW mit den Querregelwicklungen WQ1
und WQ2. In Phase W ist die Längsregelwicklung UL über den Stufenschalter 1 mit
der Primärwicklung WPW, und die Sekundärwicklung USW mit den Querregelwick
lungen UQ1 und UQ2 verbunden.
Das Wirkprinzip dieser Alternativlösung ist gleich dem der in Fig. 1 dargestellten
ersten Lösung.
Denkbar im Sinn der Erfindung ist auch eine kombinierte Quer- und Längsrege
lung ausschließlich auf der Primärseite oder auf der Sekundärseite des Dreh
stromtransformators. Desweiteren ist die erfindungsgemäße Schaltungsanord
nung zweifelsohne auch in anderen Transformatortypen, wie Fünfschenkeltrans
formator oder Manteltransformator denkbar, wobei selbstverständlich auch andere
Wicklungsanordnungen wie die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Stern-
Stern-Schaltungen möglich sind. Dabei ist die konzentrische Anordnung aller Ein
zelwicklungen weder zwingend notwendig noch ist deren Lage radiale Verteilung
auf einem Schenkel des Eisengestells vorgeschrieben.
Bezugszeichenliste
U, V, W Phasen
Up, Vp, Wp primärseitige Phasenspannungen
Us, Vs, Ws primärseitige Phasenspannungen
UPW, VPW, WPW Primärwicklungen
USW, VSW, WSW Sekundärwicklungen
UL, VL, WL Längsregelwicklungen
UQ1, VQ1, WQ1 Querregelwicklungen
UQ2, VQ2, WQ2 Querregelwicklungen
E Eisenkern
1, 2 Stufenschalter
Up, Vp, Wp primärseitige Phasenspannungen
Us, Vs, Ws primärseitige Phasenspannungen
UPW, VPW, WPW Primärwicklungen
USW, VSW, WSW Sekundärwicklungen
UL, VL, WL Längsregelwicklungen
UQ1, VQ1, WQ1 Querregelwicklungen
UQ2, VQ2, WQ2 Querregelwicklungen
E Eisenkern
1, 2 Stufenschalter
Claims (4)
1. Drehstromtransformator, der pro Phase (U, V, W) mindestens eine primärsei
tige Wicklung (UPW, VPW, WPW) und mindestens eine sekundärseitige Wick
lung (USW, VSW, WSW) aufweist, welche auf einem Schenkel eines Eisenkerns
(E) installiert sind, wobei der Drehstromtransformator für den Einsatz in einem
elektrischen Energieübertragungsnetz mit einer Längs- und/oder einer Quer
regelung zur Erzielung einer geeigneten Blind- und/oder Wirkleistungsvertei
lung versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Schenkel pro Phase (U, V, W) mindestens eine Längsregel
wicklung (UL, VL, WL) und/oder mindestens zwei Querregelwicklungen (UQ1,
VQ1, WQ1, UQ2, VQ2, WQ2) mit der primärseitigen Wicklung (UPW, VPW, WPW)
und/oder der sekundärseitigen Wicklung (USW, VSW, WSW) in Wirkverbindung
stehen.
2. Drehstromtransformator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsregelwicklung (UL, VL, WL) entweder mit der auf dem gleichen
Schenkel einer Phase (U, V, W)angeordneten primärseitigen (UPW, VPW,
WPW) oder der sekundärseitigen Wicklung (USW, VSW, WSW) elektrisch verbun
den ist.
3. Drehstromtransformator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß entweder die primärseitige (UPW, VPW, WPW) oder die sekundärseitige
Wicklung (USW, VSW, WSW), welche auf dem Schenkel einer Phase (U, V, W)
angeordnet sind, elektrisch mit mindestens jeweils einer Querregelwicklungen
(UQ1, VQ1, WQ1, UQ2, VQ2, WQ2) der beiden benachbarten Phasen (U, V, W)
verbunden ist.
4. Drehstromtransformator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsregelwicklung (UL, VL, WL) und die Querregelwicklungen (UQ1,
VQ1, WQ1, UQ2, VQ2, WQ2) aus Teilwicklungen bestehen.
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