DE19632172A1 - Drehstromtransformator - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

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.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

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 U_z in einem Netzzweig kann innerhalb des Netzes sowohl die Wirkleistungsverteilung wie auch die Blindleistungsverteilung in gewünschter Weise beeinflussen. Hierfür weist die Zusatzspannung U_z 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 U_z 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.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

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.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist mit E der Eisenkern eines Drehstromtransformators vom Kerntrans­ formatortyp bezeichnet. Dieser Drehstromtransformator weist drei Primärwicklun­ gen U_PW, V_PW und W_PW mit den drei Phasenspannungen U_p, V_p und W_p auf und weiterhin weist der Transformator drei Sekundärwicklungen U_SW, V_SW und W_SW mit den drei Phasenspannungen U_s, V_s und W_s auf. Auf jedem Eisenkernschenkel sind pro Phase U, V, W des weiteren jeweils eine Längsregelwicklung U_L, V_L und W_L und jeweils zwei Querregelwicklungen angeordnet, nämlich U_Q1, U_Q2 in der Phase U, V_Q1, V_Q2 in der Phase V und W_Q1, W_Q2 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 U_L, V_L und W_L und der Quer­ regelwicklungen, U_Q1, U_Q2, V_Q1, V_Q2, W_Q1, W_Q2 mit den Primär- und Sekundärwick­ lungen U_PW, V_PW, W_PW, U_SW, V_SW und W_SW 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 U_SW der Phase U über einen Stufenschalter 1 mit einer in gleicher Phase liegenden, aus einer Anzahl Teilwick­ lungen bestehenden, Längsregelwicklung U_L verbunden. Die beiden Sekundär­ wicklungen V_SW und W_SW der benachbarten Phasen V und W sind entsprechend der Installation in Phase U mit den Längsregelwicklungen V_L und W_L 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 U_L, V_L und W_L ausgerü­ stet, die eine in Grenzen stufenweise Variation der entsprechenden Phasenspan­ nungen U_s, V_s und W_s 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 U_s addierte Spannungsanteil der Längsregelwick­ lungen U_L mit der Größe m*U_s 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 U_s+m*U_p, V_s+m*V_p und W_s+m*W_p.

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 U_PW der Phase U ist in Hintereinanderschaltung mit den Quer­ regelwicklungen V_Q1 und W_Q2 verbunden. Auch hier werden die an den Querre­ gelwicklungen V_Q1 und W_Q2 anstehenden Spannungen über einen Stufenschalter 2 an entsprechenden Teilwicklungen der Querregelwicklungen abgegriffen, wobei die Beträge der Spannungen gleich groß sind, nämlich n*V_p und n*W_p, und stu­ fenweise variierbar zwischen n in p.u.

Die Phasenwinkel der an V_Q1 und W_Q2 anstehenden Spannungen sind gemäß Schaltschema und Stellung des Stufenschalters 2 beide voreilend oder beide nacheilend bezüglich der Phasenspannung U_p. Dies liegt daran, daß beispiels­ weise die Spannung an V_Q1 bei einer gewählten Stufenschalterstellung pha­ sengleich mit der Phasenspannung V_p abgegriffen wird, während die hinzuaddierte Spannung an W_Q2 zur Phasenspannung W_p in Phasenopposition steht. Es treten also bezogen auf U_p lediglich die Kombinationen 60°-voreilende Spannung an V_Q1 mit 120°-voreilender Spannung an W_Q2 auf, oder 60°-nacheilende Spannung an W_Q2 mit 120°-nacheilender Spannung an V_Q1, und die resultierende Spannung ergibt sich dann zu U_p+n*(V_p-W_p). Die Addition der Spannungen an den Querwick­ lungen ergibt aufgrund Betragsgleichheit und der aufgezeigten Wahl der Pha­ senwinkel immer eine zu U_p senkrecht stehende, sogenannte Querspannung, die, einer geeigneten Regelung folgend, entweder 90°-voreilend oder 90°-nacheilend ist. Diese Querspannung wird der Phasenspannung U_p hinzuaddiert, wodurch sich die resultierende Spannung in Betrag und Phase von U_p unterscheidet. Diese erzielte Phasenverschiebung führt zu einer bevorzugten Wirkleistungsverteilung und zu reduzierten Verlusten.

Entsprechend der Installation an der Primärwicklung U_PW sind auch V_PW und W_PW über den Stufenschalter 2 mit den entsprechenden Querregelwicklungen der be­ nachbarten Phasen verbunden. So ist V_PW angeschlossen an den Querregelwick­ lungen W_Q1, und U_Q2, und W_PW ist verbunden mit U_Q1 und V_Q2, und die resultieren­ den Spannungen ergeben sich zu V_p+n*(W_p-U_p) und W_p+n*(U_p-V_p).

Alle Spannungsabgriffe an den Querregelwicklungen U_Q1, U_Q2, V_Q1, V_Q2, W_Q1, W_Q2 werden über den einen Stufenschalter 2 bedient und sie sind betragsmäßig gleich groß, nämlich n*U_p, n*W_p und n*W_p.

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 U_PW über den Stufenschalter 1 mit der Längsregelwicklung U_L verbunden und die Sekundärwicklung U_SW über den Stufenschalter 2 mit den Querregelwick­ lungen V_Q1 und W_Q2 der benachbarten Phasen. Durch zyklisches Drehen ergeben sich die Verbindungen der beiden anderen Phasen. Die Längsregelwicklung V_L ist über den Stufenschalter 1 mit der Primärwicklung V_PW verbunden, der Stufen­ schalter 2 verbindet die Sekundärwicklung V_SW mit den Querregelwicklungen W_Q1 und W_Q2. In Phase W ist die Längsregelwicklung U_L über den Stufenschalter 1 mit der Primärwicklung W_PW, und die Sekundärwicklung U_SW mit den Querregelwick­ lungen U_Q1 und U_Q2 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
U_p, V_p, W_p primärseitige Phasenspannungen
U_s, V_s, W_s primärseitige Phasenspannungen
U_PW, V_PW, W_PW Primärwicklungen
U_SW, V_SW, W_SW Sekundärwicklungen
U_L, V_L, W_L Längsregelwicklungen
U_Q1, V_Q1, W_Q1 Querregelwicklungen
U_Q2, V_Q2, W_Q2 Querregelwicklungen
E Eisenkern
1, 2 Stufenschalter

Claims (4)

1. Drehstromtransformator, der pro Phase (U, V, W) mindestens eine primärsei­ tige Wicklung (U_PW, V_PW, W_PW) und mindestens eine sekundärseitige Wick­ lung (U_SW, V_SW, W_SW) 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 (U_L, V_L, W_L) und/oder mindestens zwei Querregelwicklungen (U_Q1, V_Q1, W_Q1, U_Q2, V_Q2, W_Q2) mit der primärseitigen Wicklung (U_PW, V_PW, W_PW) und/oder der sekundärseitigen Wicklung (U_SW, V_SW, W_SW) in Wirkverbindung stehen.

2. Drehstromtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsregelwicklung (U_L, V_L, W_L) entweder mit der auf dem gleichen Schenkel einer Phase (U, V, W)angeordneten primärseitigen (U_PW, V_PW, W_PW) oder der sekundärseitigen Wicklung (U_SW, V_SW, W_SW) elektrisch verbun­ den ist.

3. Drehstromtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die primärseitige (U_PW, V_PW, W_PW) oder die sekundärseitige Wicklung (U_SW, V_SW, W_SW), welche auf dem Schenkel einer Phase (U, V, W) angeordnet sind, elektrisch mit mindestens jeweils einer Querregelwicklungen (U_Q1, V_Q1, W_Q1, U_Q2, V_Q2, W_Q2) der beiden benachbarten Phasen (U, V, W) verbunden ist.

4. Drehstromtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsregelwicklung (U_L, V_L, W_L) und die Querregelwicklungen (U_Q1, V_Q1, W_Q1, U_Q2, V_Q2, W_Q2) aus Teilwicklungen bestehen.