DE3214973C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stelltransformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stelltransformatoren dieser Art zählen zu den Induktions- Stelltransformatoren, die im Gegensatz zu Windungs- Stelltransformatoren ohne Stromabnehmerkontakte, wie Gleit-, Roll- oder Sprungkontakte, zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses während des Betriebes arbeiten. Die Spannung wird durch Verändern der induktiven Verkettung beider Wicklungen eingestellt, indem mit der wicklungsmäßig nicht veränderlichen Primärwicklung (Festwicklung) eine unterschiedlich große Anzahl von Einzelwicklungen (Sekundärwicklung) mit unterschiedlichen Windungszahlen induktiv gekoppelt wird.

Der wesentliche Vorteil dieser Induktions- Stelltransformatoren gegenüber den Windungs- Stelltransformatoren besteht darin, daß keine Gleit-, Roll- oder Sprungkontakte benötigt werden, wie dies für Windungs-Stelltransformatoren mit kontinuierlich gewickelter Sekundärwicklung typisch ist.

Aus der DE-AS 12 44 946 (Anspruch 6 und Fig. 6, 7 und 11) ist ein Stelltransformator der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem die Sekundärspannungen theoretisch zwischen 0 Volt und 30 Volt in Stufen von je 1 Volt umgeschaltet werden könnten, wenn beispielsweise in Fig. 7 die obere Sekundärwicklung eine Spannung von 1 Volt liefert und die anderen Wicklungen Spannungen von 2 Volt, 4 Volt, 8 Volt und 15 Volt, denn es ist möglich, aus den Zahlen 1, 2, 4, 8 und 15 durch die Zahlen selbst oder durch Addition einzelner oder aller Zahlen jede beliebige Zahl zwischen 1 und 30 zu bilden.

Aus der DE-AS 12 44 946 ist ferner bekannt, zum Vergrößern der Spannungsvariationen die Wicklungsspannungen nach der geometrischen Reihe 1 : 3 : 9 : 27 abzustufen (Spalte 5, Zeilen 62 bis 65) und durch Phasenumkehr die Einzelspannungen wahlweise auch zu subtrahieren. Hierbei könnten die Sekundärspannungen theoretisch zwischen 0 Volt und 40 Volt in Stufen von je 1 Volt umgeschaltet werden.

Die FR-PS 23 95 581 zeigt die zugehörigen Berechnungen ausführlich in der Beschreibung (Seiten 2 und 4) und in einer Tabelle (Seite 3).

Die FR-PS 10 11 150 zeigt eine weitere mögliche Abstufung der Wicklungsspannungen bei einer Verwendung von acht Wicklungen, nämlich im Verhältnis 1 : 2 : 7 : 21 : 63 : 189 : 567 : 1701. Diese Abstufung scheint jedoch im Vergleich zu der oben bereits erwähnten Abstufung 1 : 3 : 9 : 27 nicht optimal zu sein.

Die Schaltung nach der DE-AS 12 44 946 hat den Nachteil, daß der Ausgangsstrom der vier Sekundärwicklungen bei jeder beliebigen Ausgangsspannung immer über insgesamt acht in Serie geschaltete Halbleiterschalter fließen muß (Fig. 7, 8). Bei einer Verwendung von fünf Sekundärwicklungen müßten sogar zehn Halbleiterschalter durchflossen werden. Da an jedem Halbleiterschalter eine sogenannte Restspannung von etwa 0,3 Volt abfällt, beträgt der gesamte Spannungsabfall etwa 2,4 Volt. Das hat zur Folge, daß Wicklungsspannungen von weniger als 2,4 Volt keinen Ausgangsstrom erzeugen können, so daß eine Wicklungsspannung von beispielsweise 2 Volt oder gar 1 Volt nicht verwendet werden kann, wenn zu viele Halbleiterschalter durchflossen werden müssen. Dieses Problem ist in der DE-AS 12 44 946 nicht erkannt worden. Es bleibt deshalb dort ungelöst. Diese Veröffentlichung gibt auch keine Hinweise auf eine mögliche Lösung dieses Problems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stelltransformator mit elektronischer Steuerung der eingangs erwähnten Art derart auszubilden, daß Spannungssprünge von weniger als 1% (bezogen auf die maximale Ausgangsspannung) bzw. in der Größenordnung von etwa 1 Volt erreicht werden können, wobei auch die Wicklungsspannung von etwa 1 Volt einen ausreichenden Ausgangsstrom über die verwendeten Halbleiterschalter gewährleisten soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei Spannungssprüngen von etwa 1 Volt die kleinsten einschaltbaren Wicklungsspannungen, nämlich 1 Volt oder 2 Volt, einen ausreichenden Ausgangsstrom bewirken, da dieser über nur drei bzw. vier Halbleiterschalter fließen muß.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a bis 1d einen Stelltransformator mit elektroni­ scher Steuerung mit fünf sekundärseiti­ gen Wicklungsgruppen mit der Wicklungs­ gruppenzahlenfolge 1 : 2 : 5 : 17 : 51 in vier verschiedenen Schaltstellungen.

Die bei der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Stelltransformators notwendige Primär- bzw. Festwicklung 1 und der Eisenkern 2 zur magnetischen Kopplung der Primär- bzw. Festwicklung 1 mit den galva­ nisch getrennten Sekundärwicklungsgruppen (Stellwick­ lungen) sind der Übersichtlichkeit der Darstellung wegen lediglich in Fig. 1a dargestellt. In den Fig. 1b bis 1d muß man sich diese Aktivteile des Stelltransformators mit hinzudenken.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a bis 1d besteht die Sekundär- oder Stellwicklung 3 aus fünf Wicklungs­ gruppen 3 a bis 3 e mit Windungszahlen im Verhältnis der steigenden Zahlenfolge 1 : 2 : 5 : 17 : 51. Die Wick­ lungsgruppen 3 a bis 3 e sind als galvanisch voneinander getrennte Wicklungsgruppen ausgebildet, die miteinander und mit den Hauptanschlußklemmen A, B über Halbleiter­ schalter in Form von Triac-Bauelementen, das sind Anti­ parallelschaltungen von zwei Thyristoren mit einer ge­ meinsamen Steuerelektrode, oder in Form von antiparallel­ geschalteten Thyristoren elektrisch verbunden sind.

Wie die Fig. 1a bis 1d zeigen, enthält jede der Wick­ lungsgruppen 3 a bis 3 e je vier Halbleiterschalter 4 bis 7, 8 bis 11, 12 bis 15, 16 bis 19 und 20 bis 23 (Wick­ lungs-Halbleiterschalter), von denen die beiden mittle­ ren 5/6, 9/10, 13/14, 17/18 und 21/22 jeweils über Kreuz geschaltet sind. Parallel zu den Wicklungsgruppen 3 a bis 3 e und den vorstehend erwähnten Wicklungs-Halbleiter­ schaltern sind weitere Halbleiterschalter 24 bis 27 (Linien-Halbleiterschalter) in Serie geschaltet. Ferner sind quer zu den Hauptanschlußklemmen A und B weitere Halbleiterschalter 28 bis 31 (Querverbindungs-Halbleiter­ schalter) parallel zueinander geschaltet, um eine oder mehrere der Wicklungsgruppen 3 a bis 3 e zuzuschalten, abzuschalten oder gegeneinander zu schalten.

Die Fig. 1a bis 1d verdeutlichen folgende Schaltstel­ lungen:

In der Darstellung gemäß Fig. 1a sind über die jeweils äußeren Wicklungs-Halbleiterschalter 4/7, 8/11, 12/15, 16/19 und 20/23 sämtliche fünf Sekundärwicklungsgruppen 3 a bis 3 e hintereinandergeschaltet, so daß alle 76 Win­ dungen der Sekundärwicklung 3 in Serie liegen.

In der Darstellung gemäß Fig. 1b sind den Sekundärwick­ lungsgruppen 3 a, 3 e (1 und 51 Windungen) die Sekundär­ wicklungsgruppen 3 b, 3 c, 3 d (2, 5 und 17 Windungen) über die mittleren Wicklungs-Halbleiterschalter 9/10, 13/14 und 17/18 entgegengeschaltet, so daß effektiv 28 Win­ dungen eingeschaltet sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 1c ist die Wicklungsgruppe 3 e komplett abgeschaltet, während die Wicklungsgruppen 3 a bis 3 d über die äußeren Wicklungs-Halbleiterschalter 4/7, 8/11, 12/15 und 16/19 in Serie geschaltet sind, so daß insgesamt 25 Windungen eingeschaltet sind.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1d sind die Wicklungs­ gruppen 3 b, 3 d und 3 e mit insgesamt 70 Windungen abge­ schaltet, während der Wicklungsgruppe 3 c mit fünf Win­ dungen die Wicklungsgruppe 3 a mit einer Windung über die Wicklungs-Halbleiterschalter 5/6 entgegengeschaltet ist. Damit erhält man bei dieser Schaltstellung effektiv vier Windungen.

Wie vorstehende Erläuterungen zeigen, lassen sich mit der Wicklungsgruppenunterteilung im Verhältnis 1 : 2 : 5 : 17 : 51 und der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten elektronischen Schaltung beliebige sekundärseitige Span­ nungen vom Spannungswert Null bis zum Spannungsgrenzwert entsprechend den insgesamt 76 Windungen einstellen. Da auch die Möglichkeit der vektoriellen Gegeneinanderschal­ tung einzelner oder mehrerer Wicklungsgruppen 3 a bis 3 e gegeben ist, erhält man ohne Berücksichtigung der Plus/ Minus-Schaltung eine Schrittweite von 1,32% und mit Berücksichtigung der Plus/Minus-Schaltung oder vekto­ riellen Gegeneinanderschaltung verschiedener Wicklungs­ gruppen eine Schrittweite von etwa 0,65% im Sinne der eingangs gegebenen Definition.

Falls anstelle der dargestellten fünf Wicklungsgruppen sechs Wicklungsgruppen im Verhältnis 1 : 2 : 5 : 17 : 51 : 153 verwendet werden, erhält man unter Berücksich­ tigung der Plus/Minus-Schaltung eine Schrittweite von etwa 0,22%. Spannungsregelungen mit derart geringen Schrittweiten sind so feinstufig, daß sie in dieser Qualität vielfach gar nicht benötigt werden.

Bei dem in Anspruch 3 beanspruchten Ausführungsbeispiel stehen die Wicklungsgruppen 32 a bis 32 f im Verhältnis einer geo­ metrischen Zahlenfolge, nämlich 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich mit elektronischen Mitteln, nämlich elektronischen Schaltern, wie Triacs oder Thyristoren, Sekundärwicklungsgruppen des Stelltransformators be­ liebig zu-, ab- und gegeneinanderschalten lassen. Es wird also bewußt auf das Schalten von Windung zu Win­ dung, wie bei den vielfach verwendeten Windungs- Stelltransformatoren, verzichtet.

Da sich sekundärseitig alle Windungszahlen von 1 bis zur Summe der Windungen aller Sekundärwicklungsgruppen bei deren Serienschaltung elektronisch zuschalten lassen, entspricht der Spannungssprung bei diesem Re­ gelfall der Ausführung des erfindungsgemäßen Stell­ transformators lediglich dieser einen Windung der Se­ kundärwicklung, so daß sich bei ausreichend vielen Se­ kundärwicklungsgruppen Schrittweiten und damit sehr feinstufige Regelungen von weit unter 1% erzielen lassen.

Auch wenn grundsätzlich die Möglichkeit besteht, zur Kopplung der Primärwicklung mit den Sekundärwicklungs­ gruppen mehrere Eisenkerne vorzusehen, so wird in der Regel die Verwendung eines einzigen gemeinsamen Eisen­ kernes zwischen Festwicklung und Stellwicklungen aus­ reichend sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Stellwicklungen mit der elektronischen Steuerung pri­ märseitig anzubringen und die Sekundärwicklung als Festwicklung auszubilden.

Claims (4)

1. Stelltransformator mit einer um mindestens einen Eisenkern angeordneten Primärwicklung (Festwicklung) und magnetisch damit gekoppelten Sekundärwicklungen (Stellwicklungen), sowie mit einer elektronischen Steuerung zur Erzielung einer wenigstens annähernd stufenlos einstellbaren Sekundärspannung, wobei die Sekundärwicklungen als galvanisch voneinander getrennte Einzelwicklungen mit Windungszahlen im Verhältnis einer steigenden, nicht begrenzten Zahlenfolge ausgebildet sind, und wobei ferner jeder dieser Einzelwicklungen zum gleich- oder gegensinnigen Zusammenschalten der in ihnen induzierten Spannungen vier Halbleiterschalter (Wicklungs-Halbleiterschalter) in Form einer Brückenschaltung zugeordnet sind, in deren einer Brückendiagonale die jeweilige Einzelwicklung liegt, und deren andere Brückendiagonale mit den Brückendiagonalen der den anderen Einzelwicklungen zugeordneten Brückenschaltungen in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den jeweils anderen Brückendiagonalen der den Einzelwicklungen (3 a bis 3 e) zugeordneten Brückenschaltungen (4 bis 7, 8 bis 11, 12 bis 15, 16 bis 19, 20 bis 23) je ein weiterer Halbleiterschalter (24 bis 27) (Linien-Halbleiterschalter) eingefügt ist, und daß zwischen den Verbindungspunkten der Brückenschaltungen (4 bis 7, 8 bis 11, 12 bis 15, 16 bis 19, 20 bis 23) untereinander und einer der Hauptanschlußklemmen (A, B) je ein weiterer Halbleiterschalter (28 bis 31) (Querverbindungs- Halbleiterschalter) angeordnet ist.

2. Stelltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der Einzelwicklungen (3 a bis 3 e) im Verhältnis 1 : 2 : 5 : 17 : 51 : 153 usw. zueinander stehen.

3. Stelltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der Einzelwicklungen (3 a bis 3 e) im Verhältnis 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32 : 64 usw. zueinander stehen.

4. Stelltransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Halbleiterschalter (4 bis 31) als Thyristoren oder als Triacs ausgebildet sind und diese ihre Schutzbeschaltungen mit einschließen.