DE3422961C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Transformator­ anordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Um Spannungen unterschiedlicher Höhe zur Verfügung stellen zu können, sind Stelltransformatoren bekannt, deren Primärwicklungen jeweils am starren Netz liegen und deren Sekundärwicklungen mehrere Windungsanzapfungen oder mehrere einzelne Wicklungen aufweisen, an denen die unterschiedlichen Spannungen abgenommen werden können. Dabei werden die Windungsanzapfungen von elektronischen Schaltern, beispielsweise Thyristoren angesteuert. Ein derartiger Stelltransformator ist aus der DE-AS 12 44 946 bekannt, bei dem die jeweiligen unterschiedlichen ein­ stellbaren Spannungen an den Klemmen der Sekundärseite durch Veränderung der jeweiligen Windungsübersetzungs­ verhältnisse erzielt werden. Dieser bekannte Transformator ist nicht zur Erzielung sehr hoher Spannungen geeignet, da die Lastströme über die Gleichrichter­ schalter geleitet werden, so daß Grenzen durch die Spannungsfestigkeit der Schalter gesetzt sind. Außerdem sind Schalter mit hoher Spannungsfestig­ keit sehr teuer. Somit ist der bekannte Stell­ transformator nicht als Längstransformator verwendbar, bei dem in der Sekundärwicklung betriebsmäßig erzwungene hohe Ströme auftreten.

Aus der DE-PS 26 09 697 ist ein Stelltransformator mit elektronischer Steuerung bekannt, dessen Primärseite eine Vielzahl von hintereinander­ geschalteten getrennten Primärwicklungen aufweist, wobei ein Anschluß der Wicklungen jeweils an einem Netzpol liegt und die anderen Wicklungsanschlüsse über jeweils einen elektronischen Schalter mit dem anderen Netzpol verbunden sind. Auf der Sekundärseite ist nur eine Wicklung vorgesehen und die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung setzt sich aus den durch die jeweiligen getrennten Primärwicklungen hervorgerufenen Teilspannungen zusammen. Die einzelnen Wicklungen werden im Phasenanschnitt angesteuert, wobei die Anschnitt­ steuerung über RC-Glieder erfolgt, die in der Weise unterschiedlich ausgelegt sind, daß der Phasenanschnitt für die einzelnen Wicklungen zu verschiedenen Zeiten erreicht wird. Es hat sich gezeigt, daß ein derartiger Stelltransformator eine Spannung nur in einem kleinen Spannungsbereich zur Verfügung stellen kann und daß die Ausgangs­ spannung nicht störspannungsfrei ist. Dieser bekannte Stelltransformator stellt somit keinen breiten Verstellbereich zur Verfügung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare Transformatoranordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die für die Anwendung von Längstransformatoren, bei denen in der Sekundärwicklung betriebsmäßig erzwungene hohe Ströme auftreten, für einen breiten Verstell­ bereich geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, daß bei einer verstellbaren Transformatoranordnung, deren einzelne Wicklungen auf der Primärseite zu- und abgeschaltet werden, die Ansteuerung der die Wicklungen schaltenden elektronischen Schalter im Strom-Nulldurchgang erfolgt und daß bei Verwendung als Längstransforma­ tor, bei dem mindestens eine Sekundärwicklung in Reihe mit einem Stromkreis geschaltet ist, jeder Primärwicklung ein weiterer elektronischer Schalter parallelgeschaltet ist, der jeweils geschlossen ist, wenn der andere geöffnet ist, wird ein störspannungsfrei schaltender ver­ stellbarer Transformator zur Verfügung gestellt, der große Ströme und hohe Spannungen liefern kann, wobei die elektronischen Schalter in ihrer Aus­ legung nur an die Leistung der Primärseite angepaßt sein müssen. Die Kurzschlußschalter verhindern eine Zerstörung der Spulen bzw. Win­ dungen, da sie den Effekt des offenen Stromwandlers abfangen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Durch Vorsehen eines Phasenwenders ist ein Zuschiebe- und Gegenschiebebetrieb möglich, das heißt, die durch die Primärwicklungen induzierten Teil­ spannungen können addiert oder substrahiert werden, wodurch der Verstellbereich feiner, das heißt annähernd stufenlos unterteilt werden kann. Diese stufenlose Einstellung wird weiter verbessert, wenn jeder Transformatorstufe eine Phasenwender­ stufe zugeordnet wird, bzw. wenn mehrere Phasen­ wenderstufen für jeweils mehrere Transformator­ stufen vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, daß zur gleichen Zeit unterschiedliche Stufen und unterschiedliche Betriebszustände, nämlich im Zuschiebe­ betrieb und im Gegenschiebebetrieb gleichzeitig arbeiten können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste schaltungsgemäße Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 eine zweite schaltungsgemäße Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

In der Fig. 1 ist der verstellbare Längstransformator aus mehreren Einzeltransformatoren zusammengesetzt. Die Eingangsanschlüsse der verstellbaren Transformator­ anordnung sind mit 1 und 2 bezeichnet, zwischen denen die Eingangsspannung U _e liegt, die vorzugsweise die Netzspannung ist. An den Ausgangsklemmen 3, 4 liegt die Ausgangsspannung U _a , die sich aus der Eingangs­ spannung U _e und der Summe der an den Sekundärwicklungen liegenden Teilspannungen zusammensetzt, die mit U ₂ bezeichnet ist. Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 3 sind mehrere Spulen S ₁ bis S _n in Reihe geschaltet, die insgesamt die Sekundärwicklung der als Längstransformator verwendeten verstellbaren Transformatoranordnung bilden. Die einzelnen Primärwicklungen P ₁ bis P _n liegen mit ihren einen Anschlüssen an einer Sammelschiene 5 und mit ihren anderen Anschlüssen über elektronische Schalter T ₁ bis T _n an einer Sammelschiene 6. Die elektronischen Schalter T ₁ bis T _n sind als antiparallelgeschaltete Thyristoren bzw. Triacs ausgebildet, wobei auch andere Halbleiter­ bauelemente, beispielsweise antiparallelgeschaltete Transistoren verwendet werden können. Den Wicklungen P ₁ bis P _n sind Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n parallelgeschaltet, die jeweils auch an der Sammel­ schiene 5 und an einem Anschluß der Schalter T ₁ bis T _n liegen. Am Ausgang zwischen den Ausgangsklemmen 3, 4 liegt eine Phasenwenderstufe 7, die aus vier antiparallelgeschalteten Thyristorenpaaren bzw. Triacs 8, 9, 10, 11, wobei je zwei in Reihe an den Ausgang des verstellbaren Transformators angeschlossen sind, besteht. Die Sammelschiene 5, 6 sind jeweils mit der Verbindungsleitung zwischen den jeweils zwei Triacpaaren 8, 9, 10, 11 verbunden. Die Phasenwender­ stufe 7 kann auch am Eingang des verstellbaren Trans­ formators angeschlossen sein. Außerdem können die Schalter 8 bis 11 auch als mechanische Schalter ausgebildet sein.

Die Steuerelektroden der elektronischen Schalter T ₁ bis T _n , KT ₁ bis KT _n und 8 bis 10 sind mit einer nicht dargestellten elektronischen Steuereinrichtung verbunden, über die die Thyristoren bzw. Triacs gezündert und gelöscht werden. Die Ansteuerung der Schalter erfolgt jeweils im Strom-Null­ durchgang, so daß die Störspannungen gering­ gehalten werden.

Wenn die Schalter T ₁ bis T _n offen sind, müssen die Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n geschlossen sein, das heißt, die einzelnen Transformator­ stufen arbeiten im Kurzschlußbetrieb, damit der durch die Sekundärwicklungen S ₁ bis S _n , die in Reihe mit dem Eingang liegen, den Primär­ wicklungen P ₁ bis P _n eingeprägte Strom die Wicklungen bzw. die Kurzschlußschalter, falls diese nicht eingeschaltet sein sollten, nicht zerstört. Bei nicht vorhandenem bzw. offenem Kurzschlußschalter wirkt die jeweilige Transforma­ torstufe als offener Stromwandler. Für den Übergang von Kurzschluß, beispielsweise in den Zuschiebetrieb, steuert die nichtdargestellte Steuereinheit zwei Triacpaare beispielsweise 8, 11 an, so daß diese in den geschlossenen Zustand übergehen, so daß die Sammelschienen 5, 6 an Spannung liegen. Nun können je nach gewünschtem Ausgangsspannungswert die einzelnen Schalter T ₁ bis T _n durch die Steuereinheit jeweils im Strom-Nulldurchgang eingeschaltet werden, wobei gleichzeitig die jeweiligen Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n ausgeschaltet werden müssen. Im Kurzschlußbetrieb ist der Beitrag der einzelnen Transformatorstufen zur Ausgangsspannung gleich Null, während im Zuschiebebetrieb die einzelnen durch die jeweiligen Spannungen U ₁₁ bis U _{1 n} an den Primärwicklungen P ₁ bis P _n in den Sekundärwicklungen S ₁ bis S _n induzierten Spannungen U ₂₁ bis U _{2 n} sich zu der Eingangsspannung addieren. Bei dem Übergang vom Zuschiebebetrieb in den Gegenschiebebetrieb werden die Schalter T ₁ bis T _n wieder geöffnet und gleichzeitig die Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n geschlossen. Nun kann die Phasenwendung vorgenommen werden, das heißt, die Schalter 8, 11 werden ge­ öffnet und die Schalter 9, 10 geschlossen. Dadurch werden die Sammelschienen 5, 6 umgepolt, so daß nach dem Schließen der Schalter T ₁ bis T _n und gleichzeitigem Öffnen der Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n Teilspannungen mit umgekehrter Richtung auf der Sekundärseite induziert werden und die Ausgangsspannung sich als Eingangsspannung minus der Teilspannungen ergibt.

In der Fig. 2 ist weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die als Längstransformator verwendete verstellbare Transformatoranordnung einen Vielkerntransformator aufweist, die sich aus mehreren Eisenkernen mit zugehörigen Primär­ wicklungen P ₁ bis P _n zusammensetzt, die gemeinsam von einer einzigen Sekundärwicklung S umschlossen sind. Wie in Fig. 1 sind den Primärwicklungen P ₁ bis P _n Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n parallel­ geschaltet. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 1 ist für jede Transformatorstufe eine Phasenwenderstufe PW ₁ bis PW _n vorgesehen, wobei jede Phasenwenderstufe wieder vier antiparallel­ geschaltete Thyristorpaare bzw. Triacs aufweist, die am Ausgang 3, 4 liegen. Die Verbindungspunkte zwischen den jeweiligen zwei in Reihe geschalteten Triacs eines Triacpaares TP ₁, TP ₂, TP ₃, TP ₄ sind mit den Anschlüssen der jeweiligen Primärwicklung P ₁ bis P _n und den Anschlüssen der Kurzschluß­ schalter KT ₁ bis KT _n verbunden. Hier können die Schalter T ₁ bis T _n entsprechend Fig. 1 entfallen, da die Triacs der Phasenwenderstufe PW ₁ bis PW _n die Funktion übernehmen. Die Wirkungs­ weise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 entspricht dem der Fig. 1, wobei beim Kurzschluß­ betrieb nur die Kurzschlußschalter KT ₁ bis KT _n geschlossen sein dürfen, während im Zuschiebe- oder Gegenschiebebetrieb der jeweiligen Stufe der jeweiligen Kurzschlußschalter geöffnet und zwei Triacpaare TP ₁ und TP ₄ oder TP ₂ und TP ₃ geschlossen sind. Für den Transformator nach Fig. 2 werden zwar mehr elektronische Bau­ elemente benötigt, dafür können aber alle Betriebszustände individuell für jede Transfor­ matorstufe eingestellt werden, so daß der verstellbare Transformator insgesamt variabler ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist nicht jede Transformatorstufe mit einer Phasenwenderstufe versehen, sondern mehreren Stufen, beispielsweise Stufe 1 bis 3, ist eine Phasenwenderstufe zugeordnet. Auf diese Weise kann der Vielkerntransformator entsprechend den Forderungen nach einer feinstufigen Verstell­ möglichkeit und geringem elektronischen Aufwand optimiert werden.

Claims (7)

1. Verstellbare Transformatoranordnung mit mindestens einer Sekundärwicklung und einer Mehrzahl von einzelne Stufen bildenden Primärwicklungen, denen getrennte Kerne zugeordnet sind, mit die einzelnen Primärwicklungen zu- und abschaltenden, mit ihnen in Reihe liegenden elektronischen Schaltern und mit einer die Schalter ansteuernden elektronischen Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Längstransformator, bei dem die mindestens eine Sekundärwicklung (S, S ₁ bis S _n ) in Reihe mit einem Stromkreis geschaltet ist, jeder Primärwicklung (P ₁ bis P _n ) ein weiterer elektronischer Schalter (KT ₁ bis KT _n ) parallel­ geschaltet ist, der dann kurzgeschlossen ist und die Primärwicklung kurzschließt, wenn der jeweilige die Primärwicklung (P ₁ bis P _n ) zu- und abschaltende Schalter (T ₁ bis T _n , TP ₁ bis TP ₄) geöffnet ist und der offen ist, wenn der jeweilige die Primärwicklung zu- und abschaltende Schalter geschlossen ist und daß die Ansteuerung der elektronischen Schalter (T ₁ bis T _n , KT ₁ bis KT _n , TP ₁ bis TP ₄) im Strom-Nulldurchgang erfolgt.

2. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren sekundär­ seitig in Reihe geschalteten einzelnen Transformatoren (S ₁ P ₁ bis S _n P _n ) besteht.

3. Transformatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Transformatorstufen (S; S ₁, P ₁ bis S _n P _n ) im Zuschiebe- oder im Gegenschiebebetrieb arbeiten, wobei die Umpolung zwischen den beiden Betriebs­ zuständen über eine Phasenwenderstufe (7, PW ₁ bis PW _n ) erfolgt.

4. Transformatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwendung bei kurz­ geschlossenen Primärwicklungen (P ₁ bis P _n ) erfolgt.

5. Transformatoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwender­ stufe (7, PW ₁ bis PW _n ) aus elektronischen oder mechanischen Schaltern besteht.

6. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe mit einer Phasenwenderstufe (PW ₁ bis PW _n ) versehen ist.

7. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stufen an zwei gemeinsamen Sammelschienen (5, 6) liegen, wobei die Sammelschienen (5, 6) mit den Verbindungsleitungen zwischen den jeweils zwei der vier, die Phasenwenderstufe (7) bildenden vier Schaltern (8, 9, 10, 11) verbunden sind.