DE4317533A1 - Stelltransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stelltransformator mit im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegebenen Merkmalen.

Aus DE 32 14 973 C2 ist ein Stelltransformator mit einer um minde­ stens einen Eisenkern angeordneten Primärwicklung und magnetisch damit gekoppelten Sekundärwicklung bekannt, bei dem außerdem eine elektronische Steuerung zur Erzielung einer wenigstens annähernd stufenlos einstellbaren Sekundärspannung vorgesehen ist. Die Primärseite dieses bekannten Stell­ transformators liegt am Netz, und seine Sekundärseite besteht aus galva­ nisch voneinander getrennten Einzelwicklungen mit Windungszahlen im Ver­ hältnis einer steigenden, nicht begrenzten Zahlenfolge. Die in den Einzel­ wicklungen induzierten Einzelspannungen lassen sich über elektronische Schalter jeweils so gleich- oder gegensinnig zusammenschalten, daß mit der Spannung der Einzelwicklung mit der kleinsten Windungszahl als Spannungs­ sprung Spannungen zwischen dem Spannungswert Null und dem Spannungsgrenz­ wert bei Hintereinanderschaltung aller Einzelwicklungen einstellbar sind. Soll der bekannte Stelltransformator eine hohe Ausgangsleistung bzw. einen großen Ausgangsstrom abgeben, müssen auch die eingesetzten elektronischen Schalter auf große Leistung bzw. hohe Ströme ausgelegt werden, was den erforderlichen technischen Aufwand steigert und damit die Gestehungskosten in die Höhe treibt.

Weiter ist aus DE 34 22 961 C2 eine verstellbare Transformatoranord­ nung bekannt, die mindestens eine Sekundärwicklung und eine Mehrzahl von einzelne Stufen bildenden Primärwicklungen aufweist, denen getrennte Kerne zugeordnet sind und die sich über in Reihe mit ihnen liegende und mittels einer elektronischen Steuereinheit ansteuerbare elektronische Schalter zu- und abschalten lassen. Sämtliche Primärwicklungen sind bei dieser bekann­ ten Transformatoranordnung mit dem Netz verbunden, und es gibt daher keine galvanische Trennung zwischen der Steuerseite mit den Primärwicklungen einerseits und dem Netz andererseits. Außerdem bedarf es einer Anpassung der elektronischen Schalter an die Eingangsseite und damit in den meisten Fällen an das Netz. Auch bei dieser bekannten Transformatoranordnung ge­ staltet sich die Fertigung sehr aufwendig, da entweder mehrere Transfor­ matoren oder eine auf die verschiedenen Kerne verteilte Sekundärwicklung erforderlich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stelltransfor­ mator zu schaffen, der eine galvanische Trennung von Netz, Ausgangsseite und Steuerseite gewährleisten kann, eine Anpassung von Steuerspannungen und Steuerströmen an vorhandene Schalter ermöglicht und sich kostengünstig herstellen läßt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Stelltransformator, wie er im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Stelltransformator nach der Lehre der Erfindung ist im Grundsatz ein Mehrschenkeltransformator, bei dem der magnetische Fluß im Schenkel der Sekundärseite durch die geometrische Summe der magnetischen Flüsse in allen Schenkeln der Primärwicklungen gebildet wird, an einer der Primär­ wicklungen die Netzspannung anliegt und die Eingangsspannungen der anderen Primärwicklungen mittels einer zusätzlichen und mit der Netzwicklung magnetisch gekoppelten Gruppe von Wicklungen (Quellenwicklungen) erhalten werden, jede der Primärwicklungen aus mindestens einer Wicklung besteht (elementare Wicklungen) und die an die Primärwicklungen angelegten Span­ nungen mittels der Steuereinheit amplituden- und/oder phasengesteuert sind.

In Abwandlung dieser Grundsatzbauweise können auch alle Primärwick­ lungen an das Netz angeschlossen werden; in diesem Falle entfällt die zusätzliche Gruppe von Wicklungen.

Durch einen Verzicht auf entweder die Amplitudensteuerung oder die Phasensteuerung für die an den Primärwicklungen anliegenden Spannungen läßt sich die Gesamtkonstruktion besonders stark vereinfachen.

Eine stufenweise Amplitudensteuerung der an die Primärwicklungen an­ gelegten Spannungen führt zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Transformators.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer speziellen Merkmale und Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der als Bei­ spiel ein Dreischenkeltransformator veranschaulicht ist; dabei zeigen in der Zeichnung im einzelnen:

Fig. 1 eine erste schaltungsgemäße Ausgestaltung für die Erfindung,

Fig. 2 eine zweite schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 3 eine dritte schaltungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung und

Fig. 4 Möglichkeiten für eine Ansteuerung der Steuerwicklungen mittels Wechslern.

In Fig. 1 ist ein Stelltransformator dargestellt, der als Dreischenkel­ transformator mit drei über Joch magnetisch miteinander verbundene Schenkel S1, S2 und S3 ausgebildet ist. Der magnetische Fluß im zweiten Schenkel S2, dem Mittelschenkel, ergibt sich als geometrische Summe aus den magnetischen Flüssen in den beiden Randschenkeln, dem ersten Schenkel S1 und dem dritten Schenkel S3. Es handelt sich also um eine magnetische Addition.

Die Zuführung der Netzspannung erfolgt über eine Amplituden- und Pha­ senansteuerungseinheit, die Teil einer Steuereinheit St ist, an eine erste Primärwicklung, die Netzwicklung, die aus mehreren Elementarwicklungen N1-1 bis N1-k besteht und auf den ersten Schenkel S1 aufgebracht ist. An eine zweite Primärwicklung N3 auf dem dritten Schenkel S3 werden durch die Amplituden- und Phasenansteuerungseinheit die Spannungen einer zusätzlichen Gruppe von Wicklungen N1.1 bis N1.n, der Quellenwicklungen, angelegt, die ebenfalls auf den ersten Schenkel S1 aufgebracht sind und damit magnetisch mit den Elementarwicklungen N1-1 bis N1-k der ersten Primärwicklung gekop­ pelt sind.

Durch Verändern von Amplitude und/oder Phase der an den verschiedenen Primärwicklungen anliegenden Spannungen lassen sich die Spannungen in auf den zweiten Schenkel S2 aufgebrachten Sekundärwicklungen N2.1 bis N2.m steuern. Sind z. B. die Amplituden der Spannungen in den Primärwicklungen N1-1 bis N1-k und N3 gleich groß, aber relativ zueinander um 180° phasen­ verschoben, so wird die Ausgangsspannung an den Sekundärwicklungen N2.1 bis N2.m gleich Null. Sind die Spannungen in den Primärwicklungen gleich und nicht gegeneinander phasenverschoben, so nimmt die Ausgangsspannung ihren maximalen Wert an. Die Sekundärwicklungen N2.1 bis N2.m werden nach Bedarf entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet. Diese Umschaltungen erfolgen entweder im stromlosen Zustand oder während des Betriebs. Dabei ist es möglich, die Leistungsverluste im Transformator zu optimieren.

Bei einer anderen Ausführungsform des Transformators entfallen die zusätzlichen Wicklungen N1.1 bis N1.n auf dem ersten Schenkel S1, die Quellenwicklungen, und die Primärwicklung N3 auf dem dritten Schenkel S3 wird durch die Amplituden- und Phasensteuerungseinheit auch an das Netz angeschlossen.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden die an die Primärwicklungen angelegten Spannungen nur phasengesteuert. Das hat keine Auswirkung auf den Steuerbereich, vereinfacht aber die Konstruktion. Für einfache Anwendungs­ fälle reichen zwei Primärwicklungen.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Stelltransformator wieder als Dreischenkeltransformator mit zwei Randschen­ keln S1 und S3 und einem Mittelschenkel S2 ausgebildet ist. Die mit U1 be­ zeichnete Eingangsspannung liegt an einer Primärwicklung N1 auf dem ersten Schenkel S1 und erzeugt darin einen magnetischen Fluß Φ1. Dieser magneti­ sche Fluß induziert in zusätzlichen Wicklungen N1.1 bis N1.n auf dem Rand­ schenkel S1 Spannungen, die eine Zahlenreihe bilden. An die Primärwicklung N3 auf dem dritten Schenkel S3 wird eine Spannung angelegt, deren Amplitude einerseits durch das Windungsverhältnis der zusätzlichen Wicklungen N1.1 bis N1.n und der Primärwicklung N1 auf dem ersten Schenkel S1 und andererseits durch die Anzahl der geschlossenen Schalter S1.1 bis S1.n bestimmt wird und deren Phase sich aus dem Zustand der Schalter S0.1 bis S0.4 ergibt. Sind die Schalter S0.2 und S0.3 geschlossen und die Schalter S0.1 und S0.4 geöffnet, ist die Spannung an der Wicklung N3 in Phase mit der Spannung U1. Sind die Schalter S0.2 und S0.3 geöffnet und die Schalter S0.2 und S0.4 geschlossen, ist die Spannung an der Wicklung N3 in Gegenphase (Phasenverschiebung 180°) zur Spannung U1. Die Spannung in der Wicklung N3 erzeugt auch einen magneti­ schen Fluß Φ3. Deshalb ist der magnetische Fluß Φ2 im Mittelschenkel S2 gleich der algebraischen Summe der magnetischen Flüsse in den Randschenkeln S1 und S3. Der magnetische Fluß Φ2 im Mittelschenkel S2 induziert in der Ausgangswicklung, der Sekundärwicklung N2 auf dem Mittelschenkel S2, eine Spannung U2, deren Wert also durch die algebraische Summe der magnetischen Flüsse Φ1 und Φ3 bestimmt wird. Durch das Schalten der Schalter S1.1 bis S1.n und der Schalter S0.1 bis S0.4 läßt sich die Ausgangsspannung U2 des Transformators stufenweise steuern. Sind die Schalter S0.2 und S0.3 ge­ schlossen und die Schalter S0.1 und S0.4 geöffnet, dann wird die Ausgangs­ spannung U2 durch das Schalten der Schalter S1.1 bis S1.n vom minimalen Wert (Schalter S1.1 bis S1.n geschlossen, Schalter S2.1 bis S2.n geöffnet) bis zu einer Spannung, die nur durch das Windungsverhältnis N2/N1 bestimmt wird (Schalter S1.1 bis S1.n geöffnet, Schalter 2.1 bis S2.n geschlossen), ge­ steuert. Sind die Schalter S0.2 und S0.3 geöffnet und die Schalter S0.1 und S0.4 geschlossen, dann wird die Ausgangsspannung U2 durch das Schalten der Schalter S1.1 bis S1.n von der Spannung, die durch das Windungsverhältnis N2/N1 bestimmt wird (Schalter S1.1 bis S1.n geöffnet, Schalter S2.1 bis S2.n geschlossen), bis zu dem maximalen Wert (Schalter S1.1 bis S1.n geschlossen, Schalter S2.1 bis S2.n geöffnet) gesteuert. Das Schalten der Schalter ge­ schieht durch eine Steuereinheit, die in Fig. 2 nicht eigens dargestellt ist. Ist ein Schalter S1.i geschlossen, dann muß der entsprechende Schalter S2.i geöffnet sein und umgekehrt. Das Schalten der Schalter muß nicht unbe­ dingt im Nulldurchgang des Stromes in der Wicklung N3 erfolgen; jedoch ist dies zur Verkleinerung der Schaltverluste bevorzugt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Stelltransformator wiederum als Dreischenkeltransformator mit drei Schenkeln S1 bis S3 ausgebildet ist. Jedoch hat bei diesem Beispiel jede der einzelnen Quellenwicklungen N1.1 bis N1.n hat ihre eigene Phasenwenderstufe. Dabei kann die Spannung an jeder einzelnen Quellenwicklung bei der Bildung der Spannung in der Wicklung N3 auf dem dritten Schenkel S3 entweder mit dem Vorzeichen "+" (Schalter Si.1 und Si.4 geschlossen und Schalter Si.2 und Si.3 geöffnet) oder mit dem Vorzeichen "-" (Schalter Si.1 und Si.4 geöffnet und Schalter Si.2 und Si.3 geschlossen) mitwirken oder ganz ausfallen (Schalter Si.1 und Si.3 geschlossen und Schalter S1.2 und Si.4 geöffnet). Die Ausgangsspannung U2 wird wieder durch die algebraische Summe der magne­ tischen Flüsse Φ1 und Φ3 in den Randschenkeln S1 und S3 bestimmt.

Die Windungszahlen der einzelnen Primärsteuerwicklungen bei den Aus­ führungsbeispielen nach Fig. 2 und Fig. 3 bilden eine beliebige Zahlenreihe. Bei weiteren Ausführungsbeispielen folgen diese Windungszahlen den Verhält­ nisfolgen 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32 usw. oder 1 : 3 : 9 : 27 : 81 usw.

Die Schalter, die in Fig. 2 und Fig. 3 nur schematisch dargestellt sind, können als mechanische Schalter, als Relais oder Schütze, als anti­ parallelgeschaltete Thyristoren oder Triacs, als antiparallelgeschaltete Transistoren oder als andere Halbleiterbauelemente ausgebildet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung von mechanischen Schaltern oder Relais bzw. Schützen sind diese als Wechsler ausgebildet, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist.

Bei wieder einer anderen Ausführungsform ist jeder Schalter ein Gebilde aus einem elektromechanischen Schalter wie einem Relais oder Schütz und aus einem dazu parallelgeschalteten Halbleiterschalter (antiparallelgeschaltete Thyristoren, Triacs, antiparallelgeschaltete Transistoren oder andere Halb­ leiterbauelemente). Statisch arbeitet dann der elektromechanische Schalter, der einen kleinen Durchlaßwiderstand hat, und dynamisch wird der Halbleiter­ schalter wirksam, der geringe Schaltzeiten aufweist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit als Mikro­ kontroller bzw. als Mikroprozessor mit Peripherie ausgebildet. Dabei wird die Ausgangsspannung digital eingestellt, und die Schalter werden von den parallelen Ports des Mikrokontrollers gesteuert. Das Ansteuern der Schalter wird so gestaltet, daß das wirkliche Schließen bzw. Öffnen der Schalter im Stromnulldurchgang erfolgt; die Verzögerungszeiten werden softwaremäßig berücksichtigt.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Transformator als Regeltrans­ formator betrieben. Dabei wird die Spannung bzw. der Strom auf der Ausgangs­ seite gemessen und mittels eines A/D-Wandlers in eine Zahl umgewandelt. Der Mikrokontroller vergleicht ständig die Ist- und Sollwerte der Ausgangsgröße und errechnet die erforderlichen Zustände der Schalter.

In seiner normalen Ausführung ist der Gegenstand der Erfindung ein Stelltransformator, der als Mehrschenkeltransformator ausgebildet ist. Dieser Stelltransformator besitzt weiter mindestens eine auf einen ersten Kernschenkel aufgebrachte Sekundärwicklung, eine Mehrzahl von auf wenigstens einen weiteren Kernschenkel aufgebrachten Primärwicklungen und eine Steuer­ einheit zum Bestimmen der Wicklungsspannungen.

Zu zuverlässiger Trennung von Netzseite, Ausgangsseite und Steuerseite und Senkung des erforderlichen Schaltungsaufwandes ist vorgesehen, daß der Magnetfluß in dem der Sekundärseite zugeordneten Kernschenkel gleich der geometrischen Summe der Magnetflüsse in allen der Primärseite zugeordneten Kernschenkeln ist, daß jede Primärwicklung aus mindestens einer Elementar­ wicklung besteht, daß an wenigstens einer Primärwicklung Netzspannung an­ liegt und die Eingangsspannungen der anderen Primärwicklungen mittels einer zusätzlichen Gruppe von mit der an der Netzspannung liegenden Primärwicklung magnetisch gekoppelten Quellenwicklungen bestimmt sind und daß die Steuer­ einheit auf eine amplituden- und/oder phasengesteuerte Spannungsanlage an die Primärwicklungen ausgelegt ist.

Vorzugsweise erfolgt die Amplitudensteuerung stufenweise, wobei jeder nicht an Netzspannung liegenden Primärwicklung eine Phasenwenderstufe aus vier Schaltern zugeordnet ist, die eine Brücke bilden, deren eine Diagonale mit der entsprechenden Primärwicklung verbunden ist, während ihre andere Diagonale mit den Quellenwicklungen über eine Gruppe von Schaltern mit zwei Schaltern je Elementarwicklung und eine der nicht an Netzspannung liegenden Primärwicklungen verbunden ist. Dabei sind jeder Quellenwicklung zwei Schal­ ter zugeordnet und der erste Pol des ersten Schalters mit dem ersten Wick­ lungsanschluß, der zweite Wicklungsanschluß mit dem ersten Pol des zweiten Schalters, dessen zweiter Pol mit dem zweiten Pol des ersten Schalters, die zweiten Pole der Schalter der ersten Wicklung mit dem ersten Punkt der zwei­ ten Diagonale der Phasenwenderstufe, die zweiten Pole der Schalter der nicht an Netzspannung liegenden Primärwicklungen mit dem zweiten Anschluß der je­ weils vorhergehenden Wicklung und der zweite Anschluß der letzten Wicklung mit dem zweiten Punkt der zweiten Diagonale der Phasenwenderstufe verbunden.

Claims (17)

1. Stelltransformator mit

• - einem mehrere Schenkel aufweisenden Kern,
• - mindestens einer auf einen ersten Kernschenkel aufgebrachten Sekun­ därwicklung,
• - einer Mehrzahl von auf wenigstens einen weiteren Kernschenkel aufge­ brachten Primärwicklungen und
• - einer Steuereinheit zum Bestimmen der Wicklungsspannungen,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetfluß in dem der Sekundärseite zugeordneten Kernschenkel (S2) gleich der geometrischen Summe der Magnetflüsse in allen der Primärseite zugeordneten Kernschenkeln (S1, S3) ist,
daß jede Primärwicklung (N1, N3) aus mindestens einer Elementarwicklung besteht,
daß an wenigstens einer Primärwicklung (N1-1 bis N1-k) Netzspannung an­ liegt und die Eingangsspannungen der anderen Primärwicklungen (N3) mittels einer zusätzlichen Gruppe von mit der an der Netzspannung liegenden Primärwicklung magnetisch gekoppelten Quellenwicklungen (N1.1 bis N1.n) bestimmt sind und
daß die Steuereinheit (St) auf eine amplituden- und/oder phasengesteu­ erte Spannungsanlage an die Primärwicklungen ausgelegt ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Primärwicklungen an der Netzspannung liegen.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur an einer Primärwicklung (N1-1 bis N1-k) Netzspannung anliegt und die Eingangsspannungen für die anderen Primärwicklungen (N3) durch die Steuereinheit (St) bestimmt sind.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht an der Netzspannung liegenden Primärwicklungen nach dem Spartransformatorprinzip ausgebildet sind.

5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Primärwicklungen anliegenden Spannungen nur phasenge­ steuert sind.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Primärwicklungen (N1, N3) anliegenden Spannungen ampli­ tudengesteuert sind und ihre Phasenverschiebung gegenüber der Netz­ spannung 0 oder 180° beträgt.

7. Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine stufenweise Amplitudensteuerung vorgesehen ist, wobei jeder nicht an Netzspannung liegenden Primärwicklung (N3) eine Phasen­ wenderstufe aus vier Schaltern zugeordnet ist, die eine Brücke bilden, deren eine Diagonale mit der entsprechenden Primärwicklung verbunden ist, während ihre andere Diagonale mit den Quellenwick­ lungen (N1.1 bis N1.n) über eine Gruppe von Schaltern mit zwei Schaltern je Elementarwicklung der Quellenseite und eine der nicht an Netzspannung liegenden Primärwicklungen verbunden ist und der erste Pol des ersten Schalters mit dem ersten Wicklungsanschluß, der zweite Wicklungsanschluß mit dem ersten Pol des zweiten Schal­ ters, dessen zweiter Pol mit dem zweiten Pol des ersten Schalters und die zweiten Pole der Schalter der ersten Wicklung mit dem er­ sten Punkt der zweiten Diagonale der Phasenwenderstufe, die zweiten Pole der Schalter der nicht an Netzspannung liegenden Primärwick­ lungen mit dem zweiten Anschluß der jeweils vorhergehenden Wicklung und der zweite Anschluß der letzten Wicklung mit dem zweiten Punkt der zweiten Diagonale der Phasenwenderstufe verbunden sind.

8. Transformator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elementarwicklung der Quellenseite für jede nicht an Netz­ spannung liegende Primärwicklung eine Phasenwenderstufe zugeordnet ist.

9. Transformator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der Elementarwicklungen der Quellenseite unter­ einander in einem Verhältnis von 1 : 2 : 8 : 16 : 32 usw. stehen.

10. Transformator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der Elementarwicklungen der Quellenseite unter­ einander in einem Verhältnis von 1 : 3 : 9 : 27 : 81 usw. stehen.

11. Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter als Relais bzw. Schütze oder als mechanische Schalter ausgebildet sind.

12. Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß statt zweier Schalter (ein Öffner und ein Schließer) je Wicklung ein Wechsler vorgesehen ist.

13. Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter durch antiparallelgeschaltete Thyristoren, Triacs, antiparallelgeschaltete Transistoren oder andere Halbleiterbau­ elemente gebildet sind.

14. Transformator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter aus einem Relais bzw. Schütz besteht, dem ein Halbleiterschalter (antiparallelgeschaltete Thyristoren, Triacs, antiparallelgeschaltete Transistoren oder andere Halbleiterbau­ elemente) parallelgeschaltet ist.

15. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (St) als Mikrocontroller bzw. als Mikroprozessor ausgebildet ist.

16. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er als Regeltransformator betrieben wird.