Die Erfindung betrifft einen Regeltransformator, genauer gesagt einen

Phasenschiebertransformator.

Ein Phasenschiebertransformator, auch Querregeltransformator, ist ein spezieller Leistungstransformator, der im Bereich elektrischer Wechselstromnetze dazu dient, den elektrischen Lastfluss gezielt zu steuern.

Im Gegensatz zu der üblichen Anwendung von Transformatoren, nämlich der Umsetzung von Wechselspannungen auf verschiedene Spannungsniveaus, dienen Phasenschiebertransformatoren, wie der Name bereits sagt, als Phasenschieber, um die Leistung durch eine elektrische Leitung gezielt zu beeinflussen. Wenn

beispielsweise zwischen zwei Schaltanlagen oder Umspannwerken mehrere

Leitungen auf unterschiedlichen Wegen geführt sind, kann mittels

Phasenschiebertransformatoren beeinfiusst werden, wie die übertragene Leistung aufgeteilt wird. Ein typischer Anwendungsfall ist dann gegeben, wenn die

vorhandenen Leitungen unterschiedliche Transportkapazitäten aufweisen.

Ein derartiger Phasenschiebertransformator, sein Aufbau und seine

Regelmöglichkeiten sind in dem Fachbuch Krämer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers, 2000, S. 96 ff. ausführlich dargestellt.

Der gezeigte Phasenschiebertransformator mit hoher Durchgangsleistung ist zweigeteilt und besteht aus einem Serientransformator und einem

Erregertransformator zur eigentlichen Regelung („Shunt-Transformator"), über den mittels eines Stufenschalters eine bestimmte Phasenverschiebung eingestellt werden kann. Beim üblicherweise eingesetzten Dreiphasenwechselstrom sind für jeden Außenleiter sowohl ein Serien- als auch ein Erreger-, d.h. Regeltransformator vorhanden.

Über den Regeltransformator wird pro Phase über den Stufenschalter eine

Spannung abgegriffen, die gegenüber der Außenleiterspannung gegen Erde um 90° verschoben ist und über den erläuterten Serientransformator mittels Vektoraddition zu einer phasenverschobenen Spannung führt. Diese Art der Lastbeeinflussung, typisch für einen Phasenschiebertransformator, wird auch als Querregelung bezeichnet, im Gegensatz zu der Längsregelung eines Standardtransformators.

Der Lastfluss durch den Phasenschiebertransformator kann dabei ebenfalls in beiden Richtungen erfolgen.

Der Einstellbereich des Phasenwinkels ist je nach Auslegung verschieden. Er liegt typischer Weise im Bereich von +10° und kann bei speziellen Ausführungen bis zu 30° betragen. Dabei sind unterschiedliche Schaltungsvarianten möglich, von denen eine als Beispiel auf S. 197 des o.a. Fachbuches gezeigt ist.

Neben der 90°-Querregelung sind auch andere Methoden bekannt, die als 60°- bzw. 30°-Schrägregelung bezeichnet werden.

Das Verfahren der 60°-Schrägregelung beruht darauf, dass die benötigte

Erregerspannung über einen Wicklungsteil des Nachbarschenkels eines

Transformatorkerns erzeugt wird und diese vektoriell zu der Spannung der

Stammwicklung addiert wird. Der Grad der Phasenverschiebung kann dabei ebenfalls durch einen Stufenschalter eingestellt werden.

Derartige Verschaltungen der Wicklungen werden üblicherweise im Inneren des

Transformatorkessels ausgeführt, da eine Umschaltung der Betriebsart des

Transformators in der Regel nicht vorgesehen ist. Vorgesehen sind lediglich

Umklemmeinrichtungen, mit der die Verschaltung der Wicklung in spannungslosen

Zustand geändert werden kann.

Die bekannten Regeltransformatoren mit ihren inneren Verschaltungen von

Transformatorenwicklungen erlauben daher lediglich, konstruktionsbedingt, die

Festlegung auf eine konkrete Betriebsart des Transformators - wie z.B. eine

Anwendung als Phasenschieber oder im einfachsten Fall als bekannter Längsregler zur Spannungsregelung eines Energieversorgungsnetzes.

Eine wechselnde Betriebsart ist bei den bekannten Regeltransformatoren nicht vorgesehen und kann im laufenden Betrieb eines Transformators nur mit extrem hohem Aufwand realisiert werden, da die Schaltelemente nicht so gesteuert werden können, dass sie bei minimaler Beanspruchung der Schaltstrecken eine

Betriebsumschaltung des Transformators vornehmen können. Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen Reg eltra n sf o rm ato r anzugeben, bei dem auf einfache Weise mit nur wenigen Schaltelementen eine Betriebsumschaltung zwischen Längsregelbetrieb, d.h. Spannungsregelung, einerseits und

Phasenschieberbetrieb, d.h. Drehung der Phasenlage von Ein- und

Ausgangsspannung, andererseits, des gleichen Transformators eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Regeltransformator mit Halbleiter-Schaltelementen mit den Merkmalen der beiden nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Der Patentanspruch 1 betrifft dabei einen Regeltransformator mit Stamm- und

Regelwicklung, Patentanspruch 2 einen solchen mit zusätzlich zu- und

gegenschaltbarer Grobstufe.

Die allgemeine erfinderische Idee bei beiden Ausführungsformen besteht darin, einen Regeltransformator mit Halbleiter-Schaltelementen durch weitere elektrische Verbindungsleitungen und diese beschaltende weitere Halbleiter-Schaltelemente derart weiterzuentwickeln, dass er auf einfache Weise sowohl für die Funktionalität als Längsregler als auch als Phasenschieber, d.h. Schrägregler, vorsehbar ist. Ein modularer Regeltransformator mit Halbleiter-Schaltelementen ist prinzipiell bereits aus der Veröffentlichung Demirci, Torrey, Degeneff, Schaeffer, Frazer:„A new approach to solid-state on load tap changing transformers", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Nr. 3, July 1998, bekannt. Er ist zur Längsregelung verwendbar und wird weiter unten noch einmal erläutert.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 : Einen bekannten Regeltransformator, als Längsregler wirkend

Fig. 2: Einen ersten erfindungsgemäßen Regeltransformator als 60°-Schrägregler, 27 Stufen

Fig. 3: Einen zweiten erfindungsgemäßen Regeltransformator als 60°-Schrägregler mit Lineargrobstufe. Fig. 4: Die in Figur 2 gezeigt Darstellung; um einige Bezugszeichen erweitert Fig. 5: Ein Zeigerdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen

Regeltransformators gem. Figuren 2 und 4 Figur 1 zeigt einen bekannten dreiphasigen zu regelnden Transformator, wie er bereits vorgeschlagen wurde, bestehend aus einer Unterspannungswicklung 1 und einer Oberspannungswicklung 2, mit hier drei separaten Teilwicklungen W1...W3, an die ein modularer Stufenschalter angeschaltet ist, der hier aus drei einzelnen

Modulen M1 , M2, M3 besteht.

Alle Phasen sind identisch aufgebaut.

Das erste Modul M1 umfasst die erste Teilwicklung W1 sowie beidseitig davon zwei Überbrückungspfade, die jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiter- Schaltelementen umfassen. Jeweils zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltelementen ist eine Mittenanzapfung vorgesehen.

Die einzelnen Halbleiter-Schaltelemente sind hier wie auch in den nachfolgenden Figuren nur schematisch als einfache Schalter dargestellt. Sie umfassen in der Praxis parallel geschaltete Thyristorpaare, IGBTs oder andere Halbleiter- Schaltelemente. Sie können auch jeweils eine Reihen- oder Parallelschaltung mehrerer solcher einzelner Halbleiter-Schalterelemente umfassen.

Die eine Mittenanzapfung ist mit dem Sternpunkt 3 elektrisch verbunden. Die andere Mittenanzapfung steht mit einer Mittenanzapfung eines zweiten Moduls M2 in Verbindung. Dieses zweite Modul M2 ist identisch aufgebaut; es umfasst ebenfalls eine Teilwicklung W2 sowie die beiden Reihenschaltungen aus jeweils zwei

Halbleiter-Schaltelementen. Ebenfalls sind zwischen den jeweiligen

Reihenschaltungen wieder Mittenanzapfung vorgesehen. Die Beschaltung der einen Mittenanzapfung mit dem ersten Modul M1 wurde bereits erläutert; die zweite Mittenanzapfung ihrerseits ist mit einer Mittenanzapfung eines dritten Moduls M3 verbunden.

Dieses dritte Modul M3 ist wiederum identisch aufgebaut. Es umfasst wiederum eine Teilwicklung W3 sowie die beiden Reihenschaltungen aus Halbleiter- Schaltelementen sowie die dazwischen liegenden Mittenanzapfungen. Die bisher noch nicht erwähnte Mittenanzapfung des dritten und hier letzten Moduls M3 ist mit dem Ende der Oberspannungswicklung 2 elektrisch verbunden. Die beschriebenen hier drei Module M1 ... M3 unterscheiden sich nur durch die Bemessungen der jeweiligen Teilwicklungen W1 ...W3.

Die Teilwicklung W2 im zweiten Modul M2 weist beispielsweise die dreifache

Windungszahl der Teilwicklung W1 im ersten Modul M1 auf. Die Teilwicklung W3 im dritten Modul M3 weist beispielsweise die sechsfache oder auch neunfache

Windungszahl der Teilwicklung W1 im ersten Modul M1 auf.

Dieser hier gezeigte Regeltransformator arbeitet als herkömmlicher Längsregler zur Spannungsregelung mit insgesamt 21 Spannungsstufen. Die einzelnen

Teilspannungen ergeben sich durch die unterschiedliche Zuschaltung,

Gegenschaltung oder Überbrückung der einzelnen Wicklungsteile W1... W3.

Figur 2 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Regeltransformator als 60°- Schrägregler mit 27 erreichbaren Spannungsstufen. Zusätzlich sind hier jeweils elektrische Verbindungsleitungen L1 und L2 vorgesehen. In jeder der

Verbindungsleitungen L1 ist ein elektronisches Schaltelement S1 vorgesehen. Jede der Verbindungsleitungen L1 verbindet dabei die Mittenanzapfung des Moduls M3 jeder Phase mit dem Ende der Stammwicklung 2 der jeweils benachbarten Phase. Eine weitere Verbindungsleitung L2, in der jeweils ein weiteres elektronisches Schaltelement S2 vorgesehen ist, verbindet jeweils diese Mittenanzapfung des Moduls M3 mit dem Ende der Stammwicklung 2 der eigenen Phase.

Die Enden der Stammwicklungen 2 aller drei Phasen sind also durch die

Verbindungsleitungen L1 quasi als„Ringleitung" miteinander elektrisch verbunden; die in dieser„Ringleitung" befindlichen Schaltelemente S1 und S2 jeder Phase stellen je nach ihrer Schaltstellung die elektrische Verbindung her - alternativ die elektrische Verbindung zur jeweiligen Mittenanzapfung des entsprechenden Moduls M3 der entsprechenden Phase.

Die Phasenlage des zu addierenden Spannungsvektors wird vom Nachbarschenkel, d.h. der benachbarten Phase, des Transformators vorgegeben. Daraus resultiert ein Phasenwinkel von 60°.

Figur 3 zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen Regeltransformator als 60°- Schrägregler mit Lineargrobstufe. Die Grobstufe wird dabei jeweils durch die

Teilwicklung W3 jeder Phase gebildet, die durch das jeweilige Modul M3 zu- oder gegenschaltbar zur Stammwicklung 2 ist. Mit anderen Worten: Das Modul M3 betätigt hier die Grobstufe und ist nicht an der eigentlichen Spannungsregelung beteiligt, die bei diesem Beispiel von den Modulen M2 und M1 realisiert wird. Auch hier sind jeweils elektrische Verbindungsleitungen L1 und L2 vorgesehen. In jeder der Verbindungsleitungen L1 ist ganz analog zum ersten Ausführungsbeispiel ein elektronisches Schaltelement S1 vorgesehen. Jede der Verbindungsleitungen L1 verbindet hier die Mittenanzapfung des Moduls M2 jeder Phase mit den

Mittenanzapfungen des Moduls M3 der jeweils anderen Phasen - statt jeweils mit dem Ende der Stammwicklung wie weiter oben beschrieben. Die weitere

Verbindungsleitung L2, in der hier ebenfalls jeweils ein weiteres elektronisches Schaltelement S2 vorgesehen ist, verbindet jeweils diese Mittenanzapfung des Moduls M2 mit der Mittenanzapfung des jeweiligen Moduls M3 der eigenen Phase. Die Mittenanzapfungen der Module M3 aller drei Phasen sind also hier durch die Verbindungsleitungen L1 wiederum quasi als„Ringleitung" miteinander elektrisch verbunden; die in dieser„Ringleitung" befindlichen Schaltelemente S1 und S2 jeder Phase stellen je nach ihrer Schaltstellung die elektrische Verbindung her.

In Figur 4, die prinzipiell die in Figur 2 bereits erläuterte Ausführungsform darstellt, wurden Bezugszeichen für die an den einzelnen Phasen anstehenden

Gesamtspannungen U _a , U _b und U _c sowie für die Spannung U ₂ , die über der

Stammwicklung 2 abfällt, ferner für die Spannungen Uu2, Uv2, U _W 2, die jeweils über dem Regelteil, der sich in jeder Phase aus den entsprechenden Modulen M1 ... M3 zusammensetzt, abfallen, ergänzt.

Figur 5 zeigt ein entsprechendes Zeigerdiagramm, das die Phasenverschiebung verdeutlicht. Dargestellt sind hier die Spannung U _V 2, die sich als Regelspannung aus den Teilspannungen über den Teilwicklungen W1 , W2 und W3 ergibt, ferner die Spannung U ₂ , die in Figur 4 bezeichnet ist. Im Ergebnis ergibt sich eine

phasenverschobene Spannung U _a = U ₂ + U _V 2- Dabei bezeichnet φ den

Phasendrehwinkei, d.h. den Winkel, um den die Phasenlage von U ₂ verschoben wird.

Insgesamt gestattet der gezeigte Regeltransformator mit der beschriebenen

Topologie eine schnelle Änderung der Windungsverhältnisse im Transformator und damit eine schnelle Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators. Eine der Voraussetzungen ist dabei die Erfassung der Phasenlage von Strom und Spannung, um die Halbleiterschalter zum richtigen Zeitpunkt ansteuern zu können. Durch die erfindungsgemäße Erweiterung um die beschriebenen Leitungen L1 und L2 und die in diese eingefügten Schalter S1 und S2 in jeder Phase, die quasi als Wechselschalter fungieren, und der Nutzung der bereits in der Steuerung des

Halbleiterstufenschalters vorhandenen Informationen hinsichtlich der Phasenlage der Ströme auch der Nachbarphase, lässt sich im laufenden Betrieb des

Regeltransformators eine Umschaltung der Wicklungsverschaltung von Stamm- und Regelwicklung vornehmen, so dass zwischen Längsregelbetrieb

(Spannungsregelung) sowie Phasenschieberbetrieb (Drehung der Phasenlage von Ein- und Ausgangsspannung) des gleichen Transformators umgeschaltet werden kann.

Die einzelnen Halbleiter-Schaltelemente sind hier nur schematisch als einfache Schalter dargestellt. Sie umfassen in der Praxis parallel geschaltete Thyristorpaare, IGBTs oder andere Halbleiter-Schaltelemente. Sie können auch jeweils eine Reihenoder Parallelschaltung mehrerer solcher einzelner Halbleiter-Schalterelemente umfassen.