LEHMANN, Klaus (Leharstr. 9, Höchstadt / Aisch, 91315, DE)
HAUSSEL, Werner (Ahornstr. 51, Feucht, 90537, DE)
LEHMANN, Klaus (Leharstr. 9, Höchstadt / Aisch, 91315, DE)
| Ansprüche 1. Ortsnetztrafo, bzw. Schaltung für einen elektrischen Verteiltransformator zur Steuerung und/oder Regelung des Spannungsbereichs je Phase für die Niederspannungsebene, dadurch gekennzeichnet, dass einem Verteiltransformator (3) wenigstens ein Zusatz-Transformator (2) mit wenigstens einer Primär- (5) und einer Sekundär- (4) Wicklung nachgeschaltet ist, wobei die Sekundärseite (4) in Reihe mit der Phase vom Verteiltransformator (3) geschaltet ist und die Wicklungen der Primärseite (5) mittels einer Einrichtung (6) mit während des Betriebs kontinuierlich anpassbarer Spannung und/oder Frequenz ansteuerbar ist. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zur Ansteuerung der Primärseite (5) des Zusatz-Transformators (2) von der Netz- Versorgungsspannung versorgt wird und über Mittel (7) verfügt, die Spannung an der Primärseite (5) des Zusatz-Transformators (2) in Abhängigkeit der Netz- Versorgungsspannung (8) zu steuern bzw. zu regeln. 3. Schaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das die Einrichtung (6) zur Ansteuerung der Primärseite (5) des wenigstens einem nachgeschalteten Transformators (2) als Frequenzumformer und/oder Wechselrichter ausgeführt ist. 4. Schaltung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, das die Einrichtung (6) zur Ansteuerung der Primärseite (5) des wenigstens einem nachgeschalteten Transformators (2) als rückspeisefähiger Frequenzumformer und/oder Wechselrichter ausgeführt ist. 5. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (6) zur Versorgung der Primärseite (5) des Zusatz-Transformators (2) über einen analogen Eingang und einen Spannungsregler verfügt. 6. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter zur Versorgung der Primärseite des Zusatz-Transformators über unipolaren und einen binären Eingang und einen Spannungsregler verfügt. 7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (5) des Zusatz-Transformator (2) mit einem schaltbaren Bypass (10) ausgeführt ist, der bei Netz-Kurschluss die Primärwicklung des Zusatz-Transformators überbrückt. 8. Schaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Wechselrichters mit der Netz- Versorgungsspannung schaltbar ausgeführt ist und im Falle eines Netz-Kurzschlusses unterbrechbar ist. 9. Schaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass des Übersetzungsverhältnis der Primär zur Sekundärwicklung des Zusatz-Transformators bevorzugt 10: 1 ausgeführt ist. |
Beschreibung:
In der Patentanmeldung Nr. 10 2009 014 243.6 vom 17.03.2009 wurde ein Verfahren„Orts- netztrafo, bzw. Schaltung für einen elektrischen Verteilertransformator" vorgestellt, welches erstmals, auch für sehr hohe Leistungen bis etwa 1000 kVA, die Steuerung / Regelung jeder Phase des 400/230 V elektrischen Verteilnetzes so ermöglicht, dass unabhängig von der Energierichtung, insbesondere auch bei Rückspeisung von Photovoltaikanlagen, Blockheizkraftwerken etc., die Strangspannungen im normativen Bereich verbleiben.
Die wesentliche Neuerung ist, auszugsweise dargestellt in Fig. 1 , beschrieben. Mit zwei oder mehr Zusatztransformatoren, deren Primärwicklungen durch netzgeführte Leistungsschalter wie Nullspannungsschalter oder antiparallele Thyristoren über eine geeignete Steuermatrix ein- und ausgeschaltet werden und durch die zur Verteilertransformatorphase in Reihe liegen- den Niedervolt (6, 9, 11 V) - Hochstromwicklungen lässt sich die Ist-Phasenspannung stufig im Prozentbereich steuern / regeln.
Sind beispielsweise die Transformatoren 2 und 3 gleich auf 230/9,2 V ausgelegt, so lassen sich die Stufungen + 8 %, + 4 %, 0 %, - 4%, - 8% für die Verbraucherspannungsänderung erreichen.
Durch unterschiedliche Transformatoren, eventuell auch mit angezapften (verlängerten) Primärwicklungen lassen sich feinere diskrete Stufungen durch zusätzliche Schaltelemente erzielen.
Diese Stufungen haben aber ebenfalls nur diskrete Werte.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Neuartig an der erweiterten Vorläse ist nun, dass man alle erforderlichen Leistungsschalter, beispielsweise 4 pro Phase, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen bidirektional betreibbaren einphasigen Wechselrichter ersetzt. Wenn die transportierbare Wechselstromleistung genügend groß ist, etwa 10 % der Leistung pro Strang, so lassen sich eventuell auch ein (oder meh- rere) Zusatztransformator(en) einsparen. Der wesentliche Vorteil einer solchen Anordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt, ist eine fast kontinuierliche Beeinflussung der Regelgröße, d.h. Regelung der Verbraucher- Strangspannung.
Der in Fig. 2 dargestellte einphasige Wechselrichter muss hardwaremäßig allerdings so ausge- staltet sein, dass er eine niedrige Eingangsspannung an der Sekundärwicklung des Verteilertransformators, z.B. 207 V, in eine mindestens 230 V große Ausgangsspannung für die Speisung des Zusatztransformators bei gleicher Frequenz umsetzen kann.
Diese Forderung, als auch der wegen Rückspeisung erforderliche Vierquadranten- Betrieb lässt sich aber mit dem heutigen Stand der Technik durch einen Hochsetzsteller, einer steuer- baren Eingangsbrücke mit Leistungshalbleitern z.B. IGB s oder ähnlichem erreichen. Danach folgt ein Gleichstromzwischenkreis, der wiederum für den Ausgang eine steuerbare Ausgangsbrücke besitzt. Die eben beschriebene Doppelsteuerung erfolgt durch einen vorwiegend digital aufgebauten Regler, der als Einganssignal einerseits die Wunschgröße U so ii, in der Regel 230 V, besitzt und andererseits die Ist-Größe Uj St , welche auf U so n nachgeregelt wird.
Dabei kann die Ist-Größe
An der Sekundärwicklung des Verteiltrafos (Lv)
Am Ausgang des Systems (Lv*)
Oder
an einem beliebigen kritischen Punkt des Verteilnetzes (Übertragung durch
Fernwirktechnik, z.B. Powerline-Modems) abgegriffen werden.
Der in der Fig. 2 dargestellte Bypass, welcher der Primärwicklung des Zusatztransformators parallel liegt, hat die Aufgabe, beim Auftreten von Überströmen im Verteilnetz, z.B. entstehender Kurzschluss, die Primärwicklung des Zusatztransformators vor dem Durchschlagen zu schützen.
Damit braucht der bidirektionale erforderliche Wechselrichter nicht unnötig (Kosten) überdimensioniert werden. Die in Fig. 2 nur für eine Phase des Verbraucher-Drehspannungsnetzes dargestellte Anordnung muss dreimal realisiert werden. Eine Zusammenfassung zu einem Drehstromsystem von drei einphasigen Transformatoren und drei einphasigen Wechselrichtern ist wegen der unterschiedlich auftretenden Belastungsfälle pro Phase im Dreiphasen- Verbrauchernetz nicht emp- fehlenswert.
Es würde auf jeden Fall die getrennt pro Phase mögliche Ausregelung stark beeinträchtigen bzw. bei großen unterschiedlichen Regelabweichungen (U sol i - Ui St ) in den Einzelphasen fast unmöglich machen.
Die Speisung des Reglers kann erfolgen: analog (bipolare Analoggröße für Regelung höher und tiefer), rein-digital (höher/tiefer gestuft) oder analog/digital (unipolare Analoggröße für Regelung /Vorzeichen für höher und tiefer).
Für das neue vorgeschlagene System wird nur ein Zusatztransformator pro Phase benötigt.
Die nachfolgenden Betrachtungen gelten beispielhaft für einen 400 kVA Verteiltransformator, der durch das Zusatzsystems einen quasikontinuierlichen Regelbereich einer Sekundär- Strangspannung von 207 V < U < 253 V realisieren soll.
Die damit erzielbare Spannungsdifferenz von
0 < U < 23 V wird je nach Ablage der Ist-Spannung Uj St , abhängig von der Energieflussrich- tung des Wechselrichters, der Ist-Spannung zuaddiert oder abgezogen.
Pro Phase stellt der Verteiltransformator im Nennfall
400kVA i a , , 1 A ...
P Str - = = 133,3 kVA zur Verfügung.
Bei Nennspannung UN = 230 V ergibt sich also ein Phasenstrom von
133^ = 580 A
230V 230V
Bei einem Übersetzungsverhältnis von ü = = 10 fließen also im Primärkreis des Zu-
23V satztransformators INP
Damit lassen sich die erforderlichen Größen des einphasigen Wechselrichters als auch die des Zusatztransformators abschätzen. Wechselrichter: P s = 230 V * 58 A = 13,5 kVA.
Der Zusatztransformator muss die gleiche Leistung verarbeiten können.
Er hat geschätzte Eisenverluste von PFe = 95 W und geschätzte Kupferverluste von Pc u = 595 W
Pro Trafo und Phase ist also im Nennbetrieb mit Ρχ Γ = 690 W zu rechnen. Die durch den Wechselrichter entstehenden Schaltverluste liegen bei einem angenommenen Wirkungsgrad von η.= 0,93 bei ca. P Sch = 0,07 * 13,5 kW = 945 W.
Somit wird das komplette dreiphasige Steuer / Regelsystems eine Gesamtverlustleistung von
XPv = 3 * (P Tr + Ps c h) = 3 * (690 + 945)W = 4,905 kW haben, das sind etwa 1,23 % der ge- samten System Verlustleistung.
Allerdings bietet das neue vorgeschlagene System folgende Vorteile: großer Regelbereich ± 10 % quasikontinuierliche Steuerung / Regelung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben, dabei zeigen:
Fig. 1 zeigt ein einphasiges Schaltbild eines geregelten Ortsnetztrafos mit zwei nachgeschal- teten Zusatztrafos mit jeweils einer Primärwicklung. Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltbild mit einem Zusatztrafo und einem bidirektionalen Wechselrichter.
Figur 1 zeigt eine Struktur, mit zwei Zusatztransformatoren mit jeweils einer Primärwicklung und entsprechender Anzahl elektronischer Schalter V v . Kurzschluss einer Phase bedeutet, dass auf der Sekundärseite jedes Trafos der n- fache Nennstrom (n bis 25 je nach Kurzschlussspannung) fließt, was zu einer erheblichen Erhöhung der Primärspannungen führt.
Die Schaltelemente in der beispielhaften Struktur mit 2 Zusatztransformatoren 2 und 3, es könnten im Bedarfsfall auch mehr kaskadiert werden, übernehmen jetzt die Umpolung der Primärwicklungen.
Die Wicklungen Ni sind für 230V Nennspannung ausgelegt, durch N 3 für 9,2V (entspricht 4%
230
von 230V) ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von ü = = 25.
9,2
Für die Funktion des in Figur 1 dargestellten Systems ergibt sich folgender tabellarischer Zusammenhang:
Strangspannung in Volt Schalter Vv Spannungsänderung %
V! = 1 V 5 = 1
v 2 = 0 V 6 = 0
207,8 bis 216,4 +8
V 3 = 0 V 7 = 0
V 4 = 1 V 8 = 1
Vi = 1 V 5 = 1
v 2 = 0 V 6 = 1
216,5 bis 225,4 +4
V 3 = 0 V 7 = 0
V 4 = 1 V 8 = 0
Vi = 1 V 5 = 1
V 2 = 1 V 6 = 1
225,5 bis 234,6 0 Normalzustand
V 3 = 0 V 7 = 0
V 4 = 0 V 8 = 0 V, = 0 V 5 = 1
V 2 = 1 v 6 = 1
234,7 bis 244 -4
V 3 = 1 V 7 = 0
V 4 = 0 V 8 = 0
V, = 0 V 5 = 0
V 2 = 1 V 6 = 1
244,1 bis 253,4 -8
V 3 = 1 V 7 = 1
V 4 = 0 V 8 = 0
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß der Beschreibung gezeigt, in welcher einem Verteiltransformator 3 ein Zusatztransformator 2 nachgeschaltet ist, wobei die Sekundärwicklung 4 des Zusatztransformators 2 dem Verteiltransformator 3 in Reihe geschaltet ist. Die Primärseite 5 des Zusatztransformators 2 ist Netz- gespeist und mit einem vorgeschalteten bidirektionalen Wechselrichter 6 ausgerüstet, welcher angesteuert mit einem Regler 7 als Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller arbeitet, womit eine stufenlose Einstellung der an der Primärseite 5 des Zusatztrafos2 anliegenden Spannung erreicht wird. Durch die so einstellbare Spannung an der Primärseite 5 des Zusatztrafos 2 und der damit einhergehenden Änderung auf der Sekundärseite 4 des Zusatztrafos 2 ist die Versorgungsspannung 8 am Abgriff Lv* ebenso variabel einstellbar.
Dem Regler 7 wird die Soll- und Ist- Spannung zugeführt. Mittels Soll-Ist- Vergleich wird durch die Steuerung des Wechselrichters 6 die Istspannung in Bezug auf die Sollspannung angepasst, bzw. nachgeführt.
Ein, der Primärwicklung 5 des Zusatztransformators 2 parallel geschalteter Bypass 10 welcher gesteuert ist und im Fall z.B. eines Kurzschlusses im Verteilernetz die Primärwicklung 5 des Zusatztransformators 2 überbrückt, schützt die Primärwicklung vor dem Durchschlagen.
Nachdem bevorzugte Ausführungen der Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurden, ist festzuhalten, dass die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungen beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen daran von einem Fachmann ausgeführt werden können, ohne dass vom Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, abgewichen wird.
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