Die Erfindung betrifft einen Transformator mit Stufenschalteinrichtung zur

unterbrechungslosen Umschaltung zwischen Teilen einer Regelwicklung des

Transformators.

Stufenschalteinrichtungen zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen

Wicklungsanzapfungen eines Stufentransformators sind seit vielen Jahren bekannter Stand der Technik. Die entsprechenden Stufentransformatoren, an denen geregelt werden soll, weisen primär- oder auch sekundärseitig eine gestufte Regelwicklung auf. Die Wicklung auf der zur regelnden Seite des Transformators besteht insgesamt aus einem festen Teil, der Stammwicklung, und der eigentlichen Regelwicklung, die mehrere Wicklungsanzapfungen besitzt. Dies ist beispielweise ausführlich erläutert in der Publikation„Axel Krämer: On-Load Tap-Changers for Power Transformers", veröffentlicht 2000.

Es ist also etablierter Stand der Technik, dass der zu regelnde Stufentransformator auf seiner zu regelnden Seite eine Stammwicklung und in Reihe dazu eine gestufte

Regelwicklung aufweist.

Nach dem frühere Stufeneinrichtungen mechanische Schaltelemente zur Umschaltung zwischen den einzelne Wicklungsanzapfungen der Regelwicklung aufwiesen, haben sich seit einer Reihe von Jahren Vakuumschaltelemente etabliert. In jüngster Zeit schließlich sind auch Halbleiter-Schaltelemente zur unterbrechungslosen Umschaltung zwischen derartigen Wicklungsanzapfungen vorgeschlagen worden. Solche Halbleiter-Schaltelemente besitzen zahlreiche Vorteile; ein Umschalten ist ohne mechanische Bauteile möglich, sie sind jedoch relativ empfindlich gegenüber Überspannungen. Beim Stand der Technik sind solche Halbleiter-Schaltelemente stets einer hohen Belastung bei einer

Blitzspannungsbeanspruchung bei der Prüfung des Transformators sowie bei Transienten im Netz (z.B. beim Schalten von SF ₆ -/Vakuumleistungsschaltern) ausgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator mit einer Stufenschalteinrichtung anzugeben, bei dem die elektrische Belastung der in der Stufenschalteinrichtung

verwendeten Halbleiter-Schaltelemente minimiert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die

Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die Erfindung liegt die allgemeine Idee zugrunde, die nach dem Stand der Technik einheitliche Stammwicklung auf der zu regelnden Seite des Transformators in zwei gleiche Wicklungsteile aufzuteilen und zwischen diesen Wicklungsteilen die Regelwicklung und an dieser wiederum die entsprechende Stufenschalteinrichtung vorzusehen.

Diese Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile. Zunächst einmal können die Halbleiter-Schaltelemente nicht mehr mit der vollen Amplitude der Blitzspannungswelle belastet werden, da die jeweilige Impedanz der halben Stammwicklung vorgeschaltet ist. Da der quasi vorgeschaltete Teil der Stammwicklung auch einen Teil der Energie der Blitzspannungswelle aufnimmt, kann die Schutzbeschaltung der Schaltelemente auch kleiner dimensioniert werden, was zu Kosten- und Platzeinsparung führt. Weiterhin können auch Halbleiter-Schaltelemente mit kleinerer Blockier-/Sperrspannung eingesetzt werden, da diese in erster Linie nach der Blitzspannungsbelastung zu dimensionieren sind und nicht nach der Stehwechselspannung.

Da der vorgeschaltete Teil der geteilten Stammwicklung erfindungsgemäß wie eine Drossel für schnelle Transienten auf der Netzleitung wirkt, werden die Halbleiter-Schaltelemente auch in diesem Fall nicht mit der vollen Amplitude und Fiankensteilheit belastet, da die einzelnen Wicklungsteile wie eine vorgeschaltete Drossel dämpfend wirken.

Besonders vorteilhaft ist das Wicklungsdesign für die geteilte Stammwicklung symmetrisch ausgelegt; dadurch wird die Kraftwirkung im Kurzschlussfall minimiert.

Die Fertigung der beiden Teile der erfindungsgemäß geteilten Stammwicklung kann vorteilhaft auf einzelne Lagen aufgeteilt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigen: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäße Transformators mit

Stufenschalteinrichtung

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung

Fig. 3 einen Tabelle der bei der Ausführung gem. Figur 2 erzielbaren

Spannungsstufen

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen Transformator, dessen Primär- und Sekundärseite durch eine schematisch angedeutete Strichpunktlinie

voneinander getrennt sind. Auf der linken Seite der Darstellung ist die Primärseite gezeigt, an der geregelt werden soll. Erfindungsge, ..-..» eine geteilte Stammwicklung vorgesehen, die aus zwei identischen Stammwicklungsteilen 1 , 2 besteht. Dazwischen ist eine

Stufenschalteinrichtung 3 angeordnet, die durch eine Strichlinie symbolisiert ist. Die

Stufenschalteinrichtung 3 weist hier, als den einfachsten Fall, eine Regelwicklung 4 auf, die von Schaltelementen S in Form einer Brücke umgeben ist. Als Schaltelemente S sind beispielsweise antiparallele Thyristorpaare, IGBTs o.ä. Halbleiter-Schaltelemente, einsetzbar. Bei diesem einfachsten Fall der Erfindung ist die Regelwicklung 4 zu- oder abschaltbar. Gezeigt ist hier noch ein Schalter 5, ein sogenannter Black-Start-Schalter, der sicherstellt, dass der Transformator auch bei Ausfall des Reglers bzw. des Ausfalls von Halbleiter-Schaltelementen weiter betrieben werden kann.

Auf der rechten Seite ist die Sekundärwicklung 6 angedeutet. Mit 7 und 8 sind Anfang und Ende des gesamten Wicklungsaufbaus auf der Primärseite bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung. Hierbei besteht die Stufenschaltereinrichtung 3 aus mehreren Teilen einer Regelwicklung W1 , W1 , W3.

Die Stufenschalteinrichtung 3 besteht hier aus drei einzelnen Modulen M1 , M2, M3.

Das erste Modul M1 umfasst die erste Teilwicklung W1 sowie beidseitig davon zwei Überbrückungspfade, die jeweils eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiter-Schaltelementen S1 .1 und S1 .2 bzw. S1.3 bzw. S1 .4 umfassen. Jeweils zwischen den beiden in Reihe geschalteten Schaltelementen ist eine Mittenanzapfung M1.1 bzw. M1.2 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, IGBT's oder andere Halbleiter-Schaltelemente. Sie können auch jeweils eine Reihen- oder Parallelschaltung mehrerer solcher einzelner Halbleiter- Schalterelemente umfassen.

Die eine Mittenanzapfung M1 .2 ist mit dem Stammwicklungsteil 2 elektrisch verbunden. Die andere Mittenanzapfung M1.1 steht mit einer Mittenanzapfung M2.1 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 S2.1 und S2.2 bzw. S2.3 und S2.4. Ebenfalls sind zwischen den jeweiligen Reihenschaltungen wieder Mittenanzapfung M2.1 und M2.2 vorgesehen. Die Beschaltung der einen Mittenanzapfung M2.1 mit dem ersten Modul M1 wurde bereits erläutert; die zweite Mittenanzapfung M2.2 ihrerseits ist mit einer Mittenanzapfung M3.2 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 S3.1 und S3.2 bzw. S3.3 und S3.4 sowie die dazwischen liegenden Mittenanzapfungen M3.1 und M3.2. Die bisher noch nicht erwähnte Mittenanzapfung M3.1 des dritten und hier letzten Moduls M3 ist mit dem Stammwicklungsteil 1 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 hier die dreifache Windungszahl der Teilwicklung W1 im ersten Modul M1 auf. Die Teilwicklung W3 im dritten Modul M3 weist hier die sechsfache Windungszahl der Teilwicklung W1 im ersten Modul M1 auf.

Figur 3 zeigt eine Beschaltungstabelle der in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Stufenschalteinrichtung. Das Symbol„0" bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung nicht eingeschaltet, d. h. überbrückt ist. Das Symbol„+" bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung zur Oberspannungswicklung 2 im gleichen Sinn dazu geschaltet ist. Das Symbol„-„ schließlich bedeutet, dass die entsprechende Teilwicklung gegensinnig zur Oberspannungswicklung 2 geschaltet ist.

In der Beschaltungstabelle sind die zehn Spannungsstufen dargestellt, die sich ergeben, wenn man zur Stufenspannung der Oberspannungswicklung 2 weitere Teilspannungen hinzufügt. Diese Teilspannungen ergeben sich durch die unterschiedliche Zuschaltung, Gegenschaltung oder Überbrückung der einzelnen Wicklungsteile W1 ...W3. Es ist zu sehen, dass sich bestimmte Spannungsstufen redundant, d. h. durch unterschiedliche

Schaltzustände, erzeugen lassen.

Ebenso, in der Tabelle aber nicht dargestellt, ist es möglich, in der anderen Richtung entsprechende gestufte Teilspannungen von der Spannung in der Oberspannungswicklung 2 abzuziehen. Insgesamt ergeben sich bei dieser Ausführungsform mithin einundzwanzig mögliche Spannungsstufen. In der Mittelstellung, hier mit N bezeichnet, ist die

Stufenschaiteinrichtung. Stammwicklungsteil 1 und 2 sind dann direkt miteinander verbunden.

Das erläuterte Zu- bzw. Gegenschalten oder die Überbrückung der einzelnen Wicklungsteile W1 ...W3 erfolgt durch eine entsprechende Beschaltung der Halbleiter-Schaltelemente S1.1 ... S3.4.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Zwischen dem StammwicklungsteiH und dem Stammwicklungsteil 2 ist die hier gezeigte Stufenschaiteinrichtung 3 angeordnet. Sie besitzt zwei in Reihe geschaltete

Schaltbaugruppen A und B. Die erste Schaltbaugruppe A ihrerseits besitzt eine

Parallelschaltung von zwei Zweigen 9 und 10. Im ersten Zweig 9 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S1 , S2 vorgesehen. Im parallelen zweiten Zweig 10 sind in Reihenschaltung zueinander zwei weitere Halbleiter-Schalteinheiten S3, S4 vorgesehen. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S1 , S2 im ersten Zweig 9 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S3, S4 im zweiten Zweig 10 ist eine erste Teilwicklung W1 der Regelwicklung angeordnet.

Die zweite Schaltbaugruppe B besitzt eine Parallelschaltung von drei Zweigen 1 1 , 12 und 13. Im dritten Zweig 1 1 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schafteinheiten S5, S6 , im vierten Zweig 12 sind in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter-Schalteinheiten S7, S8 und im fünften Zweig 13 in Reihenschaltung zueinander zwei Halbleiter- Schalteinheiten S9, S10 vorgesehen. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter- Schalteinheiten S5, S6 im dritten Zweig 1 1 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter- Schalteinheiten S7, S8 im vierten Zweig 12 ist eine zweite Teilwicklung W2 der

Regelwicklung und zwischen den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S7, S8 im vierten Zweig 12 und den beiden in Reihe geschalteten Halbleiter-Schalteinheiten S9, S10 im fünften Zweig 13 ist eine dritte Teilwicklung W3 angeordnet. Bei dieser

Ausführungsform ist die zweite Schaltbaugruppe B mit dem Stammwicklungsteil 2 elektrisch verbunden.

Im Rahmen der Erfindung sind unterschiedlichste Ausführungen der Stufenschalteinrichtung 3 mit der unterschiedlichsten Zahl von zu regelnden Teilwicklungen und verschiedensten Beschaltungen mittels Halbleiter-Schaltelementen möglich. Wichtig ist bei allen diesen Ausführungsformen allein, dass die entsprechende Schalteinrichtung 3 zwischen den beiden Stammwickiungsteilen 1 , 2 der erfindungsgemäß geteilten Stammwicklung auf der Seite des Transformators, an der geregelt werden soll, vorgesehen ist.