Transformator

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Transformator (10, 30, 60), umfassen einen Transformatorkern (50) mit wenigstens drei parallel zueinander senkrecht zu den Eckpunkten einer durch ein Polygon aufgespannten Grundfläche angeordneten Kernschenkeln (62), welche in ihren jeweiligen beiden axialen Endbereichen beidseitig in ein jeweiliges quer dazu angeordnetes Jochsegment (12, 14, 16, 64) übergehen sowie jeweils eine um einen jeweiligen Kernschenkel (62) in einem hohlzylinderähnlichen Wicklungsbereich angeordnete Hauptwicklung (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62), wobei der magnetische Querschnitt eines jeweiligen Kernschenkels (62) größer ist als der magnetische Querschnitt (100) eines jeweiligen Jochsegmentes (12, 14, 16, 64). Jeweils eine mit einer jeweiligen Hauptwicklung (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) elektrisch verbundene Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70, 84) ist vorgesehen, welche um ein jeweils zugeordnetes Jochsegment (12, 14, 16, 64) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Transformator, umfassend einen Transformatorkern mit wenigstens drei parallel zueinander senkrecht zu den Eckpunkten einer durch ein Polygon aufgespannten Grundfläche angeordneten Kernschenkeln, welche in ihren jeweiligen beiden axialen Endbereichen beidseitig in ein jeweiliges quer dazu angeordnetes Jochsegment übergehen und jeweils eine um einen jeweiligen Kernschenkel in einem hohlzylinderähnlichen Wicklungsbereich angeordnete Hauptwicklung, wobei der magnetische Querschnitt eines jeweiligen Kernschenkeis größer ist als der magnetische Querschnitt eines jeweiligen Jochsegmentes.

[0002] Es ist allgemein bekannt, dass in elektrischen Energieverteilungsnetzen Transformatoren eingesetzt werden, um Netzteile unterschiedlicher Spannungsebenen miteinander zu koppeln. Derartige Transformatoren sind in einer verbraucher- beziehungsweise erzeugemahen Spannungsebene häufig als Trockentransformatoren ausgeführt und weisen beispielsweise Nennspannungen im Bereich von 1 kV bis 6kV unterspannungsseitig und Nennspannungen im Bereich von 10kV bis 30kV oberspannungsseitig auf, wobei entsprechende Nennleistungen im Bereich von beispielsweise 0,5 MVA bis 10 MVA liegen. Aber auch im Bereich von Windkraftanlagen finden derartige Transformatoren Anwendung, wobei sich hier die Nennleistung eines Transformators nach der Leistung einer zugehörigen Windkraffianlage richtet. Aufgrund der hohen Nennströme im Unterspannungsbereich, welche beispielsweise einige 100A betragen können, sind die Unterspannungswicklungen häufig aus einem Bandleiter gewickelt ausgeführt, wobei die Breite eines Bandleiters zumeist der kompletten axialen Länge einer jeweiligen Transformatorwicklung entspricht. Je nach Ausführungsform und Anforderungen des Transformators liegt die Anzahl an unterspannungsseitigen Windungen beispielsweise im Bereich um zehn Windungen, insbesondere auch bei Anwendungen für Windkraftanlagen, wo die generatorseits erzeugte Spannung entsprechend gering ist und durch den Transformator auf ein höheres Arbeitsniveau zu setzen ist.

[0003] Zu Regelungszwecken ist es eine bekannte Vorgehensweise, vorzugsweise die oberspannungsseitige(n) Wicklung(en) eines Transformators mit mehreren Anzapfungen zu versehen, welche beispielsweise mittels eines jeweiligen Stufenschalters anwählbar sind, so dass das Übersetzungsverhältnis des Transformators damit in einem Regelbereich veränderbar ist. Eine erhöhte Regelbarkeit ist bei Anwendungen für Windkraftanlagen erforderlich, um eine Anpassung des Transformators auf die aus unterschiedlichen Windverhältnissen resultierenden Randbedingungen sicher zu stellen.

[0004] Der Aktivteil eines Transformators weist einen geschlossenen Eisenkreis und wenigstens eine Ober- und Unterspannungswicklung mit ganzzahligen, geschlossenen Windungen um den jeweiligen Kernschenkel auf. Die induzierte Spannung je geschlossener Leiterschleife ist abhängig von Netzfrequenz, Flussdichte und Kernquerschnitt.

[0005] Nachteilig ist einerseits, dass ein oberspannungsseitig angeordneter Stufenschalter aufgrund der hohen Spannungsbeanspruchung sehr komplex zu fertigen ist und dass die Regelung der Spannung minimal in derjenigen Spannungsstufung erfolgen kann, welche der induzierten Spannung einer kompletten Windung entspricht. Bei einer Spannungsreglung ist die minimale Regelstufe daher auf den Spannungsunterschied zwischen zwei Windungen limitiert. Dies ist insbesondere bei den zuvor erwähnten unterspannungsseitigen Bandwicklungen von Nachteil, weil aufgrund der relativ niedrigen Gesamtzahl an Windungen, beispielsweise im Bereich von zehn, eine feine Regelung um die Nennübersetzung nicht möglich ist.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Transformator bereitzustellen, welcher unterspannungsseitig eine Regelung der Spannung in kleineren Spannungsschritten ermöglicht, wobei ein entsprechender Stufenschalter aufgrund der dann geringeren Spannungsbeanspruchung einfacher zu fertigen ist.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Transformator der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet durch jeweils eine mit einer jeweiligen Hauptwicklung elektrisch verbundene Zusatzwicklung, welche um ein jeweils zugeordnetes Jochsegment angeordnet ist

[0008] Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die induzierte Spannung einer oder mehrerer kompletter Windungen, welche zu Regelzwecken vorgesehen sind, dadurch zu reduzieren, dass diese nicht den magnetischen Querschnitt eines kompletten Kernschenkels umfassen, sondern vielmehr den Querschnitt eines jeweiligen Joches umschließen. Bei einem Transformator mit polygonalem Grundriss ist typischerweise der Querschnitt eines Joches nämlich kleiner als der Querschnitt eines kompletten Kernschenkels. Somit sind auch der von einer Windung umschlossene magnetische Fluss und damit die jeweils induzierte Spannung im Falle der Anordnung auf einem Joch geringer als im Falle der Anordnung auf einem Kernschenkel.

[0009] Durch entsprechende Reihenschaltung der Hauptwicklung und einer vorzugsweise wählbaren Anzahl an Zusatzwicklungen, welche um ein jeweiliges Joch des Transformatorkerns angeordnet sind, lässt sich in vorteilhafter Weise eine feinere Abstufung des Regelbereiches des Transformators erreichen.

[0010] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Transformators weist der Transformatorkern die Grundfläche eines gleichseitigen Dreiecks auf. Derartige Formen sind beispielsweise unter dem Namen "Hexaformer" oder "Deltakern" bekannt. Ein Deltakern weist beispielsweise drei rahmenähnüche, ringartig gewickelte Segmente auf, die entsprechend einem dreieckigen Grundriss aneinander gefügt einen dreieckigen Transformatorkern ergeben. Die symmetrische Form eines derartigen Transformatorkerns für dreiphasige Transformatoren begünstigt beispielsweise in vorteilhafter Weise ein symmetrisches Betriebsverhalten.

[0011] An einem Deltakern lässt sich aber auch veranschaulichen, warum der Querschnitt eines Joches geringer ist als der Querschnitt eines Kernschenkels. Der umlaufende Querschnitt eines rahmenähnlichen, gewickelten Kernsegmentes ist längs seines Umfangs gleich. Der Querschnitt eines Kernschenkels ist durch die Summe der Querschnitte zweier aneinander grenzender Seiten benachbarter Kernsegmente gebildet, während ein Joch den umlaufenden Querschnitt eines einzigen Rahmensegmentes aufweist, wobei insgesamt drei Kernschenkel und sechs Joche mit jeweils halber magnetischer Querschnittsfläche gebildet sind.

[0012] Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Transformators beträgt daher die magnetische Querschnittsfläche eines jeweiligen Jochsegmentes die Hälfte der magnetischen Querschnittsfläche eines jeweiligen Kernschenkels.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Transformators sind die Haupt- und/oder die Zusatzwicklungen durch einen jeweiligen Flachbandleiter gebildet. Flachbandleiter sind in besonderer Weise geeignet für die Aufnahme hoher Ströme, was insbesondere bei einer jeweiligen unterspannungsseitigen Wicklung von Vorteil ist. Zudem weisen Flachbandleiter einen entsprechend hohen Füllfaktor auf.

[0014] Einer weiteren Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Transformators folgend ist zumindest eine Wicklung einer jeweiligen Zusatzwicklung durch einen Spalt im Jochsegment geführt. Hierdurch lässt sich die in die entsprechende Windung der Zusatzwicklung induzierte Spannung weiter reduzieren, weil nunmehr nur ein Teil der magnetischen Querschnittsfläche des Jochs von der Windung umschlossen ist und die induzierte Spannung deshalb entsprechend geringer ausfällt. Somit ist auf einfache Weise eine weitere Verfeinerung der Stufungsabschnitte um die Nennübersetzung ermöglicht, beispielsweise ein Regelbereich von +/-15% in Schritten von jeweils 1,5%.

[0015] Ein Joch ist in besonderer Weise geeignet, zumindest längs eines Abschnittes seiner axialen Erstreckung durch einen Spalt in zwei Querschnittsbereiche geteilt zu werden, weil eine dadurch bedingte Vergrößerung des geometrischen Querschnitts (bei gleichbleibendem magnetischem Querschnitt) zu keiner Erhöhung der Baugröße des Transformators führt. Wäre ein Spalt im Schenkelbereich eines Transformators angeordnet, würde aufgrund des begrenzten Raumangebotes innerhalb einer den jeweiligen Schenkel umgebenden Spule bei gleichbleibendem geometrischem Querschnitt zumindest im Spaltbereich eine effektive Reduzierung des magnetischen Querschnitts resultieren.

[0016] Selbstverständlich ist es auch möglich, eine entsprechend höhere Anzahl an Spalten und damit auch an Querschnittsbereichen vorzusehen. Die Unterteilung kann prinzipiell beliebig sein um die Anforderungen an die Regelbarkeit zu erfüllen, z. B. 1/3, oder 1/4. Spezifische Spannungsstufen lassen sich aber auch realisieren, indem mehrere Windungen um einen Teil des Jochs gelegt werden, beispielsweise 3 Windungen um 1/4 des Jochquerschnittes oder 4 Windungen um 1/5 des Jochquerschnittes. Werden die Wicklungen separat um einen Teil des Jochquerschnitts gelegt, kann die Beschaltung durch die Wahl des Wickelsinns beziehungsweise der Polarität der (Zusatz-) Windung genutzt werden, um diese entweder additiv oder subtraktiv wirken zu lassen. Damit ist es möglich, die für die Spannungsregelbarkeit not-wendige Anzahl der (Zusatz-) Windungen zu reduzieren.

[0017] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Transformators ist die jeweilige Zusatzwicklung mit mehreren auf unterschiedliche Windungen der jeweiligen Zusatzwicklung zugreifenden Anzapfungen versehen. Durch entsprechende Wahl der Anzapfungen ist in vorteilhafter Weise ein gewünschter Regelbereich realisierbar. Optional weist die Zusatzwicklung einen Feinabstufungsbereich auf, welcher durch Anzapfungen von durch den jeweiligen Spalt eines Jochs geführten Windungen der Zusatzwicklung gekennzeichnet ist. Diese weisen jeweils eine induzierte Spannung auf, welche geringer ist als die induzierte Spannung einer das jeweilige Joch komplett umfassenden Windung. Darüber hinaus kann ein Grobabstufungsbereich vorgesehen sein, welcher durch Anzapfungen von das Joch jeweils komplett umfassenden Windungen gekennzeichnet ist. Durch entsprechende Reihenschaltung des Grob- und des Feinabstufungsbereiches lässt sich eine Feinabstufung über einen weiten Bereich erzielen.

[0018] Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Variante des Transformators sind Schaltmittel vorgesehen, um die Hauptwicklung wahlweise mit einer der Anzapfungen der Zusatzwicklung zu verbinden, so dass die Anzahl der aktiven Windungen der elektrisch verbundenen Haupt- und Zusatzwicklung damit anpassbar ist. Gegebenenfalls sind für Grob- und Feinabstufungsbereich der Zusatzwicklung separate Schaltmittel vorgesehen.

[0019] Entsprechend einer weiteren Ausgestaltungsform des Transformators umfassen die Schaltmittel einen Stufenschalter und/oder leistungselektronische Komponenten. Stufenschalter haben sich für die wahlweise Anwahl und Verschaltung von Anzapfungen einer Transformatorwicklung als Standardkomponente bewährt. Bedarfsweise sind auch leistungselektronische Komponenten wie Thyristoren oder IGBT vorgesehen.

[0020] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

[0021] Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.

[0022] Es zeigen:

Fig. 1

einen exemplarischen ersten Transformator,

Fig. 2

einen exemplarischen zweiten Transformator,

Fig. 3

einen exemplarischen dritten Transformator,

Fig. 4

eine exemplarische Verschaltung von Haupt- und Zusatzwicklung und

Fig. 5

einen Querschnitt durch ein exemplarisches Jochsegment.

[0023] Figur 1 zeigt einen exemplarischen ersten Transformator in einer Schnittansicht 10, Ein dreieckiger Transformatorkern (Deltakern) ist gebildet aus drei rahmenähnlich gewickelten Kernsegmenten, von welchen jeweils das untere Jochsegment mit der Bezugsziffer 12, 14, 16 versehen ist. An den Berührungsflächen benachbart angeordneter Kernsegmente sind jeweilige Kernschenkel 18, 20 gebildet, welche den doppelten Querschnitt eines jeweiligen Joches 12, 14, 16 aufweisen. Um die Kernschenkel 18, 20 herum sind jeweilige Hauptwicklungen 22 angeordnet, welche elektrisch mit jeweils um die Jochsegmente 12, 14, 16 angeordneten Zusatzwicklungen 24 verbunden sind. Eine Spannungsreglung einer jeweiligen Hauptwicklung 22 kann durch die geringer abgestufte Spannungsinduktion in der Zusatzwicklung 24 in vorteilhafter Weise verfeinert werden.

[0024] Figur 2 zeigt einen exemplarischen zweiten Transformator in einer Draufsicht 30. Ein dreieckiger Transformatorkern 50 ist an seinen drei Schenkeln hohlzylindrisch umgeben von ineinander verschachtelten radial innen angeordneten ersten unterspannungsseitigen primären Hauptwicklungen 32, 38, 44 und radial außen angeordneten oberspannungsseitigen sekundären Hauptwicklungen 34, 40, 46. Die unterspannungsseitig angeordneten primären Hauptwicklungen sind jeweils elektrisch verschaltet mit um die jeweiligen oberen Joche angeordneten Zusatzwicklungen 36, 42, 48, welche ihrerseits jeweils mehrere Windungen mit Anzapfungen aufweisen, welche mit einem jeweiligen Stufenschalter zur Anpassung des Übersetzungsverhältnisses verbunden sind, was jedoch nicht in der Fig, gezeigt ist.

[0025] Figur 3 zeigt einen ähnlichen Transformator wie in der Figur 2, jedoch in einer Seitenansicht 60. Ein jeweiliger Kernschenkel ist mit einem gestrichelten Rechteck mit der Bezugsziffer 62 und ein jeweiliges Jochsegment mit einem gestrichelten Rechteck mit der Bezugsziffer 64 gekennzeichnet, wobei beide sich in ihrem magnetischen Querschnitt um den Faktor zwei unterscheiden. Um die Kernschenkel 62 herum sind jeweilige erste 66 und zweite 68 Hauptwicklungen angeordnet, welche elektrisch mit um jeweilige Jochsegmente 64 angeordneten Zusatzwicklungen 70 verbunden sind.

[0026] Die Besonderheit der Zusatzwicklungen 70 besteht darin, dass diese nicht den gesamten Querschnitt eines jeweiligen Joches umfassen, sondern dass diese durch einen Spalt in Joch geführt sind, so dass je Windung eine geringere Spannung induziert wird, als wenn der gesamte Jochquerschnitt umfasst wäre. Hierdurch wird eine feinere Spannungsreglung ermöglicht. Der hier gezeigte sogenannte Hexaformerkern, welcher aus jeweils gebündelt gewickelt angeordneten Blechpaketen gefertigt ist, bietet sich in besonderer Weise hierfür an, weil in den Jochbereichen in besonders einfacher Weise ein Spalt zwischen benachbarten Blechpaketen vorgesehen werden kann.

[0027] Figur 4 zeigt eine exemplarische Verschaltung 80 einer Haupt- 82 und Zusatzwicklung 84. Diese sind jeweils elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Zusatzwicklung 84 über mehrere Anzapfungen 86 verfügt, welche wahlweise mittels eines Schaltmittels 88, einem Stufenschalter, abgreifbar sind. Am Anfang und Ende der Reihenschaltung sind elektrische Anschlüsse 90 beziehungsweise 92 vorgesehen.

[0028] Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein exemplarisches Jochsegment 100, dessen magnetischer Gesamtquerschnitt durch einen ersten Querschnittsbereich 102 sowie einen zweiten Querschnittsbereich 104 gebildet ist, wobei dazwischen ein Spalt 106 vorgesehen ist, durch welchen zwei Windungen 108, 110 einer Zusatzwickiung geführt sind. Die Zusatzwicklung ist über Anzapfungen 112,114 anschließbar.

Bezugszeichenliste

[0029] 

10

exemplarischer erster Transformator

12

erstes Jochsegment von erstem Transformator

14

zweites Jochsegment von erstem Transformator

16

drittes Jochsegment von erstem Transformator

18

Querschnitt von erstem Kernschenkel von erstem Transformator

20

Querschnitt von zweitem Kernschenkel von erstem Transformator

22

erste Hauptwicklung von erstem Transformator

24

erste Zusatzwicklung von erstem Transformator

30

exemplarischer zweiter Transformator

32

erste primäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

34

erste sekundäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

36

erste Zusatzwicklung von zweitem Transformator

38

zweite primäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

40

zweite sekundäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

42

zweite Zusatzwicklung von zweitem Transformator

44

dritte primäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

46

dritte sekundäre Hauptwicklung von zweitem Transformator

48

dritte Zusatzwicklung von zweitem Transformator

50

Transformatorkern

60

exemplarischer dritter Transformator

62

erster Kernschenkel von drittem Transformator

64

erstes Jochsegment von drittem Transformator

66

erste primäre Hauptwicklung von drittem Transformator

68

erste sekundäre Hauptwicklung von drittem Transformator

70

erste Zusatzwicklung von drittem Transformator

80

exemplarische Verschaltung von Haupt- und Zusatzwicklung

82

exemplarische Hauptwicklung

84

exemplarische Zusatzwicklung

86

Anzapfungen

88

Schaltmittel

90

erster Anschluss

92

zweiter Anschluss

900

Querschnitt durch exemplarisches Jochsegment

102

erster Querschnittsbereich

104

zweiter Querschnittsbereich

106

Spalt

108

erste Windung von Zusatzwicklung

110

zweite Windung von Zusatzwicklung

112

erste Anzapfung

114

zweite Anzapfung

Ansprüche

1. Transformator (10, 30, 60), umfassend

• einen Transformatorkern (50) mit wenigstens drei parallel zueinander senkrecht zu den Eckpunkten einer durch ein Polygon aufgespannten Grundfläche angeordneten Kernschenkeln (62), welche in ihren jeweiligen beiden axialen Endbereichen beidseitig in ein jeweiliges quer dazu angeordnetes Jochsegment (12, 14, 16, 64) übergehen,

• jeweils eine um einen jeweiligen Kernschenkel (62) in einem hohlzylinderähnlichen Wicklungsbereich angeordnete Hauptwicklung (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46,66,68,62),

• wobei der magnetische Querschnitt eines jeweiligen Kernschenkels (62) größer ist als der magnetische Querschnitt (100) eines jeweihgen Jochsegmentes (12,14,16,64),

gekennzeichnet durch

• jeweils eine mit einer jeweiligen Hauptwickiung (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) elektrisch verbundene Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70, 84), welche um ein jeweils zugeordnetes Jochsegment (12, 14, 16, 64) angeordnet ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern (50) die Grundfläche eines gleichseitigen Dreiecks aufweist.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-(22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) und/oder die Zusatzwicklungen (24, 36, 42, 48, 70, 84) durch einen jeweiligen Flachbandleiter gebildet sind.

4. Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern (50) ein Hexaformer oder Deltakern ist.

5. Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Querschnittsfläche (100) eines jeweiligen Jochsegmentes (12, 14, 16, 64) die Hälfte der magnetischen Querschnittsfläche eines jeweiligen Kernschenkels (62) beträgt.

6. Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wicklung einer jeweiligen Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70,84) durch einen Spalt (106) im.Jochsegment (12, 14, 16, 64) geführf ist.

7. Transformator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70, 84) mit mehreren auf unterschiedliche Windungen der jeweiligen zusatzwicklung zugreifenden Anzapfungen (86, 112, 114) versehen ist.

8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (88) vorgesehen sind, um die jeweilige Hauptwicklung (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) wahlweise mit einer der Anzapfungen (88) der jeweiligen Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70, 84) zu verbinden, so dass die Anzahl der aktiven Windungen der jeweiligen elektrisch verbundenen Haupt- (22, 32, 34, 38, 40, 44, 46, 66, 68, 62) und Zusatzwicklung (24, 36, 42, 48, 70, 84) damit anpassbar ist.

9. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel (88) einen Stufenschalter und/oder leistungselektronische Komponenten umfassen.

Zeichnung