DE3636902A1

DE3636902A1 - Transformatoranordnung

Info

Publication number: DE3636902A1
Application number: DE19863636902
Authority: DE
Inventors: Adrian Willimann; Urs Zuercher
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1988-05-11
Also published as: DE3636902C2

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Transformatoranordnung zur Kopplung eines ersten Wechselspannungssystems mit M Phasen mit einem zweiten Wechselspannungssystem mit N Phasen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Transformatoranordnungen Bezug, wie er aus der DE-A-6 89 315 bekannt ist. Dort ist die Wicklung des Transformators, an welche gesteuerte elektrische Ventile angeschlossen sind, in Ringschaltung ausgeführt. Die Ausgangsspannungskurve der starren Netzkupplung wird aus verschieden großen Sehnen- bzw. Durchmesserspannungen dieser Wicklung aufgebaut. Zur Erzeugung eines beliebigen mittleren Frequenzverhältnisses werden dem Sekundärkreis aufeinanderfolgende Schwingungen von abwechselnd der nächst kleineren und größeren Frequenz aufgedrückt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Transformatoranordnung zur Kopplung eines ersten Wechselspannungssystems mit einem zweiten Wechselspannungssystem mit anderer Phasenzahl anzugeben, bei der, auch bei nicht sinusförmiger, aber für alle sekundärseitigen Phasen gleicher Belastung der primärseitige Strom-Oberschwingungsanteil reduziert ist und die Wirklastverteilung symmetrisch auf alle Primärphasen erfolgt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß primärseitig, d. h. im speisenden Wechselspannungsnetz, im wesentlichen nur charakteristische Stromoberschwingungen auftreten und diese mit geringerer Amplitude. Die zur Ausfilterung von Stromoberschwingungen stets erforderlichen Filter können für kleinere Leistungen dimensioniert und somit Kosten eingespart werden.

Bei Verwendung eines Autotransformators als Mehrphasentransformator besteht gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Vorteil, daß mehrere Transformatorwicklungen eingespart werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es, ohne Einphasentransformatoren auszukommen und somit Kosten zu sparen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema eines 60-Hz/50-Hz-Frequenzumformers, der eingangsseitig eine erfindungsgemäße Transformatoranordnung mit 3 Primär- und 5 Sekundärphasen aufweist,

Fig. 2 eine Transformatoranordnung gemäß Fig. 1 mit 2 Einphasentransformatoren und einem Mehrphasentransformator in Sternschaltung,

Fig. 3 eine Transformatoranordnung gemäß Fig. 2, bei der die beiden Einphasentransformatoren Sekundärwicklungen mit Abgriffen aufweisen und der Transformator als Autotransformator in Sternschaltung ausgebildet ist,

Fig. 4 eine Transformatoranordnung gemäß Fig. 3 mit einem Transformator in Dreieckschaltung mit 2 unterdrückten Schenkeln,

Fig. 5 eine Transformatoranordnung gemäß Fig. 1 ohne Einphasentransformatoren,

Fig. 6 eine Transformatoranordnung gemäß Fig. 1 mit 5 Primär- und 7 Sekundärphasen und

Fig. 7a und 7b Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktion des Frequenzumformers gemäß Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 2 ein schematisch dargestellter Eingangstransformator in Sternschaltung bzw. eine symmetrische Transformatoranordnung mit drei Primärwicklungen w 1-w 3 und 5 bezeichnet, die für eine Nenn- Dauerleistung im 10-MVA-Bereich ausgelegt und kurzzeitig, d. h. für einige Sekunden, überlastbar ist. Die Primärwicklungen w 1, w 2, w 3 sind an Phasenleiter R, S, T eines speisenden 3phasigen 60-Hz-Wechselspannungsnetzes angeschlossen. Die 5 Sekundärwicklungen ws 1-ws 5 sind über Phasenleiter bzw. Phasengänge P 1-P 5 an jeweils 5 Eingänge von gleich aufgebauten 5phasigen Stromrichtern 3, 4 und 5 angeschlossen. Der Sternpunkt der 5 Sekundärwicklungen ws 1-ws 5 ist mit P 0 bezeichnet.

Jeder der Stromrichter 3-5 hat in jedem seiner 2 × 5 Brückenzweige einen gleich aufgebauten Wechselstromschalter S 1-S 10 mit zueinander antiparallel geschalteten Tyhristoren. Die miteinander verbundenen Ausgänge der Wechselstromschalter S 1-S 5 sind über eine Primärwicklung b eines 3phasigen Ausgangstransformators 6 mit den untereinander verbundenden Ausgängen der Wechselstromschalter S 6-S 10 verbunden. In gleicher Weise sind die Ausgänge der Stromrichter 3 an eine 2. Primärwicklung a und die Ausgänge des Stromrichters 5 an eine 3. Primärwicklung c des Ausgangstransformators 6 angeschlossen. 3 in Stern geschaltete Sekundärwicklungen des Ausgangstransformators 6 sind an Phasenleiter U, V, W eines vom 60-Hz-Wechselspannungsnetz gespeisten 3phasigen 50-Hz-Wechselspannungsnetzes angeschlossen.

Fig. 2 zeigt die Transformatoranordnung 2 gemäß Fig. 1 im Detail. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 7 ist ein Dreiphasen- bzw. Mehrphasentransformator vom Tempeltyp, mit 8 ein 1. Einphasentransformator und mit 9 ein 2. Einphasentransformator, je vom Mantelyp, bezeichnet. Die in Stern geschalteten Primärwicklungen w 1-w 3 auf je einem Schenkel des Mehrphasentransformators 7 sind an die Phasenleiter R, S, T angeschlossen. Auf jedem der 3 Schenkel mit den Primärwicklungen w 1 bzw. w 2 bzw. w 3 ist eine 1. Sekundärwicklung ws 11 bzw. ws 21 bzw. ws 31 angeordnet. Die 3 1. Sekundärwicklungen ws 11, ws 21 und ws 31 sind untereinander sowie mit einer Primärwicklung w 8 des 1. Einphasentransformators 8 in Reihe geschaltet. Auf dem Schenkel der Primärwicklung w 2 und w 3 sind zusätzlich 2 2. Sekundärwicklungen ws 22 und ws 32 angeordnet, die untereinander sowie mit einer Primärwicklung w 9 des 2. Einphasentransformators 9 in Reihe geschaltet sind. Die Verhältnisse der Windungszahlen dieser Wicklungen sind wie folgt:

ws 11 : w 1=1 : 1
ws 21 : w 2=0,5 : 1
ws 31 : w 3=0,5 : 1, (1)

Der 1. Einphasentransformator 8 weist 5 Sekundärwicklungen w 81-w 85 auf, von denen ein 1. Wicklungsende mit dem Sternpunkt bzw. Phasenausgang P 0 verbunden ist, welcher nicht für weitere Anschlüsse verwendet wird. Der 2. Einphasentransformator 9 weist 4 Sekundärwicklungen w 91-w 94 auf.

Das 2. Wicklungsende der 1. Sekundärwicklung w 81 des 1. Einphasentransformators 8 ist mit dem Phasenausgang P 1 verbunden. Die 2. Wicklungsenden der 2. bis 5. Sekundärwicklungen w 82-w 85 sind jeweils über die 1. und 2. bzw. 3. bzw. 4. Sekundärwicklung w 91 bzw. w 92 bzw. w 93 bzw. w 94 mit den Phasenausgängen P 2 bzw. P 3 bzw. P 4 bzw. P 5 verbunden. Die Verhältnisse der Windungszahlen dieser Wicklungen sind wie folgt:

w 81 : w 8=1 : 1,5,
w 82 : w 8=0,309 : 1,5
w 83 : w 8=0,809 : 1,5,
w 84 : w 8=0,809 : 1,5,
w 84 : w 8=0,309 : 1,5, (3)

w 91 : w 9=0,9511 : 1,5,
w 92 : w 9=0,5878 : 1,5,
w 93 : w 9=0,5878 : 1,5
w 94 : w 9=0,9511 : 1,5. (4)

Für das Verhältnis der Windungszahlen von 1. Sekundärwicklungen wsm 1 zu zugehörigen Primärwicklungen wm des Mehrphasentransformators 7 gilt allgemein die Beziehung:

wsm 1 : wm = k 1 · cos ((m-1) · 360°/M) : 1, (5)

k 1=vorgebbare Konstante, M = Anzahl der Primärwicklungen bzw. Primärphasen, Laufvariable m = 1, 2 . . . M.

Für das Verhältnis der Windungszahlen der 2. Sekundärwicklungen wsm 2 zu zugehörigen Primärwicklungen wm des Mehrphasentransformators 7 gilt allgemein die Beziehung:

wsm 2 : wm = k 2 · sin ((m-1) · 360°/M) : 1, (6)

k 2=vorgebbare Konstante, m = 2, 3, . . M.

Auf dem Schenkel mit der 1. Primärwicklung ist keine 2. Sekundärwicklung vorhanden. Die 1. der 2. Sekundärwicklungen ist mit ws 22 bezeichnet. Allgemein gilt für die m. der 2. Sekundärwicklungen das Windungsverhältnis:

k 2 · sin (m · 360°/M) : 1, (7)

mit m = 1, 2 . . . M-1.

Für das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen w 8 n zur Primärwicklung w 8 des 1. Einphasentransformators 8 gilt allgemein die Beziehung:

w 8 n : w 8=k 3 · cos ((n-1) · 360°/N) : 1, (8)

k 3=vorgebbare Konstante, N = Anzahl Sekundärwicklungen bzw. Sekundärphasen, Laufvariable n = 1, 2 . . . N.

Für das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen w 9 n zur Primärwicklung w 9 des 2. Einphasentransformators 9 gilt allgemein die Beziehung:

w 9 n : w 9 = k 4 · sin (n · 360°/N) : 1, (9)

k 4=(k 1 · k 3)/k 2, n = 1, 2 . . . N-1.

Für das Ausführungsbeispiel mit den Beziehungen (1) bis (4) ist k 1=1, k 2=1, k 3=1,5 und k 4=1,5 gewählt.

Ein negatives Vorzeichen bei den Gleichungen (5) bis (9) kennzeichnet einen umgekehrten Wicklungssinn bei der jeweiligen Sekundärwicklung wie in positives Vorzeichen in bezug auf gleiche Stromflußrichtung. Pfeile I 8 und I 9 kennzeichnen die Richtung von Strömen durch die Primärwicklungen w 8 bzw. w 9. Bei dem Mehrphasentransformator 7 entsprechen von außen nach innen durchflossene Sekundärwicklungen ws 21, ws 31, ws 32 einem negativen und von innen nach außen durchflossene einem positiven Vorzeichen. Bei dem 1. Einphasentransformator 8 entsprechen von unten (P 0) nach oben durchflossene Sekundärwicklungen, d. h. ausgehend von P 0, einem positiven Vorzeichen und von oben nach unten durchflossene (w 83, w 84) einem negativen Vorzeichen. Bei dem 2. Einphasentransformator 9 entsprechen von links nach rechts durchflossene Wicklungen, ausgehend von P 0, einem positiven Vorzeichen und von rechts nach links durchflossene (w 93, w 94) einem negativen Vorzeichen. Für die Wicklungen werden der Einfachheit halber die gleichen Bezeichnungen verwendet wie für deren Windungszahlen.

Bei der Transformatoranordnung gemäß Fig. 2 kann die Primärwicklung w 9 des 2. Einphasentransformators 9 statt an die 2. Sekundärwicklungen ws 22 und ws 32 des Mehrphasentransformators 7 an dessen Primärwicklungen w 2 und w 3 angeschlossen werden, wie gestrichelt angedeutet. Dabei entfallen die Primärwicklungen ws 22 und ws 32. Es muß dann

gewählt werden.

Eine weitere Vereinfachung läßt sich mit der Mehrphasentransformatoranordnung gemäß Fig. 3 erreichen, die im Aufbau derjenigen von Fig. 2 entspricht, so daß im wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Ein Mehrphasentransformator 7′ ist als Auto- oder Spartransformator ausgebildet. Die Primärwicklung w 1 des Mehrphasentransformators 7 dient gleichzeitig als 1. Wicklung ws 21 der 3 1. Sekundärwicklungen. Die 2. Primärwicklung w 2 weist einen Mittelabgriff auf, der mit der 3. Wicklung ws 31 der 3 1. Sekundärwicklungen verbunden und mit einer Primärwicklung w 8′ eines 1. Einphasentransformators 8′ in Reihe geschaltet ist. Dabei dient eine Hälfte der 2. Primärwicklung w 2 als 2. Wicklung ws 21 der 3 1. Sekundärwicklungen. Das Windungsverhältnis ws 31 : w 3 beträgt 0,5 : 1.

Als 2. Sekundärwicklungen ws 22 und ws 32 werden die Primärwicklungen w 2 und w 3 verwendet, die mit einer Primärwicklung w 9′ eines 2. Einphasentransformators 9′ in Reihe geschaltet sind. Es können selbstverständlich 2 separate 2. Sekundärwicklungen ws 22 und ws 32 vorgesehen sein wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.

Der 1. Einphasentransformator 8′ weist nur eine Sekundärwicklung mit 2 Abgriffen auf, die 3 aufeinanderfolgende Teilwicklungen w 8′1, w 8′2 und w 8′3 abgrenzen. Der Sternpunkt bzw. Phasenausgang P 0 ist mit dem Abgriff zwischen w 8′1 und w 8′2 verbunden und das Ende der Teilwicklung w 8′3 mit dem 1. Phasenausgang P 1. Die Windungsverhältnisse betragen:

w 8′1 : w 8′=0,809 : 1,5,
w 8′2 : w 8′=0,309 : 1,5,
w 8′3 : w 8′=0,691 : 1,5. (10)

Die Teilwicklungen w 8′2 und w 8′3 ergeben zusammen das Wicklungsverhältnis

(w 8′2 + w 8′3) : w 8′=1 : 1,5.

Der 2. Einphasentransformator 9′ weist 2 Sekundärwicklungen mit je einem Abgriff auf, welche Abgriffe einerseits die Teilwicklungen w 9′1 und w 9′2 und andererseits w 9′3 und w 9′4 abgrenzen. Das Ende der Teilwicklung w 9′1 ist mit dem 3. Phasenausgang P 3 verbunden, das Ende der Teilwicklung w 9′2 mit dem 4. Phasenausgang P 4 und der Abgriff zwischen w 9′1 und w 9′2 mit dem Ende der Teilwicklung w 8′1. Das Ende der Teilwicklung w 9′3 ist mit dem 2. Phasenausgang P 2 verbunden, das Ende der Teilwicklung w 9′4 mit dem 5. Phasenausgang P 5 und der Abgriff zwischen w 9′3 und w 9′4 mit dem Abgriff zwischen den Teilwicklungen w 8′2 und w 8′3. Die Windungsverhältnisse betragen:

Damit lassen sich mit entsprechend gewählter Stromdurchflußrichtung, ausgehend von P 0, alle Wicklungsverhältnisse wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 realisieren.

In der dargestellten Ausführung dreht das Sekundärsystem mit den Phasenausgängen P 1-P 5 gegen das Primärsystem mit den Phasenleitern R, S, T. Durch ein Vertauschen der Phasenausgänge P 2 mit P 5 einerseits sowie P 3 mit P 4 andererseits kann erreicht werden, daß das Sekundärsystem den gleichen Drehsinnn wie das Primärsystem aufweist.

Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 entsprechende Sparschaltung, bei der anstelle des Mehrphasentransformators 7′ mit Sternschaltung ein 3. Einphasentransformator 10 als Transformator mit Dreieckschaltung mit 2 unterdrückten Schenkeln verwendet wird. Der Einphasentransformator 10 hat eine Primärwicklung w 10 und eine Sekundärwicklung ws 10 mit einem Windungsverhältnis:

Der 2. Einphasentransformator 9′ stimmt auch hinsichtlich der Windungsverhältnisse mit demjenigen von Fig. 3 überein. Bei dem 1. Einphasentransformator 8′ ist für die Berechnung der Windungsverhältnisse gemäß Gleichung (10) lediglich w 8′ durch 2 · w 8′ zu ersetzen, d. h. 1,5 durch 3,0.

Der in Fig. 5 dargestellte Mehrphasentransformator stellt eine weitere Vereinfachung der Mehrphasentransformatoranordnung 2 gemäß Fig. 1 dar. Wie bei den Fig. 1-3 sind die 3 Primärwicklungen w 1, w 2, w 3 des Mehrphasentransformators an 1. bis 3. Primärphasen bzw. Primärphasenleiter, R, S, T des 1. Wechselspannungsnetzes mit 60 Hz Netzfrequenz angeschlossen. Auf dem Transformatorschenkel jeder Primärwicklung w 1-w 3 sind 5 Sekundärwicklungen w 11-w 15, w 21-w 25 und w 31-w 35 vorgesehen.

Alle Sekundärwicklungen w 11-w 15 der 1. Primärphase R sind mit einem 1. Ende mit dem Schwerpunkt dieser Sekundärwicklungen bzw. mit dem Phasenausgang P 0 verbunden. Das 2. Ende der 1. Sekundärwicklung w 11 der 1. Primärphase R ist über die 1. Sekundärwicklung w 21 der 2. Primärphase S und die 1. Sekundärwicklung w 31 der 3. Primärphase T mit dem 1. Phasenausgang P 1 verbunden. Entsprechend sind die 2. Enden von w 12 bzw. w 13, w 14 und w 15 über w 22 bzw. w 23, w 24, w 25 und w 32 bzw. w 33, w 34 w 35 mit P 2 bzw. P 3, P 4, P 5 verbunden.

Allgemein können für einen Mehrphasentransformator mit M Primärwicklungen und N Sekundärwicklungen die Windungsverhältnisse nach folgender Gleichung berechnet werden.

wmn = k _n ((cos((m-1) · 360°/M) · cos ((n-1) · 360°/N) + ((m-1) · 360°/M) · sin ((n-1) · 360/N), (13)

Laufvariable m=1, 2 . . . M, Laufvariable n = 1, 2 . . . N. k _n kann beliebige Werte annehmen, um bei gegebener Spannung des M-Phasennetzes beliebige Spannungen des N-Phasennetzes zu erhalten.

Für einen Mehrphasentransformator mit 3 Eingangsphasen (M = 3) und 5 Ausgangsphasen (N = 5) wird

Negative Werte bedeuten, daß die Polarität der Wicklung gegenüber dem systematischen Zählsinn umgekehrt ist.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Mehrphasentransformatoranordnung entsprechend Fig. 2, jedoch mit M = 5 Eingangsphasen und N = 7 Ausgangsphasen. Dabei sind 5 Primärwicklungen w 1-w 5 eines Mehrphasentransformators 7′′ an 5 Primärphasenleiter L 1-L 5 angeschlossen und in Stern geschaltet. 5 1. Sekundärwicklungen ws 11-ws 51 sind untereinander und mit einer Primärwicklung w 8′′ eines 1. Einphasentransformators 8′′ in Reihe geschaltet. 4 2. Sekundärwicklungen ws 22-ws 52 sind untereinander und mit einer Primärwicklung w 9′′ eines 2. Einphasentransformators 9′′ in Reihe geschaltet.

Der 1. Einphasentransformator 8′′ weist 7 Sekundärwicklungen w 8′′1-w 8′′7 auf, von denen die 1. Sekundärwicklung w 8′′1 endseitig mit den Phasenausgängen P 0 und P 1 verbunden ist. Der 2. Einphasentransformator 9′′ weist 6 Sekundärwicklungen w 9′′1-w 9′′6 auf. Jede n. der N-1 Sekundärwicklungen (w 9′′1-w 9′′6) des 2. Einphasentransformators 9′′ ist mit der (n + 1). der N Sekundärwicklungen (w 8′′2-w 8′′7) in Reihe geschaltet und mit dem (n + 1). Phasenausgang (P 2-P 5) verbunden. Für die Windungsverhältnisse gelten die Beziehungen (5)-(9) entsprechend.

Die Wirkungsweise des Frequenzumformers gemäß Fig. 1 soll nun anhand der Fig. 7a und 7b erläutert werden, wobei die Fig. 7b Forsetzung von Fig. 7a darstellt. Auf der Ordinate sind verkettete Phasenspannungen U _pp und auf der Abszisse die Zeit t in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der obere Teil der jeweiligen Fig. 7a und 7b ist mit A und der untere Teil mit B gekennzeichnet. Im Teil A von Fig. 7a sind mit P 1-P 3, P 1-P 4, P 2-P 4, P 2-P 5, P 3-P 5, P 3-P 1, P 4-P 1, P 4-P 2, P 5-P 2, P 5-P 3 und wieder P 1-P 3 verkettete Spannungen zwischen entsprechenden Phasenausgängen P 1-P 5 bezeichnet und in ihrem Zeitablauf mit einer 60-Hz-Netzfrequenz dargestellt. Im Teil B von Fig. 7a sind mit P 3-P 1, P 4-P 1 und P 4-P 2 usw. dem Teil A entsprechende, aber entgegengesetzte verkettete Spannungen dargestellt. Stark ausgezogen sind die Spannungsverläufe, die an der Primärwicklung b des Ausgangstransformators 6 mit einer 50-Hz-Frequenz auftreten. Bei ohmscher Belastung des Ausgangstransformators 6 entsprechen die Spannungsverläufe somit auch den Stromverläufen.

In die Spannungsdiagramme sind die Phasenausgänge P 1-P 5 eingetragen, die in den jeweiligen Zeitabschnitten gerade stromführend sind. In Fig. 7a sind bis zu einem Zeitpunkt t 0 die Phasenausgänge P 1 und P 3 stromführend, d. h., die Wechselstromschalter S 1 und S 8 sind eingeschaltet und alle übrigen ausgeschaltet. Zwischen t 0 und einem späteren Zeitpunkt t 1 sind die Phasenausgänge P 1 und P 4 stromführend, d. h., die Wechselstromschalter S 1 und S 9 sind eingeschaltet und alle übrigen ausgeschaltet. Danach sind bis zu einem Zeitpunkt t 2 die Phasenausgänge P 2 und P 4 stromführend; entsprechend werden die Wechselstromschalter S 2 und S 9 in leitendem Zustand gehalten, d. h., deren Thyristoren gezündet.

Im Zeitpunkt t 0 wechselt die stark ausgezogene Ausgangsspannung des Stromrichters 4 von der verketteten Spannung P 1-P 3 auf die verkettete Spannung P 1-P 4, im Zeitpunkt t 1 von dieser auf die verkettete Spannung P 2-P 4, im Zeitpunkt t 2 von dieser auf die verkettete Spannung P 2-P 5 usw. bis zu einem Zeitpunkt t 10, ab dem sich die Spannungsverhältnisse wiederholen. Jeder Sprung entspricht einer Phasenverschiebung um 360°/10=63° bezüglich der 60-Hz-Netzfrequenz. Das Zeitintervall t 10-t 0 entspricht 6 Perioden für die verketteten Eingangspannungen des Stromrichters 4 und 5 Perioden für dessen Ausgangsspannung. Dies entspricht einer Frequenztransformation von 60 Hz auf 50 Hz.

Die so erzeugte 50-Hz-Wechselspannung ist nicht ganz sinusförmig, aber der Sinusform gut angenähert.

Bezeichnet f₁ die höhere Frequenz und f₂ die tiefere Frequenz, so gilt für den Winkel ϕ zwischen 2 Ausgangsphasen:

ϕ=(f₁-f₂) · 360°/f₂ (14)

und für die Anzahl Ausgangsphasen N:

N = f₂/(f₁-f₂). (15)

Für die Frequenzwandlung 60 Hz/50 Hz gilt:

ϕ =(60-50) · 360°/50=72° und N =360°/72°=5.

Es sind verschiedene Frequenzen f₁ und f₂ möglich, die eine starre Netzkupplung auf die beschriebene Weise ermöglichen.

Das speisende Wechselspannungsnetz muß jedoch immer eine höhere Frequenz haben als das gespeiste, solange das gespeiste ein Inselnetz darstellt. Die Energierichtung kann umkehren, wenn das Netz der höheren Frequenz sicher Blindleistung zur Verfügung stellen kann (z. B. im Verbundnetz). So sind beispielsweise folgende Frequenzumsetzungen möglich:

N Frequenzumsetzungen in Hz

340/30 und 80/60 usw. 450/40 und 100/80 560/50 und 120/100 670/60 780/70 890/80

Es versteht sich, daß anstelle des Ausgangsnetzes oder anstelle des Ausgangstransformators 6 und des Ausgangsnetzes ein oder mehrere Verbraucher, z. B. eine Asynchronmaschine, eingesetzt und betrieben werden kann.

Claims

1. Transformatoranordnung (2) zur Kopplung eines 1. Wechselspannungssystems (R, S, T) mit M Phasen mit einem 2. Wechselspannungssystem (P 1-P 5) mit N Phasen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß mindestens ein Transformator (2, 7-9, 7′-9′, 7′′-9′′) mit mindestens einem Schenkel vorgesehen ist,
b) daß insgesamt mindestens 3 Transformatorschenkel vorgesehen sind und
c) daß M ≧2, N<3 und gleichzeitig N≠n · M ist, n≧1, ganzzahlig.

2. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Mehrphasentransformator (7,7′, 7′′) mit M Primärphasen vorgesehen ist, der je Primärphase eine Primärwicklung (w 1-w 3; w 1-w 5),
b) der ferner je Primärphase eine 1. Sekundärwicklung (ws 11 -ws 31; w 1, ws 2 a, ws 31; ws 11-ws 51) aufweist,
c) wobei alle 1. Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind,
d) der M-1 in Reihe geschaltete 2. Sekundärwicklungen (ws 22, ws 32; w 2, w 3; ws 22 - ws 52) aufweist,
e) daß ferner ein 1. Einphasentransformator (8, 8′, 8′′) vorgesehen ist, der eine Primärwicklung (w 8, w 8′, w 8′′), die mit allen M 1. Sekundärwicklungen des Mehrphasentransformators in Reihe geschaltet ist, und N Sekundärwicklungen (w 81-w 85; w 8′1-w 8′3; w 8′′1 - w 8′′7) aufweist,
f) daß ferner ein 2. Einphasentransformator (9, 9′, 9′′) vorgesehen ist, der eine Primärwicklung (w 9, w 9′, w 9′′), die mit den M-1 2. Sekundärwicklungen des Mehrphasentransformators in Reihe geschaltet ist, und N-1 Sekundärwicklungen (w 91-w 94; w 9′1-w 9′4, w 9′′ - w 9′′6) aufweist, die mit N-1 Sekundärwicklungen (w 82-w 85; w 8′′2-w 8′′7) oder Teilwicklungen (w 8′1-w 8′3) mindestens einer Sekundärwicklung des 2. Einphasentransformators in Reihe geschaltet sind,
g) daß das Verhältnis der Windungszahlen von 1. Sekundärwicklungen zu zugehörigen Primärwicklungen (w 1-w 3, w 1-w 5) bei dem Mehrphasentransformator für eine m. Sekundärwicklung k 1 · cos ((m -1) · 360°/M) : 1beträgt, m = 1, 2 . . . M,
h) daß das Verhältnis der Windungszahlen von 2. Sekundärwicklungen zu zugehörigen Primärwicklungen (w 1-w 3, w 1-w 5) bei dem Mehrphasentransformator für eine m. Sekundärwicklung k 2 · sin (m) · 360°/M) : 1beträgt, m = 1, 2, 3, . . . M-1,
i) daß das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundärwicklungen zur Primärwicklung (w 8, w 8′′) bei dem 1. Einphasentransformator für eine n. Sekundärwicklung k 3 · cos ((n -1) · 360°/N) : 1beträgt, n = 1, 2, . . . N, und
j) daß das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundärwicklungen zu Primärwicklungen (w 9, w 9′′) bei dem 2. Einphasentransformator für eine n. Sekundärwicklung k 4 · sin (n -1) · 360°/N) : 1beträgt, n = 1, 2, . . . N-1, wobei k 1-k 4 Konstanten sind und ein negatives Vorzeichen einen umgekehrten Wicklungssinn kennzeichnet wie ein positives Vorzeichen.

3. Transformatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß jede n. der N -1 Sekundärwicklungen (w 91 - w 94; w 9′′1-w 9′′6) des 2. Einphasentransformators (9, 9′′) oder jede n. Teilwicklung (w 9′1-w 9′4) der Sekundärwicklungen des 2. Einphasentransformators (9′) mit der (n + 1). der N Sekundärwicklungen (w 81-w 85; w 8′′1-w 8′′7) oder mit der (n + 1). Teilwicklung (w 8′1-w 8′3) der mindestens einen Sekundärwicklung des 1. Einphasentransformators (8, 8′, 8′′) in Reihe geschaltet ist und mit dem (n + 1). N-Phasenausgang (P 2-P 5) der Phasentransformatoranordnung (2) in Wirkverbindung steht, n = 1, 2 . . . N - 1,
b) daß die 1. der N Sekundärwicklungen oder eine Teilwicklung der mindestens einen Sekundärwicklung des 1. Einphasentransformators (8, 8′, 8′′) mit dem 1. N-Phasenausgang (P 1) der Phasentransformatoranordnung in Wirkverbindung steht.

4. Transformatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (w 81-w 85, w 8′1 - w 8′3, w 88′′1-w 8′′7) des 1. Einphasentransformators (8, 8′, 8′′) mit einem Sternpunkt (P 0) in Wirkverbindung stehen.

5. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrphasentransformator als Spartransformator (7′) ausgebildet ist, wobei mindestens eine Primärwicklung (w 1) des Mehrphasentransformators voll als eine Wicklung der M 1. Sekundärwicklungen des Mehrphasentransformators und eine weitere Primärwicklung (w 2) teilweise (ws 21) als eine weitere der M 1. Sekundärwicklung benutzt wird.

6. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

a) daß mindestens eine der Primärwicklungen (w 2, w 3) des Mehrphasentransformators (7, 7′) als eine der M-1 2. Sekundärwicklungen des Mehrphasentransformators genutzt wird,
b) insbesondere, daß M-1 Primärwicklungen des Mehrphasentransformators als 2. Sekundärwicklungen genutzt werden.

7. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

a) daß mindestens eine der N Sekundärwicklungen (w 8′1, w 8′2, w 8′3) des 1. Einphasentransformators (8′) als Teilwicklung einer anderen Sekundärwicklung des 1. Einphasentransformators ausgebildet ist,
b) insbesondere, daß alle N Sekundärwicklungen des 1. Einphasentransformators (8′) als Teilwicklungen einer einzigen Sekundärwicklung des 1. Einphasentransformators ausgebildet sind.

8. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Mehrphasentransformator mit M Primärphasen vorgesehen ist, der je Primärphase eine Primärwicklung (w 1-w 3) und
b) je Primärphase N Sekundärwicklungen (w 11-w 15, w 21 - w 25, w 31-w 35) aufweist,
c) daß das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundärwicklungen zu zugehörigen Primärwicklungen w _mn : w _m folgender Beziehung genügt: w _mn=k _n (cos ((m-1) · 360/M) · cos ((n-1 · 360°/N) +sin ((m-1) · 360°/M) · sin ((n-1) · 360°/N),m=1, 2 . . . M, n = 1, 2 . . . N, k _n=vorgebbare Konstanten.

9. Transformatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede n. der N Sekundärwicklungen (w 11 - w 15, w 21-w 25, w 31-w 35) einer Primärphase des Mehrphasentransformators mit der n. Sekundärwicklung jeder anderen Primärphase in Reihe geschaltet ist und mit dem n. N-Phasenausgang (P 1-P 5) des Mehrphasentransformators in Wirkverbindung steht.

10. Transformatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (w 11-w 15) einer Primärphase des Mehrphasentransformators mit einem Sternpunkt (P 0) in Wirkverbindung stehen.