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Statischer Wechselstromtr'Misformator filr wirtsehaftlieheii Betrieb bei lliedrigen Belastuugen.
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formators von Dreieckschaltung auf Sternschaltung überzugehen, wobei man mit der Sternschaltung eine brauchbare Leistungsstufe mit erhöhtem Wirkungsgrad und mit erhöhtem Leistungsfaktor für elektrische Belastungen von etwa 20-33% der Höchstleistung (Dreieckschaltung) bei Vollast des Transformators erzielt. Aber eine einzige Leistungsstufe von so beschränktem Spielraum war für die praktischen und wirtschaftlichen Bedürfnisse nicht genügend.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, eine Regelung bei statischen Transformatoren je nach der Änderung der Belastung zu verwirklichen, wobei die Oberspannungs-und die unterspannung- wieklung geteilt waren, d. h.. dass geeignete Spulengruppen gebildet waren um in verschiedener Weise mit der Speiseleitung und mit dem Belastungskreis verbunden zu werden. Es war vorgesehen, solche Spulen in Reihe für niedrige Belastungen, in Parallelschaltung für höhere Belastungen zu verwenden ; im Fall der Drehstromtransformatoren waren auch für Zwischenbelastungen zwischen der hohen Belastung, für die sich die Dreieckschaltung eignet, und niedrigen Belastungen, für die sich die Sternschaltung eignet, gemischte Schaltungen vorgesehen.
Ebenso ist vorgeschlagen worden, einen Einphasentransformator mit einer Oberspannungs-und mit einer Unterspannungswieklung auszuführen, deren jede aus mehreren voneinander isolierten und
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einander in Reihe, parallel oder in Reihenparallel, geschaltet werden.
Alle diese Vorschläge sind, sei es infolge des Auftretens von Zusatzverlusten, sei es wegen anderer Schwierigkeiten, ohne praktischen Wert befunden worden.
Die Erfindung hat den Zweck, die statischen Transformatoren an eine beliebige Anzahl von Leistungsstufen, von willkürlich gewählten Werten, anzupassen, so um sie wirtschaftlich bei Belastungen zu machen, welche geringer als 800 der gewöhnlichen Leistung bei voller Belastung sind.
Ein statischer Transformator nach der Erfindung besitzt je eine Mehrzahl von selbständig gewickelten Oberspannungs- und Cnterspannungswicklungen. die alle in derselben Weise im Hinblick auf das Magnetfeld des Transformators angeordnet sind. und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheit der Oberspannungswicklungen und die Gesamtheit der Unterspannungswicklungen jede aus einer Hauptwieldung und einer oder mehreren minderen Wicklungen zusammengesetzt sind, von denen in jeder Phase jeweils entweder die Hauptwieklungen allein oder in Reihe mit einer oder mehreren minderen Wicklungen verwendet werden kann.
wodurch ausser der gewöhnlichen Leistung eine beliebige Anzahl von Leistungsstufen im Transformator von willkürlich gewählten Werten mit gutem Wirkungsgrad und Leistungsfaktor bei jeder dieser Leistungen zu erzielen ; solche Absicht wird dadurch erzielt, dass der magnetische Fluss mit grosser Genauigkeit proportional zur Belastung erhalten wird, und ausserdem dadurch, dass um die obengenannten Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen, Parallelschaltungen und gemischte Schaltungen der Wicklungen und damit zusätzliche Verluste im Eisen und Verluste durch Wirbelströme im Kupfer des Transformators vermieden werden.
In diesem statischen Transformator werden sämtliche Ober-und Unterspannungswicklungen in jeder Phase, vorzugsweise dauernd in Reihe verbunden sein. Diese Verbindungen zwischen jeder der Hauptwieklungen und der minderen Wicklung bzw. wenn mehr mindere Wicklungen da sind, zwischen jeder Hauptwicklung und einer minderen Wicklung und zwischen den minderen Wicklungen, sind alsdann
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mit Abzweigungen versehen. die zu zwei geeigneten Schaltvorrichtungen führen, um in Jeder Phase je eine oder mehrere mindere Transformatorwicklungen in die Stromkreise der Hauptwieklungen ein- schalten und gegebenenfalls bei einem Drehstromtransformator, wie an sieh bekannt, von der Sternzur Dreieckschaltung und umgekehrt übergehen zu können.
Vorzugsweise erzielt man die Einschaltung oder die Ausschaltung einer oder mehrerer minderer Wicklungen und gegebenenfalls. im Fall eines Drehstromtransformators, auch die Schaltung in Stern oder in Dreieck mittels zweier Kontroller, die in der Art angeordnet sind, um gleichzeitig angetrieben zu werden.
Die praktischen und wirtschaftlichen Vorteile der Erfindung sind, wie schon gesagt, durch die Tatsache bedingt, dass um eine beliebige Leistungsstufe im Transformator und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen, an den Wicldungen des Transformators die Parallelschaltungen, die Reihenparallelschaltungen oder, im Fall eines Drehstromtransformators, die gemischten Schaltungen, die Schaltungen in Doppelstern oder in Doppeldreieck ausgeschlossen sind, so dass zusätzlich Eisen-und Kupferverlust auf ein Minimum verringert werden. Ausserdem kann man einen Transformator mit einer beliebigen Anzahl von Leistungsstufen konstruieren und jede Leistungsstufe derart wählen, um den Transformator vorteilhaft anpassbar an eine oder mehr gewollte elektrische Belastungen zu machen, z.
B. zwischen 20 und 8000 der gewöhnlichen Leistung eines vollbelasteten Transformators oder an alle Belastungen des Transformators, von den niedrigsten bis zu den der normalen Belastung benachbarten, weil die magnetische Sättigung im Eisen des Transformators sieh mit grosser Genauigkeit proportioniert zur Belastung desselben erhalten kann.
Die Beschreibung und Zeichnungen betreffen einen Drehstromtransformator mit je einer Hauptwicklung und einer oder mehreren minderen Wicklungen auf Ober- und rnterspanmmgsseite. aber die
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eines Drehstromtransformators mit je einer Hauptdreiphasen-Transformatorwicklung und drei minderen Dreiphasentransformatorwicklungen auf der Ober-und Unterspannungsseite. Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Kernpakets eines Transformators mit Primär-und Sekundärwicklungen nach Fig. l. In der Fig. 3 ist ein von zwei Kontrollern gebildeter Apparat dargestellt, zur gleichzeitigen Schaltung der Ober-und Unterspannungswieldungen eines Transformators gemäss der Erfindung.
Die Fig. 4. a. 6. 7 und 8 zeigen je ein theoretisches Schema nur einer Gruppe von in einem Drehstromtransformator nach der Erfindung verwendeten Wicklungen.
In jedem Teilbild 1 a, 2a.. 3a und 4a des theoretischen Schemas der Fig. l sind die Oberspannungs- wicklungen des Transformators mit dünnen Strichen und die Unterspannungswicklungen mit dicken Strichen gezeichnet. In jedem Teilbild ist die Hauptwicklung. in jeder Phase links, die drei minderen Wicklungen sind in jeder Phase fortschreitend rechts gezeichnet.
Die mit vollen Strichen gezeichneten Verbindungen bezeichnen die Einschaltung der minderen Wicklung oder Wicklungen in den Stromkreis der zugehörigen Hauptwicklung. Die gestrichelt gezeichneten Verbindungen bezeichnen die Ausschaltung der minderen Wicklung oder Wicklungen aus dem Stromkreis sowohl der Gesamtheit von Oberspannungs- wicklungen als auch der Gesamtheit von Unterspannungswicklungen. Diese Wicklungen werden, um drei verschiedene Leistungsstufen in einem Transformator und die gewöhnliche Leistung 4, ( des Trans- formators zu erzielen, wie in la, a, 2 a,. 3 a und 4a gezeigt ist. geschaltet.
Fig. 2 zeigt schematisch die konstruktiven Einzelheiten eines Beispiels der Anordnungen der für die Verwendung, nach der Erfindung, in einem Transformator konstruierten Wicklungen. Die Wicklungen der Serie von Oberspannungswicklungen des Transformators umfassen eine Hauptwieklung a1 und drei getrennte mindere Wicklungen b,. alle vier Wicklungen sind selbständig über die ganze Länge eines Sehenkels des Kerns eines Transformators gewickelt. Die Wicklungen der Serie von Unterspannungs- wieldungen des Transformators umfassen eine Hauptwieklung a2 und drei getrennte mindere Wicklungen b2, alle vier Wicklungen sind selbständig über die ganze Länge des obengenannten Schenkels gewickelt.
Ein Isolierrohr c trennt die Serie von Oberspannungswieklungen des Transformators von der Serie von Unterspannungswieldungen des Transformators. d sind die Isolierschichten zwischen der Hauptwieklung und den minderen Wicklungen sowohl der Serie von Oberspannungswicklungen des Transformators als auch der Serie von Fnterspannungswicklungen des Transformators.
Die Verbindungen, um in jeder Gesamtheit von Wicklungen des Transformators in jeder Phase eine oder mehrere mindere Wicklungen in den Stromkreis der Hauptwieklung einzuschalten oder aus dem Stromkreis sowohl der Gesamtheit von Oberspannungswicklungen als der Gesamtheit von Unterspannungswieldungen auszuschalten, und im Fall eines Drehstromtransformators auch die Schaltung in Stern oder Dreieck zu bewirken, zum Zweck, die verschiedenen Leistungsstufen im Transformator und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen, werden mittels Kontaktbrücken oder auch mittels zweier geeigneter Kontroller ausgeführt, welche gleichzeitig angetrieben werden, um jede Serie von Wicklungen getrennt zu regeln, wie beispielsweise in der Fig. 3 mit Cl und C2 gezeigt ist.
Die
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beiden Kontroller sind vom Nockenkontaktsegmenttyp mit entsprechenden Kontaktfingern. Ihre Wellen sind mit Zahnrädern versehen, in welche die Ketten ('3 und e, eingreifen. welche in die auf der gemeinsamen Antriebswelle/5 befestigten Zahnräder eingreifen. Die Kontroller könnten auch in anderer
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formator unabhängigen Gehäuse angeordnet sein.
In den Fig. 4, 5, 6. 7 und 8 ist die Hauptwieklung in jeder Phase links und die mindere Wicklung rechts oder die minderen Wicklungen sind fortschreitend rechts gezeigt. Die mit vollen Strichen gezeichneten Verbindungen, in jeder Phase zwischen der Hauptwicklung und der minderen Wicklung oder Wicklungen und zwischen den minderen Wicklungen, bezeichnen die Einschaltung der minderen Wicklung bzw. Wicklungen in den Stromkreis der diesbezüglichen Hauptwicklung. Die gestrichelt gezeichneten Verbindungen, in jeder Phase zwischen der Hauptwicklung und der minderen Wicklung oder den minderen Wicklungen oder zwischen den minderen Wicklungen, bezeichnen die Ausschaltung der minderen Wicklung bzw.
Wicklungen aus dem Stromkreis der diesbezüglichen Hauptwicklung des Transformators. wobei jedoch die mindere Wicklung bzw. minderen Wicklungen in jeder Phase immer in Reihe mit der Hauptwicklung verbunden bleiben. Wo Verbindungen nicht gezeichnet sind, stellt dies auch in jeder Phase die Ausschaltung der minderen Wicklung bzw. Wicklungen aus dem Stromkreis der zugehörigen Hauptwicklung dar : in diesem Falle werden jedoch die Reihenverbindungen in jeder Phase zwischen der Hauptwicklung und der minderen Wicklung bzw. den minderen Wicklungen oder zwischen den minderen Wicklungen, unterbrochen.
Die Stern-und Dreieckverbindungen sind mit vollen Strichen gezeigt.
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Wicklung einer Wicklungsgruppe des Transformators, wie in Je, 2 . c und 4c ! gezeigt, verbunden, ebenso die andere, nicht dargestellte Wicklungsgruppe, wodurch drei verschiedene Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators erzielt werden.
Nach Fig. 5 werden in einem Drehstromtransformator die Hauptwicklungen und je zwei mindere
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verbunden, um fünf verschiedene Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen.
Nach Fig. 6 werden in einem Drehstromtransformator die Hauptwicklungen und je drei mindere
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gezeigt, verbunden, um sieben verschiedene Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen.
Nach Fig. 8 werden in einem Drehstromtransformator die Hauptwicklungen und je zwei mindere Wicklungen wie für eine Wicklungsgruppe des Transformators in 1a, 2a, 3a und 4a gezeigt. verbunden. um drei verschiedene Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators zu erzielen. aber nach dieser Figur werden alle Wicklungen jeder Wicklungsgruppe des Transformators in den betreffenden Stromkreis eingeschaltet, um die gewöhnliche Leistung zu erzielen.
Nachstehend sind zwei Berechnungsbeispiele für einen Drehstromtransformator auseinandergesetzt, diese Berechnungen beziehen sich nur auf die Unterspannungswicklungsgruppe ; die Oberspannungswicklungsgruppe muss natürlich aus einer entsprechenden Anzahl von Wicklungen zusammen- gesetzt sein, welche in Ubereinstimmung mit denjenigen der Unterspannungswieklungen. im Hinblick auf das Übersetzungsverhältnis, berechnet und auch verbunden sein müssen. In den beiden Beispielen ist die Leitungsspannung. Pnterspannungsseite, mit 500 Volt angenommen.
Beispiel 1. Für einen Drehstromtransformator. in welchem die Transformatorwicklungen nach Fig. 5 angeordnet sind, ist die Hauptwieklung. die drei Phasen in Sternschaltung. bei normaler Sättigung für eine Spannung von 865 Volt berechnet ; die erste mindere Wicklung, die drei Phasen in Sternschaltung. bei normaler Sättigung für eine Spannung von 190 Volt berechnet; die zweite mindere Wicklung, die drei Phasen in Sternschaltung, bei normaler Sättigung für eine Spannung von 225 Volt berechnet. Die
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Fig. 5) wohlgemerkt mit denselben Verbindungen an den Wicklungen der andern, nicht dargestellten Gesamtheit von Wicklungen), erzielt man durch die Anwendung der Leitungsspannung von 500 Volt.
In 1a auf die Hauptwieklung und auf die beiden minderen Wicklungen, alle in jeder Phase untereinander in Reihe verbunden, insgesamt für 1280 Volt, die Sättigung immer als normal vorausgesetzt. mit Schaltung in einzigem Stern berechnet ; in 2 a auf die Hauptwicklung und auf die erste mindere Wieklung, in jeder Phase untereinander in Reihe verbunden, insgesamt für 1055 Volt mit Schaltung in einzigem Stern berechnet; in 3a auf die Hauptwicklung allein fiir 865 Volt mit gewöhnlicher Sternschaltung berechnet, für die an sich bekannte Leistungsstufe ;
in 4a auf die Hauptwicklung und auf die beiden minderen Wicklungen, alle in jeder Phase untereinander in Reilhe verbunden, insgesamt für
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spannung 500 Volt ist. so hat man in dieser Verbindung die in den obigen Berechnungen als normal vor- gesehene Sättigung im Eisen.
Angenommen. dass dieser Transformator für 100KW konstruiert sei. welche Kilowatt die gewöhn- liche Leistung eines vollbelasteten Transformators darstellen, so erzielt man die fünf verschiedenen Leistungsstufen im Transformator mit erhöhtem Wirkungsgrad und bei günstigen Bedingungen, was den Leistungsfaktor betrifft, in jeder Stufe und für die gewöhnliehe Leistung des Transformators wie folgt :
Die erste Leistungsstufe (1 a) für elektrische Belastungen von 2 bis 20 KW.
Die zweite Leistungsstufe (2a) für Belastungen von 10 bis 25 THF.
Die dritte Leistungsstufe (bekannt) (3a) für Belastungen von 20 bis 33 KW.
Die vierte Leistungsstufe (4a) für Belastungen von 25 bis 65 KW.
Die fünfte Leistungsstufe (5a) für Belastungen von 45 bis 85 AW.
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Beispiel 2. Für einen Drehstromtransformator, in welchem die Transformatorwicklungen wie für die rnterspannungswicklungsgruppe in der Fig. 8 dargestellt, angeordnet sind. ist die Hauptwicklung die drei Phasen in Sternschaltung, für eine Spannung von 595 Volt berechnet ; die erste mindere Wicklung, die drei Phasen in Sternschaltung für eine Spannung von 125 Volt berechnet : die zweite mindere Wicklung, die drei Phasen in Sternschaltung für eine Spannung von 145 Volt berechnet.
Die drei verschiedenen Leistungsstufen und die gewöhnliche Leistung des Transformators (dargestellt in Fig. 8. wohlgemerkt mit denselben Verbindungen an den Wicklungen der nicht dargestellten andern Gesamtheit von Wicklungen), erzielt man durch die Anwendung der Leitungsspannung von 500 Volt.
In 1 a auf die Hauptwicklung und auf die beiden minderen Wicklungen, alle in jeder Phase untereinander in Reihe verbunden, insgesamt für 865 Volt mit Schaltung in einzigem Stern berechnet : in
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ist. entspricht die Leitungsspannung von 500 Volt der höchsten Sättigung im Eisen desselben.
Angenommen, dass dieser Transformator für 100KW konstruiert sei, welche Kilowatt die gewöhnliche Leistung eines vollbelasteten Transformators darstellen, so erzielt man die drei verschiedenen Lebtungs- stufen im Transformator mit erhöhtem Wirkungsgrad und bei günstigen Bedingungen, was den Leistungsfaktor betrifft, in jeder Stufe und für die gewöhnliche Leistung des Transformators wie folgt :
Die erste Leistungsstufe (bekannt) (la) für elektrische Belastungen von 20 bis 33 KW.
Die zweite Leistungsstufe (2 für Belastungen von 25bis60KTT ?'.
Die dritte Leistungsstufe (3a) für Belastungen von 50 bis 80 KIV.
Die gewöhnliche Leistung ( für Belastungen von 75 bis 100 KlV.
Ein Transformator entsprechend der Erfindung eignet sieh natürlich für jede der üblichen Ver- wendungsarten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Statischer Transformator für wirtschaftlichen Betrieb bei niedrigen Belastungen. mit einer Mehrzahl von selbständig gewickelten Oberspannungs- und Unterspannungswicklungen. die alle für jede Phase in derselben Weise im Hinblick auf das Magnetfeld des Transformators angeordnet sind, gekennzeichnet durch je eine Hauptwicklung und eine oder mehrere mindere Wicklungen für Oberund Unterspannung, von denen in jeder Phase die Hauptwicklungen entweder allein oder ausschliesslich in Reihenschaltung mit je einer oder mehreren minderen Wicklungen verwendbar sind, wodurch ausser der normalen Leistung stufenweise eine willkürliche Anzahl von Leistungen am Transformator einstellbar ist und dies infolge der Tatsache,
dass der magnetische Fluss mit grosser Genauigkeit proportional zur Belastung erhalten wird, mit gutem Wirkungsgrad und Leistungsfaktor bei jeder Leistung.