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Maschinenwicklungen für Weehselstrommasehinen mit verschiedener Phasenaufteilung im reduzierten
Schema.
Sowohl bei Stator-als auch bei Rotorwieklungen ein-und mehrphasiger Maschinen ist es oft notwendig, die Wicklungsfaktoren der Arbeitswelle und der übrigen Harmonischen (Unter-und Oberwellen relativ zur Arbeitswelle) zu verkleinern.
Bei Asynchronmotoren verursachen die Oberwellen und Unterwellen-welch letztere nur bei
Bruchloehwicklungen vorhanden sind-eine Verminderung der Überlastungsfähigkeit, eine Verschlechterung des Leistungsfaktors und sind die häufigste Ursache des Heulens der Maschinen.
Bei Generatoren kann irgendeine Harmonische mit der Eigenfrequenz des Netzes in Resonanz geraten ; es ist deshalb vorteilhaft, möglichst viele, wenigstens die gefährlichsten, Harmonischen zu unterdrücken.
Heute wird ganz allgemein eine sinusförmige Spannung zumindest bei Synchronmaschinen verlangt, u. zw. sowohl bei Generatoren, als auch bei Motoren.
Um eine grössere Stabilität der Spannung von Stromerzeugern oder einen grösseren Kurzschluss- strom zu erzielen, ist es öfters notwendig, zwecks Erreichung einer grösseren Sättigung, den Wicklungfaktor der Arbeitswelle zu verkleinern.
Eine ganze Anzahl der angeführten Fälle kann erst im Betriebe die Notwendigkeit oder Vorteilhaftigkeit der nachträglichen Veränderung irgendeines Wicklungsfaktors ergeben.
Der Wicklungsfaktor wurde bis jetzt in der Mehrzahl der Fälle durch Schrittverkürzung geändert (Ein-und Zweilagenwicklung).
Bei nachträglichen Änderungen der Wicklung wurde der Einfachheit halber die Umsehaltung von Stern in Dreieck, eventuell in Zickzack und andere Schaltungen verwendet ; bekannt ist auch die Umschaltung von sechs Zonen auf drei Zonen je Polpaar. (ETZ. 1928, Jahrgang 49, Seite 1105, Fig. 8 b).
Für kleinere Änderungen des Wicklungsfaktors der Arbeitswelle sind die genannten Schaltungarten ungeeignet, da sie zu grob sind ; es bleibt also als geeignetes Mittel bloss die Sehrittverkurzung, welche aber meistens schwer anwendbar ist.
Ist die verwendete Wicklung eine Wellenwicklung, so bedingt die Verkürzung des Schrittes auf der einen Seite der Maschine die Verlängerung des Schrittes auf der andern Seite, was besonders bei grösseren Kupferquerschnitten sehr schwierig ist.
Vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der angeführten Schwierigkeiten bei Änderungen an Wicklungen zur nachträglichen Änderung von Wicklungsfaktoren.
Selbstverständlich kann die Anwendung der neuen Wicklungsart auch bei Anwendung a priori des öfteren vorteilhaft sein. Man kann z. B. bei Verwendung von Wellenwicklungen, bei Anwendung der neuen Anordnung, bei gleicher axialer Wiekelkopfausladung auf beiden Seiten der Maschine, dieselben Wicklungfaktoren, dieselbe Ankerrückwirkung, also auch dieselbe Form der induzierten Spannung erreichen wie mit Schleifenwicklungen mit verkürztem Schritt oder Wellenwicklungen mit ungleichen Schritten auf beiden Seiten der Maschine.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Wicklung an 2 m (m- Phasenzahl) Punkten aufgeschnitten wird, die derart gelegen sind, dass im Spannungsvieleck 1n gleiche Paare von einander gegenüberliegenden, einander parallelen aber verschieden langen Seiten entstehen (Zi und Z2'Fig. 5 und 8).
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eine Spulengruppe voneinander verschieden, sind bekannt. Durch das Mass der erfindungsgemässen Ungleichheit von Zi und Z2 ist es möglich, den Wicklungsfaktor in gewünschter Weise festzulegen.
In der Formel für die Wicklungsfaktoren von Einphasenwicklungen oder eines Stranges von Dreh- strommaschinenwicklungen, aus welcher die neue Wieklungsart folgt, bedeutet : N = Nutzahl der Ma- seine, 1 : = Zahl der Spulengruppen der Maschine, b = Spulenzahl je Spulengruppe.
Die im weiteren behandelten Wicklungen müssen immer aus lauter gleichen Spulengruppen bestehen.
Der häufigste Fall ist der, wo die Zahl der Spulen je Gruppe (b) Eins ist, in welchem Falle die Spulengruppenzahl und die Spulenzahl identisch sind.
Es gibt jedoch technische Ausführungsformen von Wicklungen, in denen die Zusammenfassung von Spulen zu Gruppen die untereinander gleich sind vorteilhaft und üblich ist (z. B. koaxiale Spulengruppen bei Zwei-oder Dreietagenwieklungen, polumschaltbare Wicklungen).
Alle diese Sonderfälle sind in der nachfolgenden Formel für die Wicklungsfaktoren enthalten.
Ferner bedeutet : p = Polpaarzahl, a = grösster gemeinsamer Teiler von K und p, y = Schritt, mit welchem eine geschlossene Wicklung gebildet werden kann, berechnet aus folgender Gleichung :
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decken. Aus jeder Spulengruppenzahl K lässt sich eine geschlossene symmetrische Wicklung mit dem Schritt y aus Gleichung 1 herstellen.
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ss = elektrischer Winkel des Spulenschrittes bei p Polpaaren (Spulenweite), wenn Spulen gleicher Weite verwendet sind, wenn nicht, so ist der Winkel der den vorhandenen Spulen äquivalenten Spulen gleicher Weite einzusetzen (gleiche Nuten in gleichem Schaltsinne ausfüllende Spulen). R. Richter, Ankerwicklungen für Gleich-und Wechselstrommasehinen, Seite 355, Verlag Julius Springer, Berlin, 1920.
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(für Dreiphasensystem).
Zi bzw. Z2 bedeuten hiebei die Spulengruppenzahl eines Stranges unter Nord-bzw. Südpol im zweipoligen Spannungsvieleck der betreffenden Wicklung (Fig. 5 und 8). n bedeutet Ordnungszahl der Harmonischen (absolut), n = p = Ordnungszahl der Arbeitshar- monischen.
Die Ordnungszahl n ist absolut gemessen, d. h. n = 1, 2,3... bedeutet eine 2 n-polige Welle, n = p = kennzeichnet also die Arbeitswelle, welche mit der 2 p-poligen Durchflutung des andern Teiles (Stator bzw. Rotor oder umgekehrt) sich an der Energieübertragung beteiligt. k, = Wicklungsfaktor der n-ten Harmonisehen.
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lungsfaktor der Arbeitswelle.
Das erste Glied berücksichtigt den Phasenunterschied der in den Spulenseiten induzierten Spannungen. Das zweite den der einzelnen Spulen innerhalb einer Spulengruppe, das dritte den der Spulen-
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gruppen gegeneinander und der letzte Faktor rührt her von der ungleichen Aufteilung des Wicklungsstranges unter die Nord- bzw. Südpole, also davon, dass Zi + = ist.
Diese Formeln sind in der Zeitschrift #Elektrotechnik und Maschinenbau", Wien, Jahrgang 50, 7. Februar 1932, Seite 88 vom Erfinder Dr. Ing. W. Kauders abgeleitet.
Es war bis jetzt üblich, den Wieklungsfaktor durch den Schritt, also den ersten Faktor in Gleichung 3 bzw. 4 zu ändern.
Dass auch der zweite Faktor in Gleichung 3 bzw. 4 die Grösse des Wicklungsfaktors beeinflusst, ist zum Teile bekannt bei Verwendung von Spulen verschiedener Weite, z. B. in Zweietagenausführung, wenn eine solche Wicklung für eine andere Polzahl verwendet wird, als für die sie eine normale Zweietagenganzlochwicklung gebildet hatte.
Der Einfluss des letzten Faktors in Gleichung 3 bzw. 4 auf den Wicklungsfaktor war bloss für die Sonderfälle bekannt :
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Dreiphasenwicklung.
Für die Verwendung der Sechsphasenwicklungen für Dreiphasensysteme schaltet man z. B. für Serienschaltung die erste Gruppe von Z, und die vierte Gruppe von Z2, die dritte Gruppe von Z, und die sechste Gruppe von Z2'die fiinfte Gruppe von Zi und die zweite Gruppe von Z2 Vektoren (d. h. die ihnen entsprechenden Spulengruppen) mit Berücksichtigung der entgegengesetzten Phasenlage hintereinander, wobei im Spannungspolygon jeweils Gruppen von und Z2 Vektoren abwechselnd aufeinander folgen (s. z. B. Fig. 5 und 8).
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Der Aufbau dieses Faktors ist ähnlich dem ersten Gliede (dem Schrittverkürzungsfaktor). Die günstigste Wirkung der Sehrittverkürzung z.
B. auf die Überlastungsfähigkeit von Asynchronmotoren ist bekannt. Der günstigste Schritt beträgt etwa vier Fünftel bis fünf Sechstel der Polteilung. Dasselbe
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gruppen bei b = 1 Spule je Gruppe p = 2, a = 1 gekennzeichnet ist. Die Wicklung wurde als Zweilagenwicklung ausgeführt. In Fig. 1 ist ferner angedeutet, auf welche Art drei neue Drehstromwicklungen durch entsprechendes sechsfaches Aufschneiden des Spannungsvieleckes erhalten werden. An den Enden der Sehnen ist die Wicklung aufgeschnitten, u. zw. überspannen die Sehnen : im ersten Falle jeweils
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Z2 = 1 Vektoren.
Diese Fälle sind in den Fig. 2,3 und 4 im abgewickelten Schaltplan dargestellt.
Die Spulen liegen jeweils in der ersten und in der achten Nut.
Da weder Zi gleich Z2 noch ss = # sein kann, können die geradzahligen Harmonischen nicht verschwinden (Zi + Z2 ist eine ungerade Zahl).
Fig. 2 zeigt die Wicklung mit Zt = 6, Z2 = 3, Spulenschritt bzw. Nutschritt 7. Der Wicklungsfaktor der Arbeitswelle beträgt/% = 0.942 wie bei Zi-Z = 1, Nutschritt 6.
Fig. 3 stellt dar die Wicklung mit Z, = 7, Z2 = 2, mit einem Wicklungsfaktor der Arbeitswelle 7c2 = 0. 916 wie bei Z-Zs-l, Nutschritt 8.
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Fig. 4 stellt die Wicklung mit Z, = 8 und Z2 = 1 dar. Der Wicklungsfaktor der Arbeitswelle beträgt k2 = 0.878 wie bei Zi-Zz == li Nutsehritt a.
Ein Vergleich der Fig. 2-4 lässt erkennen, dass der Übergang von einer Wicklung zur ändern ohne weiteres mit kleinem Arbeitsaufwand möglich ist, obwohl es sich um eine ziemlich schwierige Bruch-
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jede Seite des Polygons in Teile geteilt erscheint.
Die Spulen besitzen alle gleiche Weite aus der ersten in die zehnte Nute (unverkürzter Schritt).
Da der Sehrittwinkel bei n = p, W beträgt, verschwinden die geradzahligen Harmonischen.
Der Wicklungsschritt ist auf beiden Seiten der Maschine gleich, was insbesondere für Wellenwicklungen günstig ist.
Fig. 6 zeigt das Schaltbild für = 4 und Z2 = 2 mit dem Wicklungsfaktor kl, = 0.944.
Fig. 7 zeigt das Schaltbild für Zi = 5 und Z 2 = 1 mit dem Wicklungsfaktor = 0. 905.
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lungsfaktoren wie die bekannten Wicklungen mit Sehrittverkürzung haben. Sie haben somit in diesen Fällen ganz exakt die gleiche #Doppeltverkettete Streuung" (auch Differenzstreuung genannt) und Nutzstreuung, wie die entsprechende Wicklung mit verkürztem Schritt.
Die Stirnstreuung ist praktisch ebenfalls gleich.
Die Vorteile gegenüber den alten Wicklungen liegen in der Möglichkeit, durch Änderung von Z1-Z2 auf einfache Weise, den Wicklungsfaktor zu ändern, ohne die Spulenweite zu ändern, ferner in der Möglichkeit, insbesondere bei Stabwieldungen, auch bei Wellenwicklungen bei gleichem Schritt, also gleicher axialer Wicklungsausladung, auf beiden Seiten die Vorteile der #Schrittverkürzung" zu erreichen, ohne auf die Vorteile der Wellenwicklung mit unverkürztem Sehritt im geringsten verzichten zu müssen.
Die angegebenen Beispiele behandelten Zweischichtwicklungen. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die ungleiche Aufteilung der Spulengruppen unter Nord-und Südpolen auch bei Einsehichtwicklungen möglich ist.
Die Einsehichtwicklung kann dabei aus lauter Spulen gleicher Weite bestehen oder sie kann auch durch Abänderung der Stirnverbindungen der Spulen einer Spulengruppe aus Spulen ungleicher Weite bestehen, z. B. aus konzentrischen Spulen, wie bei Zwei-oder Dreietagenganzloehwieklungen üblich.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Maschinenwicklung für Wechselstrommaschinen, bestehend aus Spulen mit je zwei aktiven Spulenseiten (Mantelspulen), dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aller Spulengruppen eines Wieklungsstranges unter gleichnamigen Polen grösser als Null, die Differenz der Spulengruppen eines Wicklungs- stranges unter sämtlichen Polen einer Polarität und der entgegengesetzten Polarität bei gerader Spulengruppenzahl je Strang grösser als Null, bei ungerader Spulengruppenzahl grösser als Eins ist.