AT160795B

AT160795B - Drehstromtransformator mit zumindest in den Schenkeln geteilten Eisenwegen.

Info

Publication number: AT160795B
Authority: AT
Inventors: Josef Dr Ing Biermanns; Werner Dr Kraemer
Original assignee: Aeg
Priority date: 1936-06-12
Publication date: 1942-03-10

Description

Drehstromtransformator mit zumindest in den Schenkeln geteilten Eisenwegen.

Die Erfindung bezieht sieh auf Drehstromtransformatoren, bei denen der vom Netz gelieferte Magnetisierungsstrom ohne äussere Hilfsmittel oder zusätzliche Apparate von den höheren Harmonischen 3., 5. oder 7. Ordnung befreit werden soll. Dies wird gemäss der Erfindung durch Verwendung eines Kerns mit teilweise oder ganz geteilten Eisenwegen erreicht, bei dem die Grundwellen des Flusses in den Teilen der Schenkel gegeneinander derart phasenverschoben sind, dass ein Austausch der 3., 5. oder 7. höheren Harmonischen im Fluss oder Amperewindungsbedarf zwischen den Teilschenkeln stattfindet.

Da alsdann die höheren Harmonischen, auf die bei der Wahl der Sättigung sonst immer Rücksicht zu nehmen ist, nach aussen nicht mehr in Erscheinung treten, kann man mit der Sättigung des Eisens sehr hoch gehen, beispielsweise über 14.000 Gauss, und erhält auf diese Weise überdies einen recht billigen Transformator.

Zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens kann man beispielsweise von der bekannten Tatsache ausgehen, dass die 5. Harmonischen in einer Leitung unterdrückt werden, wenn man zwei Transformatoren zusammenschaltet, von denen der eine in Stern und der andere in Dreieck geschaltet ist.
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geschaltet. Zwischen beiden Transformatoren besteht für die Grundfrequenz eine Phasenverschiebung von 30 , mithin für die 5. Harmonischen eine solche von 5x30 =150 . Die 5. Harmonischen beider Transformatoren & i, befinden sich in den äusseren Leitungen fast in Gegenphase, so dass in der gemeinsamen Zuleitung h die 5. Harmonische praktisch verschwindet.

Eine derartige Anordnung lässt sich aber nur unter ganz bestimmten Bedingungen treffen und setzt vor allem zwei Transformatoren voraus. Gemäss der Erfindung gelingt es, bei Verwendung nur eines einzigen Transformators die 5. Harmonische fast völlig zu unterdrücken, indem man unter Verwendung eines Kerns, der nach der durch alle drei Schenkel gehenden Symmetrieebene in zwei Teile geteilt ist, im Sinne der Erfindung den einen Teil mit der Stern-und den andern Teil mit der Dreieckswicklung versieht. Die Stern-Dreieckswicklung kann entweder mit Anschlüssen versehen sein und zum Speisen eines Netzes dienen oder auch als Tertiärwicklung ohne Anschlüsse lediglich zur Erzeugung der Magnetisierungsströme angeordnet sein.

In Fig. 2 ist beispielsweise ein Schnitt durch einen Drehstromtransformator nach der Erfindung dargestellt. Die drei Schenkel des Kerns sind je aus zwei Teilen zusammengesetzt. Die einen Kernhälften 1 a, 2 a, 3 a tragen die in Dreieck geschalteten Wicklungen 4 a, 5 a, 6 a und die andern Kernhälften 1 b, 2 b, 3 b die in Stern geschalteten Wicklungen 4 b, 5 b, 6 b. Zwischen den mittleren Kernspalten sind die Wicklungsteile gerade und flach ausgebildet, damit der Kerndurchmesser nicht wesentlich vergrössert wird. In Fig. 3 ist noch das Sehaltungsschema für die Wicklungen dargestellt.

Sollen die Wicklungen nicht lediglich als Tertiärwieklung dienen, sondern zur Leistungsabgabe herangezogen

werden, so sind die Anschlüsse an den Verbindungsstellen beider Wicklungen, also bei U X X, auszuführen.

Während noch bei einem Transformator nach Fig. 2 der Austausch der 5. Harmonischen im Amperewindungsbedarf stattfindet, kann man ihn auch unmittelbar im Fluss erzielen, wenn man den Schenkelfluss eines Drehstromtransformators mit geteilten Schenkeln für die Grundwelle aus zwei um 360 phasenverschobenen Teilflüssen zusammensetzt. Die von den Teilflüssen ausgebildeten 5. Harmonischen sind alsdann um 1800 gegeneinander phasenverschoben und heben sich in dem resultierenden Fluss auf. Es fällt daher auch aus dem resultierenden Amperewindungsbedarf des Schenkels die 5 ; Harmonische heraus.

Demgemäss werden erfindungsgemäss Mittel vorgesehen, durch welche die normalerweise einen ändern Phasenwinkel miteinander bildenden Flüsse der Grundwelle in den Schenkelteilen um 36 gegeneinander phasenverschoben werden. Die erforderliche Phasenverschiebung der zweckmässig gleich gross gewählten Teilflüsse eines Schenkels kann man dadurch erreichen, dass man den Eisenkern zu einer Übergangsform zwischen magnetischer Stern- und Dreiecksanordnung ausbildet. Zu diesem Zweck kann man an dem bekannten Rahmenkern Übergangsstellen mit veränderlichem magnetischen Widerstand vorsehen. Die Einstellung des letzteren erfolgt durch Schlitze oder durch Bolzenreihen.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Transformator nach Art eines
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in den Schenkelhälften 13% über der resultierenden nutzbaren Induktion des Schenkels liegt, beträgt der Unterschied bei der Anordnung nach der Erfindung mit 360 Phasenverschiebung der Teilflüsse nur 5%.

Man erzielt das angegebene Grössenverhältnis zwischen Stern-und Dreieckskomponente durch geeignete Bemessung des magnetischen Übergangswiderstandes s des magnetischen Sternpunktstückes H.
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so muss man s praktisch gleich unendlich setzen. Es wird dann 'r s = T b = 0. Den magnetischen Widerstand von 11 kann man durch Wahl eines Materials von bekannter magnetischer Leitfähigkeit oder durch Einbau einer Dämpferwicklung ähnlich der Stabwicklung des Kurzschlussläufers beliebig ändern.

Die Hilfswicklung 10, die beide Schenkelhälften gegenläufig mit gleicher Windungszahl umschliesst, ist zur Unterdrückung der 3. Flussharmonischen, die sich in jedem Dreiecksfluss ausbilden kann, und die eine Umkehrung der 5. Harmonischen in der magnetomotorischen Kraft des Dreiecksflusses zur Folge hat, erforderlich. Man kann sie auch, wie in Fig. 6 dargestellt, in das Joch verlegen. Es wird alsdann der magnetische Sternpunkt, wie aus der oberen Hälfte der Fig. 6 besonders deutlich hervorgeht, in zwei, zu beiden Seiten des Mittelschenkels liegende Übergangsstellen 11 a und 11 b aufgelöst.

Hiedurch können für den Sternfluss bessere Symmetriebedingungen erzielt werden, während die Gleichheit der magnetischen Widerstände der Flusswege für das magnetische Dreieck durch geeignete Jochdimensionierung erreicht werden kann.

Die Aufteilung der Kerne und Joche kann man anstatt durch Schlitze auch durch kurzgeschlossene Bolzen nach Art des Dämpferkäfigs erzielen. Man erhält hiedurch ungeteilte Joche bzw. ungeteilte Schenkel, die aus konstruktiven und fabrikatorischen Gründen den geschlitzten Kernteilen vorzuziehen sind. Eine zweckmässige Ausführungsform mit geringem Kupferaufwand zeigt die untere Hälfte der Fig. 6. Hierin sind die Schlitze in den Schenkeln beibehalten, während das Joch ungeteilt, aber mit einer Bolzenreihe versehen ist. Ein Teil der Bolzen ist durch Bügel kurzgeschlossen und beeinflusst die Übergangsstellen 11 a und 11 b zwischen den Jochen zweier Rahmen. Ein anderer Teil der Bolzen ist zu einer Dämpferwieklung-M verbunden.

Die Trennung der Teilflüsse im Joch wird teils durch die Dämpferkäfige, welche mittels der Bolzen gebildet werden, teils durch die Hilfswicklung 10 erzielt. Die Hilfswicklung 10 hat für den Dreiecks-und Sternfluss in allen drei Phasen die gleiche Windungszahl
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Kraftflüsse sperrt, symmetrisch zu der gestrichelt gezeichneten Mittellinie auf, so tritt eine teilweise Vereinigung der Rahmenflüsse in dem vom Dämpferkäfig freien Teil ein. Es kann alsdann ein Sternfluss fliessen, der in der Hilfswieklung keine Spannung erzeugt und deswegen durch die Hilfswicklung 10 nicht behindert wird.

Die Phasenverschiebung von 360 der Schenkelflüsse in einem durch Spalte oder einen Dämpferkäfig aufgeteilten Schenkel lässt sich auch durch eine Zusatzerregung erzielen, die dem Kern in geeigneter Phasenlage über eine die Teilschenkel umschlingende Achterwieklung zugeführt wird.

Fig. 7 stellt hiefür ein Ausführungsbeispiel dar. Es sind 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b die Teilschenkel des Drehstromtransformators, dessen Hauptwicklungen der Einfachheit halber fortgelassen sind. Die Joche sind ungeteilt. 10 ist eine Achterwicldung. Sie erhält von einer fremden Stromquelle über ein Netz RST eine Hilfsspannung A E aufgedrückt, die mit der Phasenspannung der Hauptwicklung einen Winkel von 90'bildet. Die Hilfsspannung erzeugt einen zusätzlichen Fluss-h A (P in den Teilschenkeln. Das Vektordiagramm der Teilflüsse ist in Fig. 8 dargestellt.

Ist (D der Fluss, der sich in den Teilsehenkeln ohne Zusatzerregung ergibt, und wählt man den senkrecht dazu stehenden Hilfs-
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Teilschenkeln gleich 36 . Es ist zweckmässig, die Aehterwicklung in Dreiecksschaltung anzuschliessen, -da sich im Zusatzfluss dann keine 3. Flussharmonische ausbilden kann.

Fig. 9 zeigt, wie die Hilfsspannung vom Transformator selbst in einer Tertiärwicklung 4, 5, 6 erzeugt werden kann. Die Tertiärwicklung muss bei Dreiecksschaltung der Hilfswicklung 10 in Stern
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Phasenspannung der Tertiärwicklung und E'die an einer Phase jeder Achterwicklung liegende Spannung.

Die Achterwicklung 10 kann auch, wie in Fig. 11 dargestellt ist, ins Joch verlegt werden. Statt der Schlitze lassen sich entsprechende Bolzenreihen in einem ungeschnlitzten Kern vorsehen.

Man kann schliesslich einen Kern mit gespaltenen Schenkeln, in deren Teilen die Grund- harmonischen um 600 gegeneinander phasenverschoben sind, dazu benutzen, dass ein Austausch der 3. Harmonischen im Fluss stattfindet. Da die 3. Harmonischen in den Teilschenkeln um 180 gegeneinander phasenverschoben sind, so hebt sich ihre Wirkung auf die Hauptwicklung auf. Nun lässt sich bekanntlich die 5. Harmonische dadurch unterdrücken, dass man die 3. Harmonische der Grösse und Phase nach beeinflusst. Es besteht daher bei Anwendung des geteilten Eisenkerns nunmehr auch die Möglichkeit zur Unterdrückung der 5. Oberwelle dadurch, dass erfindungsgemäss Teile des magnetischen Kreises gegen die 3. Flussharmonische abgesperrt werden.

Man ist dabei nicht an eine bestimmte Wicklungsart für die Hauptwieklung des Transformators gebunden. Die bekannte Methode zur Unterdrückung der 5. Harmonischen durch Regelung der 3. Harmonischen hatte hingegen bisher eine Sternschaltung der Transformatorwicklung zur Voraussetzung.

Dieser Gedankengang sei zunächst an dem Beispiel eines Dreiphasenkerns in reiner magnetischer
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zusammensetzenden Schenkel, die durch Joche 12, 23, 31 zu Rahmen verbunden sind, wobei die Joche Dreiecke bilden. 4,5, 6 sind die Hauptwicklungen des Transformators. Fig. 13 stellt die zugehörigen Vektordiagramme dar. Die Flüsse F in den Schenkeln sind je mit einem den Kernteilen entsprechenden Index versehen. Wie aus dem oberen Vektordiagramm hervorgeht, sind die Teilflüsse der Grundharmonischen in den Teilschenkeln um 600 gegeneinander phasenverschoben. Eine in den Teilflüssen der Schenkel vorhandene 3. Flussharmonische, welche infolge einer im Magnetisierungsstrom fehlenden 3.

Harmonischen auftritt und in der Fig. 12 durch Pfeile angedeutet ist, kann, ohne die Hauptwicklung zu beeinflussen, fliessen, da bei der bestehenden Phasenverschiebung der Grundwellen von 60 die 3, Harmonischen in den nebeneinanderliegenden, von einer Hauptwicklung umschlossenen Teilschenkeln gleich gross, aber entgegengesetzt gerichtet sind.

Schwächt man nunmehr in bekannter Weise die 3. Flussharmonische, indem man die von ihr in einer Hilfswicklung induzierten Spannung an eine Induktivität entsprechender Leistung legt, so geht die 5. Harmonische im Magnetisierungsstrom durch Null. Fig. 14 zeigt eine derartige Anordnung für einen aus dem Kern der Fig. 12 durch Zusammenklappen der Teile in eine Ebene erhaltenen Rahmenkern. Es sind für die einzelnen Teile die gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 12 angewandt. Darüber
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unter sich in Reihe geschaltet und über eine Drosselspule 14 kurzgeschlossen sind.

Die Belastung durch eine besondere Hilfsdrossel 14 erübrigt sich, wenn man, wie in Fig. 15 dargestellt ist, eine starke Streuung der Schubwieklung, beispielsweise durch Fortlassen der Windungen auf den Kernhälften und Bewickeln nur der Teile beider Joche anstrebt. Die Windungszahlen dieser Hilfswicklungen 78, 89, 97 sind einander gleich.

Bringt man die Schubwieklung gemäss Fig. 16 nur auf einem Joch an, beispielsweise auf dem oberen, und sieht man zwischen den Teilkernen-soweit sie keine Hilfswicklungen tragen-einen verhältnismässig kleinen Luftspalt vor, so ist der Amperewindungsverbrauch der 5. Harmonischen folgendermassen :
I. Oberes Joch und oberer Schenkel :
Unter dem Einfluss der Dämpferwicklung wird ein sinusförmiger Fluss erzwungen. Die zur Magnetisierung angeforderte 5. Harmonische A. Ws ist positiv.

II. Schenkelmitte :
Die Sperrwirkung der Dämpferwieklung für diesen Bereich ist nicht mehr voll ausreichend. Der Fluss führt eine geschwächte 3. Harmonische. Die 5. Harmonische der Magnetisierung geht durch Null.

III. Unteres Joch und unterer Schenkel :
Die Dämpferwieklung ist unwirksam. Die 3. Harmonische tritt im vollen Betrag im Fluss auf.

Die 5. Harmonische der Magnetisierung ist negativ.

Bei geeigneter Bemessung von Rahmen und Dämpferwicklung wird daher Atlas über einen Rahmen gleich Null, so dass die 5. Harmonische im Fluss ganz verschwindet.

Die Wirksamkeit der Dämpferwieklung kann durch eine im gleichen Verhältnis vorgenommene Schwächung der von den Schubwicklungen umschlossenen Jochteile, ferner. durch Dämpferkäfige bzw. Dämpferbleche im Jochspalt und in den Kernspalten verstärkt werden.

Eine wichtige Voraussetzung für das Verschwinden der 5. Harmonischen ist die Gleichheit der magnetischen Kreise in bezug auf die Grundwelle. Da nun aber die mittlere Phase kürzere Wege für die Kraftlinien in den Jochen als die äusseren Phasen besitzt, so empfiehlt es sich, die Gleichheit des magnetischen Widerstandes dadurch wieder herzustellen, dass man den Mittelschenkel mit einem schwächeren Querschnitt als die äusseren Schenkel ausführt, da sonst wieder die 3. Harmonische im Magnetisierungsstrom entsteht.

PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Drehstromtransformator mit nach der durch alle drei Schenkel gehenden Symmetrieebene geteiltem Eisenkern, bei dem durch Phasenverschiebung der Grundwellen der Flüsse in den Teilen eines Schenkels gegeneinander ein solcher Austausch der 3., 5. oder 7. Harmonischen im Fluss oder Amperewindungsbedarf zwischen den Teilsehenkeln herbeigeführt wird, dass der vom Netz gelieferte Magnetisierungsstrom von diesen Oberwellen befreit wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem einen Teil des Eisenkerns eine Sternwieldung und auf dem andern Teil eine Dreieckswicklung befindet (Fig. 2).

Claims

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Stern und Dreieck geschalteten und auf den Kernhälften befindlichen Wicklungen mit Stromanschlüssen zum Speisen eines Netzes versehen sind.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Stern und Dreieck geschalteten und auf den Kernhälften befindlichen Wicklungen sich lediglich als Tertiärwicklungen auf dem Transformator befinden.

4. Transformator mit zumindest in den Schenkeln geteilten Eisenwegen, bei dem durch Phasenverschiebung der Grundwellen der Flüsse in den Teilen eines Schenkels gegeneinander ein solcher Austausch der 5. Harmonischen im Fluss oder Amperewindungsbedarf zwischen den Teilschenkeln herbeigeführt wird, dass der vom Netz gelieferte Magnetisierungsstrom von dieser Oberwelle befreit wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch welche die Grundwellen um 360 gegen- einander phasenverschoben werden, so dass aus den resultierenden Amperewindungen des Schenkels die 5. Harmonische herausfällt.

5. Transformator nach Anspruch 4 mit einem Rahmenkern, an dem zwischen benachbarten Übergangsstellen für den magnetischen Fluss Rahmen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Widerstand der Übergangsstellen so eingestellt ist, dass in jeder Kernhälfte der Dreiecksfluss 65% und der Sternfluss 44% des Gesamtflusses einer Kernhälfte beträgt (Fig. 4 und 6).

6. Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Widerstand an der Übergangsstelle mittels einer Bolzenreihe nach Art eines Dämpferkäfigs einstellbar ist.

7. Transformator nach den-Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung der im Dreiecksfluss vorhandenen 3. Harmonischen eine Dämpferwiekdung vorgesehen ist, welche die Teilflüsse jeder Phase mit gegenläufigen, gleichen Windungen umfasst.

8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferwicklung zur Unterdrückung der 3. Harmonischen auf den Jochen vorgesehen ist und dass die Übergangsstellen zwischen den Rahmen jeweils in zwei zu beiden Seiten des Mittelschenkel liegende Teile aufgelöst sind (Fig. 6).

9. Transformator nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufteilung der Eisenwege teils Schlitze, teils eine kurzgeschlossene Bolzenreihe vorgesehen sind.

10. Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Teilschenkel umschlingende Achterwicklung vorgesehen ist, durch die mittels einer ihr aufgedruckten Hilfsspannung die Phasenverschiebung der Teilflüsse von 360 erzwungen wird (Fig. 7,9, 11).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung einer Dreh- stromquelle mit solcher Phasenlage entnommen wird, dass sie mit der Phasenspannung der Haupt- wicklung einen Winkel von 900 bildet.

12. Anordnung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Achterwicklung in Dreiecksschaltung an die Hilfsspannung angeschlossen ist.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsspannung einer Tertiärwicklung des Transformators entnommen wird.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Achterwicklung in Dreieck und die Tertiärwicklung in Stern geschaltet ist. <Desc/Clms Page number 5> EMI5.1 auf dem Joch des Transformators angeordnet ist (Fig. 11).

16. Transformator mit zumindest in den Schenkeln geteilten Eisenwegen, bei dem durch Phasenverschiebung der Grundwellenflüsse in den Teilen eines Schenkels gegeneinander ein solcher Austausch der 3., 5. oder 7. Harmonischen im Fluss oder Amperewindungsbedarf zwischen den Teilschenkeln herbeigeführt wird, dass der vom Netz gelieferte Magnetisierungsstrom von diesen Oberwellen befreit wird, wobei zur Unterdrückung der 5. Harmonischen im Magnetisierungsstrom eine Beeinflussung der 3. Flussharmonischen des Transformators erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zu diesem Zweck Teile des magnetischen Kreises gegen die 3. Flussharmonische abgesperrt werden.

17. Transformator nach Anspruch 16, bei dem die Kernteile ein magnetisches Dreieck in der Weise bilden, dass jeder Schenkel aus zwei von einer Hauptwicklung umschlossenen Teilschenkeln besteht und dass immer zwei zu verschiedenen Phasen gehörende Teilschenkel durch Joche zu einem Rahmen zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkerne Schubwicklungen. ragen, die unter sich in Reihe geschaltet und über eine Drosselspule kurzgeschlossen sind.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Jochteile auf beiden Seiten eine Schubwicklung tragen.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schubwicklung nur auf dem oberen oder dem unteren Joch vorgesehen ist und dass zwischen den einzelnen Rahmen, soweit sie keine Schubwicklung tragen, nur ein enger Luftspalt vorhanden ist.

20. Anordnung nach Anspruch 17,'dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkung der Schubwicklung durch Schwächung der umschlossenen Jochteile, durch Dämpferkäfige oder durch Dämpferbleehe in den Joch-und Kernspalten unterstützt wird.

21. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Mittelschenkels schwächer als der der äusseren Schenkel ausgeführt ist. EMI5.2