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Transformator für die Verwendung als Glied einer Transformatorkaskade
Für die Erzeugung von hohen Wechselspannungen, insbesondere für Prüf- und Messzwecke, werden häufig in Kaskade geschaltete Transformatoren benutzt. Wenn mit wenigen, z. B. drei Kaskadengliedem sehr hohe Spannungen erzielt werden sollen, also schon auf jedes Glied der Kaskade eine verhältnismä- ssig hohe Teilspannung entfällt, führt man jedes Kaskadenglied, also jeden Einzeltransformator in der sogenannten Kaskadenschaltung aus ; d. h. jeder Einzeltransformator trägt auf einander gegenüberliegenden Schenkeln seines rahmenförmigen Eisenkernes die aus zwei in Reihe geschalteten Spulen bestehende Hochspannungswicklung.
Die Erregerwicklung ist auf dem einen, die Kopplungswicklung, welche zur Speisung der Erregerwicklung des nächsten Transformatorgliedes dient, auf dem andern der beiden die Hochspannungsspulen tragenden Kernschenkel aufgebracht. Auf jedem dieser beiden Kemschenkel befindet sich noch eine weitere Spule ; diese beiden Spulen werden unmittelbar miteinander verbunden und bilden die sogenannte Schubwicklung. Zur Erzielung günstiger Isolationsverhältnisse wird der Eisenkern mit der Verbindungsleitung der beiden Hochspannungsspulen verbunden, so dass er sich auf dem halben Hochspannungspotential befindet. Unmittelbar auf den beiden Kernschenkeln liegen die Schubwicklungsspulen, darüber die beiden lagenweise gewickelten Hochspannungsspulen. Dann folgt als äusserste Spule auf dem einen Kernschenkel die Erregerwicklung, auf dem andern Kernschenkel die Kopplungswicklung.
Wenn einer aus solchen Einzeltransformatoren aufgebauten Transformatorkaskade höhere Leistungen entnehmbar sein sollen, bereitet die Wärmeabfuhr Schwierigkeiten. Der unterste Einzeltransformator der beispielsweise aus drei Gliedern bestehenden Kaskade muss nämlich nicht nur die für die Erregung seiner Hochspannungswicklung notwendige Leistung, sondern auch die zur Erregung der Hochspannungswicklung der beiden oberen Transformatorglieder benötigte Leistung, also 3/3 und der mittlere 2/3 der Gesamtleistung, liefern.
Es ist bereits bekannt, zur Beseitigung dieser Schwierigkeit gesondert neben dem untersten Einzeltransformator einen weiteren gleich ausgebildeten, vierten Einzeltransformator anzuordnen, der gemeinsam mit dem untersten Einzeltransformator der Kaskade unter Parallelschaltung ihrer Erreger-, Hochspannungs- und Kopplungswicklungen zur Speisung der beiden oberen Transformatorenglieder dient. Damit ist wohl das Problem einer ausreichenden Wärmeabfuhr für das unterste Kaskadenglied gelöst, weil sich die von ihm zu liefernden 3/3 der Gesamtleistung auf die zwei parallelgeschalteten Einzeltransformatoren je zur Hälfte verteilen.
Jedoch ist nun der mittlere Einzeltransformator der am stärksten belastete, weil er 2/3 der Gesamtleistung liefern muss, nämlich die für die Erregung seiner Hochspannungswicklung und der Hochspannungswicklung des obersten Transformatorgliedes erforderliche Leistung. Bei entsprechend hoher Leistung der Prüfkaskade bereitet die Wärmeabfuhr auch bei diesem Einzeltransformator Schwierigkeiten, wenn er ohne wesentliche Vergrösserung seines Raumbedarfes oder andere kostspielige Massnahmen auch dauernd die auf ihn entfallende hohe Leistung liefern können soll.
Die Erfindung schlägt daher einen andern vorteilhaften Weg zur Lösung des geschilderten Problemes vor. Sie betrifft einen Transformator für die Verwendung als Glied einerTransformatorkaskade mit einer Erregerwicklung, einer Kopplungswicklung, welche zur Speisung der Erregerwicklung des nächsten Kaskadengliedes dient, und einer aus zwei in Reihe geschalteten, auf einander gegenüberliegenden Schenkeln
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des rahmenförmigen Eisenkernes angeordneten Teilen bestehenden Hochspannungswicklung.
Erfindung- gemäss lassen sich die geschilderten Schwierigkeiten dadurch vermeiden, dass die Erregerwicklung und die Kopplungswicklung in je zwei parallel oder in Reihe geschaltete Wicklungshälften unterteilt sind, die auf den die Hochspannungswicklungsteile tragenden Schenkeln des Rahmenkernes derart angeordnet sind, dass auf jedem der bewickelten Kernschenkel der Hochspannungswicklungsteil ganz oder zum gröss- ten Teil zwischen der Erregerwicklungshälfte und der Kopplungswicklungshälfte liegt.
Dadurch, dass sowohl die Erregerwicklung als auch die Kopplungswicklung in zwei Wicklungshälften unterteilt sind, entfällt auf jede von diesen Wicklungshälften nur die Hälfte der Leistung, die auf die
Erregerwicklung bzw. Kopplungswicklung bei den vorstehend geschilderten bekannten Transformator- gliedern entfällt, so dass die Wärmeabführung wesentlich einfacher ist, zumal die Wicklungshälften auf verschiedenen Kernschenkeln angeordnet sind, sich also bequemer kühlen lassen. Eine Erhöhung der Leistung ist damit ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erregerwicklungshälften unmittelbar auf den betreffenden Kernschenkeln, darüber die Hochspannungswicklungsteile und über diesen die beiden in Reihe oder parallel geschalteten Kopplungswicklungshälften liegen und der Eisenkern mit dem einen Ende der Erregerwicklung elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise ergeben sich günstigere Isolationsverhältnis- se, als wenn man den Eisenkern wie bei den vorstehend geschilderten bekannten Transformatorgliedern auf ein mittleres Potential legen würde.
Bei einstufigen Transformatoren, insbesondere Spannungswandlern, die keine Kopplungswicklung haben, also nicht zum Aufbau von Kaskaden verwendbar sind, ist es bereits bekannt, die Erregerwicklung in zwei Wicklungshälften zu unterteilen, die auf den die beiden in Reihe geschalteten Spulen der Hochspannungswicklung tragenden Schenkeln des auf Erdpotential oder einem mittleren Potential liegenden Eisenkernes angeordnet werden. Hier handelt es sich aber um eine ganz andere Aufgabe als bei der Erfindung, nämlich einen doppelpolig anschliessbaren Spannungswandler zu schaffen bzw. die Anordnung einer Schubwicklung zu ersparen. Eine Schubwicklung wird zwar auch bei dem Transformator gemäss der Erfindung erspart ; hier ist dies aber nur ein zusätzlicher Vorteil, der sich bei der aus ganz andern Gründen vorgenommenen Unterteilung der Erregerwicklung mitergibt.
Die Anordnung der verschiedenen Spulen des Tranformators gemäss der Erfindung kann so getroffen sein, dass der eine von den beiden als Lagenwicklungen, vorzugsweise in Trapezform ausgebildeten Hochspannungswicklungsteilen, dessen Anfang elektrisch leitend mit dem einen Ende der Erregerwicklung verbunden ist, gegenüber der auf diesem Hochspannungswicklungsteil liegenden Kopplungswicklungshälfte, der andere Hochspannungswicklungsteil gegenüber der von ihm umhüllten Erregerwicklungshälfte isoliert ist, u. zw. jeweils entsprechend der Hälfte der Spannungsdifferenz zwischen Anfang und Ende der beiden in Reihe geschalteten Hochspannungswicklungsteile.
Das Isolationsproblem lässt sich aber auch leicht lösen, wenn jeder von den beiden Hochspannungswicklungsteilen aus einer Mehrzahl von aus einer oder mehreren Wicklungslagen gebildeten zylindrischen Spulen besteht und die Wicklungsenden der einzelnen aufeinanderfolgenden Spulen des einen Hochspannungswicklungsteiles mit den Wicklungsanfängen der in der Reihenfolge entsprechenden Spulen des andern Hochspannungswicklungsteiles verbunden sind, deren Wicklungsenden wieder mit den Wicklungsanfängen der in der Reihenfolge jeweils nächsten Spulen des erstgenannten Hochspannungswicklungsteiles verbunden sind. Dabei können die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Spulen der beiden Hochspannungswicklungsteile sämtlich oberhalb oder unterhalb der Spulen liegen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für einen Transformator gemäss der Erfindung, der beispielsweise zusammen mit zwei weiteren gleichausgebildeten Transformatoren eine dreigliedrige Transformatorkaskade bildet. Die drei Einzeltransformatoren sind mit I, 1I und III bezeichnet und in der sogenannten Isoliermantelbauweise ausgeführt ; die aktiven Teile jedes von ihnen sind also in einem mit einem Isoliermittel gefüllten Gefäss untergebracht, das aus einem Isoliermantel mit metallischem Boden und metallischem Deckel besteht. Der auf dem Boden aufgestellte unterste Transformator I weist einenRahmenkern auf, der auf den beiden senkrecht stehenden Schenkeln lla, llb die verschiedenen Wicklungen trägt.
Die Erregerwicklung besteht aus den beiden parallelgeschalteten, auf die beiden Schenkel verteilten Wicklungshälften 12a und 12b. Die Erregerwicklungshälfte 12a ist umgeben von dem einen Hochspannungswicklungsteil 13a ; der andere Hochspannungswicklungsteil 13b umgibt die Erregerwicklungshälfte 12b. Aussen liegen die in Reihe geschalteten Kopplungswicklungshälften 14a und 14b, die zur Speisung der Erregerwicklung des nächsten Kaskadengliedes II dienen. Der Anfang der innersten Wicklungslage des Hochspannungswicklungsteiles 13a ist ebenso wie das eine Ende der Erregerwicklungshälften 12a, 12b mit dem Eisenkern und mit Erde
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verbunden.
Das Ende der äussersten Wicklungslage des Hochspannungswicklungsteiles 13a ist mit dem
Anfang der innersten Wicklungslage des Hochspannungswicklungsteiles 13b verbunden, während das
Ende seiner äussersten Wicklungslage an die Hochspannungsanschlussklemme des Transformators I ge- führt ist. Da sich die äusserste Wicklungslage des Hochspannungswicklungsteiles 13a auf dem mittle- ren Hochspannungspotential, die zugehörige Kopplungswicklungshälfte 14a auf dem vollen Hochspan- nungspotential befindet, ist zwischen ihnen eine für die halbe Hochspannung bemessene Isolation 15 an dem Hochspannungswicklungsteil 13a vorgesehen.
Eine ebenfalls für die halbe Hochspannung be- messene Isolation 16 ist zwischen dem auf Erdpotential befindlichen Kernschenkel 11b bzw. der auf ihm aufgebrachten Erregerwicklungshälfte 12b und dem Hochspannungswicklungsteil 13b an- geordnet, deren innerste Wicklungslage sich ja auf dem mittleren Hochspannungspotential befindet.
Zwischen der Kopplungswicklungshälfte 14b und der äussersten Wicklungslage des Hochspannungswick- lungsteiles 13b wird keine Hochspannungsisolation benötigt, da sie das gleiche Potential haben. Eben- so ist zwischen der Erregerwicklungshälfte 12a und der innersten Wicklungslage des Hochspannung- wicklungsteiles 13a keine Hochspannungsisolation erforderlich, da sie sich auf dem gleichen Potential befinden.
Die beiden andern Einzeltransformatoren II und III weisen, wie die Fig. 1 erkennen lässt, den gleichen Aufbau, zweckmässig auch die gleiche Bemessung der aktiven Teile auf wie der Transformator 1. Der Eisenkern 21 des Transformators II befindet sich auf dem Potential der Erregerwicklung 22a, 22b, die in der Kaskadenschaltung von der Kopplungswicklung 14a, 14b des Transformators I gespeist wird. Die Hochspannungswicklung ist mit 23a, 23b, die Kopplungswicklung mit 24a, 24b bezeichnet. Der Eisenkern 31 des obersten Transformators III trägt auf seinen beiden senkrecht stehenden Schenkeln die Erregerwicklungshälften 32a und 32b sowie die beiden Hochspannungswicklungsteile 33a und 33b. Der oberste Transformator III ist zweckmässig auch mit einer Kopplungswicklung 34a, 34b versehen, obwohl diese bei der Kaskadenschaltung der drei Einzeltransformatoren nicht benötigt wird.
Die gleiche Ausbildung der Einzeltransformatoren erleichtert nämlich ihre Austauschbarkeit und ermöglicht ihre Verwendung auch in andern Schaltungen. So ist es beispielsweise möglich, den Transformator gemäss der Erfindung zum Aufbau einer Transformatoranordnung zu verwenden, bei der die Hochspannungswicklungen von drei Einzeltransformatoren wahlweise in Reihe (Kaskadenschaltung) oder parallel oder zur Erzeugung einer Drehstromspannung in Stern umschaltbar sind ; gegebenenfalls unter Verwendung eines vierten getrennt aufgestellten Einzeltransformators, der bei der Reihenschaltung (Kaskadenschaltung) gemeinsam mit dem Transformator I zur Speisung der beiden oberen Einzeltransformatoren II und III dient. Im Prinzip ist eine solche Transformatoranordnung mit drei bzw. vier Einzeltransformatoren aurch die österr.
Patentschrift Nr. 238304 bekannt geworden. Durch die Verwendung von gemäss der Erfindung ausgebildeten Einzeltransformatoren bei einer solchen Transformatoranordnung kann deren Leistungsfähigkeit ohne die eingangs geschilderten Schwierigkeiten wesentlich grösser gemacht werden als es bisher möglich war.
Die aktiven Teile des Transformators gemäss der Erfindung können auch so angeordnet sein, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Auf den beiden senkrecht stehenden Kernschenkeln 41a und 41b sind wieder zunächst die beiden Erregerwicklungshälften 42a und 42b aufgebracht. Die beiden Hochspannungswicklungsteile bestehen aber hier aus einer Mehrzahl von aus einer oder mehreren Wicklungslagen gebildeten zylindrischen Spulen ; die auf dem Kernschenkel 41a sitzenden beispielsweise vier Spulen sind mit 43, 44, 45 und 46 bezeichnet, die auf dem andern Kernschenkel 41b befindlichen ebenfalls vier Spulen mit 47,48, 4tus und 50. Der Anfang der Spule 43 befindet sich auf dem Potential des Eisenkernes bzw. der Erregerwicklung.
Das Wicklungsende dieser Spule ist durch die Leitung 51 mit dem Wicklungsanfang der auf dem andern Kernschenkel sitzenden, der Erregerwicklungshälfte 42b benachbarten Spule 47 verbunden, deren Wicklungsende durch die Leitung 52 mit dem Wicklungsanfang der auf dem Kernschenkel 42a befindlichen Spule 44 verbunden ist. Die Leitung 53 verbindet das Wicklungsende der Spule 44 mit dem Wicklungsanfang der Spule 48, deren Wicklungsende wieder durch die Leitung 54 mit dem Wicklungsanfang der Spule 45 verbunden ist. Entsprechend dienen die Leitungen 55,56 und 57 zur Verbindung der Spulen 45,49, 46 und 50 miteinander. Sämtliche Spulen der beiden Hochspannungswicklungsteile sind also in Reihe geschaltet, u. zw. in der Reihenfolge 43,47, 44,48, 45,49, 46,50.
Das Wicklungsende der Spule 50 ist durch die Leitung 58 an den Hochspannungsanschluss des Trans-
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und 57 oberhalb der Spulen, die Verbindungsleitungen 52, 54 und 56 unterhalb der Spulen liegen, sind bei dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel sämtliche Spulenanfänge und Spulenenden auf derselben Seite
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angeordnet, so dass alle Verbindungsleitungen 51-57 unterhalb der Spulen liegen. Sie können natür- lich auch sämtlich oberhalb der Spulen liegen. Mit 59a und 59b sind die beiden durch die Leitung 60 in Reihe geschalteten Kopplungswicklungshälften bezeichnet, die sich auf dem Hochspannungspotential befinden.
Das Isolationsproblem ist bei der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Anordnung der aktiven
Teile des Transformators gemäss der Erfindung so gelöst, dass die erforderliche Isolation zwischen Eisen- kern und Hochspannung aufgeteilt ist in die Teilisolationen zwischen den einzelnen Spulen auf jedem der beiden Kernschenkel 41a, 41b. Vorteilhaft ist diese Anordnung auch in bezug auf die bequeme
Wärmeabfuhr, bedingt durch die vielen Kühlkanäle zwischen den einzelnen Spulen, und im Hinblick darauf, dass sich eine niedrige Kurzschlussspannung ergibt, was gerade für Transformatorkaskaden wich- tig ist.
Die an Hand der Fig. 2 und 3 beschriebene Anordnung und Schaltung der auf zwei einander gegen- überliegende Kernschenkel verteilten Hochspannungspulen ist bei Leistungstransformatoren schon be- kannt. Ihre Verwendung für den Aufbau der Hochspannungswicklung eines als Glied einer Transformator- kaskade dienenden Transformators gemäss der Erfindung bringt jedoch einen besonderen Vorteil insofern, als das Problem der Isolierung der beiden Hochspannungswicklungsteile einerseits gegenüber den beiden Erregerwicklungshälften, anderseits gegenüber den beiden auf Hochspannungspotential befindlichen Kopplungswicklungshälften wesentlich vereinfacht wird. Dies Problem tritt bei den vorerwähnten bekannten Leistungstransformatoren nicht auf, da diese ja keine Kopplungswicklung haben.
Wenn auf jedem der bewickelten Kernschenkel des Transformators gemäss der Erfindung zwischen der Erregerwicklungshälfte und der Kopplungswicklungshälfte nicht der ganze Hochspannungswicklungsteil, sondern nur der grösste Teil davon vorgesehen wird, ordnet man den restlichen Teil so an, dass die Kopplungswicklungshälfte zwischen diesen beiden Teilen liegt. Bei der Anordnung gemäss Fig. 2 und 3 würde dann beispielsweise die Kopplungswicklungshälfte 59a räumlich zwischen die Spulen 45 und 46 gelegt werden, die Kopplungswicklungshälfte 59b zwischen die Spulen 49 und 50. Durch diese an sich bekannte Massnahme (s. deutsche Patentschrift Nr. 1042097) lässtsich dieGesamtspannungsver- teilung einer aus Transformatoren gemäss der Erfindung aufgebauten Transformatorkaskade sehr einfach verbessern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transformator für die Verwendung als Glied einer Transformatorkaskade mit einer Erregerwicklung, einer Kopplungswicklung, welche zur Speisung der Erregerwicklung des nächsten Kaskadengliedes dient, und einer aus zwei in Reihe geschalteten, auf einander gegenüberliegenden Schenkeln des rahmenförmigen Eisenkernes angeordneten Teilen bestehenden Hochspannungswicklung, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Erregerwicklung und die Kopplungswicklung in je zwei parallel oder in Reihe geschaltete Wicklungshälften unterteilt sind, die auf den die Hochspannungswicklungsteile tragenden Schenkeln des Rahmenkernes derart angeordnet sind, dass auf jedem der bewickelten Kernschenkel der Hochspannungswicklungsteil ganz oder zum grössten Teil zwischen der Erregerwicklungshälfte und der Kopplungswicklungshälfte liegt.