CH648161A5

CH648161A5 - Drehstromwicklung fuer eine hochspannungsmaschine mit in stern geschalteten straengen.

Info

Publication number: CH648161A5
Application number: CH5696/79A
Authority: CH
Inventors: Herbert Dr Auinger
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1985-02-28
Also published as: FR2437093B1; FR2437093A1; US4341970A; DE2841415C2; JPS5544000A; ZA795026B; DE2841415B1; SE7907806L

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstromwicklung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei den üblichen Drehstrom-Hochspannungswicklungen mit in Reihe und/oder parallelgeschalteten Spulengruppen innerhalb eines jeden Stranges sind die Spulen der einzelnen

Spulengruppen stets in gleicher Weise hintereinandergeschaltet, so dass entweder für sämtliche Spulengruppen die Durchflutungsrichtung gleichsinnig zur Potentialanstiegsrichtung oder gegensinnig ist. Die Zahl der eine Spulengruppe bildenden Spulen ist dabei q = N/2p-m, mit N als Nutenzahl, m als Phasenzahl und 2p als Polzahl.

Bei solchen Wicklungen weist die am Phasenwechsel anstehende maximale Spannung bei Reihenschaltung der Spulengruppen einen niedrigsten Wert von 0,76- Um (UN = Netzspannung) bei 2p = 2 auf, der mit zunehmender Polzahl überO,88 Un bei 2p = 4; 0,92-Un bei 2p = 6; 0,94 UN bei 2p = 8 bis auf nahezu Un zunimmt. Derart hohe Spannungen treten bei parallelgeschalteten Spulengruppen immer auf. Zur Beherrschung dieser Spannungsbeanspruchung, die im Wickelkopf zwischen benachbarten Spulenschenkeln am Phasenübergang auftritt, sind im Hinblick auf die Glimmeinsatzspannung wesentlich grössere Mindestschenkelabstände erforderlich als aus fertigungs- und belüftungstechnischen Gründen notwendig wären. Hierdurch wird die Spulenlänge, das Kupfergerwicht sowie der Raumbedarf der Wickelgrösse vergrössert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Mehraufwand für die Fertigung der Spulengruppen und die Schal-tungsmassnahmen eine Drehstromwicklung der im Oberbegriff genannten Art zu schaffen, bei der unabhängig von der Art der Schaltung der Spulengruppen innerhalb der Stränge, d.h. bei Reihen- und/oder Parallelschaltung mit sowohl symmetrisch längs des Umfangs verteilten Wicklungszweigen (labile Parallelschaltung) als auch bei in einzelnen Umfangs-zonen konzentrierten Wicklungszweigen (indifferente Parallelschaltung) und unabhängig von der Polzahl die Spannungsbeanspruchung an den Phasenübergängen wesentlich verringert wird, wobei höchstens die Phasenspannung von UPh=UN|i/3 = 0,58 UN anstehen soll, so dass die Schenkelabstände verkleinert und somit die Wickelkopfausladung, Spulenlänge und Kupferbedarf vermindert werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer Drehstromwicklung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Anwendung seiner kennzeichnenden Merkmale.

Die einzelnen Spulengruppen müssen nicht unbedingt die gleiche Anzahl von Spulen aufweisen, z.B. bei Bruchlochwicklungen oder anderen Wicklungen mit unterschiedlichen Zonenbereichen für normale Maschinen, insbesondere Käfigläufer-Asynchronmotoren, ist es jedoch von Vorteil, wenn diese «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen eine gleiche Zahl von q Spulen aufweisen, die sich in üblicher Weise aus der Nutenzahl N, der Phasenzahl m und der Polzahl 2p entsprechend der Beziehung q = N/2p • m ergibt.

Unabhängig von der Polzahl und von Reihen- oder Parallelschaltung der Wicklung kann als Ordnungsprinzip gelten, dass die Summe der Absolutwerte der an jedem Phasenwechsel zwischen benachbarten Spulenschenkeln im Wickelkopf anstehenden Spannungen konstant und gleich der Phasenspannung Uph ist. Unter Berücksichtigung der Phasenlage liegen damit die tatsächlich auftretenden Differenzspannungen AU zwischen /V31/Un und Vi UN mit diesen Werten als Minimal- bzw. Maximalwerten.

Für alle Polzahlen, die keinen gemeinsamen Teiler mit der Phasenzahl haben (z.B. 2p = 2,4, 8, 10, 14, 16,20 usw. bei m = 3), sind dabei immer Wicklungsanordnungen möglich, bei denen sich das gesamte Potentialverteilungsschema in symmetrisch periodischer Folge drei- oder sechsmal längs des Umfanges wiederholt.

Für Polzahlen 2p mit gemeinsamen Teiler mit der Phasenzahl m (2p = 6 n mit n = 1,2,3 ... bei m = 3) ist hingegen eine Unterteilung der Spulengruppenanordnung in zwei unterschiedliche Teilgruppierungen vorzusehen, die jeweils eine nicht durch die Phasenzahl m teilbare Zahl von Spulengrup2

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pen enthalten und jeweils gleiche Absolutwerte der Anfangsund Endpotentiale aufweisen. Diese Teilgruppierungen sind dann jeweils m mal am Umfang unmittelbar aufeinanderfolgend anzuordnen. Solche Teilgruppierungen können aber auch für die andern Polzahlen verwendet werden.

Vorzugsweise bei höheren Polzahlen und Reihenschaltung der Spulengruppen jedes Stranges können eine Vielzahl verschiedener anderer Spulengruppenverbindungen vorgenommen werden, wenn auf das oben genannte Ordnungsprinzip der konstanten Summe der Absolutwert besagter Spannungen am Phasenwechsel verzichtet wird. Auch in diesen Fällen wird die maximale Spannungsdifferenz AU höchstens gleich der Phasenspannung UPh. Dadurch ist es möglich, die räumliche Lage einzelner Spulengruppen im Sinne günstiger zu verlegender Schaltverbindungen, insbesondere zum Klemmenkasten hin, zu wählen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von unabhängigen Ansprüchen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt Fig. la eine «Mit»-Spulengruppe und Fig. lb eine «Gegen»-Spulengruppe, die bei gleicher Potentialanstiegsrichtung eine entgegengesetzte Durchflutung erzeugt, wozu der Anfang und das Ende E in einer anderen Nutschicht als bei der «Mit»-Spulengruppe liegen,

Fig. 2 einen Spannungsstern für eine zweipolige Maschine nach Fig. 2a mit zwei in Reihe geschalteten Spulengruppen I und II je Strang, sowie (in Klammern) für eine vierpolige Maschine mit vier Spulengruppen I bis IV gemäss den Fig. 3a und 3b,

Fig. 2a die Potentialverteilung der einzelnen «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen einer zweipoligen Wicklung mit in Reihe geschalteten Spulengruppen und

Fig. 2b eine analoge Darstellung für a = 2 parallele Wicklungszweige je Strang.

Fig. 3a eine Spulengruppenverteilung für eine vierpolige Wicklung in Reihenschaltung, bei der sich das Potentialverteilungsschema dreimal wiederholt,

Fig. 3b eine Ausführung mit zwei verschiedenen, aus jeweils zwei Spulengruppen gebildeten Teilgruppierungen a und ß,

Fig. 3c eine vierpolige Wicklung mit zwei Parallelzweigen in «indifferenter» Schaltung,

Fig. 3d eine vierpolige Wicklung mit zwei Parallelzweigen in «labiler» Schaltung,

Fig. 4a eine sechspolige Wicklung in Reihenschaltung (a= 1) und zwei unterschiedlichen Teilgruppierungen a und ß mit unterschiedlichen Spulengruppenzahlen,

Fig. 4b eine sechspolige Wicklung mit zwei Parallelzweigen und

Fig. 4c eine sechspolige Wicklung mit drei Parallelzweigen, wobei in beiden Fällen die Spulengruppenanordnung durch die innerhalb des Kreises angegebenen römischen Zahlen für «labile» Schaltung und durch die ausserhalb des Kreises angegebenen römischen Zahlen für «indifferente» Schaltung gekennzeichnet sind (jeweils für Strang U),

Fig. 5 einen Spannungsstern für eine achtpolige Wicklung gemäss

Fig. 5a mit acht in Reihe geschalteten Spulengruppen, Fig. 5b eine achtpolige Wicklung mit zwei Parallelzweigen,

Fig. 5c eine achtpolige Wicklung mit vier Parallelzweigen, wobei wiederum die innerhalb des Kreises angegebenen Bezeichnungen für eine «labile», die ausserhalb des Kreises angegebenen Bezeichnungen für eine «indifferente» Schaltung gelten,

Fig. 6 eine zehnpolige Wicklung in Reihenschaltung und

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Fig. 7 eine zwölfpolige Wicklung in Reihenschaltung mit zwei unterschiedlichen Teilgruppierungen a und ß, die längs des Umfangs je dreimal unmittelbar aufeinanderfolgen.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung soll bei den Angaben in den Spannungssternen und den jeweils nur für eine Wicklungsschicht dargestellten Strombelagsbändern der am Umfang angeordneten Spulengruppen folgendes gelten:

Es sind durchwegs dreiphasige Zweischichtwicklungen mit in Stern geschalteten Strängen und gleichviel «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen mit gleicher Spulenzahl vorgesehen, bei denen die Durchflutungsrichtung von Spulengruppe zu Spulengruppe wechselt (übliche sechszonige Ganzlochwicklung). Die Zahlen an den die Potentialanstiegsrichtung kennzeichnenden Pfeilen bedeuten das entsprechend Vielfache der jeweiligen Spulengruppenspannung US2 = a/2p-Uph, mit a = Zahl der Parallelzweige (a = 1) bei reiner Reihenschaltung). Zur Beschreibung der Potentialverhältnisse am jeweiligen Phasenwechsel genügt es, allein diese Zahlen der Spannungsabsolutwerte AU anzugeben.

Bei Konstanz der Summe der Absolutwerte der Spannungen im Phasenübergang gilt | Ui | + Uî| =2p/a-USg = UPh,

worin 2p/a die Zahl der in Reihe geschalteten Spulengruppen je Strang bedeutet. Das Potential steigt von Null im Sternpunkt entsprechend dem angegebenen Vielfachen der in Reihe liegenden Spulengruppen an. In Fig. 2a sind neben den Potentialanstiegspfeilen auch die wechselnden Durchflu-tungsrichtungen eingetragen. Bei den «Mit»-Spulengruppen sind beide Pfeilrichtungen gleich, bei den mit * gekennzeichneten «Gegen»-Spulengruppen beide Pfeilrichtungen einander entgegengesetzt. In den weiteren Figuren sind die Durch-flutungspfeile weggelassen und die «Gegen»-Spulengruppen durch * gekennzeichnet.

Die der Phase U zugehörigen Spulengruppen sind als kreuzschraffierte, die der Phase V zugehörigen Spulengruppen als schraffierte und die der Phase W zugehörigen Spulengruppen als schwarz umrandete Kreissegmente dargestellt. Entsprechendes gilt für die Spannungssterne.

Die Reihenfolge für das Hintereinanderschalten der Spurengruppen ist jeweils für den schwarz gekennzeichneten Strang U, beginnend vom Sternpunkt (Potential 0) fortlaufend mit römischen Ziffern angegeben. Die Zugehörigkeit zu den verschiedenen Zweigen bei Parallelschaltungen ist durch hochgestellte Zusatzzeichen I, II, III, IV unterschieden. Bei den Parallelschaltungen sind stets die beiden prinzipiell verschiedenen Möglichkeiten der sogenannten «labilen»

(Zweige symmetrisch längs des Umfanges verteilt) und «indifferenten» Parallelschaltung (Zweige in einzelnen Umfangszonen konzentriert) angegeben. Die labile Schaltung ist dabei durch den Index «o» gekennzeichnet.

Bei einer «Mit»-Spulengruppe nach Fig. la führt der Spulenanfang A in die Oberschicht und das Spulenende E aus der Unterschicht; bei einer «Gegen»-Spulengruppe nach Fig. lb dagegen der Spulenanfang A in die Unterschicht und das Spulenende E aus der Oberschicht. Im Fall Fig. la verläuft somit der Potentialanstieg gleichsinnig zur Durchflutungsrichtung; im Fall der Fig. lb sind dagegen beide einander entgegengesetzt gerichtet.

Bekanntlich müssen die Durchflutungsrichtungen der nebeneinander am Umfang liegenden Spulengruppen abwechseln, so dass gemäss Fig. 2a hiermit festgelegt ist, wo «Mit»- oder «Gegen»-Spulengruppen vorzusehen sind. Bei den zweipoligen Wicklungen nach Fig. 2a und 2b wechseln die «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen der verschiedenen Stränge einander ab. Wie aus Fig. 2a und 2b hervorgeht, betragen die Potentialdifferenzen an den Phasenübergängen jeweils 2 auf 0 (entspricht UPh = 0,58 UN) und 1 auf 1 (entspricht 0,5 UN). Bei der herkömmlichen Schaltung mit durchwegs gleichen Spulengruppen müsste man mit 2 auf 1 (ent3

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spricht 0,76 UN), gefolgt von 1 auf 0 (entspricht 0,29 UN) eine wesentlich höhere maximale und insgesamt ungleichmässi-gere Spannungsbeanspruchung hinnehmen. Noch gravierender fallen die Unterschiede bei Parallelschaltung aus. Gemäss Fig. 2b steht an den Phasenübergängen mit 1 auf 0 durchwegs die Phasenspannung UPh an, wogegen bei der bekannten Schaltung mit 1 auf 1 die Netzspannung UN, gefolgt von 0 auf 0 (Null), eine um den Faktor j/3 höhere maximale Spannungsbeanspruchung vorliegt.

In Fig. 3a kommen für eine vierpolige Wicklung und Reihenschaltung der Spulengruppen I bis IV jeweils zwei «Mit»-und «Gegen»-Spulengruppen mit gegensinniger Potentialanstiegsrichtung von verschiedenen Strängen abwechselnd nebeneinander zu liegen. Das Potentialverteilungsschema 11 -014-311 -212-31 wiederholt sich längs des Umfanges dreimal.

In Fig. 3b ist eine Abwandlung mit zwei Teilgruppierungen a und ß unterschiedlicher Potentialaufteilung angegeben, die man durch Halbieren des in Fig. 3a vorhandenen vollständigen Verteilungsschemas erhält. Diese Teilgruppierungen enthalten jeweils eine «Mit»- und eine «Gegen»-Spulen-gruppe von je gleicher Potentialanstiegsrichtung und sind jeweils dreimal unmittelbar hintereinander am Umfang angeordnet.

In Fig. 3c ist eine «indifferente» zweifache Parallelschaltung der abwechselnden «Mit»- und «Gegen»-Spulengrup-pen I' und II' und I" und II" einer vierpoligen Wicklung in abwechselnder Aufeinanderfolge gezeigt.

Fig. 3d zeigt die entsprechende «labile» Parallelschaltung der Spulengruppen Io', Ilo' und Io", Ilo".

Bei der in der Fig. 4a gezeigten sechspoligen Wicklung für Reihenschaltung wiederholt sich die unmittelbare dreimalige Aufeinanderfolge der verschiedene Spulengruppenzahl aufweisenden Teilgruppierungen a und ß. Diese Teilgruppierungen erhält man durch Aufteilen des vollständigen Schemas 14-511 -016-511 -214-313—21 unter Berücksichtigung gleicher Absolutwerte der jeweiligen Anfangs- und Endpotentiale gemäss 14—511 —016—5 [ 1—21 für a und 14—3 j 3—2) für ß. In analoger Weise könnte man auch eine Aufteilung j 1 —016-51 und 11 —214—313—214—51 vornehmen. Solche Unterteilungen in zwei Teilgruppierungen mit unterschiedlicher Potentialverteilung sind bei dreiphasigen Wicklungen in 6, 12, 18 usw. poliger Ausführung und Reihen- oder Parallelschaltung mit a^3 unbedingt notwendig. Hierzu sei auch auf Fig. 4b für eine Schaltung mit a = 2 hingewiesen. Jede Teilgruppierung muss dabei eine nicht durch die Phasenzahl teilbare Anzahl von «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen aufweisen. Solche

Massnahmen können auch bei anderspoligen Wicklungen (Fig. 3b) angewendet werden.

Lediglich bei dreifachen Parallelschaltungen nach Fig. 4c in «indifferenter» oder «labiler» Verteilung sind solche Teilgruppierungen nicht notwendig, da dort das vollständige Potentialverteilungsschema 10—111—2 j nur zwei Spulengruppen umfasst, d.h. eine nicht durch die Phasenzahl teilbare Anzahl vorliegt.

Der Spannungsstern nach Fig. 5 zeigt im rechten Teil für eine Reihenschaltung der acht Spulengruppen I bis VIII einer achtpoligen Wicklung nach Fig. 5a die einzelnen Phasenspannungen bei Einhaltung des Ordnungsprinzips der Konstanz der Summe der Absolutwerte der Spulengruppenspannungen am Phasenwechsel. Die Werte der Differenzspannung AU reichen von 0,5 UN bei 18-01 bis 0,577 UN bei 14-41.

Auch bei Verlassen dieses Ordnungsprinzips können, wie es in Fig. 5 unten angedeutet ist, z.B. an einzelnen Stellen auch Paarungen 13 + 61 oder 15 + 41 vorgesehen werden, bei denen trotz der höheren Absolutwertsumme 9 statt regulär 8 keine höheren Differenzspannungen als die Phasenspannung Uph = 0,577 UN verursacht werden. Wie nicht weiter dargelegt werden soll, kann auf diese Weise die räumliche Lage einzelner Spulengruppen, z.B. III, IV, V, VI gegenüber Fig. 5a geändert werden, wodurch sich u.U. günstiger zu verlegende Schaltverbindungen ergeben.

Die Fig. 5b zeigt eine zweifache, Fig. 5c eine vierfache Parallelschaltung, jeweils in «indifferenter» bzw. «labiler» Verteilung der Wicklungszweige für achtpolige Wicklungen.

Die in Fig. 6 dargestellte zehnpolige Wicklung in Reihenschaltung der Spulengruppen I bis X weist eine dreifache Periodizität auf, wobei in Umfangsrichtung gruppenweise jeweils fünf «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen aufeinanderfolgen.

Fig. 7 zeigt eine zwölfpolige Wicklung in Reihenschaltung mit zwei Teilgruppierungen a, ß in jeweiliger dreimaliger unmittelbarer Aufeinanderfolge, wobei das Gruppierungsschema durch Unterteilung der vollständigen regulären Folge |8-9|3-2|10-11|1-0|12-11|1-2|10-9|3-4|8-7|5-6|6--715-41 bei den Potentialwerten 4 und 8 in zwei Teile mit vier und acht Spulengruppen gebildet wird. In gleicher Weise kann man die Teilung auch bei den Potentialwerten 2 und 10 vornehmen.

Zwei weitere Varianten mit unterschiedlichen Teilgruppierungen, von denen sich die eine über zwei und die andere über zehn Spulengruppen erstreckt, lassen sich durch Unterteilung des Verteilungsschemas an den Stellen 2 auf 10 oder 11 auf 1 erhalten.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Drehstromwicklung für eine Hochspannungsmaschine mit in Stern geschalteten Strängen, deren zyklisch am Umfang verteilt angeordnete Spulengruppen aus jeweils mehreren hintereinandergeschalteten Spulen bestehen, die abwechselnd gegensinnige Durchflutungsrichtungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Hälfte der Spulengruppen eine zur jeweiligen Durchflutungsrichtung gleichsinnige Potentialanstiegsrichtung, «Mit»-Spulengruppen genannt, und die andere Hälfte der Spulengruppen eine zur jeweiligen Durchflutungsrichtung gegensinnige Potentialanstiegsrichtung, «Gegen»-Spulengruppen genannt, aufweist, wobei die «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen der einzelnen Stränge so am Umfang verteilt angeordnet und innerhalb jedes Stranges miteinander verbunden sind, dass zwischen benachbarten Spulenseiten an den Phasenübergängen höchstens die Phasenspannung (UPh) ansteht (Fig. la, lb).
2. Drehstromwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen jeweils eine gleiche Anzahl von q= N/2p-m Spulen aufweisen, worin N die Nutenzahl, m die Phasenzahl und 2p die Polzahl bedeutet.
3. Drehstromwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen so verteilt angeordnet und miteinander verbunden sind, dass an den Phasenübergängen die Absolutwertsumme der Spannungen zwischen benachbarten Spulenseiten durchwegs gleich dem Absolutwert der Phasenspannung ist.
4. Drehstromwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen einzeln oder gruppenweise in symmetrisch periodischer Folge längs des Umfangs verteilt angeordnet sind.
5. Drehstromwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das jweils in gleicher Zahl und Folge über «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen verschiedener Stränge erstreckende Potentialverteilungsschema der Absolutwerte der Spulengruppen-Spannungen mindestens m-mal, m ist Phasenzahl, wiederholt.
6. Drehstromwicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass «Mit»- und «Gegen»-Spulengruppen verschiedener Stränge in zwei hinsichtlich des Potentialverteilungsschemas unterschiedliche Teilgruppierungen mit jeweils gleichen Absolutwerten der Anfangs- und Endpotentiale zusam-mengefasst sind.
7. Drehstrom wicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite verschiedenen Teilgruppierungen eine unterschiedliche und jeweils nicht durch die Phasenzahl m teilbare Zahl von Spulengruppen enthalten.
8. Drehstromwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils m gleichartige Teilgruppierungen unmittelbar aufeinanderfolgend am Umfang angeordnet sind.
9. Drehstromwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulengruppen der einzelnen Stränge in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
10. Drehstromwicklung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in abwechselnder Folge jeweils p «Mit»- und p «Gegen»-Spulengruppen, mit p gleich Polpaarzahl, nebeneinander angeordnet sind (Fig. 3a, Fig. 5a, Fig. 6).