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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drossel ohne Eisenkern mit mehreren
parallelgeschalteten, konzentrisch zueinander angeordneten, ungekreuzten, zylindrischen
Spulen, bei der die Windungszahl und/oder die axiale Spulenhöhe und/oder der Leiterquerschnitt
in Abhängigkeit vom Spulendurchmesser unterschiedlich ausgelegt sind.
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Eine derartige Drossel, bei welcher jedoch jede Spule nur eine Wicklungslage
aufweist, ist bereits vorgeschlagen worden.
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Ziel der Erfindung ist eine Weiterbildung der Drossel der eingangs
genannten Gattung, welche auf sehr einfache Weise hergestellt werden kann, ohne
daß an irgendeinem Punkt der Spule unzulässig hohe Spannungsgradienten in axialer
oder radialer Richtung auftreten.
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Hierzu sieht die Erfindung bei einer Drossel der eingangs genannten
Art vor, daß jede Spule aus mehreren mehrlagigen, ringförmigen Scheibenspulen besteht,
welche übereinandergestapelt und in Reihe geschaltet sind, und daß die äußeren,
elektrischen Anschlußklemmen im Zentrum von an den Stirnseiten angeordneten Sternhaltern
angeordnet sind, an deren Armenden die Spulen angeschlossen sind. Auf Grund dieser
Ausbildung kann jede Scheibenspule einzeln gewickelt und nach dem Zusammenbau mit
den anderen Scheibenspulen zusammengeschaltet werden. Hierdurch werden das Wickeln
und der Zusammenbau erleichtert. Nach dem Zusammenbau und Zusammenschalten der Scheibenspulen
werden die Spulenanschlüsse mit den Sternarmen verbunden, so daß alle Scheibenspulen
elektrisch parallel geschaltet sind. Die Spannung in der axialen Richtung ist somit
über mehrere parallel zueinander geschaltete konzentrische Scheibenspulen verteilt.
Während jede Scheibenspule im Hinblick auf einen niedrigen Spannungsgradienten den
Vorteil einer einzigen Schraubenlage hat, können die Scheibenspulen gemeinsam doch
große Ströme aufnehmen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung führt weiter dazu, daß jede der Scheibenspulen
im wesentlichen die gleiche axiale Länge hat und im wesentlichen einen gewünschten
Bruchteil der Gesamtstromstärke führt. Eine derartige Wicklung hat den geringstmöglichen
Spannungsgradienten von Klemme zu Klemme an irgendeinem Punkt. Da überdies jedes
parallele Wicklungselement im wesentlichen die gleiche Länge hat, besteht eine vernachlässigbare
Potentialdifferenz zwischen Windungen in radialer Richtung. Sogar bei Impulsbetrieb
sind die Spannungsbeanspruchungen entlang der Spulenlänge äußerst niedrig.
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Es ist bereits eine Drosselspule bekannt, die zwei konzentrische,
elektrisch parallelgeschaltete Spulen enthält, die in radialer Richtung mit Abstand
angeordnet sind, wobei jede Spule mehrere in Serie geschaltete axiale Abschnitte
aufweist. Bei der bekannten Drossel sind die konzentrisch angeordneten Spulen, welche
im übrigen keine Scheibenspulen sind, in Parallelschaltung an seitlich am Drosselkörper
angeordnete Anschlußklemmen angelegt. Auf diese Weise besteht der Nachteil, daß
die einzelnen Anschlußleitungen von der Spule zur Klemme von sehr unterschiedlicher
Länge sind.
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Es ist auch schon bekanntgeworden, mehrere aus überkreuzten Windungen
bestehende Spulen unterschiedlichen Durchmessers ineinanderzustecken und parallel
zu schalten, um den für die Spule zur Verfügung stehenden Raum besser auszunutzen.
Aber auch bei dieser bekannten Drossel werden die Anschlüsse seitlich aus der Spule
herausgeführt und nicht an die Arme eines Sternhalters angeschlossen. Überdies treten
bei der bekannten Drossel auch die beim Erfindungsgegenstand nicht vorliegenden
Probleme der Überkreuzungstechnik auf.
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Um die Enden der einzelnen Spulenelemente gegen hohe Spannungsgradienten
abzuschirmen, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß jeder Sternhalter
beidseitig durch eine etwa kreisförmige, isolierende metallisierte Platte abgedeckt
ist. Die Anordnung kann vorzugsweise auch so sein, daß die stirnseitigen Enden der
Spulen jeweils durch ein Paar von metallischen Abschirmringen umgeben sind, welche
einen radialen Abstand von den Spulen aufweisen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist so ausgestaltet,
daß die Spulen von einem etwa zylindrischen Gehäuse umschlossen sind, an dessen
innerer Oberfläche mehrere magnetische Abschirmringe angeordnet sind.
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Um die Spule mit einem Abstand vom Gehäuse haltern zu können, ist
bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Spulen auf
einem Isolatorfußstück mit Abstand von dem Gehäuse angeordnet sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch,
daß die Spulen durch mehrere auf dem Umfang verteilte Isolierteile radial auf Abstand
gehalten sind. Diese Ausführungsform kann so weitergebildet werden, daß die Isolierteile
einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt haben, wobei jedes Isolierteil mehrere
daran befestigte Abstandsstücke aufweist, welche die Scheibenspulen axial auf Abstand
halten.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene
Ansicht eines Behälters, in dem eine Drossel gemäß der Erfindung angeordnet ist,
F i g. 1 a einen Schnitt nach Linie 1 A-1 A in Fig.1, F i g. 2 einen vertikalen
Teilschnitt einer Drossel ähnlich der in F i g. 1 dargestellten, jedoch mit etwas
abgewandelter Ausführung der Stirnenden, und F i g. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3
in F i g. 2. Im einzelnen zeigt die Zeichnung eine Nebenschlußdrosse110, die sich
in einem Blechgehäuse oder Behälter 11 befindet und die von einem Isolatorfußstück
13 mit Abstand von dem Gehäuse gehalten wird.
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Das Gehäuse 11 besteht aus einem zylindrischen Teil 14 mit Endflanschen
15 und 16 an seinen gegenüberliegenden Enden, an denen entsprechende Enddeckel 17
und 18 befestigt sind.
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Der Enddeckel 18 ist abnehmbar durch Bolzen, Niete oder ähnliche
mittels mehrerer, am Umfang liegender, mit Abstand angeordneter Öffnungen 19 verbunden.
Weiter enthält der Deckel 18 einen abnehmbaren konischen Mittelteil 20, der
an diesem mit mehreren Bolzen, Niete oder ähnlichen mittels am Umfang liegender,
mit Abstand angeordneter öffnungen 21 abnehmbar befestigt ist. Der konische Mittelteil
20 ist geöffnet, um eine Durchführung 22 aufzunehmen und zu halten,
von der ein nach innen gerichteter Teil 23 unmittelbar neben der Mittelachse
der Drossel 10 endet. An der Innenwand des Gehäuses sind mehrere magnetische Abschirmringe
24 befestigt.
In den meisten Fällen benötigt der Behälter einen
erheblichen inneren Abstand von der Spule; vorzugsweise wird ein runder Behälter
mit einer Wirbelstromabschirmung aus Aluminium gegen die innere Oberfläche verwendet.
Die konzentrische Gehäuseabschirmung von dieser Form erleichtert die Berechnung
der Größe der Wirbelströme und der Streuverlustwerte. Außerdem ist der runde Behälter
am leichtesten herzustellen, gestattet maximale Kühlungsstrahlung und kann leicht
für die Verwendung bei Vakuum oder Druck abgestützt werden. Die glatte Behälterwandabschirmung,
die mit der Spule und mit den am Ende abgestuften Ringen konzentrisch ist, ermöglicht
es, geringe elektrische Beanspruchungen zu erhalten. Die untere oder Bodenwand des
Behälters ist vorzugsweise aus Aluminium oder aus mit Aluminium überzogenem Stahl.
Das Aluminium bewirkt eine Abschirmung. In der letzteren Bauart kann das Aluminium
ein getrenntes inneres Gehäuse sein, während das äußere Gehäuse aus Stahl od. ä.
besteht.
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Die Drossel 10 besteht aus mehreren konzentrischen Spulen 31,
32, 33, 34 mit radialem Abstand, wobei jede Spule aus mehreren vertikal ausgestapelten
Scheibenspulen 31a, 31b, 31e, 31d usw. besteht. Jedes Element
besteht aus mehreren Windungen von isoliertem Kupferdraht 35, der so gewunden ist,
daß er ein ringförmiges Stück ergibt. Bei jeder Scheibenspule sind die entgegengesetzten
Enden der Drähte nach außen gerichtet und bilden Anschlüsse, wodurch axial benachbarte
Scheibenspulen leicht in Serie geschaltet werden können (wie bei 36) und die Spule
bilden.
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Die Scheibenspulen können in axialer sowohl wie in radialer Richtung
mit Abstand angeordnet sein. Vertikale Isolierteile 37 (F i g. 3), die einen T-förmigen
Querschnitt haben und die außerhalb jeder Spule 31, 32 und 33 am Umfang mit Abstand
angeordnet sind, halten die Spulen radial auf Abstand. Mehrere Abstandsstücke 38
sind an jedem axialen Isolierteil 37 befestigt. Diese Abstandsstücke 38 können entlang
der Isolierteile 37 gleiten und sind so eingerichtet, daß sie vertikal benachbarte
unabhängige Abschnitte trennen. Der axiale Abstand zwischen den Scheibenspulen und
der radiale Abstand zwischen den Spulen schafft mehrere Zirkulationswege für Luft,
Gas, Flüssigkeit oder ein ähnliches Kühlmittel.
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Die Spulen umgeben einen zylindrischen Isolator 50, z. B. einen Zylinder
aus phenolimprägniertem Faserstoff; wobei die erste Spule zu diesem durch mehrere
der vorher erwähnten Abstandshalter mit Abstand gehalten wird. Endstücke 51 und
52 werden durch mehrere Stangen 53 verbunden und liegen eng an den entgegengesetzten
Enden des Zylinders 50 an. An den entgegengesetzten Enden der Stangen befinden sich
Gewinde, auf welche Muttern passen, die gegen entsprechende untere und obere Ringe
54 bzw. 55 drücken. Diese Ringe bestehen aus isolierendem Material, wie geschichtetem
Plastikmaterial, beispielsweise Phenolharzen od. ä. Die Teile 51 und 52 bestehen
aus einem Paar von mit Abstand angeordneten metallisierten Platten 56 und 57 bzw.
58 und 59, wobei die Platten 56 eines jeden Paares von entsprechenden zentralen
Sternhaltern 60, 61 mit Abstand zueinander gehalten werden. Die Sternhalter bestehen
entweder aus einer Mittelnabe mit mehreren daran befestigten und radial nach außen
reichenden Armen A (F i g. 1) oder die Leiter 64 bzw. 65 werden gemäß F i g. 2 radial
zu den Sternhaltern 60 bzw. 61 geführt, welche elektrische Anschlußklemmen 62 bzw.
63 aufweisen. Die jeweiligen Plattenpaare sind am Umfang durch ringförmige Isolatoren
68 und 69 verbunden, die gegen die Enden der Sternarme drücken. Die Sternklemmen
und die Endbolzen bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Material hoher
elektrischer Leitfähigkeit.
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Die metallisierten Platten sind deswegen mit Metall überzogen, um
eine Abschirmung zu bilden. Bei sehr großen Drosseln können diese Platten nach den
F i g. 1 und 1A aus mehreren Segmenten B bestehen, die zwischen benachbarte Arme
A des Sternhalters eingesetzt sind, oder alternativ gemäß F i g. 2 massive Scheiben
mit axialem Abstand sein. Jedenfalls bietet der Raum zwischen benachbarten Platten
Platz zur elektrischen Verbindung der Spulen mit der auf der Achse angeordneten
Anschlußklemme 62 bzw. 63. Der Kreisring 68 hat einen oberen Ansatz, wodurch der
Ring auf der oberen Kante der Endscheibe liegt. Durch Stützen 73 werden an den oberen
und unteren Ringen 68 und 69 obere und untere metallische Abschirmringe 71 und 72
befestigt. Hierdurch werden die Enden der Spulen gegen hohe Spannungsgradienten
abgeschirmt.
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Bei der oben beschriebenen Bauart wird jedes Spulenelement einzeln
gewickelt und nach dem Zusammenbau elektrisch verbunden. Dies erleichtert das Wickeln
und die Handhabung. Nach dem Zusammenbau aller konzentrischen Spulen werden die
Leiter mit den Endsternklemmen verbunden, wodurch die konzentrischen Spulen elektrisch
parallel geschaltet werden. Die Anschlußklemme 62 wird durch einen flexiblen Leiter
75 oder eine andere Maßnahme mit der Leitung verbunden.
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Das Errechnen der einzelnen Spulenelemente und die Konstruktion der
gesamten Spule (die aus mehreren konzentrischen Spulen besteht) beruhen auf der
Lösung simultaner Gleichungen.
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Beim Entwerfen einer Drossel gemäß der Erfindung müssen die Windungen
einer jeden Spule so ausgelegt werden, daß sie den folgenden simultanen Gleichungen
genügen;
das heißt:
Dabei gilt voraussetzungsgemäß:
... -Ep=E, wobei E der gewünschte Spannungsabfall
an der Drossel ist.
Die einzelnen Buchstaben in den vorangegangenen
Gleichungen bedeuten: p = Anzahl der Spulen der Drossel,
| r = 1, 2,3 ... p (laufende Indizes), |
| s = 1,2,3...p # |
Nr, N3 = Anzahl der Windungen der Spulen
r
bzw. s, M" = Blindwiderstand zwischen
den Spulen
r
und s (für
r = s Blindwiderstand der Selbstinduktivität
der Spule), ir = Strom, der durch die ausgewählte Spule r fließen soll.
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Bei der Konstruktion der Drossel werden anfangs die Anzahl der Leiter
und deren Abmessungen auf Grund fachmännischen Könnens geschätzt. Der Leiter wird
vorzugsweise genormte Abmessungen haben und -inen niedrigen Nennstrom, um Verluste
auf ein Minimum zu reduzieren. Dies ist wünschenswert, weil dadurch die Herstellung
von speziellen Leitern für die Fabrikation der Drosselwindungen nicht nötig ist.
Natürlich bestimmen die Abmessungen des Leiters den größten Strom in einer bestimmten
Spule, welcher wiederum den maximalen Temperaturanstieg zwischen Leerlauf und Vollast
in der Drossel bestimmt.
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Natürlich muß der Durchmesser jeder Spule größer sein als der der
innen benachbarten Spule, und zwar um einen Betrag, der größer ist als der Durchmesser
des benachbarten Leiters plus .dem der Isolation. Vorzugsweise legt man den Durchmesser
einer Spule etwas größer als dieses Minimum aus, um die Zirkulation eines Kühlmittels
zu ermöglichen. Die Windungssteigung kann nicht kleiner sein als die Breite plus
Isolation des Leiters, aus dem die einzelne Spule besteht. Die Steigung kann dieses
Minimum übersteigen, wodurch die Verwendung isolierter Leiter überflüssig wird,
wenn die Spulen in radialer Richtung in genügendem Abstand gehalten werden.
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Nach der Bestimmung der Abmessungen eines jeden Leiters, wodurch der
entsprechende Strom festgelegt ist, wird jeder Spulendurchmesser, jede Windungssteigung
und die Anzahl der Windungen in jeder Spule durch Lösung der Gleichung für gegenseitigen
und Eigenblindwiderstand errechnet. Dies kann durch eine Person oder durch automatische
Rechenmethoden geschehen.
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Im folgenden wird ein Beispiel für eine typische Bauart einer Nebenschlußdrossel
gemäß der Erfindung gegeben.
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Nebenschlußdrosselkonstruktion Elektrische Daten: Einphasig; 60 Hz,
22000 kVA; 133000 Volt Spannungsabfall 163 Ampere.
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Wicklung Neun konzentrische Lagen von Spulenelementen, ausgelegt nach
Tabelle 1 wie folgt:
| Tabelle 1 |
| Cu-Runddraht Win- Zahl der Radiale Länge der Mittlerer |
| Lage Ampere- Lage axialen Lage Lagendurchmesser |
| windungen dungen Abschnitte cm , Inch cm Inch cm I Inch |
| 1 10 2139 60 1,95 0,7674 173,0 1 68 126 ; 49,77 |
| 2 9 1921 54 2,14 0,8424 167,0 ' 65,7 130 ' 52,38 |
| 3 9 1716 48 2,14 ' 0,8424 149,0 58,68 140 55,06 |
| 4 8 1620 45 2,37 0,9342 157, 61,95 147 57,84 |
| 5 8 1584 44 2,37 0,9342 154 60,57 154 60,71 |
| 6 7 1569 53 2,58 1,0302 192 75,78 162 63,67 |
| 7 7 1491 50 2,58 1,0302 183 72,01 170 66,73 |
| 8 7 1455 49 2,58 1,0302 167 70,28 174 69,79 |
| 9 7 1459 49 2,58 1,0302 169 70,46 185 72,85 |
Zwischen jeder Lage sind Kühlkanäle 1,27 cm (l/2") vorgesehen, die durch eine Anzahl
axialer Abstandshalter aufrechterhalten werden. Zwischen jedem Abschnitt einer jeden
Lage sind radiale Kanäle von etwa 0,63 cm (1/4') Breite vorgesehen, welche durch
radiale Abstandsstückchen aufrechterhalten werden, die entweder verschraubt oder
auf andere Weise an den axialen Abstandshaltern befestigt sind. Die Länge der Wicklungslagen,
die in Tafel t, Spalte 6, angegeben ist, muß eingehalten werden; sie kann dadurch
erreicht werden, daß man die Breiten der radialen Kanäle zwischen den Abschnitten
jeder Lage entsprechend auslegt.
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Die Konstruktion eines jeden Abschnittes einer jeden Lage wird durch
die folgende Tabelle 2 gegeben:
| Tabelle 2 |
| Windungen pro Abschnitt Querschnitte der Abschnitte |
| Lage radiale axiale gesamt Radial Axial |
| Reihen Windungen cm Inch cm Insch |
| 1 6 6 36 1,95 0,7674 2,24 0,8813 |
| 2 6 6 36 2,25 0,8424 2,46 0,9688 |
| 3 6 6 36 2,25 0,8424 2,46 0,9688 |
| 4 6 6 36 2,37 0,9342 2,73 1,0759 |
| 5 6 6 36 2,37 I 0,9342 2,73 1,0759 |
| 6 5 6 30 2,62 1,0302 3,02 ( 1,188 |
| 7 5 6 30 2,62 1,0302 3,02 1,188 |
| 8 5 6 30 2,62 1,0302 3,02 1,188 |
| 9 5 6 30 2,62 1,0302 3,02 1,188 |
Beachte: Bei manchen Abschnitten der verschiedenen Lagen läßt man
eine Windung aus, um die in Tabelle 1, Spalte 3, vorgeschriebene Gesamtwindungszahl
zu erreichen. Zum Beispiel benötigt die Lage 3 1716 Windungen. Dort sind aber 48
Abschnitte zu 36 Windungen pro Abschnitt vorgeschrieben; das ergibt 36 - 48 = 1728
Windungen. Also läßt man in 12 der 48 Abschnitte je eine Windung aus und verteilt
diese 35 Windungsabschnitte gleichförmig über die Länge der Lage.
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Die Abmessungen der Abschnitte, die in der Tabelle2 gegeben sind,
erreicht man leicht mit einer 0,03 cm (0,012") dicken Papierisolation auf dem Draht.
Um jeden Abschnitt ist eine zusätzliche Isolierung möglich, und die Abmessungen
der Abschnitte der Tabelle 2, Spalten 5 und 6, müssen entsprechend gewählt werden.
Die Eigenschaften dieser Spule sind wie folgt: Gesamtes Kupfergewicht 5600 kg (12343
lbs) RR-Verluste bei 75'C bei Nennstrom und Nennfrequenz . . . . . . . . . . . .
57 kW. Maße über alles: Außendurchmesser ..... 188 cm (73,88") Länge . .
. . . . . . . . . . . . . . 210,5 cm (82,78") (gemessen nur über die Sternklemmen)