DE2206610A1

DE2206610A1 - Mehrphasentransformator

Info

Publication number: DE2206610A1
Application number: DE19722206610
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Point Pleasant Kautz Robert Frederick Spring Lake Compoly Albert William Wal N J Eckenfelder (V St A)
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1972-09-21
Also published as: CA927489A; JPS553804B1; IT949773B; US3711762A; FR2128336B1; GB1332084A; FR2128336A1

Description

Patentanwalt

Kar! A. Brose

Dipi.-L;g.

D-8G23 München - Pullach
v.iei!ersir.2_fT.Mon.793üj70,7931782

vI/Ho - 4758-A München-Pullach, den !!.Februar 72

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48 073, Michigan, USA

Mehrphasentransformator

Die Erfindung betrifft Transformatoren und insbesondere Mehrphasentransformatoren.

Bei den bisher bekannten Systemen mit veränderlicher Geschwindigkeit und konstanter Frequenz wurden vier getrennte 3-Phasen-Transformatoren verwendet, um eine 3-Phasen-Ausgangsgröße dadurch zu erreichen, indem man vektoriell vier 3-Phasen-Spannungen, die phasenmäßig um 15 gegeneinander verschoben sind, addierte, wobei jedoch die Transformatoren groß, unhandlich und schwer waren und die gesamte Anordnung nur mit Schwierigkeiten montiert werden konnte. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten, da erfindungsgemäß ein einzelner Mehrphasentransformator zur Anwendung gelangt, der relativ leicht ist und einfach gewickelt werden kann.

Der Transformator besitzt einen Kern aus magnetisch durchlässigem Material aus zwei Schalen, die durch symmetrisch angeordnete Zähne voneinander getrennt sind. Die .vier 3-spannungen, die zuvor erwähnt wurden, bestehen aus

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12-Phasen—Spannungen, und der Kern enthält zwölf Zähne.

Eine Primärwicklung ist auf jeden Zahn gewickelt, und jede Primärwicklung wird durch eine Phasenspannung erregt. Für jede Phase der Ausgangsgröße ist auf dem Kern eine Sekundärwicklung vorgesehen, und die Sekundärwicklungen sind derart angeordnet, daß in jeder Sekundärwicklung eine Ausgangsspannung induziert wird, wobei die' Sekundärwicklungen relativ zueinander in Einklang mit dem Phasenwinkel angeordnet sind bzw. mit der phasenwinkelmäßigen Trennung der Ausgangsgrößen.

Ein Ziel der Erfindung richtet sich auf die Schaffung eines Mehrphasentransformators, der dazu verwendet werden kann, eine Anzahl von Phasenspannungen zu kombinieren oder zu verbinden und eine Ausgangsgröße vorzusehen, die irgendeine gewünschte Phase oder Phasen aufweist.

Ebenso ist es Ziel, einen einzelnen Mehrphasentransformator zu schaffen, der relativ klein, leicht ist und einfach montiert werden kann, um eine Vielzahl an Phasenspannungen zu verbinden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Frontansicht eines kreisförmigem Meh-phasentransformators mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen auf dem Kern gezeigt sind;

Fig. 2 den im Transformatorkern der Fig. 1 induzierten Fluß, wenn eine einzige Primärwicklung durch eine der Phasenspannungen erregt wird;

Fig. 3 die Anordnung der Sekundärwicklungen auf dem Kern bei ein·:·-r zweiten Ausführungsform nach der Erfindung, wobei die Primärwicklungen gemäß Fig. 1 angeordnet sind;

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Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform nach der Erfindung; und

Fi^. 5 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig.4.

Fig. 1 zeigt die neuartige Transformatorkonstruktion nach der Erfindung, um 12-Phasen-Spannungen, welche vier 3-Phasen-Spannungen formen, zu verbinden. Der Transformator enthält einen kreisförmigen geschichteten Kern 1 aus einem magnetisch durchlässigen Material mit einer mittleren Öffnung 3· Der Kern 1 besitzt eine durchgehende äußere Schale 5 und eine durchgehende innere Schale '/, die konzentrisch angeordnet sind und durch zv/ölf im gleichmäßigen Abstand zueinander angeordnete Zähne 9 getrennt sind, die im wesentlichen radial zwischen den Schalen angeordnet sind und einen Abstand von 30° zueinander haben. Die Offnungen 11 sind zwischen den Zähnen in dem Kern ausgebildet. Ejne Primärwicklung 13 ist auf jedem Zahn 9 aufgewickelt, und zwar durch benachbarte Öffnungen 11, und sie besitzt Leitungen 15, 17, um die Primärwicklung an eine der Phasen-Spannungen anzuschließen. Der in Fig. 1 gezeigte Transformator ist so ausgelegt, daß er durch 12-Phasen-Spannungen erregt werden kann. Die Spannungen können aus vier 3-Phasen-Spannungen bestehen, die phasenmäßig einen Abstand von 15° aufweisen, wobei eine Phasenspannung von jeder der 3-Pnasen-Spannungen an die "Wicklungen 13 angelegt werden, die in Fig. 1 mit A-1, B-1, C-1 und D-1 bezeichnet sind. Eine zweite Phasenspannung von jeder " der 3-Phasen-Spannungen wird an die Wicklungen 13 angelegt, die mit A-2, ß-2, C-2 und D-2 bezeichnet sind, und die dritte Spannung jeder der 3-Phasen-Spannungen wird an die Wicklungen angelegt, die mit A-3, B-3, 0-3 und D-3 bezeichnet sind.

Wenn daher die Primärwicklungen 13 in der beschriebenen Weise erregt werden, so schwankt der Fluß in den Zähnen nicht mehr als - 20 %, und der Fluß in der äußeren Schale und in der inneren Schale ist die Summe des Flusses aller zwölf Zähne und beträgt circa das Zweifache des Flusses in einem Zahn, so daß für eine ausgeglichene Flußdichte in dem Kern der Querschnitt

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bzw. die Querschnittsfläche der inneren Schale und der äußeren Schale circa das Zweifache des Querschnittes bzw. der Querschnittsfläche eines Zahnes betragen sollte. Der Fluß in der Schale weist eine zyklische Natur auf und er folgt der Eingangsfrequenz. Das Flußbild im Kern, welches von einer einzelnen Primärwicklung stammt, ist sehr komplex und ist in Fig. 2 angenähert dargestellt.

Die Flußverteilung ist durch die .Reluktanzen der magnetischen Pfade in dem Kern bestimmt. Der gesamte Fluß entsprechend einer Primärwicklung ergibt sich zu

Die Heluktanz ergibt sich zu:

Für parallel liegende Reluktanzen, wie dies im Falle des 12-Phasen-Transformators der Fall ist, ergibt sich die gesamte Heluktanz als:

Der Fluß im Kern induziert Spannungen in den Sekundärwicklungen 19, 21 und 23 der Fig. 1, so daß man eine 3-Phasen-Ausgangsgröße erhält, die aus den Phasen X, Y und Z besteht, die um 120° gegeneinander verschoben sind. Die Sekundärwicklung 19 enthält Spulen 25, 27, die auf die äußere Schale 5 durch öffnungen 11 gewickelt sind, die um 120° gegeneinander versetzt sind, und die Spulen sind durch eine Leitung 29 miteinander verbunden. Die Sekundärwicklung 19 besitzt einen neutralen Anschluß N , der mit der Spule 27 verbunden ist, und einen

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Ausgangsanschluß 0 , der mit der Spule 25 zum Vorsehen der "X"-Phasenausgangsgröße verbunden ist. Die Sekundärwicklung enthält Spulen 31, 33, die auf die äußere Schale 5 gewickelt sind. Die Spule 31 ist durch die gleiche öffnung 11 wie die Spule 25 geführt, und die Spule 33 ist durch eine öffnung 11 geführt, die von der Spule 31 um 120° versetzt ist, und die Spulen sind durch eine Leitung 35 verbunden. Die Sekundärwicklung 21 besitzt einen neutralen Anschluß N , der mit der Spule 31 verbunden ist, und besitzt einen Ausgangsanschluß 0 , der mit der Spule 33 zum Vorsehen der "Y"-Phasenausgangsgröße angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 23 enthält Spulen 37, 39, die auf die äußere Schale 5 gewickelt sind. Die Spule 37 ist durch die gleiche öffnung 11 wie die Spule 33 geführt,und die Spule 39 ist durch die gleiche öffnung 11 wie die Spule 27 geführt, so daß die Spulen 37 und 39 ebenfalls um 120 gegeneinander versetzt sind. Die Spulen sind durch eine Leitung 41 verbunden. Die Sekundärwicklung 23 besitzt einen neutralen Anschluß N , der mit der Spule 37 verbunden ist, und besitzt einen Ausgangsanschluß 0 , der mit der Spule 39 zum Vorsehen der "Z"-Phasenausgangsgröße verbunden ist. Die neutralen

Anschlüsse N , N und N werden miteinander verbunden, wenn die χ y ζ

Sekundärwicklungen 19, 21 und 23 in der Y-Anordnung geschaltet bzw. verbunden werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, wie dies J)¹Ig. 3 veranschaulicht, ist jede Sekundärwicklung 43, 45 und 47 durch öffnungen 11, die um 120° versetzt sind, auf den Kern gewickelt, und sie liegen den Zähnen und den dazwischenliegenden Kernabschnitten gegenüber. Bei dieser Anordnung ist die eine Seite der Wicklung 43 und die eine Seite der Wicklung durch die gleiche öffnung geführt, und die andere Seite der Wicklung 45 und die andere Seite der Wicklung 47 sind durch die gleiche andere öffnung geführt, ebenso sind die andere Seite der Wicklung 43 und die andere Seite der Wicklung 47 durch eine noch weitere gleiche öffnung geführt, wie dies iVig. 3 zeigt. Die Wick Lung 43 besitzt einen neutralen Anschluß IL und einen Ausgnngnannchluß 0^ zum Vorsehen der "X"-Phasenausgangsgröße.

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Die Sekundärwicklung 45 besitzt einen neutralen Anschluß N_x. und einen Ausgangsanschluß 0^ zum Vorsehen der "Y"-Phasenausgangsgröße, und die Sekundärwicklung 47 besitzt einen neutralen Anschluß EL und einen Ausgangsanschluß 0^ zum Vorsehen der "Z"-Phase. Die neutralen Anschlüsse N,. , N. und N^ sind zusammengeschaltet, wenn die Sekundärwicklungen 45, 45 und in Y-Anordnung geschaltet bzw. verbunden sind. Die Sekundärwicklungen 43, 45 und 47 sehen eine 3-Phasen-Ausgangsgröße vor, in der die Phasen X, Y und Z um 120 verschoben sind.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, welches Fig. 4 zeigt, besitzt der Transformator einen dreieckigen geschichteten K.ern 1a aus einem mganetisch durchlässigen Material mit einer zentralen Öffnung 3a. Der Kern 1a besteht aus einer oberen dreieckigen Schale 5a und aus einer unteren dreickigen Schale 7a, die parallel zueinander angeordnet sind und durch zwölf symmetrisch angeordnete Zähne 9a voneinander getrennt sind, wobei öffnungen 11a zwischen den Zähnen vorhanden sind.

Jede Schale ist aus einer Anzahl von Stanzstücken aufgebaut, und jede Schale besitzt einen dreieckigen Abschnitt und eine Hälfte jedes Zahnes 9a. Die Zähne 9a verlaufen im wesentlichen in rechten Winkeln zu dem dreickigen Abschnitt,und die Enden jedes Zahnes sind bearbeitet. Zwei Schalen sind angeordnet, wobei die Enden benachbarter Zähne gegeneinander stoßen, wobei die Schalen mit Hilfe eines Bolzens 10 über eine öffnung 3a aneinander befestigt sind.

Eine Primärwicklung 13a ist auf jeden Zahn 9a durch benachbarte öffnungen 11a gewickelt und besitzt Leitungen 15a, 17a, um die Primärwicklung mit einer der Phasenspannungen zu verbinden.

Wenn vier 3-Pbasen-Spannungen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 3 verwendet werden, so wird eine Phasenspannung von jeder der 3-Phasen-Spannungen den Wicklungen 13a zugeführt, die in B¹Ig. 4 mit A-1, B-1, C-1 und D-1 bezeichnet

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sind. Die zweite Phasenspannung jeder der 3-Pbasen-Spannungen ist an die Wicklungen 13a angeschlossen, die mit A-2, B-2, C-2 und D-2 bezeichnet sind, und die dritte Phasenspannung jeder der 3-Phasenspannungen ist mit dan Wicklungen 13a verbunden, die mit A-3, -B-3, C-3 und D-3 bezeichnet sind.

Die Sekundärwicklungen 19a, 21a und 23a sind durch öffnungen 11a an den Ecken des Kernes auf den Kern gewickelt und liegen den Zähnen und den dazwischenliegenden Abschnitten des Kernes gegenüber, ähnlich der Ausführungsform gemäß Fig. 3· Der in Fig. 4- gezeigte Transformator arbeitet in der gleichen Weise wie die Transformatoren gemäß Fig. 1 und 3-

Es sei erwähnt, daß die Ausgangsleistung für jede Phase zum Teil von allen zwölf Eingangsphasen abgeleitet wird, so daß die Leistungsfaktorbelastung kein großes Problem hinsichtlich irgendeiner der Eingangsphasen darstellt. Die inhärente Filterfähigkeit von Mehrphasen-Eisenkernen und die Vektoraddierung der 12-Phasen-Eingangsspannungen führt zu einer Ausgangsspannung, die mit wenigen Harmonischen behaftet ist. Rechteckwellen-Eingangsgrößen an den Primärwicklungen ergeben sinusförmige Ausgangsspannungen in den Sekundärwicklungen ohne zusätzliche Filterung.

Während sich die Beschreibung auf eine 12-Phasen-Eingangsgröße und eine 3-Phasen-Ausgangsgröße bezieht, so läßt sich irgendeine Anzahl von Eingangs- und Ausgangsphasen erreichen, indem man die zuvor geschilderte Mehrphasentechnik anwendet. Die Primärwicklungen sind in bevorzugter Weise symmetrisch auf dem Kern verteilt, und die Sekundärwicklungen sind auf dem Kern relativ zueinander in Einklang mit der Phasenwinkel-Trennung der Ausgangsgrößen angeordnet. Die Anzahl der Zähne sollte gleich oder einem Vielfachen von "m", der Zahl der Eingangsphasenspannungen, sein'fund einem Vielfachen von "n", der Anzahl der Phasenausgangsgrößen. Die Anordnung erlaubt "m" symmetrisch verteilte Primärwicklungen, die auf die Zähne des Kernes gewickelt sind, um durch die Eingangsspannungen erregt zu wer-

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den, und erlaubt, daß man "n"-Sekundärwicklungen relativ zueinander auf dem Kern anordnen kann, so daß eine Anzahl von Zähnen, die der gewünschten Phasenwinkel-Trennung der Ausgangsgrößen entspricht, gegenüberliegen.

Sämtliche in der Beschreibung erwähnten und in den Zeichnungen erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

Patentansprüche

Mehrphasentransformator zum Vorsehen von "n"-Phasenaucgangsgrößen aus "m"-Phasenspannungen, gekennzeichnet durch einen aus magnetisch durchlässigem Material bestehenden Kern
aus zwei Schalen, die durch im Abstand zueinander angeordnete Zähne zwischen denselben verbunden sind, wobei die Anzahl der Zähne gleich oder einem Vielfachen von "m", der Anzahl der
Phasenspannungen, ist, und einem Vielfachen von "n", der
Anzahl der Phasenausgangsgrößen; weiter durch "m" auf die Zähne gewickelte Primärwicklungen, von denen jede durch eine Phasenspannung erregt wird; weiter durch "n" auf dem Kern derart
angeordnete Sekundärwicklungen, daß in jeder Sekundärwicklung eine Ausgangsspannung induziert tfird, wobei die Sekundärwicklungen relativ zueinander entsprechend der gewünschten Phasenwinkel-Trennung der Ausgangsgrößen angeordnet sind.
2. Mehrphasentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern kreisförmig gestaltet ist und daß die
Schalen konzentrisch angeordnet sind und durch Zähne voneinander getrennt sind, die im wesentlichen radial verlaufend angeordnet sind.
3· Mehrphasentransformator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß eine Primärwicklung auf jedem Zahn gewickelt ist, wenn die Anzahl der Zähne gleich "m", der Zahl der Phasenspannungen, ist.
4. Mehrphasentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit öffnungen zwischen den Zähnen ausgestattet ist und daß die Primärwicklungen um die Zähne durch die öffnungen verlaufend gewickelt sind.
5. · Mehrphasentransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen druchgehend ausgebildet sind und daß der magnetische Fluß durch Erregen der Primärwicklungen durch

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die Phasenspannungen in den Schalen induziert wird.
6. Mehrphasentransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche einer Schale im wesentlichen gleich der Querschnittsflache der anderen Schale ist, so daß der induzierte Fluß in den Schalen im wesentlichen gleich ist.
7. Mehrphasentransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Schalen induzierte magnetische Ji¹IuB nahezu das Zweifache des in irgendeinem der Zähne auftretenden Flusses beträgt und daß die Querschnittsfläche der Schale im wesentlichen das Zweifache der Querschnittsfläche eines Zahnes beträgt, so daß die Flußdichte ausgeglichen ist.
8. Mehrphasentransformator nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern kreisförmig gestaltet ist und daß die Sekundärwicklungen um eine der Schalen durch die Öffnungen verlaufend gewickelt sind und daß weiter die Wicklungen auf dem Kern entsprechend der Phasenrfinkel-Trennung der Ausgangsgrößen angeordnet sind.
9. Mehrphasentransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern kreisförmig oder dreieckig gestaltet ist und daß jede Sekundärwicklung durch zwei öffnungen verlaufend auf den Kern gewickelt ist, wobei die öffnungen voneinander entsprechend der Phasenwinke1-Trennung der Ausgangsgrößen versetzt sind und den dazwischenliegenden Zähnen gegenüberliegen.
10. Mehrphasentransformator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen eines Dreieckskernes dreieckig gestaltet sind und parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und durch die Zähne gegeneinander getrennt sind, die im rechten Winkel zu den Schalen verlaufen.

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ORIGINAL INSPECTED

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