DE2329122C2 - Eisenlose, für einen mittelfrequenten Strom ausgelegte Drosselspule - Google Patents

Description

förmigen, parallel zueinander angeordneten i» spule aus mehreren Anteilen zusammensetzen. Diese

Einzelleitern besteht, deren sich in radialer Rieh- Anteile sind

tang der Drosselspule erstreckende Stärke jeweils 1. Verluste, die der von außen emgepragte Strom wesentlich geringer ist als ihre sich in axialer durch den Spannungsabfall am ohmschen Richtung erstreckende Breite, dadurch ge - Widerstand der Drosselspule verursacht (ohmkennzeichnet, daß — in radialer Rieb- 15 sehe Leitungsverluste), . tang (x) der Drosselspule (C) gesehen — der 2. Verluste durch Strome, die in jeder einzelnen innere und der äußere Einzelleiter (El, £3) Spulenwindung durch das Wechselfeld des in jeder Spulenwindung eine geringere Stärke auf- dieser Spulenwindung fließenden Stroms inweisen als die dazwischen angeordneten Einzel- duziert werden (Stromverdrangungsverluste), leiter (£2). *» und . . .

2. Drosselspule nach Anspruch 1 mit einer 3. Verluste durch Ströme, die in jeder einzelnen Vielzahl von Einzelleitern pro Spulenwindung, Spulenwindung durch das Wechselfeld der dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der übrigen Spulenwindungen hervorgerufen werden Einzelleiter (EI, £2, £3) abgestuft von innen (Wirbelstromverluste).

nach außen abnimmt. »5 Die Aufteilung der Verluste auf die unter den

3. Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, da- Punkten 1 bis 3 genannten Anteile hängt in der durch gekennzeichnet, daß die Stärke und An- Praxis stark ab von der Kurvenform und der Frezahl (z) der Einzelleiter (El, £2, £3) bei einem quenz des Stroms, der die Drosselspule durchfließt, vorgegebenen zeitlichen Stromverlauf [i (i)\ söge- sowie von der Dimensionierung der Drosselspule wählt ist, daß die Verlustleistung (P₁,) der Dros- 30 und des Leiters. Durch eine geeignete Dimensionieselspule (D) ein Minimum ergibt. rung der Drosselspule und des Leiters läßt es sich

erreichen, daß der unter Punkt 2 genannte Anteil

der Stromverdrängungsverluste klein gegenüber den

unvermeidbaren, unter Punkt 1 genannten ohmschen 35 Leitungsverlusten wird oder zumindest in der glei-

Die Erfindung bezieht sich auf eine eisenlose, für chen Größenordnung liegt.

«inen mittelfrequenten Strom ausgelegte Drossel- Die unter Punkt 3 genannten Wirbelstromverluste

ipule, die als Kommutierungsdrosselspule für einen sind dagegen meist um Größenordnungen höher. Stromrichter vorgesehen ist und pro Spulenwindung Aus der deutschen Auslegeschrift 1 072 734 ist die

tus einer Anzahl von gegeneinander isolierten Einzel- 40 eingangs genannte Drosselspule bekannt. Bei dieser leitern besteht, wobei jede Spulenwindung aus meh- besteht jede Spulenwindung aus mehreren bandförleren bandförmigen, parallel zueinander angeord- migen. parallel zueinander angeordneten Einzel-•eten Einzelleitern besteht, deren sich in radialer leitern, deren sich in radialer Richtung der Drossel-Richtung der Drosselspule erstreckende Stärke spule erstreckende Stärke wesentlich geringer ist als Jeweils wesentlich geringer ist als ihre sich in axialer 45 ihre sich in axialer Richtung erstreckende Breite. Der Richtung erstreckende Breite. Leiter, aus dem die Drosselspule gewickelt ist, bein Kommutierungskreisen von Gleichstromstel- steht dabei aus einer Anzahl von gegeneinander lern und anderen Stromrichtern, z. B. auch in selbst- isolietten Einzelleitern mit rechteckigem Querschnitt. geführten Wechselrichtern, werden häufig eisenlose Die bereits erwähnten rechnerischen Untersuchungen Drosselspulen mit parallelgeschalteten Einzelleitern 5» haben weiter ergeben, daß bei einer solchermaßen tingesetzt, um einen für den Betrieb des Stromrich- ausgestalteten Drosselspule die im Mittelfrequenzlers günstigen Zeitverlauf des Kommutierungsstroms bereich auftretenden Wirbelstromverluste (Punkt 3) tu erzwingen. Die genannten Drosselspulen werden auch bei hoher Strombelastung weitgehend unterdabei von kurzen Stromimpulsen durchflossen, deren drückt werden.

Amplitude einige Kiloampere betragen kann und 55 Die Unterteilung des Leiters hat nämlich zur deren Frequenzspektrum üblicherweise im Mittel- Folge, daß die Bahnen der Stromwirbel unterbro-Irequenzbereich, also im Bereich von 0,1 bis 20 kHz, chen und die mittlere Stromdichte im Leiterquerlegt. schnitt stark verringert wird. Die Bandförmigkeit

Um die Wechselstromverluste niedrig zu halten, der Einzelleiter und die angegebene Dimensionierung wird in der Praxis bei solchen Drosselspulen als 60 bewirken, daß die unter Punkt 2 genannten Strom-Leitermaterial oft sogenannte Mittelfrequenzlitze, Verdrängungsverluste klein gegen die unter Punkt 1 Z. B. Kupferlitze, aus voneinander isolierten Einzel- genannten, unvermeidlichen ohmschen Leitungsleitern runden Querschnitts verwendet. Diese Mittel- Verluste werden.

frequenzlitze ist in der Anschaffung teuer und er- Aufgabe der Erfindung ist es, bei der eingangs

fordert zudem besondere Stützkonstruktionen, um 65 genannten Drosselspule die im Betrieb auftretenden die einzelnen Windungen zusammenzuhalten und der Wirbelstromverluste noch weiter zu verringern, Drosselspule die erforderliche mechanische Festig- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

keit zu geben. gelöst, daß — in radialer Richtung der Drosselspule

2 32S 122

gesehen — der innere und der äußere Einzelleiter jeder Spulenwindung eine geringere Stärke aufweisen als die dazwischen angeordneten Einzelleiter.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die initiiere Stromdichte infolge des Abbaus der Spitzenwerte der Stromdichte an den Randbezirken der Einzelleiter in diesen beiden äußeren Einzelleitern der Spulenwindung reduziert, damit die nvttlere Stromdichte des gesamten Leiters weiter verringert und somit die Wirbelstromverluste noch mehr verkleinert werden.

Ist eine Vielzahl von Einzelleitern vorhanden, dann sollte ihre Stärke abgestuft von innen nach außen hin abnehmen. Weiterhin sollte so vorgegangen werden, daß die Stärke und Anzahl der Einzelleiter bei einem vorgegebenen zeitlichen Stromverlauf so gewählt ist, daß die Verlustleistung der Drosselspule ein Minimum ergibt.

Die erfindungsgemäße Drosselspule verbindet die Vorteile einer Massivleiterspule, nämlich den niederen Preis, die mechanische Stabilität und die hohe Strom- und Teinperaturbelastbarkeit, mit dem Vorzug einer aus Mittelfrequenzlitze gewickelten Drosselspule, nämlich ihrer Verlustarmut im Hinblick auf Wirbelströme.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Für gleiche Bauelemente werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Ls zeigt

Fig. 1 einen bekannten Gleichstromsteller als Beispiel für einen Stromrichter mit einer eisenlosen Drosselspule,

F i g. 2 eine eisenlose, aus einzelnen Bandleitern gewickelte Drosselspule in perspektivischer Darstellung,

F i g. 3 die Verteilung der Stromdichte im Leiterquerschnitt bei einer Drosselspule, die aus einem massiven Leiter gewickelt ist,

Fig. 4 im Vergleich dazu die Verteilung der Stromdichte im Leiterquerschnitt bei einer Drosselspule, die aus einer Anzahl bandförmiger, gegeneinander isolierter Einzelleiter gewickelt ist,

F i g. 5 eine eisenlose, aus Einzelleitern bestehende, mit Distanzstücken versehene Drosselspule im Querschnitt,

F i g. 6 ein Strom-Zeit-Diagramm zur beispielhaften Veranschaulichung der Strombelastung einer aus Einzelleitern bestehenden Drosselspule und

F i g. 7 ein Schaubild, in dem Verlustleistung der gemäß F i g. 6 mit Strom belasteten Drosselspule in Abhängigkeit der Gesamtstärke der einreinen Spulenwindungen aufgetragen ist.

Jn Fig. 1 ist eine Gleichstromstelleranordnung dargestellt, die aus der deutschen Patentschrift 1242 289 bekannt ist. Diese Gleichstromstelleranordnung steht hier stellvertretend für andere Stromrichteranordnungen, die im Stande der Technik bekannt sind und ebenfalls zumindest eine Kommutierungsdrosselspule enthalten.

Gemäß Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor M über einen Gleichstromsteller G an eine Gleichspannungsquelle B angeschlossen, die beispielsweise eine Akkumulatorenbatterie sein kann. Das steuerbare Hauptventil Vl, das vorzugsweise ein Thyristor oder eine Parallelschaltung mehrerer Thyristoren sein kann, ist in Stromflußrichtung der Gleichspannungsquelle B gepolt. Diesem Hauptventil Vl ist eine Löscheinrichtung zugeordnet, welche die Reihenschaltung eines Löschkondensators K und eines gesteuerten Löschventils V 2 enthält. Als Löschventil V 2 dient wiederum vorzugsweise ein Thyristor. Dem Löschventil V 2 ist die Serienschaltung eines in Sperrichtung des Löschventils V 2 gepolten ungesteuerten Umladeventils D1 mit einer Umladedrossel L1 parallel geschaltet. Dem Hauptventil Vl ist femer die Reihenschaltung einer Rückschwingdrossel L 2 mit einem in Sperrichtung des Hauptventils V1 gepolten

ίο ungesteuerten Rückschwingventil D 2 parallel geschaltet.

Zur Inbetriebnahme der Gleichstromstelleranordnung wird das Löschventil V 2 gezündet und der Löschkondensator K über dieses Löschventil V 2 und den Gleichstrommotor M auf den Betrag der Spannung an der Gleichspannungsquelle ß aufgeladen. Damit erhält die dem Hauplventil Vl zugewandte Elektrode des Löschkondensators — abweichend von der Darstellung in F i g. 1 — positives und die dem Löschventil V 2 zugewandte Elektrode negatives Potential. Sobald die Aufladung des Löschkondensators K beendet ist, sperrt das Löschventil Vl. Zur Löschung des Stroms im Hauptventil Vl ist die entgegengesetzte Polarität des Löschkondensators K erforderlich. Diese Umladung des Löschkondensators K erfolgt nach dem Zünden des Hauptventils V1 über die Umladedrossel L1 und das Umladeventil Dl. Soll der Strom im Hauptventil Vi gelöscht werden, so wird das Löschventil V 2 erneut gezündet, die Kathode des Hauptventils Vl erhält positives Potential, und der Strom im Hauptventil V1 wird durch den in Sperrichtung über dieses Hauptventil Vl fließenden Löschstrom gelöscht. Die im Löschkondensator K noch gespeicherte Energie schwingt über die Rückschwingdrossel L 2 und das Rückschwingventil D 2 in den Löschkondensator K zurück, so daß nach dem Erlöschen des Hauptventils Vl über den Gleichstrommotor M praktisch keine Entladung mehr erfolgt.

Bei der vorliegenden Gleichstromstelleranordnung ist die Rückschwingdrossel L 2 im Sinne der Erfindung als Kommutierungsdrosselspule anzusehen. Die in ihr auftretenden Verluste, namentlich die Wirbelstromverluste, sollen möglichst gering sein.

F i g. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den mechanischen Aufbau einer solchen Kommutierungsdrosselspule, die keinen Eisenkern besitzt und die zur Kommutierung des Stroms von einem Ventil auf das andere vorgesehen ist.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß de·· Leiter, aus dem die Drosselspule D gewickelt ist, eine Anzahl Z = 3 von bandförmigen, parallel zueinander angeordneten Einzelleitern El, E2 und E3 umfaßt, die aus einem elektrisch gut leitenden Material wie z. B. Kupfer

oder Aluminium bestehen. Die Einzelleiter El, E2 und E3 sind, was aus Fig. 2 nicht hervorgeht, durch eine dünne Lackschicht oder durch Zwischenlage eines dünnen Isolationsbandes gegeneinander isoliert. Bei Einzelleitern El, E2, E3 aus Aluminium kann die Isolation auch durch eine Eloxierschicht gebildet werden. Der Leiter ist somit als mehrlagiger Bandleiter rechteckigen Querschnitts anzusehen. Im vorliegenden Fall haben alle Einzelleiter £1, E 2 und E 3 dieselbe Stärke d/3, so daß sich die Gesamtes stärke d ergibt. Die in radialer Richtung der Drosselspule 'D gemessene Stärke d/3 der Einzelleiter El, E2 und E3 ist jeweils wesentlich geringer als ihre in Richtung α der Spulenachse gemessene Breite b.

Die Gesamtstärke d liegt bevorzugt im Bereich von 2 bis 10 mm, während die Breite b etwa 10 cm oder mehr betragen kann. Die Breite b richtet sich dabei nach dem maximalen Strom, den die Drosselspule D aufzunehmen hat. Die Anzahl ζ der Einzelleiter El, El und E3 liegt meist unter 10; häufig kommt man mit 5 Einzelleitern aus. Die Wahl einer optimalen Anzahl ζ und einer optimalen Gesamtstärke d wird später an Hand von Fig. 7 näher verdeutlicht werden.

An die beiden Enden der Drosselspule D sind elektrisch leitende Anschlußklemmen Zl bzw. Zl angeschlossen, die mit AnschlußöfTnungen Ol bzw. Ol versehen sind.

In F i g. 3 ist die Verteilung der Stromdichte s im Leiterquerschnitt eines Massivleiters E der Stärke d, der zu einer Drosselspule aufgewickelt ist, gezeigt. Die Verteilung ist in radialer Richtung χ aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, daß die Stromdichte s an den beiden Rändern, also an den Stellen χ = 0 und χ = d, infolge der Stromverdrängung und der induzierten Wirbelströme eine beträchtliche Höhe aufweisen kann. Man erhält auch einen beträchtlichen Wert für die mittlere Stromdichte 3. Die Wirbelstromverluste pro Volumeneinheit des Leiters E an der Stelle x* berechnen sich aus dem Quadrat der Stromdichte s (x-) durch Multiplikation mit dem spezifischen Widerstand.

F i g. 4 zeigt im Vergleich dazu die in radialer Richtung χ bestimmte Verteilung der Stromdichte s bei einer Drosselspule, deren Leiter entsprechend Fig. 2 aus ζ — 3 bandförmigen Einzelleitern El, El und E3 besteht. Hieraus ist zu entnehmen, daß gegenüber F i g. 3 der Wert der Stromdichte s an den Rändern Jf = 0 und χ = d beträchtlich geringer ist. Demzufolge liegt auch die mittlere Stromdichte 5 wesentlich niedriger als bei dem Massivleiter E von Fig. 3. Durch die Aufteilung des Leiters einer Drosselspule in eine Anzahl von bandförmigen, gegeneinander isolierten Einzelleitern El, El, E3 wird also eine beträchtliche Verringerung der mittleren Stromdichte s im Leiterquerschnitt erreicht. Bedeutsam ist jedoch, daß die Wirbelstromverluste pro Volumeneinheit, die — wie oben angegeben — quadratisch von der Stromdichte s abhängen, beträchtlich reduziert werden.

Aus F i g. 4 geht weiterhin hervor, daß die Stromdichte s an den Seiten χ = 0 und χ = rf des zusammengesetzten Leiters noch größer ist als an den innenliegenden Stellen xl und χ 2. Um auch diese Werte zu reduzieren, ist es zweckmäßig, wenn — in radialer Richtung χ der Drosselspule D gesehen — der innere end der äußere Einzelleiter El bzw. E3 der betreffenden Spetenwntdang eine geringere Stärke aufweisen als der dazwischen angeordnete Einzelleiter El. Mit anderen Worten: Die Stärken xl und (d—xl) der Einzelleiter El bzw. E3 sollten kleiner sein als die Stärke (xl—xl) des mittleren Einzelleiters E 2.

F i g. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung eine eisenlose Drosselspule D, deren Leiter wiederum aus ζ = 3 Einzelleitern El, E2 und Ei besteht. Die Drosselspule D, die ebenfalls als Kommutierungsdrosselspule bei einem Stromrichter eingesetzt wird,

ίο besitzt im vorliegenden Fall — aus Gründen der Wahrung der Übersicht — lediglich 3 Spulenwindungen. Zwischen den einzelnen Spulenwindungen befinden sich elektrisch isolierende Distanzstücke /. Diese Distanzstücke / dienen zum einen als Abis Standshalter zwischen den einzelnen Spulenwindungen und sorgen zum anderen für ihre gegenseitige Isolierung und gewähren darüber hinaus der parallel zur Achse A strömenden Kühlluft einen ausreichenden Durchtritt.

ao Untersuchungen haben ergeben, daß sich die aus den genannten drei Anteilen zusammengesetzte Verlustleistung P_v einer Drosselspule D durch die Unterteilung des Leiters in eine Anzahl ζ von Einzelleitern El, E2 ... Ez um einen Faktor 2 oder mehr oder sogar auf die Größenordnung der unvermeidbaren ohmschen Leitungsverluste reduzieren läßt. Das geht aus der folgenden Erläuterung der F i g. 6 und 7 im einzelnen hervor.

F i g. 6 zeigt die Funktion eines Stromes /, der einem Pulswechselrichter gemäß der Siemens-Zeitschrift 45 (1971), Heft 3, S. 154 bis 161, insbesondere Bild 8, entnommen ist, in Abhängigkeit von der Zeit /. Dieser Strom i speist eine Drosselspule D nach F i g. 2 oder 5 mit periodischen Stromimpulsen.

Die Periodendauer T des pulsförmigen Stroms beträgt etwa T = 2,75 msec, und die maximale Amplitude des Stromes ί beträgt etwa i, = 3 kA.

F i g. 7 zeigt in einem Diagramm die bei einem Stromverlauf entsprechend Fig. 6 ermittelte Verlustleistung P₁, der unterteilten Drosselspule D in Abhängigkeit der Gesamtstärke d der Einzelleiter. Als Parameter ist die Anzahl ζ der Einzelleiter ebenfalls eingetragen. Man erkennt, daß die Verlustleistung P₁, bei jeder Anzahl ζ ein Minimum besitzt.

Die einzelnen Minima sind in den einzelnen Kurven durch ein Kreuz hervorgehoben. Um bei einer Belastung entsprechend dem Stromverlauf von Fig. 6 die Verlustleistung P_v möglichst gering zu halten, wird man also die Drosselspule D entsprechend

so einem dieser Minima dimensionieren. Wenn also beispielsweise ζ = 5 Einzelleiter gewählt werden sollen, wird man eine Gesamtstärke d von etwa 4,5 mm wählen. Das heißt, daß jeder einzelne Bandleiter die Stärke d/5 = 0,9 mm besitzen sollte, damit die Verluste in der Drosselspule D tnmhnal werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. ι "■" ²

   In jeder Hinsicht günstiger wäre es, bei einem

   Patentansprüche: Stromrichter afc Kommutierungsdrosselspule eine

   * ^F Drosselspule einzusetzen, die aus einem massiven

   1 EisenlQse für einen mittelfrequenten Strom Leiter gewickelt ist Solche Massivleiterspulen kön-

   ansgelegte Drosselspule, die als Kommutierungs- S nen jedoch weg« der Verluste dtatm Beta* ent-