DE2707319C2

DE2707319C2 - Im Dreieck geschaltete zweischichtige Dreiphasenwicklung für elektrische Maschinen, insbesondere supraleitende Maschinen

Info

Publication number: DE2707319C2
Application number: DE2707319A
Authority: DE
Inventors: Tihomir Dipl.-Ing. Dr.sc.techn. Wettingen Bratoljic
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1977-01-20
Filing date: 1977-02-19
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE7705161U1; FR2378392A1; SE7800490L; FR2378392B1; DE2707319A1; SE424941B; CH613571A5

Description

Die Erfindung betrifft eine im Dreieck geschaltete zweischichtige Dreiphasenwicklung für elektrische Maschinen, insbesondere supraleitende Maschinen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Mit diesem Gattungsbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der US-PS 37 43 875 ergibt.

Bei der Konstruktion elektrischer Maschinen sind die Maschinen-Nennspannung und das Gesamtvolumen der Isolation für die Wirtschaftlichkeit der Maschine von großer Bedeutung. Es wird ein maximaler Wert für die Maschinen-Nennspannung bei minimalem Wert des Isolationsvolumens angestrebt.

Bei einer bekannten, im Elektro-Großmaschinenbau üblicherweise verwendeten zweischichtigen Dreiphasenwicklung, die im folgenden als konventionelle Wicklung bezeichnet ist, sind die Leiterstäbe in Nuten des Statoreisens in zwei Schichten in radia'er Richtung übereinander angeordnet. Die drei Phasenwicklungen sind entweder im Stern oder im Dreieck geschaltet, wobei die Spulengruppen, es gibt deren mindestens zwei, in jeder Phase entweder parallel oder in Serie geschaltet sind.

Bei solchen Wicklungen tritt zwischen den Leiterstäben und dem Eisen, weiter zwischen gleichen oder verschiedenen Phasen angehörenden, über- oder nebeneinanderliegenden Leiterstäben, und zwischen benachbarten Leitern einer Schicht des Wickelkopfes an den sogenannten Phasensprüngen relativ hohe Spannung auf. Bei einer Dreieckschaltung mit zwei parallel-geschalteten Spulengruppen pro Phase z. B. beträgt die Spannung an den Phasensprüngen volle Phasenspannung. Die obigen Aussagen treffen auch größtenteils für Luftspaltwicklungen zu, bei welchen die Leiterstäbe in einem Isolierzylinder untergebracht sind. Alle betroffenen Leiter müssen daher gegen die genannte hohe Spannung isoliert werden, was insbesondere bei konventionellen Größtmaschinen und bei supraleitenden Maschinen von beträchtlichem Nachteil ist, da bei diesen die Raum- und Isolationsanforderungen zufolge der hohen anfallenden Spannungen unzulässig hoch werden.

Durch die US-PS 37 43 875, insbesondere F i g. 30 und Spalte 11, Zeile 1 ff, ist bereits eine im Dreieck geschaltete Dreiphasenwicklung für elektrische Maschinen, insbesondere supraleitende Maschine bekannt. Dabei kann es sich um eine im aktiven Teil ein- oder mehrschichtige Wicklung handeln. Die bekannte Wicklung weist zwei parallel geschaltete Spulengruppen pro Phase auf, hier als Wellenwicklung ausgeführt, die aber in dem einen Wickelkopf dieselben, im anderen gerade um 180^c räumlich verschobene Potentialverhältnisse wie bei einer entsprechenden Schleifenwicklung aufweist Bei dieser bekannten Wicklung ist von den beiden Spulengruppen eine gekreuzt, die andere ungekreuzt ausgeführt, wobei die Wickelkopfausladung der gekreuzten langer als die der ungekreuzten ist. Dabei treten zwischen den Spulengruppen Spannungsdifferenzen bis etwa zur Nennspannung auf. Dies rührt daher, daß dort zwei benachbarte Leiter, die verschiedenen Spulengruppen angehören, nicht an gleiche Spannung angelegt wurden.

Nebeneinanderliegende Endabschnitte der Leiterstäbe sind gegeneinander für eine Spannung isoliert, die bis zu vier Windungsspannungen beträgt. Außerdem sind in den beiden Endabst hnitten des Stators zwischen allen vier übereinanderliegenden Schichten Isolierzylinder angeordnet, die wesentlich höherer Spannung widerste-

- hen müssen, da hier zwischen den sich kreuzenden Leitern volle verkettete Spannung auftritt Die Anordnung ist im ganzen kompliziert, aufwendig und kostspielig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dreiphasenwicklung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Spannungsbeanspruchung der Leiterstäbe einer Schicht sowohl im aktiven Teil wie auch im Wickelkopf einer elektrischen Maschine durch unaufwendige Konstruktionsmaßnahmen herabgesetzt ist, so daß eine hohe Maschinenspannung bei niedrigem Isolationsvolumen möglich ist, um damit an Raum und Kosten zu sparen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Leiterstäben einer Schicht im Betrieb an allen Phasensprüngen höchstens eine Windungsspannung beträgt.

Dies erklärt sich daraus, daß nun am Phasensprung die benachbarten Leiter höchstens um je eine Windung vom gemeinsamen Klemmenanschluß entfernt sind, und wegen der Phasenverschiebung von 60° zwischen den beiden Windungsspannungen auch deren Differenz, d. h. die Spannung zwischen den betreffenden benachbarten Leiterstäben lediglich eine Windungsspannung beträgt. Die Dreiphasenwicklung nach der Erfindung kann eine zwei- oder mehrpolige, gesehnte oder ungesehnte Wicklung sein. Sie ermöglicht Ersparnisse an Raum und Isolation und eignet sich vorzüglich zur Verwendung bei konventionellen Größtmaschinen und supraleitenden Maschinen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine im Dreieck geschaltete zweischichtige ungesehnte Dreiphasenwicklung nach dem Stand der Technik mit zwei parallelgeschalteten Spulengruppen pro Phase;

F i g. 2 die räumliche Anordnung der Spulengruppen der Wicklung nach der F i g. 1 in einem senkrecht zur Maschinenachse verlaufenden Querschnitt durch den Aktivteil;

F i g. 3 ein Spannungs-Zeigerdiagramm, gültig für alle Dreiphasenwicklungen nach den Fig. 1.2 und 4 bis 9:

F i g. 4 eine ungesehnte Dreiphasenwicklung nach der Erfindung;

Fig. 5 die räumliche Anordnung der Spulengruppen

3 4

der Wicklung nach der F ig. 4 in einem senkrecht zur sehen den Randleitern der gleicher Phase angehörenden Maschinenachse verlaufenden Querschnitt durch den übereinander angeordneten Spulengruppen im Aktiv-Aktivteil; teil, da diese Leiter gemäß F i g. 1 und 2 zu den anders-

F i g. 6 eine im Dreieck geschaltete zweischichtige ge- namigen Klemmen der betreffenden Phase führen,

sehnte Dreiphasenwicklung nach dem Stand der Tech- 5 In den F i g. 4 und 5 ist eine ungesehnte Wicklung

nik mit zwei parallelgeschalteten Spulengruppen pro nach der Erfindung dargestellt, bei welcher es sich eben-

Phase; falls um eine zweipolige Schleifenwicklung mit 36 Lei F i g. 7 die räumliche Anordnung der Spulengruppen terstäben handelt, die in den Nuten 1 bis 18 eines Stators

der Wicklung nach der Fi g. 6 in einem senkrecht zur in zwei Schichten 37,38 in radialer Richtung übereinan-

Maschinenachse verlaufenden Querschnitt durch den 10 der angeordnet sind. Die Anordnung ist von der in den Aktivteil; Fig. 1 und 2 dargestellten Wicklung dadurch verschie- Fig.8 eine gesehnte Dreiphasenwicklung nach der den, daß obschon die Spulengruppen U\X\, V₁ Y, und Erfindung; IVjZt ungekreuzt sind, d.h. in einer Richtung, nach F i g. 9 die räumliche Anordnung der Spulengruppen rechts, fortschreiten, die Spulengruppen U2X2. V₂ Y2 und

der Wicklung nach der F i g. 8 in einem senkrecht zur 15 IV₂Z₂ nach links verlaufen und somit gekreuzt sind. Die

Maschinenachse verlaufenden Querschnitt durch den ungekreuzten Spulengruppen mit den Wickelschritten Aktivteil; y\ = 9 und y₂ = 8 erfüllen die Bedingung y\ -y₃ = 1. Fig. 10 eine im Dreieck geschaltete zweischichtige und die gekreuzten Spulengruppen mit den Wickel-

gesehnte Dreiphasenwicklung nach der Erfindung mit schritten yi = 9 und y₂ = 10 die Bedingung y_t — y₂ =

vier parallelgeschalteten Spulengruppen pro Phase; 20 — 1. Zudem weisen die ungekreuzten Spulengruppen

Fig. II die räumliche Anordnung der Spulengruppen kürzere 39, und die gekreuzten Spulengruppen längere

nach der F i g. 10 in einem senkrecht zur Maschinenach- 40 Wickelkopfausladungen auf.

se verlaufenden Querschnitt durch den Aktivteil; Zwischen benachbarten Stäben der gleichen Phase.

F i g. 12 das Spannungs-Zeigerdiagramm für die Drei- z. B. zwischen den Stäben 1 und 2, die beide der Phase

phasenwicklung nach der F i g. 10. 25 UX angehören, tritt auch hier eine Windungsspannung

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs- auf. An den Phasensprüngen hingegen, liegen benach-

zeichen versehen. barte Stäbe, z. B. die Stäbe 3 und 4, von denen der Stab 3

Es wird zunächst auf die Fig. 1, 2 und 3 Bezug ge- der Phase UXund der Stab 4 der Phase WZangehört,

nommen. annähernd am gleichen Potential, wenn die beiden Spu-

Diese beziehen sich auf eine ungesehnte zweipolige 30 lengruppen jeder Phase parallelgeschaltet sind, wie dies Schleifenwicklung nach dem Stand der Technik mit ^:ns- in der Zeichnung dargestellt ist Dies ist aus dem Spangesamt 36 Leiterstäben, welche in den Nuten 1 bis 18 nungs-Zeigerdiagramm nach der F i g. 3 ersichtlich, in eines Stators in zwei Schichten 37,38 in radialer Rieh- welchem sich X\ und W₂ im gleichen Spitzenpunkt des tung übereinander angeordnet sind. Die Leiterstäbe der Dreiecks befinden. Eine genauere Betrachtung zeigt, oberen Schicht 37 sind in der F i g. 1 mit vollen Linien 35 daß die Spannungsdifferenz zwischen den Stäben 3 und und diejenigen der unteren Schicht 38 mit strichlierten 4 genau einer Windungsspannung gleich ist, da der erste Linien angedeutet. Die drei Phasen UX, VY und WZ Stab vom Anschluß Xu und der zweite vom (mit ΛΊ weisen je zwei Spulengruppen auf, nämlich die Phase verbundenen) Anschluß IV₂ um je eine Windung ent-UX die Spulengruppen UiX\ und U₂X₂, die Phase VY fernt sind und die in diesen Windungen induzierten die Spulengruppen Vi Vi und V₂Y₂, und die Phase WZ 40 Spannungen zueinander eine Phasenverschiebung von die Spulengruppen IViZi und W₂Z₂. In der Fi g. 2 sind 60° aufweisen, so daß auch die Spannungsdifferenz dem einzelnen Phasen zugeordnete Leiterstäbe der unteren Betrag der Windungsspannung gleich wird. Schicht 38 in den gleichen Winkelstellungen, wie die der Ein weiteres Merkmal der ungesehnten Wicklung oberen Schicht 37 gezeigt, da es sich um eine ungesehn- nach der Erfindung ist, daß im Aktivteil zwischen den te Wicklung handelt. Im Wickelkopf (im Querschnitt 45 übereinanderliegenden Stäben keine Spannungsdiffepicht gezeigt) ist die Verteilung der Stäbe gleich derjeni- renz herrscht, da die Verteilung der Leiterstäbe, inklusigen im Aktivteil, vom Ende des Aktivteils aus progressiv ve der Anschlüsse der Randleiter von einzelnen Spulenanwachsend, jedoch um einen Winkel verdreht, welcher gruppen zu gleichnamigen Phasenklemmen, in den beiin den beiden Schichten in zueinander entgegengesetzt den Schichten identisch ist, wie unmittelbar aus F i g. 5 ten Richtungen verläuft. 50 ersichtlich ist.

Alle Spulengruppen UiXi, U₂X₂, V\Yi, V₂Y₂, WiZ\ In den Fig.6 und 7 ist eine gesehnte Wicklung nach und W₂Z₂ sind ungekreuzt ausgeführt, d. h. alle schreiten dem Stand der Technik dargestellt. Es handelt sich auch in gleicher Richtung,nach rechts, fort. Es gilty\— y₂ = 1, hier um eine zweipolige Schleifenwicklung mit 36 Leiwobei .Vi =9 der Wickelschritt auf der Nichtverbin- terstäben, die in den Nuten 1 bis 18 eines Stators in zwei dungsseite, und ^2 = 8 der Wickelschritt auf der Verbin- 55 Schichten 37, 38 in radialer Richtung übereinander andungsseite sind. Die Spulengruppe U\X\ ist mit der Spu- geordnet sind. Entsprechend einer Sehnung von ⁷/<> ist lengruppe U₂X₂, die Spulengruppe Vi Vi mit der Spulen- die Verteilung der Leiterstäbe der unteren Schicht 38 in gruppe V₂V₂ uno die Spulengruppe VViZi mit der Spu- ihrer Phasenzuteilung derjenigen der oberen Schicht 37 lengruppe IV₂Z₂ parallel geschaltet Zwischen benach- gleich, jedoch im Aktivteil um einen Winkel von 40° harten Stäben derselben Spulengruppe, z. B. zwischen 60 verdreht. Alle Spulengruppen sind ungekreuzt ausgeden Stäben 1 und 2, tritt nur eine Windungsspannung führt, d. h. sie schreiten in gleicher Richtung, nach rechts, auf. An den Phasensprüngen hingegen, z. B. zwischen fort, wobei die Beziehung y\ —y₂ = 1 erfüllt ist, in weiden Stäben 3 und 4, die nebeneinander angeordnet sind, eher y\ = 7 und y₂ = 6 betragen. Zwischen benachbarjedoch verschiedenen Phasen angehören, tritt volle Pha- ten Stäben der gleichen Spulengruppe, z.B. zwischen senspannung auf. Dies ist aus dem Spannungs-Zeiger- 65 den Stäben 1 und 2, tritt nur eine Windungsspannung diagramm nach der Fig.3 ersichtlich, in welchem sich auf, wogegen an den Phasensprüngen, z. B. zwischen Xi und Z2 in verschiedenen Spitzenpunkten des Drei- den nebeneinanderliegenden Stäben 3 und 4, volle Phaecks befinden. Volle Phasenspannung tritt auf auch zwi- senspannung auftritt. Dies ist aus der F i g. 3 ersichtlich.

in welcher sich Xi und Zi in verschiedenen Spitzenpunkten des Dreiecks befinden.

In den F i g. 8 und 9 ist eine gesehnte Wicklung nach der Erfindung dargestellt, deren Sehnung ebenfalls ¹I^ beträgt. Diese Wicklung unterscheidet sich von der bekannten gesehnten Wicklung nach den Fig.6 und 7 dadurch, daß obschon die Spulengruppen U\X\, Vi Y\ und W₁Zi ungekreuzt sind und deren Wickelschritte Ki = 7 und /2 = 6 die Bedingung y\ —y₂ = 1 erfüllen, die Spulengruppen U2X2, V₂Y₂ und W2Z2 gekreuzt sind und ihre Wickelschritte y\ = 7 und /2 = 8 somit die Bedingung y\ —y₂ = -1 erfüllen. Zudem sind die Wikkelkopfausladungen 39 der ungekreuzten Spulengruppen auch in diesem Fall kürzer als diejenigen 40 der gekreuzten Spulengruppen.

Zwischen benachbarten Stäben der gleichen Phase, z. B. zwischen den Stäben 1 und 2, die beide der Phase UX angehören, tritt nur eine Windungsspannung auf. An den Phasensprüngen hingegen, liegen benachbarte Stäbe, z. B. die Stäbe 3 und 4, die verschiedenen Phasen angehören, annähernd am gleichen Potential, wenn die beiden Spulengruppen jeder Phase parallelgeschaltet sind, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Dies geht aus dem Spannungs-Zeigerdiagramm nach der F i g. 3 hervor, in welchem sich X\ und W; im gleichen Spitzenpunkt des Dreiecks befinden.

Die Fig. 10,11 und 12 beziehen sich auf eine gesehnte vierpolige Schleifenwicklung nach der Erfindung mit insgesamt 72 Leiterstäben, welche in den Nuten 1 bis 36 eines Stators in zwei Schichten 37, 38 in radialer Riehtung übereinander angeordnet sind. Die drei Phasen UX. VKund WZ weisen je vier Spulengruppen auf, und zwar: die Phase UX die Spulengruppen U\X\, U2X2, U,Xs und UiXi, die Phase VYdie Spulengruppen V, Vi, V₃ Y₂. Vj Y₁ und V₄ K₄, und die Phase WZdie Spulengruppen WiZ, W2Z2, W3Z3 und W₄Zt. Entsprechend einer Sehnung ⁷/<> ist die Verteilung der Leiterstäbe der unteren Schicht 38, die derjenigen der oberen Schicht 37 gleich ist, im Aktivteil relativ zu dieser um einen Winkel von 40° verdreht.

Die Spulengruppen U₁Xu V, Y₁. W₁Z₁, U₃Xi, V₃ Y₃ und WjZj sind ungekreuzt und ihre Wickelschritte y\ = 7 und }'2 = 6 erfüllen die Bedingung y\ —y₂ = 1· Die Spulengruppen U₁X₂, V₂Y₂, W₂Z₇, UaXa. V₄V₄ und W₄Za hingegen sind gekreuzt und ihre Wickelschritte y\ — 7 und Y: = 8 erfüllen die Bedingung y\—y₂ = — 1. Die Wickelkopfausladungen 39 der ungekreuzten Spulengruppen sind kürzer als diejenigen 40 der gekreuzten Spulengruppen. Auch bei dieser Ausführungsform liegen die Leiterstäbe an den Phasensprüngen, z. B. die Stäbe 3 und 4, annähernd am gleichen Potential, wenn die Spuiengruppen jeder Phase paraüelgeschaltet sind, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Dies geht aus dem Spannungs-Zeigerdiagramm nach der Fig. 12 hervor, in welchem sich X] und W₄ im gleichen Spitzenpunkt des Dreiecks befinden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

60

Claims

27 07 3i9

Patentansprüche:

!. Im Dreieck geschaltete zweischichtige Dreiphasenwicklung für elektrische Maschinen, insbesondere supraleitende Maschinen, mit mindestens zwei parallelgeschalteten Spulengruppen pro Phase, von denen jeweils eine Gruppe gekreuzte Spulen und die andere Gruppe ungekreuzte Spulen aufweist, wobei die Wickeikopfausladung der gekreuzten Gruppen langer als diejenige der ungekreuzten Gruppen ist, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Leiterstäbe (z. B. 3, 4) einer Schicht (z. B. 37), die verschiedenen Spulengruppen (z. B. Uu Xi und W₂, Zi) angehören, an derselben Phase liegen.
2. Dreiphasenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine gesehnte Wicklung ist.