DE2739462C3

DE2739462C3 - Dreiphasige Wicklung für N gleich 54 Nuten oder ganzzahlige Vielfache davon, mit insgesamt sechs Anschlußklemmen, die im Verhältnis 2 zu 3 polumschaltbar sind

Info

Publication number: DE2739462C3
Application number: DE19772739462
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 8500 Nuernberg Auinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1977-09-01
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2739462A1; DE2739462B2; JPS5449520A

Description

Die Erfindung betrifft eine dreiphasige Wicklung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche dreiphasige Wicklung ist aus der DE-AS 2^06 573 bekannt Wie sich dort aus der Beschreibung zu Fig. 13 und Tabelle VII ersehen läßt, hat diese bekannte, im Verhältnis 2 :3 polumschaltbare dreiphasige Wicklung für N = 54 Nuten nicht phasenreine Parallelzweige, so daß sich relativ große Ausgleichströme ergeben, da im 4poligen Betrieb die in den parallelen Wicklungszweigen induzierten Spannungen unterschiedliche Amplituden und Phasenlagen haben. Durch die Ausgleichströme wird der Betrieb der-Maschine ungünstig beeinflußt. Aus der DE-OS 23 32 769 (insbesondere Seite 14, letzter Absatz und Anspruch 1) sowie der Zeitschrift »Techniques CEM«, Nr. 90 vom Juni 1974, Seiten 31 bis 41, sind für im Polzahlverhältnis 4 :6 polumschaltbare Maschinen mit N = 36 Nuten oder ganzzahligen Vielfachen davon dreiphasige Wicklungen bekannt, bei denen die beiden Polzahlen möglichst gleiche Phasenlagen und Amplituden erreicht werden sollen unter Anwendung von Maßnahmen nach dem Anspruch 1 der DE-OS 23 32 769, die aber nicht auf dreiphasige Wicklungen für N = 54 Nuten oder ganzzahlige Vielfache davon übertragbar sind

Der Erfindung liegt die Auigabe zugrunde, auch bei dreiphasigen Wicklungen für N=·« 54 Nuten oder ganzzahligen Vielfachen davon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine weitestgehende Vergleichmäßigung der in parallelen Wicklungszweigen induzierten Spannungen und damit eine Minderung oder praktische Beseitigung der Ausgleichsströme zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Diese Lösung unterscheidet sich gegenüber der aus der DE-AS 25 06 573 (Fig. 13, Tabelle VII) bekannten Wicklung durch eine geänderte Gruppierung der Spulen sowie eine geänderte Aufteilung der Wicklungszweige, so daß in den parallelen Wicklungszweigen der niedrigen Polzahlstufe für die Phasenwinkelunterschiede statt Werten von bis zu 10 Winkelgraden jetzt nur noch einige Winkelminuten auftreten.

Eine Wicklung nach der Erfindung mit wenigstmöglichen Wicklungszweigen läßt sich durch die Maßnahmen nach Anspruch 2 erhalten.

Freizügigere Spulengestaltungen, z. B. für 4/6polig iimschältbäre Wicklungen, lassen sich durch Maßnahmen nach Anspruch 3 erreichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. la die Gruppierung der Spule eines Wicklungsstranges bei 2pi = 4 für eine 4/6polige umschaltbare dreiphasige Wicklung für N = 54 Nuten und deren

Zugehörigkeit zu den einzelnen Wicklungszweigen für zwei Varianten ac und ß,

F ig. Ib die Lage der öpoligen Zonenachsen hierzu,

Fi g. Ic eine der Variante α in Fi g. la entsprechend abgeänderte Wicklungsanordnung mit normalen Spulen und Doppelspulen,

F i g. 2 die Schaltung für Variante «, bei welcher in beiden Polzahlstufen alle Spulen stromdurchflossen sind und jeder Wicklungsstrang in drei parallele Wicklungszweige mit jeweils sechs Spulen unterteilt ist, so daß die Strangwindungszahlen w* und We gleich sind,

F i g. 3 eine abgewandelte Schaltung für Variante ß, wobei der in beiden Polzahlstufen stromdurchflossene, in Dreifachstem/Dreifachstem geschaltete Teil der Wicklung nur ¹Iz aller Spulen umfaßt, und die restlichen Spulen mit verringerter Windungszahl w' ausgeführt und als öpoligc Zusatzwicklung ausgeführt sind, so daß sich unterschiedliche Strangwindungszahlen tu» = 4 · w und w₆ = 4 if + 6 »''ergeben.

F i g. 4 die Görgespolygone für die beiden Varianten α und β für 2p\ = 4 bei verschiedenen Spulen-Schrittweiten,

F i g. 5 die Görgespolygone für die beiden Varianten λ und β für 2pi = 6 bei verschiedenen Spulen-Schrittweiten, wobei für eine Schaltung nach Fig.3 mit zusätzlichen Wicklungszweigen die verringerten Spulenwindungszahlen zu w' = y bzw.y gewählt sind.

Görgespolygone sind gemäß Heller und Kauders, »Das Görgesche Durchflutungspolygon«, Archiv für Elektrotechnik 29 (1935), Seiten 599 bis 619, Polardiagramme treppenförmiger Felderregerkurven, die aus vektoriell aneinandergefügten Nutdurchflutungen gebildet sind und Unsymmetrieeigenschaften einer Wicklung, insbesondere deren Feldoberwellen, durch entsprechende Abweichungen von der idealen Kreisform anschaulich wiedergeben.

Die Tabel'<3n 1 und II geben eine Übersicht über Zonenverteilung, Wicklungssymmetrie, Wickelfaktoren und Flußdichteverhältnisse.

Gemäß Fig. la besteht der Wicklungsstrang (nachfolgend kurz Strang genannt) aus vier Spulengruppen I bis IV, die räumlich jeweils um eine Polteilung

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ri = -j- = 13,5 Nutteilungen auseinanderliegen und abwechselnd aus je vier bzw. fünf jeweils gegensinnig durchfluteten Spulen gebildet sind. Die Unterteilung in drei nicht phasenreine Whklungszweige ist in F i g. 1 a mit Kreis, Quadrat und Dreieck angedeutet, wobei für die Variante <% jeder Wicklungszweig aus der gleichen Anzahl von sechs Spulen besteht. Mit strichpunktierten Pfeilen sind die Zonenachsen, das sind die Symmetrieachsen der Oberschichtspulenseiten für 2p\ = 4, dargestellt. In Fig. 1b ist die entsprechende Lage der Zonenachsen bei der Zweitpolzahl 2pi = 6 gezeigt; sie dienen als Hilfsmittel zur Bestimmung der Phasenlage der einzelnen Wicklungszweige.

Das Prinzipschaltbild der vollständigen Wicklung zeigt Fig.Z. Die dick gezeichneten Wicklungszweige des Stranges Li» entsprechen den in Fig. la dargestellten Spulen bzw. Wicklungszweigen. Die beiden anderen Stränge \\ und Wt sind gleichartig aufgebaut und räumlich jeweils um 'Λ des Umfangs, d.h. um 18 Nutteilungen, gegenseitig versetzt angeordnet. Die insgesamt neun Wicklungszweige sind dreifachparallel in Stern geschaltet, wobei die jeweils mit gleichen Symbolen, (O, D, δ) versehenen Wicklungszweige zu drei galvanisch getrennten Mittelpunkten zusammengefaßt sind, die als Anschlußklemmen Lk, Ve, Wf, für die

is 6polige Polzahlstufe dienen. Somit sind bei beiden Polzahlstufen 2p\ = 4 und 2pi = 6 alle Spulen wirksam, und die Strangwindungszahlen w» und w₆ sind für beide Polzahlen gfeich der Windungszahl eines Wicklungszweiges, d. h. W₄ = Wh = 6 w (seclu Spulen mit w Windungen). Die Wicklung benötigt, wie gesagt, nur sechs Anschlußklemmen. Zur Polumschaltung reicht (im Falle getrennter Wicklungen) ein einfacher 3po!iger Umschalter aus. Die drei anderen Anschlußklemmen können jeweils offen bleiben; sie bilden äquipotentiale Mittelpunkte und sind gegeneinander spannungsfrei. Die in Fig. la angegebene Zuordnung der Spulen zu den einzelnen Wicklungszweigen ist — wie leicht an Hand der Fig. Ib für die 6poligen Zonenachsen überprüfbar ist — so getroffen, daß sich im öpoligen

..o Betrieb 2 π/3 breite Wicklungszonen nach Tabelle I, Zeile 3, ergeben.

Die in den F i g. 2 und 1 a, λ gezeigte Wicklungsanordnung kann gemäß Fig. Ic auch dahingehend abgeändert werden, daß auf zwei in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgende konzentrische Doppelspulen eine einzelne Spule folgt Zwei nebeneinanderliegende und jeweils mit den gleichen Zuordnungssymbolen versehene Spulen bilden dabei eine zusammenhängende Doppelspule.

Wie Tabelle I, Zeile 1, zeigt, sind die drei mit Kreis, Quadrat und Dreieck gekennzeichneten parallelen Wickiungszweige im 4poligen Betrieb unterschiedlich gruppiert.

Nachfolgend werden die Zonenfaktoren betrachtet, deren Berechnung gemäß Sequenz »Die Wicklungen elektrischer Maschinen, 1.Bd, Wechselstrom-Ankerwicklungen« (Springer-Verlag, Wien 1950, S. 170, Abschnitt III c. 7.) erfolgt. Dabei werden die aus Tabelle I ersichtlichen Winkel zwischen den die Oberschichtspulenseiten repräsentierenden Symbolen Kreis, Quadrat und Dreieck und der strichpunktierten Symmetrieachse benutzt. Für die mit Quadrat und Dreieck bezeichneten Wicklungszweige sind die Zonenfaktoren gleich groß und betragen

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1 Γ/
fzü= ίζΔ= -g- Π +

20°

+ ^{2 cos}

40°

+ cos 20° + cos 80V
3 )

/ 20°

+ I sin —■ + sin 20 — sin

Demgegenüber weist der mit Kreis bezeichnete Wicklungszweig gemäß

£_zo = γ (cos-z- + cos 20" 4- cos —-J = 0,9422

= 0.9621

einen um etwa 2% niedereren Zonenfaktor auf.

Die Resultierenden der Zonenfaktoren ί_ζ und ;_/ύι sind gegenüber den in Tabelle I strichpunktieri eingezeichneten Symmelricachsen nur um den vernachlässigbaren geringen Winkel

t λ = arc tg

20 . ,, sin -γ- + sin

sin

20 , 40' ,„. 80° I + cos -r- + 2 cos -γ- + cos 20 + cos ——

= 5'33"

verschoben.

Der Mittelwert der Zonenfaktoren beträgt im 4poligen Betrieb

ΐ/. = τ (*ζο

= 0.955.

15

DiC 7M erwartenden AüSgiciCiiääu üiTic !äSScii 5iCn

unter Vernachlässigung der gegenseitigen magnetischen Kopplung aus den Differenzspannungen und der Kurzschlußreaktanz der Wicklungszweige angenähert ermitteln. Dabei sind die Differenzspannungen unmittelbar den Wicklungsfaktoren f«, |e bzw. den Zonenfaktoren ξζη. ξζα und ξζ& proportional.

Bei einer wirksamen Kurschlußreaktanz von beispielsweise Xk = 15% (in bezogenen Einheiten Us/In) ergeben sich Ausgleichströme /Ό, /Ό, /δ in folgender Größe:

B /Β ='· ^ift · 1

⁴ W₄- ί₄ 6

resultierenden Unterschiede in den Luftspaltflußdichten B_t und Bf, bei den beiden Polzahlen relativ groß. Eine Verringerung dieser Unterschiede läßt sich durch eine abgeänderte Schaltung nach den Fig. la, β und 3

ici uci Ainu uic mit vwti

fo 1*°-_J^ . ' 5:0.093/ν

% 0.046 /_v.

Die von der Spulenschrittweite abhängigen Wicklungsfaktoren |4, |e und Verhältnisse der Luftspaltflußdichten Bi/Bf. sind für die Schaltung nach Fig. 2 4(i entsprechend Fig. la, <x im linken Teil der Tabelle Il zusammengefaßt Die zugehörigen Görgespolygone sind für 4poligen Betrieb gestrichelt in F i g. 4 und für öpoligen Betrieb voll ausgezogen in Fig. 5 für die verschiedenen Spulenschrittweiten dargestellt -(5

Da die Schaltung nach F i g. 2 in beiden Polzahlstufen die gleiche Strangwindungszahl w* = Wf, aufweist, sind die gemäß

20"

Quadrat und Dreieck gekennzeichneten Wicklungszweige jeweils aus vier Spulen mit w Windungen gebildet, fest in Dreifachstern/Dreifachstern verbunden und in beiden Polzahlstufen wirksam. Die durch gestrichelte Kreise, Quadrate und Dreiecke gekennzeichneten Spulen sind mit einer verringerten Windungszahl w' ausgeführt und gemäß Fig. 3 als Zusatzwicklung für den öpoligen Betrieb zwischen den galvanisch getrennten Mittelpunkten und den Anschlußklemmen Ut, V₆, Wf, eingefügt. Die dick gezeichneten Wicklungszweige entsprechen den in Fig. la dargestellten Spulen. Für diesen Fall slr.d im 4poligen Betrieb )o nur ²Ii der Spulen stromführend, und die wirksamen Strangwindungszahlen betragen im 4poligen Betrieb w_A = 4 w und im öpoligen Betrieb Wf, — 6 w' und 4 w. Wird mit Rücksicht auf eine durchwegs gleiche

Strombelastung der Spulen im öpoligen Betrieb w' =-=-

gewählt, dann ergibt sich für We = OiV, und das Flußdichteverhältnis B*/Bf, ist gegenüber der Variante F i g. 1 a, λ und F i g. 2 um 50% höher. Die Windungszahl w' der als öpolige Zusatzwicklung dienenden Spulen (mit eestricheltem Kreis. Ouadrat und Dreieck eekenn-

zeichnet) kann auch zu w' φ -j- festgelegt werden, was

allerdings Auswirkungen auf die Phasensymmetrie beim öpoligen Betrieb hat, worauf weiter unten noch eingegangen wird.

Die Zonengruppierung für die Variante F i g. 1 a, β im 4poligen Betrieb ergibt sich aus Zeile 2 der Tabelle I. Hieraus geht hervor, daß die Zonenfaktoren mit

+ cos 20' I = 0.9665

-z _; — -ζ δ

= -J- Γ(ΐ +cos^ + cos20- + COS^yY+ (sin -^l + sin20°- sin ^!

= 0,9566

besser aneinander angeglichen sind als bei Variante rund 43% bzw. 23% betragen.

Fig. la, α. Sie unterscheiden sich nur noch um 1,03% 60 Der Winkelfehler zwischen den mit Quadrat und gegenüber rund 2%, so daß auch die Ausgleic^itröme Dreieck gekennzeichneten Wicklungszweigen ist mit auf den etwa halben Wert zurückgehen und nur mehr

χ λ = arc te

sin -^- + sin 20= - sin -y
+ cos -²^- + cos 20^c + cos -ψ

= 8'22'

ebenso wie bei Variante λ vernachlässigbar gering.
Führt man uie im öpoligen Betrieb als Zusatzwicklung

wirksamen Spulen mit einer Windungszahl w' = y aus. dann weisen die Spulen der mit gestrichelten Kreisen, Qi' (draten und Dreiecken gekennzeichneten Wick-

lungszweige die i,5fachc Durchfluiung auf, und es ergeben sich Strangwindungszahlen von w* = 4 w und tv₆ = 4 w + 6 ■ Ui · w = 7 iv. Gemäß dem Zonengrup pierungssystem in der letzten Zeile in Tabelle I hat dies eine Phasenunsymmetrie im 6poligen Betrieb zur Folge. Die Zonenfaktoren der drei Stränge betragen

= ' (2 cos IO + 2 cos 30

3 cos 50 ) = 0.804?

Ϊ_ΖΙ , = ί_ΖΛ = ! [(2,5 cos 10 + 2 cos 30 t 2.5 cos 50 )² + 0.5^a · (sin IO + sin 50 Y]⁰* = 0.8314

i einer PhuscnwinkcldüTcrcn'³'. von *v ~ — λ~ = 4 37'50"
Der mitllcrc Zonenfaktor im 6poligcn Betrieb beträgt dann:

Diese Phasenunsymmetric macht etwa 3% in den Amplituden und etwa ±Vh Winkelgrade in den Phasenwinkeln aus — was ebenso wie die anderthalbfache Stromdichte in den besagten mit einer Spulenwindungszahl von w' = wl2 Teilen der Wicklung im f;öligen Betrieb — zumindest bei kleineren Maschinen ohne Nachteil hingenommen werden kann. Gegenüber einer bei 7pi = 6 phasenreinen Wicklung nach Variante η. oder Variante β mit w' = w/3 werden dafür besser aneinander angeglichene Flußdichlen Bt und B* im Luftspalt erhalten.

Die in Fig.5 für verschiedene Spulenschrittweiten gezeigten gestrichelten Görgespolygone für den 6poligen Betrieb unterscheiden sich gegenüber den voll ausgezogenen für Phasensymmetrie geltenden Görgespolygonen insbesondere durch eine Verbreiterung quer zur Symmetrieachse. Für den 4poligen Betrieb gelten für eine Ausführung nach Variante ρ die in t-1 g. 4 von gezeichneten inneren Görgespolygone.

In Tabelle Il sind für die Schaltungen nach Fig. 2 (Variante <x) und die Schaltung nach F i g. 3 (Variante ß) für w' = '/2 wund w'■= '/j w abhängig von verschiedenen Schrittweiten die Wicklungsfaktoren ξ*, ς^ und die Flußdichterelationen Bt/Bf,gegenübergestellt.

4/6polig umschaltbare Wicklungen für höhere Nutenzahlen N- 108. 162 usw. lassen sich analog den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ausführen, indem anstelle von einzelnen Spulen jeweils Doppel- oder Dreifachspulen (Mehrfachspulen) angeordnet werden. Bei verdoppelter Nutenzahl ist auch eine gemäß Fig. la gruppierte Einschichtwicklung möglich. Die linken Spulenschenkel belegen dann jeweils nur die ungeradzahlig numerierten und die rechten Spulenschenkel jeweils die geradzahlig numerierten Nuten.

8/12-, 12/18- usw. -polige Wicklungen erhält man aus einer 4/6poligen Wicklung durch 2-, 3- usw. -mehrmaliges Aneinanderfügen iang< > des umfang:».

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dreiphasige Wicklung für N = 54 Nuten oder ganzzahlige Vielfache davon, mit insgesamt sechs Anschlußklemmen für eine genutete elektrische Maschine, die für ein Polpaarzahlverhältnis p,_: P₂ = 2 :3 polumschaltbar ist und mindestens neun aus Spulen verschiedener Spulengruppen gebildete Wicklungszweige aufweist, die in Drei- ι ο fach-Sternschaltung verbunden sind und deren galvanisch getrennte Mittelpunkte Anschlußstellen für die höherpolige Zweitpolpaarzahl bilden und wobei die in gleicher Weise unterteilten niederpoligen Wicklungsstränge symmetrisch am Umfang angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklungsstrang einer niederpoligen Wicklung m^;t vier Polen für N = k - 54 Nuten (k ganze ZaH) aus vier räumlich um eine Polteilung versetzten Spulengruppen (I bis IV) besteht, von denen aufeinanderfolgende Spulengruppen jeweils gegensinnig stromdurchflossen sind und von denen die erste und dritte Spulengruppe (I und III) je vier Ein- oder Mehrfachspulen und die zweite und vierte Spulengruppe (II und IV) je fünf Ein- oder Mehrfachspulen aufweisen, wobei die Aufteilung in die drei Wicklungszweige (O, D, δ ) derart ausgeführt ist, daß der erste Wicklungszweig (O) alle vier Spulen der ersten Spulengruppe (I) sowie die erste Spuie der zweiten Spulengruppe (II) und die letzte Spule der vierten Spulengruppe (IV) umfaßt, daß der zweite Wicklungszweig (O) aus den restlichen vier Spulen der zweite r Spulengruppe (II) und den ersten beiden Spulen der dritten Spulengruppe (III) und daß der dritte Wicklungszweig (δ ) aus den letzten zwei Spulen der dritten Spulengruppe (III) und den restlichen vier Spulen der vierten Spulengruppe (IV) gebildet sind.

2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt nur neun in Dreifachstern/ Dreifachstern geschaltete Wicklungszweige vorgesehen sind, die jeweils aus sechs Spulen von gleicher Windungszahl und gleichem Leiterquerschnitt bestehen (F i g. 2).

3. Wicklung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in Umfangsrichtung abwechselnd aus zwei konzentrischen Doppelspulen gefolgt von einer Einzelspule gebildeten Spulenanordnung (F i g. 1 c).

4. Wicklung nach Anspruch 1, bei der nur ein Teil der Spulen aller Wicklungsabschnitte in Dreifach-Sternschaltung eine Hauptwicklung und die restlichen Spulen mit verringerter Windungszahl zwischen den galvanisch getrennten Enden und den Anschlußklemmen eingefügte zusätzliche Wicklungszweige einer Zusatzwicklung für die höhere Polzahl bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklungsabschnitt im Verhältnis 2 :1 unterteilt ist, wobei nur zwei Drittel der Spulen zu einer in beiden Polzahlstufen stromführenden, in Dreifachstern/ Dreifachstern geschalteten Hauptwicklung zusarn- ho mengefaßt und die aus Ein- oder Mehrfachspulen bestehenden zusätzlichen Wicklungszweige jeweils aus Spulen der zweiten und vierten Spulengruppe (II, IV) gebildet sind, wobei zum ersten Wicklungszweig (C "<) jeweils die Ein- oder Mehrfachspule der zweiten μ Spulengruppe (II) und die letzte Ein- oder Mehrfachspule der vierten Spulengruppe (IV) und zu den beiden anderen Wicklungszweigen jeweils die zweite und vierte Ein- oder Mehrfachspule der dritten Spulengruppe (III) des Wicklungszweiges (; 1) bzw. der vierten Spulengruppe (IV) des Wickiungszweiges ( λ) gehören (F i g. a, ß; F i g. 3).

5. Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen (w) der in beiden Polzahlstufen stromführenden Spulen und Jer als Zusatzwicklung ausgebildeten Spulen (w') im Verhältnis w: w' = 3 :1 stehen.