DE3202958C2 - Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine - Google Patents
Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische MaschineInfo
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Abstract
Bei einer gesehnten dreiphasigen Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für Ständer oder Schleifringläufer einer elektrischen Maschine sind zur Verringerung der Oberwellenanteile und der Kupferverluste die inneren Wicklungsabschnitte durch Ausgleichsleiter in Dreieckschaltung verbunden, an die jeweils zwei parallele, gegenüber den Dreiecksabschnitten um 30 ° el versetzte, mit den Klemmen verbundene äußere Wicklungsabschnitte sternförmig angeschlossen sind. Die räumliche Aufteilung der Wicklungsabschnitte ist dabei so vorgenommen, daß sich innerhalb jeden Polpaares eine zwölfzonige Wicklungsanordnung ergibt.
Description
Die Erfindung betrifft eine dreiphasige Wicklung in Stcrn-Drcieck-Mischschaltung fiir eine elektrische
Maschine mit einem ersten Wicklungsteil aus drei im Dreieck geschalteten Wicklungsabschnitten und einem
zweiten Wicklungsteil aus drei sternartig an den ersten Wicklungsteil angeschlossenen Abschnitten, deren freie
Enden mit den Anschlußklemmen verbunden sind, wobei die einzelnen Abschnitte der beidec Wicklungsteile
innerhalb jedes Polpaares zwölfzonig verteilt und um 30° el gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Eine solche Wicklung ist aus der EP-OS 0 18 835 bekannt, die zur Verminderung des Oberwellengehaltes der
Felderregerkurve bei polamplitudenmodulierten, polumschaltbaren Dreiphasenwicklungen axakt angepaßte
Windungszahlen zur Vermeidung von Ausgleichströmen benötigt und dementsprechend große Nutenzahlen
und/oder viele Leiter pro Nut voraussetzt.
Weder bei dieser, noch bei anderen bekannten Mischschaltungen (»Conti-Elektro-Berichte« 1965, Seiten 212
bis 215; Proc. IEE 117 [1970], Seiten 1657 ff., DE-PS 9 49 896) ist eine Verkleinerung der Kupferverluste angestrebt.
Die Schleifringläufer von Asynchronmotoren größerer Leistung sind im allgemeinen mit dreiphasigen ungesehnten
Stabwicklungen versehen, um zur besseren Ausnutzung der Maschine einen möglichst hohen Wicklungsfaktor
ί zu erhalten.
bei gesehnten Stabwicklungen (Stab-Wellenwicklungen) kann die Spulenweite W nur auf einer Stirnseite verkürzt
werden, dagegen muß sie auf der anderen Stirnseite um den gleichen Betrag vergrößert werden. Zur Vermeidung
unterschiedlicher Wickelkopf-Ausladungen werden daher Stab-Wellenwicklungen mit unterschiediichen
Zonenbreiten für den vorlaufenden und den rücklaufenden Wicklungsteil ausgeführt (Sequenz »Die Wicklungen
elektrischer Maschinen« Bd. 1 »Wechselstrom-Ankerwicklungen«, Springer-Verlag Wien 1950). Daher
bleibt die gesamte Leiterlänge und damit auch der Wicklungswiderstand trotz Sehnung unverändert, jedoch
erhöht sich bei unveränderter Leistung der Strom reziprok zu der mit dem Sehnungsfaktor
ζΛ = sin (W/t nil) (Gl. D
verminderten Spannung, so daß sich die leistungsbczogenen Kupferverluste in Abhängigkeil vom Schnungsl'aktor
erhöhen gemäß
Vn. __ ΛΙ.Υ
(GI. 2)
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreiphasige Wicklung der eingangs genannten ArI zu schal-
fen, die sowohl einen verminderten Oberwellengehait der Felderregerkurve als auch verringerte Kupferverluste
aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele und weitere Einzelheiten der Erfindung angegeben und nachfolgend
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 Zonenplan einer ungesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung,
Fig. 2 das dazugehörige Durchflutungspolygon (gleichseitiges Sechseck),
Fig. 3 Zop.snplan einer 5/6gesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung,
Fig. 4 das zu Fig. 3 und 6 gehörige Durchflutungspolygon {ungleichseitiges Zwölfeck),
Fig. 5 die zu den Wicklungen nach Fig. 1 und 3 gehörige Phasenlage des Stromsystems,
Fig. 6 Zonenplan einer ungesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung,
Fig. 7 Zonenplan einer ll/12gesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung,
Fig. 8 das zu Fig. 7 gehörige Durchflutungspolygon (ungleichseitiges Vierundzwanzigeck),
Fig. 9 die zu den Wicklungen nach Fig. 6 und 7 gehörige Phasenlage des Stromsystems,
Fig. 10 Sehnungsabhängigkeit auf der herkömmliche Zweischichtwicklungen bezogenen Kupferverluste von
Stern-Dreieck-Mischschaltungen als Siab-Wellenwicklung bzw. Zweischicht-Drahtspulenwicklung,
Fig. 11 Zonenplan und räumliche Spulenverteilung eines Stranges sowie der insgesamt notwendigen Schaltvcrbindungen
einer 4poligen Stab-Wellenwicklung für N = 72 Nuten (N/p = 36),
Fig. 12 Nutenstern der Wicklung nach Fig. 11,
Fig. 13 Schaltbild der Wicklung nach Fig. 11,
Fig. 14 Görgespolygone der in Tabelle 1 zusammengestellten 12/18- bis 18/18gesehnten Wicklungen für
N/p = 36,
Fig. 15 bis 18 Görgespolygone der in Tabelle II zusammengestellten Stern-Dreieck-Mischschaltungen bei
Spulengruppierungen 1-10-1; 2-8-2; 3-6-3 und 4-4-4 jeweils für Spulenschrittweiten 1-5 bis 1-19 für N/p — 36,
Fig. 19 räumliche Spulenanordnung einer ll/12gesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung mit Zonenplan
nach Fig. 7 fiir Λ' = 48 Nuten,
F i g. 20 und 21 effektive Strangwindungszahlen einer Stem-Dreieck-Mischschaltung mit einheitlichen Spulen
sowie für Sternzweige mit abweichenden, angepaßten Spulen und jeweils hälftiger Spulenaufteihmg entsprechend
Tabelle III,
Fig. 22 bis 25 Spulenanordnungen von 4poligen, ungesehnten, zwölfzonigen Einschichtwicklungen für
N = 48 Nuten analog zu Fig. 6, wobei
Fig. 22 und 23 mit paarweise benachbart bzw. verteilt angeordneten konzentrischen Spulengruppen
Fig. 24 mit gleichmäßig verteilten Einzelspulen (Korbwicklung) sowie
Fig. 25 als Zweietagenwicklung mit gekreuzten Spulenköpfen ausgeführt sind.
Ausgehend von einer üblichen sechszonigen, ungesehnten, dreiphasigen Zweischichtwicklung mit einem
Zonenplan nach Fig. 1, einem gleichseitigen sechseckigen Durchflutungspolygon nach Fig. 2 und einem zugehörigen
Stromsystem mit der Phasenlage nach F i g. 5 kann durch eine 5/6-Sehnung gemäß F i g. 3 ein zwölfe-v'kiges
Durchfiutungspolygon nach F i g. 4 erhalten werden, das gegenüber dem der ungesehnten Zweischichtwicklung
nach l-ig. 1 und 2 einen verringerten Oberwellengehalt aufweist, jedoch entsprechend den Gleichungen (1)
und (2) um rund 7% höhere Kupferverluste gegenüber der erstgenannten Wicklung aufweist.
Bei der Zweischichtwicklung nach Fig. 3 überlappen sich die in Oberschicht OSund Unterschicht i/Sjeweils
mit 60° el Phasenverschiebung aufeinanderfolgenden Wicklungszonen jeweils abwechselnd in den Überlappungszonen
1 und II mit der durch die Spulenweite (^festgelegten Zonenbreite ε für die Überlappungszone II
(Gl. 3).
In der Überlappungszone II beträgt die resultierende Nutdurchflutung gegenüber der Nutdurchflutung der in
Oberschicht und Unterschicht gleichphasig stromdurchflossenen Spulenseiten der Überlappungszone I nur das
-^- = 0,866fache und ist gegenüber dieser um 30° el phasenverschoben. Dadurch ergibt sich bei gleicher Phasenlage
nach Fig. 5 das zwölfeckige Durchführungspolygori nach Fig. 4 mit dan Polygonseitenlängen 1 und II.
Ein zwölfeckiges Durchfiutungspolygon nach Fig. 4 kann auch mit einer ungesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung
nach Fig. 6 erhalten werden, wenn diese mit einem Stromsyste.m mit der Phasenlage nach
F i g. 9 gespeist wird. Dieses Stromsystem besteht aus zwei gegeneinander um 30° el phasenverschobenen Teilsystemen
Ui, Vx. Wx und U1, V1, W1, deren Amplituden sich wie 1 : -/3/2 verhalten.
Bei einem solchen Stromsystem nach Fig. 9 kann gemäß Fig. 7 durch eine ll/12gesehnte Zweisshichtwicklung
auch ein vierundzwanzigeckiges Durchflutungspolygon mit entsprechend verringertem Oberwellengchalt
nach Fig. 8 erhalten werden.
Bei durchwegs einheitlichen Spulen treten im zweiten Teilsystem U2, V1, W7 wegen der auf das i/JTIfache herabgesetzten
Ströme nur 75 % der in den Spulen des ersten Teilsystems Ux, U1, U3 vorhandenen spezifischen Verluste
auf, so daß sich bei der ungesehnten zwölfzonigen Zweischichtwicklung nach Fig, 6 gegenüber der vergleichbaren
5/6gesehnten sechszonigen Zweischichtwicklung nach Fig. 3 geringere Kupferverluste ergeben,
W
deren relative Größe in Abhängigkeit von der Sehnung —
deren relative Größe in Abhängigkeit von der Sehnung —
(Gl. 4)
beträgt. Diis erste Teilsystem (/,, Vx, Wx bildet je Pol Umfangszonen der Breite r- 3 c mit vollen Verlusten, das
/.weite Teilsystem U2, V:, W: Umfangszonen mit der Breite 3 ε mit dreiviertel Verlusten.
Eine solche zwölfzonige Zweischichtwicklung kann mit einheitlichen Spulen in relativ einfacher Weise nach
Fig. 10 (Mitte) als Stern-Dreieck-Mischschaltung mit einem in Dreieck geschalteten inneren Wicklungslei I und
zwei an jedem Eckpunkt angeschlossenen parallelen Sternzweigen gebildet werden, die im Unterschied zu den
üblichen Dreieckschaltungen Fig. 10 (rechts) lediglich drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen und eine
abgeänderte Reihenfolge des Aneinanderfügens der einzelnen Spulen erfordern.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklung in Dreieckschaltung mit verschieden
gesehnten Spulen im Bereich W/t - \ ... 2/3 können gemäß Fig. 10 (unten) bei einer zwölfzonige η Stabwicklung
durch die vorgenannte Stern-Dreieck-Mischschaltung mit ungesehnten Spulen verminderte relative
Kupferverluste (nach Gl. 4) erhalten werden, die von dem Wert I beim Grenzfal! einer unveränderten reinen
Dreieckschaltung Fig. 10 (rechts) bei W/r = 1 bis auf den Wert 0,75 beim anderen Grenzfall einer reinen Doppelsternschaltung
Fig. 10 (links) für W/r ~ 2/3 linear mit der Sehnung der sechszonigen Vergleichswicklung
abnehmen. Gegenüber einer herkömmlichen in Dreieck geschalteten Wellenwicklung wird dabei nur die
Zuordnung der Spulen zu den einzelnen Wicklungsteilen verändert (andere Spulenfolge) und es sind drei
zusätzliche Ausgleichsverbindungen vorzusehen.
Bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen ist die bei zwölfzoniger Ausführung
erzielbare Kupferverlustminderung geringer, da hier Durchmesserspulen notwendig sind, deren mittlere
Leiterlänge /„. im Gegensatz zu der Stab-Wellenwicklung vergrößert werden muß. Die größere mittlere Leiterlänge
/„ bedingt einen erhöhten Kupferbedarf (siehe folgende Gl. 8 und 9) und einen entsprechend erhöhten
ohmschen Wicklungswiderstand.
Die mittlere Leiterlänge /„ setzt sich aus der sehnungsproportionalen Spulenkopflange /, und einem konstanten
Längenanteil /; entsprechend
H A-, ^)
(Gl. 5)
zusammen, wobei das Verhältnis beider Längenanteile durch den für ungesehnte Spulen (W/r = 1) geltenden
Faktor
A-, = l/U (Gl. 6)
bestimmt ist.
Für solche ungesehnten zwölfzonigen Zweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen
ergibt sich gegenüber der besagten sechszonigen Vergleichswicklung in Dreieckschaltung eine Reduzierung
der Kupferverluste gemäß
1+A'· (Gl. 7)
In F ig. 10 sind für verschiedene Werte der relativen Stirnverbindungslänge A-, "0,5; 0,75,1 und 1,5 die Kupferverlustverhältnisse
solcher ungesehnterZweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltung
in Abhängigkeit von der Sehnung der in Dreieck geschalteten Vergleichswicklungen angegeben.
Die prozentuale Differenz zwischen den Kurven in Fig. 10 (unten) für die Kupferverluste bei Stab-Wellenwicklungen
und den Kupferverlusten bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen nach der Erfindung entspricht
dem erforderlichen Mehraufwand an Kupfer für Drahtspulenwicklungen mit Durchmesserspulen, der durch
AGcu „ 1+A, (G| 8)
Gcu W
wiedergegeben wird.
Als detailliertes Ausführungsbeispiel ist nachfolgend eine 4polige zweischichtige ungesehnte Stab-Wellenwicklung
nach den Fig. 11 bis 13 erläutert. Der in Fig. 11 und 12 dargestellte Wicklungsstrang besteht aus vier
Spulengruppen a, b. cund d mit je drei Spulen, die räumlich in gleicher Weise verteilt sind wie bei einer hcrkömmlichen
5/6gesehnten Zweischichtwicklung in Dreieckschaltung. Zur Erzielung gleicher Spulenweiten
W = r = 18 Nutteilungen auf beiden Stirnseiten sind neun Spulen beim vorwärtsdurchlaufenden Wellenzug mit
den Spulengruppen d, b. α und drei Spulen beim rückwärtsdurchlaufenden Wellenzug mit der Spulengruppe c
vorgesehen. In den Nuten I, 2,3 sind z. B. die Oberseiten der Spulengruppe b und in den Nuten 4, 5,6 die der
Spulengruppe α eingelegt. Beginnend an der Klemme i/mit der in Nut 6 führenden Oberschichtspulenseite werden
die Spulengruppen α und b durchlaufen. Nach der letzten Spule der Spulengruppe b ist von derUnterschicht
der Nut 55 kommend der vorwärtsdurchlaufende Wellenzug unterbrochen und um zwölf Nuten versetzt, unterschichtseiüg
in Nut 1 beginnend der gegensinnige Wellenzug mit der Spulengruppe c eingefügt, nach deren letzter
Spule - Oberschicht Nut 21 - wiederum um zwölf Nuten versetzt und in Oberschicht Nut 72 beginnend die
Spulengruppe ^ angeschlossen ist. Diese Anordnung wiederholt sich für die beiden anderen Stränge in analoger
Zur Bildung des in Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteils mit den Spulengruppen b und cje Strang sind
gemäß Fig. II und 12 Anzapfungen (/,, V1, Wx zwischen den Spulengruppen a und Asowie .V1, K1,Z1, /wischen
den Spulengruppen rund t/angeordnet und die Klemmen V\-Zu V\~X\ und W1-Y1 durch je einen Ausgleichs-
leiter A,,, Ay, Aw miteinander verbunden. Die Spulengruppen α und d benachbarter Stränge bilden auf diese
Weise jeweils zwei parallele Sternzweige der Mischschaltung.
In Tabelle I sind für herkömmliche Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung für /V = 72 Nuten und 4poligcr
Ausführung (N/p = 36 Nuten je Polpaar) mit verschiedenen Sehnungen und verschiedener Aufteilung der
/wolf Spulengruppen von 6 + 6, 7 + 5 usw. bis 12 + 0, die zugehörigen Wicklungsfaktoren { und Oberwellenslrcufaktoren
a0 sowie die von der Sehnung leistungsbezogenen Kupferverluste nach Gl. 2 systematisch zusammengestellt
und mit den bei verschiedenen Spulengruppenaufteilungen bei unveränderten Oberwellenanteilen
(gleiches Durchflutungspolygon) erzielbaren Minderungen der Kupferverluste durch erfindungsgemäße Stern-Dn-iCck-Mischschaltungen
verglichen.
Bei jeweils unveränderter Durchflutungsverteilung (gleiches Durchflutungspolygon, gleicher Oberwellengehalt)
können mit der Stern-Dreieck-Mischschaltung die Kupferverluste mit zunehmender Sehnung bis maximal
w
25% bei— = 2/3 im Grenzfall der reinen Doppelsternschaltung Fig. 10 (links) verringert werden.
25% bei— = 2/3 im Grenzfall der reinen Doppelsternschaltung Fig. 10 (links) verringert werden.
In Fig. 14 sind die zugehörigen Durchflutungspolygone der verschieden gesehnten Wicklungen nach Tabelle
1 aus Symmetriegründen jeweils nur für einen 120°-Sektor der 6achsig symmetrischen Polygone dargestellt.
Die in Tabelle I genannten Oberwellenstreufaktoren
O0 = \/!2 ■ Σ (0
(Gl. 10)
lassen sich aus den polaren Trägheitsmomenten fp„ In,... IM der g-Polygonpunkte eines Symmetriesektors des 20 |
Durchflutungspolygons in geschlossener Form zu sj
aa - -1 "—zi ^ - 1 - [-*) - I (Gl. U)
q · K \ K /
bestimmen, wobei R1, den mittleren Trägheitsradius des Polygons und
R = — · — (Gl. 12)
P π
den Trägheitsradius des Grundwellenkreises der Zweischichtwicklung bedeuten.
Anhand der F i g. 7 und 8 ist schon dargelegt worden, daß sich bei einer zwölfzonigen Wicklung durch Schrittverkürzung,
d. h. durch Sehnung der Spulen, vierundzwanzigeckige Durchflutungspolygcne mit weiter verringerter
Oberwelligkeit erzielen lassen, bei denen allerdings die leistungsbezogenen Kupferverluste gemäß Gl. 2
schnungsabhängig ansteigen.
Ausgehend von der Tabelle I und den Durchflutungspolygonen nach Fig. i5 sind in der Tabelle 11 für unterschiedlich
gesehnte Stern-Dreieck-Mischschaltungen die Wicklungsfaktoren, Oberwellenstreufaktoren und die
relativen Kupferveriuste bei verschiedenen Spulenaufteilungen 1-10-1 bis 4-4-4 und Spulenschritten (1 -19) bis
(1-15) angegeben sowie in den Fig. 15 bis 18 die zugehörigen Durchflutungspolygone dargestellt. In der
Spalte A der Tabelle II sind die Kupferverluste der Stern-Dreieck-Mischschaltungen auf eine herkömmliche -to
ungesehnte sechszonige Wicklung in Dreieckschaltung (= 100%) und in Spalte B aul herkömmliche äquivalente
Wicklungen gemäß Tabelle I bezogen, die bei der Stern-Dreieck-Mischschaltung mit Spulenschritt (1-19) identische,
zwölfeckige Durchflutungspolygone ergeben, wobei diese »äquivalenten Wicklungen« je nach Spulenaufteilung
nur die 23/24-, 11/12-, 7/8- und 5/6fachen Kupferverluste einer herkömmlichen Ausführung aufweisen.
Entsprechend den Angaben in Tabelle I lassen sich die Oberwellenstreufaktoren a0 vom Höchstwert
σ,, = 5,16 · 10~3 bei einer ungesehnten sechszonigen Wicklung in Dreieckschaltung auf einen Kleinstwert
σ,, = 2,93 · 10"3 bei einer 5/6gesehnten sechszonigen Dreieckwicklung bzw. einer im Aufteilungsverhältnis 3-6-3
gruppierten letztgenannten äquivalenten ungesehnten zwölfzonigen Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung
beträchtlich reduzieren.
Entsprechend Tabelle II ist bei den gesehnten Stern-Dreieck-Mischschaltungen abhängig von den verschiedenen
Spulenaufteilungen durch Verkürzung der Spulenschritte von (1-19) auf (1-16) bei der Spulenaufteilung
(2-8-2) oder (4-4-4) bzw. (1 -17) bei der Spulenaufteilung (3-6-3) nur eine verhältnismäßig gering erscheinende
weitere Minderung der Oberwellenstreufaktoren bis auf den geringsten Wert σ0 = 2,66 · 10"3 möglich. Dabei ist
aber zu bedenken, daß man hiermit dem theoretisch möglichen Minimalwert des Oberwellenstreufaktors
60 1
schon sehr nahe kommt, der für das Beispiel N/p = 36 nur aomin = 2,542 · 10"3 beträgt. |
Wie aus Tabelle II weiterhin ersichtlich ist, können bei verschiedenen Spulengruppierungen und Spulen- £
schritten identische Wicklungsfaktoren ζ und identische Oberwellenstreufaktoren σ0, d. h. identische Durchflu- :
tungspolygone erhalten werden. Aufgrund der niedrigeren Kupferverluste sind z. B. 65 '%
ζ = 0,9200 und σ0 = 2,73 · 10~3 sowohl mit Grupperung 1-10-1 und Schritt 1-16 als auch mit Gruppierung -
3-6-3 und Schritt 1-18 I
ζ = 0,9095 und ση - 2,G6 · 10"' sowohl mit Gruppierung 2-8-2 und Schritt 1-16 als auch mit Gruppierung
3-6-3 und Schritt 1-17
(F = 0,8951 und n0 = 2,86 · 10"·' sowohl mit Gruppierung 1-10-1 und Schritt 1 -15 als auch mit Gruppierung
4-4-4 und Schritt 1-18
I= 0,8848 und aü = 2,68 ■ 10"1 sowohl mit Gruppierung 2-8-2 und Schritt 1-15 als auch mit Gruppierung
4-4-4 und Schritt 1-17
und von dLsen jeweils die zuletzt genannten Spulengruppierungen mit der geringeren Spulenzahl für den in
Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteil vorzuziehen. Selbst bei den oberwellenärmsten Varianten ergeben
ίο sich hiermit noch geringere Kupferverluste als bei einer ungesehnten Wicklung in Dreieckschaltung.
Bei der in Fig. 19 gezeigten ll/12gesehnten zwölfzonigen, 4poligen Zweischichtwicklung für/V = 48 Nuten
(N/p = 24) entsprechend dem Zonenplan Fig. 7 mit konzentrischen Doppelspulen gehören die Doppelspulen
abwechselnd dem inneren und dem äußeren Wicklungsteil an. Anstatt konzentrischer Doppelspulen können
auch ausschließlich Spulen gleicher Weite vorgesehen sein.
Bei dieser Stern-Dreieck-Mischschaltung mit Doppelspulen und einer mittleren Spulenweite von 11 Nutteilungen
ergibt sich ein vierundzwanzigeckiges Durchflutungspolygon gemäß Fig. 8, dessen Seitenlängen in den
Abschnitten I, II, III sich wie
1.80J: 1,732
verhalten.
Bei Drahtspulenwicklungen können die Spulen der beiden Wicklungsteile hinsichtlich Windungszahl und
Drahtquerschnitt unterschiedlich ausgeführt sein, um trotz der unterschiedlichen Ströme gleiche Durchflutungen
und Stromdichten in sämtlichen Spulenseiten zu erhalten, beispielsweise durch Erhöhung der Windungszahl
in den äußeren Sternzweigspulen im Verhältnis 2/VT <=* 1,155 (reziprok zu den Zweigströmen) und Verringerung
der betreffenden Querschnitte auf das -/JTT « 0,866fache.
Bei der Wicklung nach Fig. 19 mit einheitlichen Wicklungsspulen und hälftiger Spulenaufteilung auf die beiden
Wicklungsabschnitte beträgt die gesamte Windungszahl W11,, = (2 + -/T) ■ wA, wie es in F i g. 20 dargestellt ist.
Bei in genannter Weise angepaßten Spulen in beiden Wicklungsteilen erhöht sich die wirksame Windungszahl
auf λ·ϊπ = 4 Wj entsprechend Fig. 21.
Die charakteristischen Wicklungseigenschaften der beiden vorgenannten Varianten sind in Tabelle III gegenübergestellt.
Bei derart angepaßten Sternzweigspulen ergibt sich als Vorteil eine gleichmäßige Aufteilung der Verluste auf
beide Wicklungsteile sowie ein noch geringerer Oberwellengehalt der Durchflutung. Bei ungesehnten Spulen
erhält man ein gleichseitiges Zwölfeck als Durchfuhrungspolygon. Bei 11/12-Sehnung hat das vierundzwanzigeckige
Durchflutungspolygon im Gegensatz zu F i g. 8 nur zwei unterschiedliche Seitenlängen, da die Seitenlängen
I und III dann gleich sind. Die beiden Seitenlängen I und II unterscheiden sich mit 2 :2cos 15° = 2 :1,932 nur
mehr geringfügig, so daß der Oberwellengehalt dem bestmöglichen Fall mit einem gleichseitigen vierundzwanzigeckigen
Durchflutungspolygon sehr nahe kommt.
In der vergleichenden Gegenüberstellung für N/p = 24 Nuten pro Polpaar in Tabelle IV sind die entsprechenden
Angaben enthalter.
Bei unterschiedlichen Windungszahlen wY 4 w, der Spulen beider Wicklungsteile kann gemäß Tabelle III
statt einer Parallelschaltung der Sternzweige auch eine Reihenschaltung vorgesehen werden, wozu die Windungszahl
der Sternzweigspulen gegenüber der Parallelschaltung halbiert und ihr Leiterquerschnitt verdoppelt
werden muß.
Eine exakte Anpassung der unterschiedlichen Spulen entsprechend den unterschiedlichen Zweigströmen
gemäß den in Tabelle III bzw. Fig. 21 angegebenen Beziehungen ist im allgemeinen nicht möglich und auch
nicht erforderlich. Die angestrebten Verbesserungen werden auch bei näherungsweiser Anpassung praktisch
erreicht, ohne daß sich hierdurch Nachteile ergeben.
In der Tabelle IV ist unter anderem auch eine oberwellenarme zwölfzonige ungesehnte Einschichtwicklung
für N/p ~ 24 in Stern-Dreieck-Mischschaltung mit einheitlichen Spulen aufgeführt, die den gleichen günstigen
Oberwellengehalt wie eine herkömmliche 5/6gesehnte Zweischichtwicklung aufweist. Darüber hinaus kann
durch angepaßte unterschiedliche Spulen nach F i g. 21 und Tabelle III der Oberwellengehalt noch weiter verringert
werden, so daß sich ein zwölfeckiges Durchflutungspolygon mit gleichen Seitenlängen ergibt.
Derartige Einschichtwicklungen können nach Fig. 22 und 23 mit konzentrischen Spulengruppen ausgeführt
werden, wobei die den beiden verschiedener. Wicklungsteilen zugehörigen Spulengruppen längs des Umfangs
gemäß F i g. 22 jeweils paarweise nebeneinanderliegend oder gemäß F i g. 23 in gleichmäßiger abschnittsweise
Verteilung angeordnet sein können.
Weiterhin sind gemäß Fig. 24 statt dessen auch symmetrisch verteilte Einzelspulen möglich.
Weiterhin sind gemäß Fig. 24 statt dessen auch symmetrisch verteilte Einzelspulen möglich.
Die Wicklungen nach Fig. 22 und 23 können in vier Zügen in die Blechpaketnuten eingezogen werden, wobei
der Reihe nach jeweils drei sich nicht überlappende Spulengruppen, z.B. {/,, If1, K1 im ersten Zug bei Fig. 22
bzw. U1, U2, Wx im ersten Zug bei Fig. 23 eingezogen werden können.
Mit entsprechend gekreuzten Wickelköpfen läßt sich bei einer Spulenverteilung analog zu Fig. 22 auch eine
in zwei Zügen einziehbare Zweietagenwicklung nach F: j. 25 erzielen.
Nach dem Vorhergehenden ist zusammenfassend festzustellen, daß sich durch die erfindungsgemäßen zwölfzonigen
Stern-Dreieck-Mischschaltungen selbst bei ungesehnten Spulen schon oberwellenärmere Durchflutungsvfirläufe
als bei herkömmlichen gesehnten Wicklungen in Dreieckschaltung erzielen lassen. Durch Seh-
mi up der Spulen läßt sich entsprechend dem dann vierundzwanzigeckigen Durchflutungspolygon ein noch weiter
verminderter Oberweilengehalt erreichen. Zusätzlich ermöglicht eine solche Stern-Dreieck-Mischschaltung
gegenüber herkömmlichen gesehnten Wicklungen in Dreieckschaltung eine Verringerung der Kupferverluste.
Diese ist schnungsabhängig und kann bei Stab-Wellenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltung, für den
Grcnzfall einer 2/3gesehnten herkömmlichen Wicklung bis zu einer Doppelsternschaltung führen, di* nur noch
75 % Kupfcrverluste hat. Solche Stab wellenwicklungen unterscheiden sich von herkömmlichen Wicklungen nur
durch eine geänderte Reihenfolge, in der die einzelnen Wicklungsteile verbunden sind ohne drei zusätzliche
Ausgleichsverbindungen.
Bei Drahtspulen-Zweischichtwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen sind die Verlusteinsparungen
geringer, da dann ungesehnte oder schwächer gesehnte Spulen verwendet werden müssen. Abhängig davon,
welchen Anteil die sehnungsabhängigen Spulenkopflänge ls an der mittleren Leiterlänge /„ hat, sind die erzielburen
Verlusteinsparungen nur rund halb so groß wie bei einer Stab-Wellenwicklung und es ergibt sich ein relativer
Kupfermehrbedarf
(Gl. 8^ l5
(fvi υπιι,ι ^ινιιι-ι^ινι^υηΊτιυ^ιυ^ιιαιιυιις im«, uii^jvitciini ^j/uivn, uwi jiv-n uti g»_joitnti.il υμυΐ^ιι aui
W
(Gl. 9)
25
vermindert, worin W die ungesehnte Spulenweite und W die gesehnte Spulenweite bedeuten.
Bei Stab-Wellenwicklungen ist also eine größtmögliche Verringerung der Kupferverluste bei gleichzeitig verminderten
Oberwellenanteilen und bei Drahtspulenwicklungen - durch zusätzlich angepaßte Spulen - eine
größtmögliche Verringerung Her Oberwellenanteile mit gleichzeitig verminderten Kupferverlusten gegenüber
vergleichbaren günstigst gesehnten herkömmlichen Wicklungen in Dreieckschaltung erreichbar. Durch die
Anpassung von Spulenwindungszahl und Leiterquerschnitt eines Wicklungsteiles lassen sich dabei durchwegs
gleiche Spulendurchflutungen, Stromdichten und Verluste in allen Wicklungsteilen erhalten.
Zusammenstellung der verwendeten Gleichungen
(Gl. I) Sehnungsfaktor
2/
(Gl. 2) leistungsbezogene Kupferverluste Vcu ( 1 V
f,V
\it/
(Gl. 3) Überlappungszonenbreite
t = (T-W) = Hl- WA)
(Gl. 4) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsunabhängiger Leiterlänge (Stab-Wellenwicklungen)
t = (T-W) = Hl- WA)
(Gl. 4) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsunabhängiger Leiterlänge (Stab-Wellenwicklungen)
4 4 r
(Gl. 5) mittlere Leiterlänge
(Gl. 5) mittlere Leiterlänge
Ix = kK + k, ·—-/*
(GI. 6) relative Stirnverbindungslänge bei W/= 1
*, = IA
(Gl. 7) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsabhängiger Leiterlänge (Drahtspulenwicklungen)
(Gl. 7) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsabhängiger Leiterlänge (Drahtspulenwicklungen)
V^. .ΓΙ + 3 Wl l+ks
"~ L4 4 rJ l+kW
65
(Gl. 8) relativer Kupfermehrbedarf Dr y/J-Mischschaltung mit ungesehnten Spulen :
AGn, ä l+ks Vi
(Gl. 9) relativer Kupfermehrbedarf für JY^f-Mischschaltung mit gesehnten Spulen ;.
10 AG01 __ 1+Λ-, τ
(Gl. 10) Oberwellenstreufaktor |
15 " g
0O = T2 " L·
(GL 11) Oberwellenstreufaktor
25 (Gl. 12) Radius des Grundwellenkreises
R Ύ T
3Q (Gl. 13) minimal erreichbarer Oberwellenstreufaktor
3Q (Gl. 13) minimal erreichbarer Oberwellenstreufaktor
„ = Γ pt/n T -1
35 Bedeutung der verwendeten Formelzeichen
Gn, | Kupfergewicht | |
AGtu | Kupfer-Mehrgewicht | |
40 | Ip | Polares Trägheitsmoment eines Görgespolygon-Randpunktes |
k, | relative Stirnverbindungslänge | |
U | Kern-(Blechpaket-)Länge | |
45 | Z1 | Stimverbindungsiänge |
L | mittlere Leiterlänge | |
N | Nutenzahl | |
Crt | P | Pol paarzahl |
50 | Ps | Nennleistung |
H | Nutenzahl pro Pol und Strang | |
<!y/cij | Leiterquerschnitt im Y- bzw. J-Wicklungsabschnitt | |
55 | R | Trägheitsradius des Grundwellenkreises |
Rt | mittlerer Trägheitsradius des Görgespolygons | |
Ku | Kupferverluste | |
60 | W | Windungszahl |
H-../M-J | Spulenwindungszahl im K- bzw. J-Wicklungsabschnitt | |
W | Spulenweite | |
65 | W | verkürzte Spulenweite |
ε | Überlappungszonenbreite | |
V | Oberwellenordnungszahl |
32 | Wicklungsfaktor | 02 | 958 | |
Sehnungsfaktor | ||||
Zonenfaktor | ||||
Oberwellenstrcufaktor | ||||
Olt | kleinstmöglicher Oberwellenstreufaktot | |||
<7..roin | Pol teilung | |||
ι |
Tabelle I: Vergleichende Übersicht von herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung mit äquivalenten i74-Mischschaltungen für N/p — 36 Nuten je Polpaar
/!-Schaltung Sehnung |
vor- und
rückwärts laufende Stab- Wellenwick lung mit ver schiedenen Spuien- gruppierungen |
i | O0 ■ ΙΟ"3 | 100% |
äquivalente y/d-Schaltung
Hg. !0 Gruppierung Veriust- der Spulen minderung gemäß Gi. (4) |
1/1
(keine) |
12 Spulen/ 1/1
Strang |
6 + 6 | 0,9561 | 5,16 | 100,8% |
0-12-0
reine ^-Schaltung (Fig. 10 (rechts) |
23/24 |
t2/\2 17/18 | 7 + 5 | 0,9525 | 4,46 | 103,1 % | 1-10-1 | 11/12 |
12 8/9 | 8 +4 | 0,9416 | 3,49 | 107,2% | 2-8-2 | 7/8 |
5/6 | 9 + 3 | 0,9236 | 2,93 | 113,2% | 3-6-3 | 5/6 |
7/9 | 10 + 2 | 0,8985 | 3,11 | 121,7% | 4-4-4 | 19/24 |
13/18 | 11 + 1 | 0,8666 | 4,00 | 133,3% | 5-2-5 | 3/4 |
2/3 | 12+0 | 0,8280 | 5,16 |
6-0-6
reine Doppel- Y- Schaltung (Fig. 10 links) |
||
Spulcnauflcilung | Spulenschritt | I | σ0 · ΙΟ"3 | relative | Kupferverluste |
A | B | ||||
1-10-1 | 1-19 | 0,9525 | 4,46 | 96,7 | 95,8 (δ 23/24) |
1A | 1-18 | 0,9489 | 4,05 | 97,5 | 96,6 |
A | 1-17 | 0,9380 | 3,28 | 99,7 | 98,8 |
J \ | 1-16 | 0,9200 | 2,73 | 103,7 | 102,7 |
1-15 | 0,8951 | 2,86 | 109,5 | 108,5 | |
2-8-2 | 1-19 | 0,9416 | 3,49 | 94,5 | 91,7(A H/12) |
I —IS | 0,9380 | 3,24 | 95,2 | 92,4 | |
Ά | 1-17 | 0,9273 | 2,96 | 97,5 | 94,5 |
2 / \ | 1-16 | 0,9095 | 2,66 | 101,3 | 98,25 |
1-15 | 0,8848 | 2.68 | 107.0 | 103.8 |
Fortsetzung
Spulenaufteilung Spulenschritt 10
,-3
relative Kupferverluste A B
1-19
1-18
1-17
1-16
1-18
1-17
1-16
1-19
1-18
1-17
1-16
1-18
1-17
1-16
0,9236 0,9200 0,9095 0,8921
0,8985 0,8951 0,8848 0,8679
2,93 | 93,8 |
2,73 | 94,5 |
2,66 | 96,7 |
2,77 | 100,5 |
3,li | 94,4 |
2,86 | 95,1 |
2,68 | 97,3 |
2,66 | 101,1 |
a 100% | |
hnung | a 100% |
87,5 (a 7/8) 88,2 90,2 93,5
83,3 (& 5/6) 84,0 85,9 89,3
A im Vergieich mit der Normaiausfuiuung ungesehnt
B im Vergleich mit der Normalausfuhrung, äquivalente Sehnung
Tabelle III: Wicklungseigenschaften bei identischen und angepaßten Spulen
einheitliche Spulen angepaßte Spulen
Spulenwindungszahl wr = wA
Leiterquerschnitte
Spulenaufteüung 1-2-1
gemäß Fig. 20, 21
gemäß Fig. 20, 21
Wicklungsfaktor ζ wK„ = (2 + VT) wA (Fig. 20)
h = 0.9330 iz*)
effektive Windungs- (2+vT)2 zahl w ■ ξ 4
iz ·*„=■ 3,4821
wy = 2/yT - wA bei Il-Schaltung
Wy = 1/-/3" · wA bei —Schaltung
Λ bei B-Schaltung qY = vT qA bei —Schaltung
■ 4 wA (Fig. 21)
2
1+2/-/3
. · Z - 0,9282 £·)
Kupferverluste
Durchflutungspolygon
^ . W ,
bei — =1
bei — =1
, . W
bei — =
bei — =
12
*) i/ ... Zoncnt'aktor
unterschiedliche Kupferverlustaufteilung
(4/7) Kx„
57,14%
ν -
=
42,86%
ungleichseitiges Zwölfeck (Fig. 4) 1:11 = 2 : /Γ
gleiche Kupferverlustaufteilung wegen erhöhter effektiver Windungszahl nur
(2+vT)'
32 vT
0,9378facher Strom
VA = 0,93782· 57,14 = 50,26%
gleichseitiges Zwölfeck
ungleichseitiges Vierundzwanzigeck ungleichseitiges Vierundzwanzigeck
(Fig. 8)
1 : 2 : III = 2 : /TT/2 : vT
= 2 : 1,803 : 1,732 I : Il = 2 : 2 · cos 15 = 2 : 1,932
10
Tabelle IV Vergleich verschiedener Wicklungsausführungen für N/p = 24 Nuten pro Polpaar
Spulen
Wicklungsart
Sehnung Durchflutungspolygon
einheitlich Einschiebt- oder 1/1
(Fig. 20} Zweischichtwicklung
^!-Schaltung özonig
(Fig. 1)
Zweischichtwicklung 5/6 ^!-Schaltung 6zonig (Fig. 3)
Einschicht- und l/l
Zweischichtwicklung Λ-4-Mischschaltung
12zonig (Fig. 6)
Zweischichtwicklung 11/12 12zonig (Fig. 7)
(Fig. 21)
Einschicht- und 1/1
Zweischichtwicklung /l-J-Mischschaltung
12zonig (Fig. 6)
Zweischichtwicklung 11/12 ykd-Mischschaltung
12zonig(Fig. 7)
24phasige Käfigwicklung 1/1
Dreiphasenwicklung mit sinusförmig abgestuften Spulenwindungszahlen
gleichseitiges Sechseck (Fig. 2)
Seitenlänge: 4x2
Seitenlänge: 4x2
0,9577 8,900
ungleichseitiges Zwölfeck (Fig. 4) 0,9250 6,240
I II
Seitenlängen: (2 x 2) : (2 x 3)
ungleichseitiges Vjerundzwanzigeck 0,9171 5,854 (Fig. 8)
I : II : III
Seitenlängen: 2 : -/13/2 : VT
gleichseitiges Zwölfeck
gleichseitiges Zwölfeck
0,9203 6,033
Seitenlänge: 2 : 2
ungleichseitiges Vierundzwanzigeck 0,9124 5,736
I : II
Seitenlängen: 2 : 1,932
Seitenlängen: 2 : 1,932
gleichseitiges Vierundzwanzigeck 1
5,731 0,7899
Hierzu 10 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine mit einem ersten
Wicklungsteil aus drei im Dreieck geschalteten Wicklungsabschnitten und mit einem zweiten Wicklungsteil
aus drei sternartig an den ersten Wicklungsteil angeschlossenen Abschnitten, deren freie Enden mit den
Anschlußklemmen verbunden sind, wobei die einzelnen Abschnitte der beiden Wicklungsteile innerhalb
jedes Polpaares zwölfzonig verteilt und um 30° elektrisch gegeneinander versetzt angeordnet sind (F i g. 6,7,
9), d a d u rc h g e k e π η ζ e i c h η e t, daß die drei sternartig angeschlossenen Wicklungsabschnitte jeweils aus
zwei parallelen Spulengruppen (a, d) bestehen (Fig. 13).
2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als zweischichtige Stab-Welienwicxlung
ausgebildet ist (Fig. 11 bis 13).
3. Wicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklungsabschnitt des im Dreieck
geschalteten ersten Wicklungsteils aus der Reihenschaltung von zwei Spulengruppen (b, c) gebildet ist, von
denen eine vorwärts durchlaufen und die andere rückwärts durchlaufen ist, und daß die Spulengruppen (a, d)
des zweiten Wicklungsabschnittes gleichsinnig durciilaufen sind (Fig. 11 bis 13).
4. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als zweischichtige Drahtspulenwicklung
aus Spulen bzw. Spulengruppen gleicher Weise gebildet ist (Fig. 19).
5. Wicklung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus gesehnten Spulen mit einer im
Bereich zwischen 5/6 und 1/1 Polteilung liegenden Spulenweite gebildet ist (Fig. 15 bis 19, Tab. il).
6. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als einschichtige Drahtspulenwicklung
ausgebildet ist (Fig. 22 bis 25).
7. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich benachbarten Spulen der
beiden Wicklungsteile jeweils zu konzentrisch gewickelten Spulengruppen zusammengefaßt sind (Fig. 19,
22, 23).
8. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden Wicklungstellen zugehörigen
Drahtspulen hinsichtlich Windungszahl und Leiterquerschnitt durchwegs identisch ausgeführt sind
(Fig. 20).
9. Wicklung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspulen des in Dreieck geschalteten
ersten Wicklungsteiles gegenüber den Spulen für die Sternzweige des zweiten Wicklungsteiles nähe-
rungsweise eine im Verhältnis τ/ΊΪΪ « 0,866 verringerte Windungszahl und einen reziprok dazu auf das
2/vT « l,15fache erhöhten Leiterquerschnitt aufweisen, so daß sich trotz der unterschiedlichen Ströme in
den beide·. Wicklungsteilen zumindest angenähert gleiche Spulendurchflutungen, Stromdichten und spezifische
Kupferverlusfs ergeben (Fig. 21, Tab. III).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19823202958 DE3202958C2 (de) | 1982-01-29 | 1982-01-29 | Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19823202958 DE3202958C2 (de) | 1982-01-29 | 1982-01-29 | Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3202958A1 DE3202958A1 (de) | 1983-08-11 |
DE3202958C2 true DE3202958C2 (de) | 1986-06-05 |
Family
ID=6154273
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823202958 Expired DE3202958C2 (de) | 1982-01-29 | 1982-01-29 | Dreiphasige Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3202958C2 (de) |
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