DE3233308C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformatorkern gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Transformatorkerne sind im Prinzip bekannt aus der US-PS 29 20 296.

Aus der SE-PS 1 85 625 und der DE-AS 10 55 116 sind Transfor­ matorkerne bekannt, bei denen sämtliche Joche und Schenkel mit geteiltem Querschnitt ausgeführt sind. Aus diesen Druck­ schriften geht hervor, daß solche Transformatorkerne, insbe­ sondere bei Verwendung von kornorientierten Blechen, Pro­ bleme verursachen und ein kompliziertes Herstellungsverfahren bedingen.

Wenn dennoch solche Kernkonstruktionen gewählt werden, so geschieht dies deshalb, daß es bei der Herstellung gewisser Transformatoren schwierig sein kann, Bleche von geeigneter Breite zu beschaffen, wenn nur eine einzige Blechlamelle in jeder Schicht verwendet werden soll. Wenn man es aus diesem Grunde vorzieht, zwei nebeneinander liegende Blechlamellen in jeder Schicht zu verwenden, so ist es selbstverständlich, daß dieses Prinzip für sämtliche Schenkel und Joche ange­ wendet wird. In anderen Fällen besteht der Grund für eine solche Konstruktion darin, daß durch Teilung des Kernquer­ schnittes eine bessere Kühlung des Kerns erreicht werden soll, was bei Transformatoren mit hohen Eisenverlusten er­ forderlich sein kann. In solchen Fällen ist es natürlich wichtig, eine schädliche Erwärmung sämtlicher Teile des Eisenkerns zu vermeiden, und zwar insbesondere in den am mittleren Schenkel angrenzenden Jochteilen, wo normalerweise die maximale Eisentemperatur auftritt, so daß eine auf die Schenkel beschränkte Querschnittsaufteilung vom Gesichts­ punkt der Kühlung aus sinnlos ist.

Aus der US-PS 29 20 296 ist ein Transformatorkern bekannt, bei dem die Blechlamellen der Schenkel in jeder Lamellen­ schicht aus zwei nebeneinander liegenden Blechen bestehen, so daß der Schenkel aus zwei in Längsrichtung parallelen Blechpaketen aufgebaut ist. Auf diese Weise wird ein ver­ tikaler Spalt in den Schenkeln geschaffen, durch welchen eine große Anzahl horizontaler Bolzen verläuft, die mittels Preßplatten die beiden parallelen Teilschenkel jedes Schenkels fest zusammenpressen und die beiden Teilschenkel zu einem starren System miteinander verbinden. Hierdurch sollen durch magnetostriktive Einwirkung verursachte Geräuschbildungen reduziert werden. Schwingungsmäßig verhält sich ein solcher aus zwei starr miteinander verbundenen Teilschenkeln beste­ hender Schenkel genauso wie ein ungeteilter Schenkel.

Die DE-OS 20 25 967 beschreibt in ihrem einleitenden Teil ebenfalls Transformatorkerne, bei denen die Schenkel aus zwei parallel verlaufenden aus Lamellen geschichteten Teilschenkeln aufgebaut sind. Der Grund für diesen Aufbau besteht darin, daß bei Transformatoren größerer Leistung häufig die Breite der lieferbaren Fläche für die geforderte Breite der Schenkel nicht ausreicht. Auch hier ist davon auszugehen, daß diese beiden Teilschenkel in einem fertigen Transformator durch die Lamellenspanneinrichtung fest und starr miteinander verbunden werden. Die Druckschrift selbst befaßt sich damit, die Eisenverluste an den Übergangsstellen zwischen Joch und Schenkel herabzusetzen, wobei zu diesem Zweck an den beiden Enden der Schenkel Querverbindungen zwischen den Blechen der beiden Teilschenkel vorgesehen sind.

Aus der DE-AS 11 05 512 ist es bekannt, zur Geräuschbekäm­ pfung bei Transformatoren eine Verstimmung der Kernresonanzen durchzuführen. Zu den angegebenen Mitteln zur Erreichung dieses Ziels gehört eine Verstimmung der Kernresonanzen für Joche und Schenkel, was unter anderem dadurch erreicht wird, daß das Verhältnis zwischen den Flächenträgheitsmomenten von Joch und Schenkel variiert wird. Um zu diesem Zweck das Flächenträgheitsmoment von Joch und/oder Schenkel zu verän­ dern, werden Einschnitte oder Aussparungen in den Kern­ blechen vorgesehen oder Kühlkanäle in einer geeigneten Form und Lage angeordnet.

Die vorliegende Erfindung gründet sich auf Untersuchungen über die geräuscherzeugenden mechanischen Schwingungen, die in einem Transformatorkern auftreten, wenn er von einem magnetischen Wechselfluß durchströmt wird.

Wenn der Kern magnetisiert wird, werden die Kernbleche durch die Magnetostriktion verlängert. Die Magnetostriktion steht in einem nicht linearen Zusammenhang mit dem absoluten Betrag des magnetischen Flusses. Die Kernbleche werden daher mit der doppelten Frequenz des Flusses und zusätzlich auch mit der vierfachen, sechsfachen, achtfachen usw. Frequenz des Flusses verlängert und verkürzt. Die magnetostriktive Vibration in den Kernblechen enthält also nur Frequenzen von geraden Vielfachen der Frequenz des magnetischen Flusses. Folglich bestehen auch die Vibrationen im Kern und das Kern­ geräusch nur aus entsprechenden diskreten Tönen.

Die Verlängerung der Kernbleche aufgrund der Magnetostrik­ tion hat zur Folge, daß sich der gesamte Kernrahmen in einer Zentralebene durch die Mittellinien der Schenkel und der Joche in parallel hiermit liegenden Ebenen ausdehnt. Die Elastizität und die Masse des Kernrahmens verursachen dann ein Auftreten von Biegeschwingungen in diesen Ebenen mit denselben harmonischen Frequenzen wie sie die magnetostrik­ tive Vibration enthält. Da der Kern dreiphasig magnetisiert wird, sind jedoch die magnetischen Flüsse in den drei Schenkeln nicht miteinander in Phase, so daß auch asymme­ trische Biegeschwingungen im Kern auftreten.

Da der Kern ein linear elastisches System mit verteilter Masse darstellt, hat er eine unendliche Anzahl möglicher resonanter Schwingungsformen. Wegen der Entstehungsweise der Vibrationen können im wesentlichen jedoch nur zwei Resonanzschwingungsformen bei großen Starkstromtransforma­ torkernen auftreten. Es sind dies die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Schwingungsformen. Die Resonanzfrequenzen dieser beiden Schwingungsformen sind abhängig vom Gewicht pro Längeneinheit, dem Flächenträgheitsmoment in bezug auf eine Biegung in der vorgenannten Zentralebene von Schenkel bzw. Jochen und von der Länge der Schenkel bzw. Joche.

Die Untersuchung einer großen Anzahl nach modernen Konstruktions­ prinzipien hergestellter Starkstromtransformatoren hat er­ geben, daß alle Transformatoren, die etwa gleiche Schenkel­ länge haben, untereinander auch große Ähnlichkeiten hin­ sichtlich der übrigen Abmessungen haben, welche die Re­ sonanzfrequenzen bestimmen. Berechnungen haben ergeben, daß bei Transformatoren im Leistungsbereich von 20 bis 500 MVA keine Gefahr von Resonanzschwingungen gemäß Fig. 4 und 5 mit dem Grundton der magnetostriktiven Vibration besteht, daß dagegen in diesem Leistungsbereich eine große Gefahr für Resonanzschwingungen mit dem ersten Oberton der magnetostriktiven Vibration besteht, wenn die Schenkellänge bei 50 Hz - Transformatoren in dem Bereich von 1,8 bis 2,3 m und bei 60 Hz - Transformatoren in dem Bereich von 1,5 bis 2,0 m liegt.

Eine Kernresonanz hat im allgemeinen eine erheblich ver­ stärkte Vibration im Kern und einen höheren Geräuschpegel zur Folge. Als Gegenmaßnahme könnte man von den konventionel­ len Bemessungsregeln abweichen und den Kern so dimensionie­ ren, daß seine Eigenfrequenzen bedeutend von den Vibrations­ frequenzen des Kerns abweichen. Dies verursacht jedoch zu­ sätzliche Kosten, da die so bemessenen Kerne stark von den hinsichtlich der Kosten optimal bemessenen Kernen abweichen.

Es ist möglich, in gewissen Fällen eine Kernresonanz ohne Änderung von Länge und Querschnitt der Schenkel und Joche zu vermeiden, indem man den Transformator nach Art der DE-AS 10 55 116 konstruiert. Aber auch eine solche Lösung würde hinsichtlich der Kosten sehr unbefriedigend sein, da eine Teilung der Joche erhebliche Komplikationen mit sich bringt, insbesondere hinsichtlich der magnetischen Verbindung zwischen Joch und mittlerem Schenkel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transfor­ matorkern der eingangs genannten Art in der Weise aufzu­ bauen, daß ohne wesentliche Komplizierung der Fertigung eine Vermeidung eines hohen Geräuschniveaus dadurch er­ reicht wird, daß die Resonanzfrequenzen des Transformator­ kerns in Bereiche verlegt werden, die weit von den Frequenzen der stark ausgeprägten harmonischen Komponenten der magneto­ striktiven Vibration im Kern liegen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Transformatorkern der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merk­ male hat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unter­ anspruch genannt.

Untersuchungen haben ergeben, daß man bei einem Transfor­ matorkern der eingangs genannten Art eine volle Sicherheit gegen Kernresonanz dadurch erzielt, daß man nur die beiden Außenschenkel mit geteiltem Querschnitt ausführt, während die beiden Joche mit ungeteilten Querschnitten ausgeführt werden.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert wer­ den. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Transformatorkerns nach der Erfindung im Vertikalschnitt durch die Mittellinien der Transformatorschenkel,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie IIa-IIa in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie IIIa-IIIa in Fig. 1, wobei dieser Schnitt kongruent mit einem Schnitt längs der Linie IIIb-IIIb und IIIc-IIIc ist,

Fig. 4 u. 5. zwei verschiedene Schwingungsformen, mit denen ein Transformatorkern der eingangs beschriebenen Art bei Kernresonanz schwingen kann. Dabei be­ schreiben die voll ausgezogenen Linien die Mit­ tellinien der Joche und der Schenkel im schwin­ gungsfreien Zustand, die gestrichelten Linien die Verformung bei vollem Schwingungsausschlag in der einen Richtung und die strichpunktierten Linien den Schwingungszustand nach einer weiteren halben Periode.

In den Figuren bezeichnet 1 ein oberes und 2 ein unteres Joch, welche mechanisch und magnetisch mit den oberen bzw. unteren Enden zweier Außenschenkel 3 a und 3 b und eines Mit­ telschenkels 6 verbunden sind, wobei die Schenkel vertikal verlaufen. Auf jedem Schenkel 3a, 3b und 6 sitzen je eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung.

Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Kern ist aus einer großen Anzahl dünner Lamellen aus kornorientiertem Elektro­ blech aufgebaut. Jede Schicht des Kerns ist aus sieben Blechlamellen zusammengesetzt, die nebeneinander mit Stoß­ fugen zwischen Schenkel und Joch derart angeordnet sind, daß sich ein Rahmen bildet. Die Bleche jeder Kernschicht werden beim Schichten so gelegt, daß die Stoßfuge jeder Schicht nicht genau über der Stoßfuge der unmittelbar be­ nachbarten Schicht liegt, sondern so, daß die Stoßfugen benachbarter Schichten gegeneinander verschoben sind, so daß eine Überlappung der Bleche stattfindet, die einen Zusammenhalt zwischen Schenkeln und Jochen bewirkt.

Die Größe des Jochquerschnittes ist in der Regel gleich der Größe des Schenkelquerschnittes, kann alternativ jedoch etwas, z. B. innerhalb der Grenzen von ±10%, von der Größe des Schenkelquerschnittes abweichen. Der Mittel­ schenkel 6 sowie jedes Joch 1 und 2 enthalten eine Viel­ zahl von Lamellenschichten, von denen der überwiegende Teil, vorzugsweise alle, nur eine einzige Blechlamelle pro Schicht aufweisen. Jeder Außenschenkel 3a und 3b enthält eine Vielzahl Lamellenschichten, von denen der größte Teil, vorzugsweise alle, zwei Lamellen pro Schicht aufweisen, wobei jeder Außenschenkel aus zwei in Längsrich­ tung des Schenkels (vertikal) verlaufenden Teilen 4a und 5a bzw. 4b und 5b zusammengesetzt ist. Dabei sind die jeweils zusammengehörenden beiden Teile hinsichtlich ihrer Quer­ schnittsfläche und ihrer Form untereinander vorzugsweise gleich. Dies ist allerdings nicht notwendig. Die Hauptsache ist, daß die Summe der Flächenträgheitsmomente der beiden Teilquerschnitte um eine horizontale, senkrecht zur Blech­ ebene gerichtete Achse erheblich kleiner ist als das Flächenträgheitsmoment eines gleich großen ungeteilten Schenkelquerschnittes. Die Teile 4a und 5a bzw. 4b und 5b haben aufeinander gerichtete, in Vertikalebenen liegende Flächen 8 und 9, zwischen welchen ein Spalt 7 vorhanden ist. Der Spalt 7 hat aus Fertigungsgründen vorzugsweise eine Breite von 1 bis 6 mm. Alternativ kann die Spaltbreite klei­ ner sein, oder die Flächen 8 und 9 können sich gegenseitig berühren.

Bei einem Transformatorkern nach der Erfindung kann die Kernresonanz auch dadurch vermieden werden, daß jeder Außen­ schenkel in der in den Zeichnungen gezeigten Weise in Quer­ richtung der Lamellen in mehr als zwei langgestreckte, ver­ tikal verlaufende Teile aufgeteilt werden. Allerdings be­ deutet dies, daß die Herstellung unnötigerweise kompliziert wird.

Ferner kann sich ein Transformatorkern nach der Erfindung von dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheiden, daß auch der Mittelschenkel in zwei oder mehrere vertikal verlaufende, nebeneinander liegende Schenkelteile aufgeteilt wird. Jedoch bringt auch diese Lösung in der Regel unnötige Komplikationen mit sich.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Aufteilung nur eines Schenkels keine effektive Resonanz verhindernde Maßnahme darstellt.

Die Erfindung ist auch auf einen Transformatorkern anwend­ bar, bei dem die nebeneinander in derselben Lamellenebene liegenden Lamellen eines Schenkels an den mit den Jochen zusammenlamellierten Endabschnitten des Schenkels direkt miteinander verbunden sind.

Claims (2)

1. Transformatorkern für einen dreiphasigen Starkstromtrans­ formator, der für eine Frequenz von 50 bis 60 Hz ausgelegt ist und aus kornorientiertem Blech aufgebaut ist, mit zwei vertikalen Außenschenkeln (3a und 3b) und einem Mit­ telschenkel (6) (Dreischenkelkern), wobei die Schenkellänge im Bereich von 1,5 bis 2,3 m liegt und die oberen und unteren Enden der Schenkel magnetisch und mechanisch mit einem oberen (1) bzw. einem unteren (2) Joch verbunden sind, mit einem Aufbau der Joche und Schenkel aus einer Vielzahl pa­ ralleler Lamellenschichten, wobei sämtliche Lamellenschichten parallel zu ein und derselben Vertikalebene liegen und wobei der überwiegende Teil der Lamellenschichten in jedem Joch (1, 2) aus nur einer Lamelle pro Schicht besteht und die Lamellenschichten in jedem Außenschenkel (3a, 3b) derart aus mehreren in Querrichtung nebeneinander liegenden Lamellen pro Schicht bestehen, daß jeder Außenschenkel (3a, 3b) zwei oder mehrere untereinander parallele Teilschenkel (4b, 5b; 4a, 5a) bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Außenschenkel - zwischen dem oberen (1) und dem unteren (2) Joch - ohne nennenswerte mechanische Verbindung zwischen seinen Teilschenkeln ausgeführt ist, damit ein hohes Geräuschniveau des Transformators ohne wesentliche Komplizierung der Fertigung zu vermeiden ist.

2. Transformatorkern nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der überwiegende Teil der Lamellenschichten des Mittelschenkels (6) nur eine Lamelle pro Schicht enthält.