DE4341721A1 - Transformer with a frame-shaped laminated core - Google Patents

Transformer with a frame-shaped laminated core

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Abstract

The invention relates to a transformer having a laminated core in the form of a frame, into whose central free space windings project which are grouped as n pairs, each composed of an inner high-voltage winding and an outer low-voltage winding located above it, around two of the opposite limbs of the laminated core, in particular for parallel operation with a plurality of supplying four-quadrant controllers. When a 16 2/3 Hz AC voltage is produced from a DC voltage by means of pulsed four-quadrant controllers, interfering current harmonics occur. In order to reduce the harmonics in a simple manner - that is to say without increasing the transformer costs, the transformer volume or the transformer weight - it is proposed according to the invention that one or more cruciform intermediate yokes (8) be inserted into the central free space (7) in the laminated core (6), which yokes divide the free space (7) into windows (9) for the individual winding pairs (1/3) in which these are inserted, and that the high-voltage windings (3) be connected in series. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, wie er im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.The invention relates to a transformer with a frame Laminated core as defined in the preamble of claim 1.

Solche Transformatoren werden z. B. zur Bereitstellung von 16 2/3 Hz-Energie bei der Bahnstromversorgung über statische Umrichter mit Leistungshalbleitern eingesetzt. Die benötigte hohe Leistung wird dabei durch Parallelschaltung von mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern über nur einen solchen Transformator erreicht.Such transformers are used for. B. to provide 16 2/3 Hz energy traction power supply via static converters with power semiconductors used. The high power required is achieved by connecting in parallel several four-quadrant feeders using just one Transformer reached.

In Fig. 5 ist das schematische Schaltbild für einen solchen Transformator mit vier auf separate Unterspannungswicklungen 1 einspeisende Vierquadrantensteller 2 dargestellt. Die vier Oberspannungswicklungen 3 sind allgemein parallel geschaltet.In FIG. 5, the schematic diagram is shown of such a transformer with four-feeding to separate low-voltage windings 1 four-quadrant controller 2. The four high-voltage windings 3 are generally connected in parallel.

Der konstruktive Aufbau eines solchen bekannten Transformators ist Fig. 6 entnehmbar. Um die Schenkel 4 und 5 eines rahmenförmigen Blechpakets 6 sind dabei die Unterspannungswicklungen 1 und Oberspannungswicklungen 3 je zu Paaren gruppiert und ragen einseitig in den vom Blechpaket 6 umschlossenen zentralen Freiraum 7.The construction of such a known transformer is shown in FIG. 6. To the legs 4 and 5 of a frame-shaped lamination stack 6 while the low-voltage windings 1 and high-voltage windings 3 are each grouped into pairs and project on one side in the space enclosed by the lamination stack 6 central space. 7

Die 16 2/3 Hz-Wechselspannung wird durch Pulsen von Leistungshalbleitern (GTOs) in Vierquadrantenstellern 2 aus Gleichspannungen erzeugt. Durch das Pulsen sind die Ausgangsspannungen e₁, e₂, e₃ und e₄ der Vierquadrantensteller (vgl. Fig. 5) entsprechend Fig. 7c mit hohen Oberschwingungen überlagert. Diese Spannungsoberschwingungen verursachen weiter Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1, wie in Fig. 7b dargestellt. Zur Kompensation der Stromoberschwingungen werden die einzelnen Vierquadrantensteller versetzt getaktet. Dadurch wird der Ausgangsstrom des Transformators iGes in der Oberspannungswicklung 3 sinusförmig (vgl. Fig. 7a).The 16 2/3 Hz AC voltage is generated by pulsing power semiconductors (GTOs) in four-quadrant actuators 2 from DC voltages. By pulsing the output voltages e₁, e₂, e₃ and e₄ of the four-quadrant actuator (see. Fig. 5) corresponding to Fig. 7c with high harmonics. These voltage harmonics further cause current harmonics in the undervoltage windings 1 , as shown in FIG. 7b. To compensate for current harmonics, the individual four-quadrant actuators are clocked with an offset. As a result, the output current of the transformer iGes in the high-voltage winding 3 becomes sinusoidal (cf. FIG. 7a).

Von den Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 werden zusätzliche Stromwärmeverluste im Transformator und in den Stromrichtern hervorgerufen. Außerdem wird die Ausnutzung der Leistungshalbleiter (GTOs) durch die Stromspitzen deutlich verschlechtert. Diese Nachteile können durch den Einsatz von vier getrennten Transformatoren, die oberspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, beseitigt werden. Dadurch werden aber die Kosten, das Volumen und das Gewicht des Transformators stark erhöht.Additional current heat losses in the transformer and in the converters are caused by the current harmonics in the undervoltage windings 1 . In addition, the utilization of the power semiconductors (GTOs) is significantly deteriorated by the current peaks. These disadvantages can be eliminated by using four separate transformers, which are connected in series on the high-voltage side. However, this greatly increases the cost, volume and weight of the transformer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator so auszubilden, daß auf einfache Weise, ohne wesentliche Erhöhung der Transformatorkosten, des Transformatorvolumens und des Gewichtes die unerwünschten Stromoberschwingungen stark reduziert werden können.The object of the invention is to design a transformer so that simple way, without significantly increasing the transformer costs, the Transformer volume and weight the unwanted Current harmonics can be greatly reduced.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous configurations are the subclaims removable.

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.Based on schematic embodiments, the invention in explained in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 den neuartigen Transformatoraufbau für vier Wicklungspaare, Fig. 1 shows the novel transformer assembly of four pairs of windings,

Fig. 2 die zugehörigen Strom- und Spannungsverläufe, Fig. 2, the corresponding current and voltage waveforms,

Fig. 3 den neuartigen Transformatoraufbau für sechs Wicklungspaare, Fig. 3 shows the novel transformer assembly for six pairs of windings,

Fig. 4 den Transformatoraufbau für acht Wicklungspaare, Fig. 4 shows the transformer construction for eight pairs of windings,

Fig. 5 bis 7 den schon erläuterten Stand der Technik. Fig. 5 to 7 the state already explained art.

Wie Fig. 1 zeigt, ist dem neuen Transformator statt des bloßen bisher üblichen rahmenförmigen Blechpakets 6 ein kreuzförmiges Zwischenjoch 8 integriert. In den damit gebildeten vier Fenstern 9 (im bisherigen Freiraum 7) liegen die vier Wicklungspaare 1/3 ein. Das der neuen Konstruktion zugrundeliegende Prinzip ist folgendes:As shown in FIG. 1, a cross-shaped intermediate yoke 8 is integrated into the new transformer instead of the mere frame-shaped laminated core 6 which has hitherto been the case. The four winding pairs 1/3 lie in the four windows 9 thus formed (in the previous free space 7 ). The principle underlying the new design is as follows:

Die Größe der Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 ist von der Streuinduktivität abhängig und nimmt mit zunehmender Streuinduktivität ab. Bei Transformatoren mit mehreren Unterspannungswicklungen 1 gibt es zwei unterschiedliche Streuinduktivitäten: Die zwischen den einzelnen Unterspannungswicklungen 1 und die zwischen den Unterspannungswicklungen 1 und den Oberspannungswicklungen 3. Während die erste Streuinduktivität für die Begrenzung der Stromoberschwingungen maßgebend ist, bestimmt die zweite den Spannungsabfall des Transformators. Bei der bisherigen Transformatorkonstruktion (vgl. Fig. 6) sind die Größen der beiden Streuinduktivitäten voneinander abhängig. Die Streuinduktivität zwischen den Unterspannungswicklungen 1 darf deswegen zur Verringerung der Stromoberschwingungen nicht beliebig erhöht werden, da sonst der Spannungsabfall des Transformators ebenfalls vergrößert wird, was eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Transformators bedeutet.The magnitude of the current harmonics in the undervoltage windings 1 depends on the leakage inductance and decreases with increasing leakage inductance. In the case of transformers with a plurality of undervoltage windings 1, there are two different leakage inductances: that between the individual undervoltage windings 1 and that between the undervoltage windings 1 and the high-voltage windings 3 . While the first leakage inductance is decisive for limiting the current harmonics, the second determines the voltage drop of the transformer. In the previous transformer design (see FIG. 6), the sizes of the two leakage inductances are dependent on one another. The leakage inductance between the undervoltage windings 1 must therefore not be increased arbitrarily to reduce the current harmonics, since otherwise the voltage drop of the transformer is also increased, which means a deterioration in the electrical properties of the transformer.

Bei der neuen Transformatorkonstruktion werden die vier Unter- und Oberspannungswicklungen durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 magnetisch entkoppelt. Damit kann die Streuinduktivität zwischen den einzelnen Unterspannungswicklungen 1, die die Größe der Stromoberschwingungen bestimmt, ohne Einfluß auf die andere Streuinduktivität beliebig erhöht werden. D.h., die Stromoberschwingungen können durch Erhöhung der Streuinduktivität stark reduziert werden, ohne den Spannungsabfall des Transformators zu vergrößern. In den Fig. 2a und 2b sieht man, daß die Ströme durch den Einsatz der neuen Transformatorkonstruktion sowohl in den Oberspannungs- als auch in den Unterspannungswicklungen sinusförmig sind. Da im Zwischenjoch 8 nur Oberschwingungen des Flusses vorhanden sind, die eine sehr kleine Amplitude haben, kann das Zwischenjoch 8 sehr schmal dimensioniert werden. Um die Stromoberschwingungen z. B. um ca. 20-fach zu reduzieren, wird ein Querschnitt des Zwischenjoches 8 von etwa nur 1/10 des Schenkelquerschnitts 4 bzw. 5 benötigt. Aus diesem Grund wird der Transformator durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 nicht viel größer und schwerer.In the new transformer design, the four low and high voltage windings are magnetically decoupled by the additional intermediate yoke 8 . The leakage inductance between the individual undervoltage windings 1 , which determines the magnitude of the current harmonics, can thus be increased as desired without influencing the other leakage inductance. This means that the current harmonics can be greatly reduced by increasing the leakage inductance without increasing the voltage drop of the transformer. In FIGS. 2a and 2b it is seen that the currents are sinusoidal by the use of the new transformer design both in the Oberspannungs- and in the low-voltage windings. Since only harmonics of the river are present in the intermediate yoke 8 , which have a very small amplitude, the intermediate yoke 8 can be dimensioned very narrow. To the current harmonics z. B. to reduce by about 20 times, a cross section of the intermediate yoke 8 of about only 1/10 of the leg cross section 4 or 5 is required. For this reason, the additional intermediate yoke 8 does not make the transformer much larger and heavier.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Transformatorkonstruktionen für sechs- oder achtfache Einspeisung und entsprechend angeordnet zweimal drei bzw. zweimal vier Wicklungspaare 1/3. Das Transformator-Blechpaket 6 ist hier durch zwei bzw. drei aneinandergrenzende kreuzförmige Zwischenjoche 8, die ineinander übergehen, ergänzt. Das Wirkungsprinzip ist wie bereits geschildert. FIGS. 3 and 4 show transformer designs for six or eight times the feed and arranged corresponding to two three or four pairs of windings twice 1/3. The transformer laminated core 6 is supplemented here by two or three adjacent cross-shaped intermediate yokes 8 which merge into one another. The principle of action is as already described.

Die neue Transformatorkonstruktion kann überall dort, wo mehrere Vierquadrantensteller parallel betrieben werden, z. B. auch auf Lokomotiven, eingesetzt werden.The new transformer design can be used wherever several Four quadrant actuators are operated in parallel, e.g. B. also on locomotives, be used.

Claims (4)

1. Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, in dessen zentralen Freiraum Wicklungen ragen, die als n-Paare aus jeweils einer inneren Oberspannungswicklung und einer darüberliegenden äußeren Unterspannungswicklung um zwei der gegenüberliegenden Schenkel des Blechpaketes gruppiert sind, insbesondere für den Parallelbetrieb mit mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern, dadurch gekennzeichnet, daß dem Blechpaket (6) im zentralen Freiraum (7) ein oder mehrere kreuzförmige Zwischenjoche (8) eingefügt sind, die den Freiraum (7) in Fenster (9) für die einzelnen Wicklungspaare (1/3) unterteilen, in denen diese einliegen und daß die Oberspannungswicklungen (3) in Reihe geschaltet sind.1.Transformer with a frame-shaped laminated core, in the central free space of which windings protrude, which are grouped as n-pairs, each consisting of an inner high-voltage winding and an outer low-voltage winding above it, around two of the opposite legs of the laminated core, in particular for parallel operation with several four-quadrant actuators feeding in, characterized in that that the laminated core (6) in the central free space (7) one or more cross-shaped intermediate yokes (8) are inserted, which divide the free space (7) in the window (9) for the individual pairs of windings (1/3), in which einliegen this and that the high-voltage windings ( 3 ) are connected in series. 2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenjoche (8) schmal dimensioniert sind und nur einen Bruchteil des Querschnitts der Schenkel (4 bzw. 5) aufweisen.2. Transformer according to claim 1, characterized in that the intermediate yokes ( 8 ) are narrowly dimensioned and have only a fraction of the cross section of the legs ( 4 or 5 ). 3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für n = 4 Wicklungspaare (1/3) ein Zwischenjoch (8) Verwendung findet, das im Freiraum (7) vier Fenster (9) bildet. 3. Transformer according to claim 1 or 2, characterized in that for n = 4 pairs of windings ( 1/3 ) an intermediate yoke ( 8 ) is used which forms four windows ( 9 ) in the free space ( 7 ). 4. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für n = 6 bzw. n = 8 Wicklungspaare zwei bzw. drei neben- oder übereinander angrenzende und ineinander übergehende Zwischenjoche 6 bzw. 8 Einzelfenster (9) bilden.4. Transformer according to claim 1 or 2, characterized in that for n = 6 or n = 8 pairs of windings form two or three adjacent or overlapping and merging intermediate yokes 6 or 8 individual windows ( 9 ).
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