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Anordnung zur Unterdrückung der Oberwellen fünffacher Frequenz im
1Vlagnetisierungsstrom von Drehstromtransformatoren Es ist bekannt, daß in der Mehrzahl
der Fälle die Verzerrung der Netzspannung von Überlandnetzen zurückzuführen ist
auf Spannungsabfälle, die die verzerrten Transformatorenmagnetisierungsströme in
den Netzreaktanzen und -impedanzen verursachen. Es ist dann häufig die Verzerrung
der Spannung besonders deutlich zu Zeiten geringer Netzbelastung zu beobachten,
in denen die Magnetisierungsströme, besonders die der zahlreichen Kleintransformatoren,
oft einen wesentlichen Anteil der Netzbelastung darstellen. Man hat selbst bei modernen
Transformatoren noch mit Oberwellen fünffacher Frequenz von unter Umständen bis
zu z2 °/a der Grundwelle des Magnetisierungsstromes bei kleineren Typen zu rechnen.
Die übrigen höheren Harmonischen im Magnetisierungsstrom machen sich bei weitem
nicht so stark bemerkbar; die dritte, neunte usw. Harmonische kann in symmetrischen
Dreiphasennetzen ohne Nulleiter nicht fließen, die siebente Harmonische hat meist
nur einen unbedeutenden Anteil an der Magnetisierung. An den Leitungs- und Transformatorenreaktanzen
können also Spannungen fünffacher Frequenz bis zu 6o0/, des Grundwellenspannungsabfalles
auftreten; kommt es erst zu Spannungsverzerrungen, so können außerdem noch die Netzkapazitäten
zu einer in vielen Fällen sehr erheblichen Vergrößerung des Oberwellenanteils führen;
unter Umständen kommt es mehr oder minder vollkommen zur Resonanz zwischen den Transformatorstreu-
und den Leitungsinduktivitäten einerseits und der Netzkapazität andererseits.
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Derartige Spannungsverzerrungen im Netz sind natürlich aus vielen
Gründen äußerst unerwünscht. Allgemein wird ja reine Sinusform der Spannungskurve
angestrebt. Diesen Störungen entgeht man am besten, wenn die Entstehung der Oberwellen
im Magnetisierungsstrom selbst verhindert wird. Dazu gibt es bisher nur die Möglichkeit,
die Induktion im Eisen des Transformators, soweit wirtschaftlich erträglich, herabzusetzen.
Im folgenden sollen zwei weitere Mittel zur Entlastung des Netzes von Oberwellen
angegeben werden, die eine fast vollkommene Beseitigung der fünften Harmonischen
des Magnetisierungsstromes, zum mindesten eine starke Verminderung ermöglichen.
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Der Magnetisierungsstrom einer Eisendrossel enthält bei sinusförmigem
Flusse eine ganze Reihe von Oberwellen, von denen zum mindesten eine - bei besonderen
Eisenmagnetisierungscharakteristiken mehrere -zum Verschwinden gebracht werden kann
bzw. können, wenn die Eisendrossel im Fluß außer der Grundwelle selbst eine andere
Oberwelle führt. Diese Regel auf den Dreiphasentransformator angewandt ergibt die
auch experimentell nachgewiesene Tatsache,
daß bei Sternschaltungen
ohne 2,Tulleiter, wo bekanntlich jeder Kern im Fluß eine gleich große dritte Harmonische
enthält, eine Oberwelle im Magnetisierungsstrom zu Null werden kann. Um z. B. die
fünfte Harmonische im Magnetisierungsstrom, die ja am meisten stört, zu beseitigen,
kommt es also nur darauf an, der dritten Harmonischen im Fluß passende Größe und
Phase zu erteilen.
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Der Versuch zeigt, daß die Phase der dritten Harmonischen im Fluß
stets so sein muß, daß die dritte Harmonische gleichzeitig und in gleicher Richtung
mit der Grundwelle den Nullwert durchläuft; infolgedessen ist es nur erforderlich,
die natürlich im Transformator sich bildende dritte Harmonische im Fluß auf einen
passenden Wert hinzu= stellen. Beim Kerntransformator in Stern-Stern-Schaltung kann
dies durch Anbringen eines passend bemessenen Rückschlußschenkels (Abb. r) geschehen.
Der Rückschlußschenkel kann auch durch zwei oder mehrere Rückschlußschenkel, wie
im Transformatorenbau meist üblich, ersetzt werden. Bei Mantel-und Fünfschenkeltransformatoren
sowie bei Dreiphasensätzen (aus drei Einphasentransformatoren zusammengestellter
Drehstromtransformator) der Stern-Stern-Schaltung ist die magnetische Leitfähigkeit
des dort von Haus aus. vorhandenen magnetischen Rückschlusses und dadurch die dritte
Harmonische im Fluß zu groß, so daß eine Verminderung der magnetischen Leitfähigkeit
erforderlich wäre. Die Herabsetzung des Flusses dreifacher Frequenz wird durch eine
besondere Hilfswicklung nach Art einer tertiären Dreieckwicklung entsprechend hoher
Streuung (gegebenenfalls künstlich hervorgerufen durch Einschaltung einer Induktivität)
erreicht, die den Fluß der dritten Harmonischen um so mehr verringert, je kleiner
ihre Streuung ist (Abb. 2). Grundsätzlich ist es auch denkbar, die Wirkung einer
zu kleinen magnetischen Leitfähigkeit des Rückschlußpfades durch kapazitive Belastung
dieser Hilfswicklungen auszugleichen (Abb:3).
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Bei beiden. Transformatortypen, nämlich bei Kerntransformatoren -mit
zusätzlichem ein- oder mehrschenkeligem magnetischem Rückschluß und bei Transformatoren
mit an sich schon vorhandenem magnetischem Rückschluß (Mantel- und Fünfschenkeltransformatoren,
Dreiphasensätzt), können statt der Hilfswicklungen .auf den Hauptschenkeln auch
solche auf dem Rückschlußschenkel (bzw. auf sämtlichen Rü.ckscblußschenkeln, wenn
zwei oder mehrere angeordnet sind) verwendet werden, wobei in Abb.. q. (wie in Abb_
2) durch induktive Last der Fluß dreifacher Frequenz verkleinert, in Abb. 5 (wie
in Abb. 3) durch kapazitive Last vergrößert wird. So hat sich erwiesen, daß durch
_ Anbringung eines magnetischen Rückschlusses von Joch zu Joch am in Stern-Stern
geschalteten Kerntransformator die ohne Rückschluß zunächst vorhandene positive
fünfte Harmonische im Magnetisierungsstrom (Abb.6) kleiner wird und mit wachsender
magnetischer Leitfähigkeit des Rückschlusses über den Nullwert in die bekannte negative
Phasenlage der fünften -Harmonischen der Manteltype übergeht (Abb. 7). Weiterhin
bestätigte der Versuch, daß diese negative fünfte Stromharmonische der in Stern-Stern
geschalteten Manteltype durch induktive Belastung entweder einer offenen Dreieckwicklung
auf den Betriebskernen oder von in Reihe geschalteten Hilfswicklungen auf den magnetischen
Rückschlüssen bis auf Null herabgedrückt werden konnte. Bei zu starker induktiver
Belastung wurde die fünfte Harmonische wieder positiv und erreichte bei hurzschluß
der Dreieckwicklun.g bzw. der Hilfswicklungen ihren positiven Höchstwert.
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Bei Transformatoren in Stern-Zickzack-Schaltung hat die fünfte Harmonische
im Magnetisierungsstrom bei Speisung von der Zickzackseite aus eine andere Phasenlage;
hiervon abgesehen behält das Obige seine Gültigkeit durchaus; die fünfte Harmonische
kann durch dieselben Mittel zum Verschwinden gebracht werden.
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Transformatoren-in Stern-Stern-Schaltung mit tertiärer Dreieckwicklung
oder in Stern-Dreieck-Schaltung weisen im Magnetisierungsstrom sowohl als Kern-
wie auch als Manteltype auf jeden Fall positive fünfte Harmonische auf der Sternseite,
negative fünfte Harmonische (negativ infolge der Subtraktion der Phasenströme bei
der Bildung des Linienstromes) auf der Dreieckseite auf. Beseitigung der fünften
Harmonischen im Magnetisierungsstrom ist in diesem Fall schwierig, weil die kurzgeschlossene
Dreieckwicklung den Fluß dreifacher Frequenz fast völlig beseitigt. Hier verbleibt
nur der Weg, der Dreieckwicklung passende Streuung zu geben oder die Streuung künstlich
durch eingeschaltete Induktiv itäten zu erhöhen (Abb. 8) und gegebenenfalls bei
Kerntypen noch die magnetische Leitfähigkeit des Rückschlußpfades zu erhöhen. Allerdings
wird die Maßnahme vielfach insofern auf Schwierigkeiten stoßen, als andere Gründe
(Nullpunktsbelastbarkeit) gegen hohe Streuung_der Dreieckwicklung sprechen.
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Ein gewisser, allerdings sehr kleiner Prozentsatz von fünfter Harmonischen
im Magnetisierungsstrom, der durch die Eisenverluste der dritten Harmonischen im
Fluß bzw. durch die Kupferverluste der Hilfswicklungen bedingt ist, wird bei den
oben
beschriebenen Verfahren übrigbleiben. Ferner wird ein Reststrom
infolge der Kernunsymmetrie des Transformators üblicher Ausführung bestehen bleiben;
für den Fall eines teilweise unsymmetrischen Transformators, nämlich eines solchen,
der wie der übliche Kerntransformator zwei unter sich symmetrische Außenschenkel
und einen bevorzugten Innenschenkel aufweist, zeigt Abb.9 die beispielsweise Anbringung
der Rückschlußschenkel zwecks Beseitigung der Restströme fünffacher Frequenz. Bei
Manteltransformatoren führen ungleiche Windungszahlen der tertiären Dreieckwicklung
zum selben Ziel,. Schließlich kann man auch durch cyclische Vertauschung der Anschlüsse
verschiedener Transformatoren eines Netzes dafür sorgen, daß sich die genannten
Unsymmetrien gegenseitig aufheben.