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Ein- oder Mehrphasentransformator der Kerntype Zur stufenlosen Regelung
der Spannung bzw. des Stromes in ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen kann
man Drehtransformatoren oder Schubtransformatoren verwenden. Drehtransformatoren
sind teuer, da sie im wesentlichen den Aufbau einer Induktionsmaschine haben. Die
bisher bekanntgewordenen Schubtransformatoren haben den Nachteil, daß zwei Primärwicklungen
für jede Phase erforderlich sind und daß sie bezüglich des Transformatoreisens die
Bauart der Manteltype besitzen, so daß sie infolge Fehlens einer magnetischen Verkettung
viel Transformatoreisen erfordern.
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Die Erfindung vermeidet die geschilderten Nachteile der Schubtransformatoren.
Die Erfindung kann sowohl bei Ein- als auch bei Mehrphasentransformatoren verwendet
werden. Der Transformator besitzt zum stufenlosen Regeln der Spannung bzw. des Stromes
in an sich bekannter Weise verschiebbare Jochstücke, und die eine Wicklung (Primär-oder
Sekundärwicklung) ist auf den Kernen in Nuten untergebracht. Erfindungsgemäß sind
die Primär- und Sekundärwicklungen zueinander konzentrisch so angeordnet, daß bei
der Verschiebung der Jochstücke Teile der in den Nuten untergebrachten Wicklung
aus dein magnetischen Kreis aus- bzw. in diesen eingeschaltet werden und daß auch
die nicht in den Nuten untergebrachte Wicklung ganz oder teilweise mit verschiebbar
ist. Diese Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen ermöglicht eine besonders
geringe Streuung, trotzdem der Transformator in weiten Grenzen regelbar ist. Von
den beiden Wicklungen des Transformators braucht nur die zu regelnde ganz oder teilweise
in \ uten untergebracht zu sein, während die zweite Wicklung, deren Windungszahl
magnetisch unverändert bleibt, also stets mit dem ganzen Fluß verkettet ist, als
Scheiben- oder Zylinderwicklung ausgeführt werden kann.
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Das Wesen der Erfindung soll an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
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In Abb. i und 2 stellen i, 2, 3 die drei Schenkel eines Drehstromtransformators
dar, die auf der einen Jochseite durch .das Joch 4. miteinander verbunden sind.
Die andere Jochseite wird durch die beiden beweglichen Schenkel s und 6 dargestellt.
Auf den drei Schenkeln befinden sich in Nuten die drei Sekundärwicklungen 7, 8,
g, die von den drei Primärwicklungen io, 1i, i2 konzentrisch umgeben sind. Die drei
Primärwicklungen werden in der aus den beiden Abb. i und 2 ersichtlichen Weise von
einer Trägerkonstruktion 13 gehalten, an der auch die beiden beweglichen Schenkel
5 und 6 befestigt sind. In der durch Abb. i dargestellten Stellung der beiden beweglichen
Schenkel 5 und 6 durchsetzt der Fluß die volle Sekundärwicklung. Wird nun die Trägerkonstruktion
13 mit den
Primärwicklungen und den beiden Schenkeln 5 und
6 nach unten gesenkt, so werden allmählich immer mehr Windungen der Sekundärwicklungen
aus dem magnetischen Kreis frei, während die Primärwicklungen stets mit dem gleichen
Fluß verkettet bleiben. Die Spannung an der Sekundärwicklung wird dadurch kleiner.
Damit die aus dem magnetischen Kreis frei gewordenen Seku-därwicklungsteile nicht
zu unerwünschter Streubildung Anlaß geben, ist -es zweckmäßig, diese frei gewordenen
Windungen, am besten auf induktivem Wege, kurzzuschließen. Dies kann so geschehen,
daß man in an sich bekannter Weise Kurzschlußwindungen darüberstülpt. Diese werden
in einfacher und robuster Weise an der Trägerkonstruktion 13 befestigt und sind
in Abb. i durch die gestrichelten Linien 14 angedeutet.
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Bei der Anordnung nach Abb. i umschließt die Primärwicklung nicht
in jeder Stellung der beiden Schenkel 5 und 6 die ganze ini magnetischen Kreis noch
befindliche Sekundärwicklung, so daß an diesen Teilen unerwünschte Streuung auftreten
kann. Man kann dies vermeiden, wenn man die Primärwicklung so anordnet, wie es Abb.
3 andeutet. Die Primärwicklung ist hier nicht in allen ihren Teilen an die Verschiebungen
der beiden Schenkel 5 und 6 gebunden, sondern die dem festen Joch 4 benachbarten
Wicklungsenden sind diesem gegenüber fest angeordnet, während die in der Nähe der
beiden Schenkel 5 und 6 befindlichen Wicklungsenden an deren Trägerkonstruktion
befestigt sind. Es findet also bei Verschieben der beiden beweglichen Schenkel ein
Auseinanderziehen oder Zusammendrücken der Primärwicklung statt, so daß auf diese
Weise die ganze wirksame Sekundärwicklung in jeder Stellung der Schenkel 5 und 6
von der Primärwicklung umgeben wird, wodurch die Streuung auf ein Minimum vermindert
wird. Die aus dem magnetischen Kreis frei gewordenen Teilre der Sekundärwicklung
werden auch hier wieder zweckmäßig durch Kurzschlußwindungen induktiv kurzgeschlossen.
Die richtige Bewegung der Primärwicklung bei der Anordnung nach Abb. 3 kann durch
eine einfache Scherenkonstruktion bekannter Bauart erfolgen. Es ist dabei zweckmäßig,
die Primärwicklung in einzelne Scheibenspulen zu unterteilen, wodurch eine sichere
Befestigung dieser Teilspulen an der Scherenkonstruktion ermöglicht wird. Im rechten
Teil der Abb. 3 ist eine derartige Scherenkonstruktion angedeutet.
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Wenn die beweglichen Schenkel 5 und 6 zwei benachbarte Zähne auf den
feststehenden Schenkeln i, 2, 3 bedecken, so hätten die zwischen den Zähnen befindlichen
Wicklungsteile, da sie völlig von Eisen umgeben sind, Streupfade von unerwünscht
gutem Leitwert. Damit würden unter Umständen in diesen Wicklungsteilen bei Belastung
unzulässige Spannungsabfälle auftreten. Diesem Nachteil kann man auf verschiedene
Weise begegnen. Man kann z. B. die beweglichen Schenkel 5 und 6 so anordnen, daß
die Schichtung ihrer Bleche nicht parallel zur Schichtung der Bleche in den feststehenden
Schenkeln verläuft, sondern senkrecht dazu. Dies ist in Abb. 4 angedeutet, wo. 15
die Schichtung der Bleche in den fest= stehenden Schenkeln angibt und 16 diejenige
der beweglichen Schenkel. Der magnetische Widerstand des Hauptflusses wird dadurch
nicht beeinflußt, während der des Streuflusses für die Wicklungsteile mit durch
das Jochstück überdeckten Nuten eine beträchtliche Steigerung erfährt. Man kann
auch zum gleichen Zweck auf den Schenkeln 5 und 6 Kurzschlußwindungen 17 anbringen
(vgl. Abb. 5), die so angeordnet sind, daß ihre Wicklungsachse senkrecht zur Richtung
des Hauptflusses verläuft. Sie bilden auf diese Weise für den Hauptfluß kein Hindernis,
während sie den Streufluß der eingebetteten Wicklungsteile-wirksam abschirmen. Schließlich
kann man auch die Kurzschlußwindungen 14 so weit vorschieben, daß die eingebetteten
Teile der Sekundärwicklung bereits von. ihnen umfaßt werden, wodurch die Ausbreitung
schädlicher Streuflüsse ebenfalls verhindert ist.
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Soll die Spannung durch Null hindurch nach der entgegengesetzten Richtung
geregelt werden, so ist es zweckmäßig, beim Nulldurchgang die Sekundärwicklung in
an sich bekannter Weise durch einen Schalter umzuschalten. Wie dies geschieht, zeigt
Abb. 6 in einphasiger Darstellung. Das eine Ende der Sekundärwicklung 18 führt zu
einem Kontakt i g, während -das andere Ende mit den beiden Kontakten 2o und 21 verbunden
ist. Liegt der Schalter 22 auf 2o und 23 auf ig, so wird die Wicklung für die angegebenen
Pfeilrichtungen von unten nach oben durchlaufen, wenn die Schalter umgelegt werden
in umgekehrtem Sinn.
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Man kann jedoch die Anordnung auch so treffen, daß kein Umschalter
benötigt wird, wenn man eine Vergrößerung des Transformators dafür in Kauf nimmt.
Es ist dies in der Weise möglich, daß man einen zweiten Transformator gleicher Bauart
mit dem ersten elektrisch und mechanisch so kuppelt, daß, wenn der eine seine volle
Spannung in der einen Richtung besitzt, der andere keine oder eine sehr kleine Spannung
entgegengesetzter Richtung liefert. Beim Verringern der Spannung des einen Transformators
nimmt dann die des anderen in entgegengesetzter Richtung bis zu ihrem volldn Endwert
zu. In Abb. 7 ist eine derartige Anordnung im Prinzip angedeutet. 24 bedeutet das
in der dargestellten
Weise ausgebildete Blechpaket mit den vier
beweglichen Schenkeln 25, 26, 27 und 28. Es entstehen auf diese Weise zwei magnetische
Kreissysteme: das obere, gebildet aus einem Teil des Blechpakets 24 und den beiden
Schenkeln 25 und 26, das untere aus dem übrigen Blechpaket 2.1. und den beiden Schenkeln
27 und 28. Ferner bedeuten 29 die Primärwicklung des oberen Systems, 3o die des
unteren Systems, 31 und 32 die entsprechenden Sekundärwicklungen. Die befden
Primärwicklungen sind parallel, die beiden Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet,
und zwar derart, daß die in ihnen erzeugten Spannungen sich entgegenarbeiten. In
der dargestellten Stellung der beweglichen Schenkel besitzt die Sekundärwicklung
des oberen Systems ihre höchste Spannung, die des unteren ihre kleinste. Werden
die beweglichen Schenkel 25, 26 und 27, 28 mit Hilfe der mechanischen Verbindung
33 nach unten verschoben, so vermindert sich die Spannung an der Sekundärwicklung
des oberen Systems, während sie an der des unteren Systems anwächst. Gleichzeitig
wird die Primärwicklung des oberen Systems mittels der angedeuteten Scherenkonstruktion
34 zusammengedrückt, während die des unteren Systems durch 35 auseinandergezogen
wird. Wenn die beweglichen Schenkel25 und 26 so weit nach unten gekommen sind, daß
die wirksamen Windungen der beiden Wicklungen 3 r und 32 einander gleich sind, ist
die resultierende Sekundärspannung Null; bei weiterem Verschieben überwiegt dann
die Spannung des unteren Systems.
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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens, die gegenüber
dem Vorausgegangenen wesentliche Vorteile bietet, soll im folgenden noch behandelt
werden. Wenn man die Wicklungen der Anordnung nach Abb. 7 entsprechend schaltet,
führen die Verbindungsstücke des Blechpakets 24, welche die Wicklungen der beiden
Systeme voneinander trennen, keinen magnetischen Fluß. Man kann sie daher weglassen
und erreicht dadurch eine außerordentliche Einfachheit des -Aufbaues, wie aus Abb.
8 hervorgeht. Das Blechpaket besteht wieder aus zwei gegeneinander verschiebbaren
Systemen. Das eine wird gebildet aus den drei Schenkeln 34, 35, 36 mit der in Nuten
gebetteten Sekundärwicklung, die auf jedem Schenkel in zwei gegeneinander geschaltete
Teile 37 -und 38 unterteilt ist; das andere System ist zusammengesetzt aus den vier
Verbindungsschenkeln 39, 40, 41 und 42, zwischen denen die Primärwicklung 43 angeordnet
ist, und zwar derart, daß sie die Sekundärwicklung konzentrisch umschließt. Die
beiden Systeme sind gegeneinander verschiebbar. In der in Abb. 8 dargestellten relativen
Lage der beiden Systeme durchsetzt der von der Primärwicklung erzeugte Fluß nur
den oberen Teil der drei Schenkel 34, 35, 36 und den auf ihnen befindlichen oberen
Teil 37 der Sekundärwicklung. Es wird daher in diesem Wicklungsteil eine
Spannung bestimmter Richtung induziert, während der untere Wicklungsteil 38 ohne
Feld und Spannung ist. Wird nun das System mit der Primärwicklung nach unten bewegt,
so treten Teile der oberen Sekundärwicklung 37 aus dem magnetischen Kreis aus, und
Teile der unteren Sekundärwicklung 38 werden in den Kreis einbezogen. Die Spannung
der Wicklung 37 wird also abnehmen und die der Wicklung 38 im entgegengesetzten
Sinn anwachsen. In der Mittelstellung des Primärsystems sind gleich viel Windungen
der beiden Wicklungen 37 und 38 im magnetischen Kreis vorhanden, so daß sich ihre
Spannungen aufheben und die resultierende Sekundärspannung Null ist. Bei weiterem
Verschieben des Primärsystems nach unten nimmt die resultierende Sekundärspannung
entgegengesetztes Vorzeichen an und erreicht in der unteren Endlage den entsprechenden
Höchstwert, wobei die obere Wicklung 37 spannungsfrei ist. Damit nun in den Teilen
der beiden Wicklungen 37 und 38, die den magnetischen Kreis verlassen, keine unerwünschte
Streubildung auftritt, ist es angebracht, Kurzschlußwindungen, wie bereits bei den
vorausgegangenen Ausführungsformen erwähnt, über die frei gewordenen Wicklungsteile
zu schieben, die jede Feldbildung praktisch verhindern. Diese Kurzschlußwindungen
sind in Abb. 8 mit 44 und 45 angedeutet und an den Schenkeln 39, 4o bz-W. 41, 42
befestigt. Sie können blank und ohne Isolation gegen Erde verlegt werden, so daß
ihre Herstellung und Anbringung sehr einfach und billig werden.
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Zur Verhütung eines Streuflusses um die von den Schenkeln 39, 40,
44 42 magnetisch kurzgeschlossenen Windungen können wieder die obengenannten und
durch Abb. 4, 5 dargestellten Mittel angewendet werden. In Abb.8 ist dies durch
zwei Kurzschlußwindungen auf dem Schenkel 4o angedeutet.
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Die im vorausgegangenen behandelten Ausführungsbeispiele beziehen
sich vorzugsweise auf Drehstromtransformatoren. Es ist selbstverständlich, daß der
Erfindungsgedanke in gleicher Weise auch für Einphasen- und Mehrphasensysterne gilt.
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Ferner ist es möglich, den Transformator auch als regelbaren Stromtransformator
zu betreiben, wobei es zweckmäßig ist, die Rolle von Primär- und Sekundärwicklung
zu vertauschen, damit für die sekundär abzugebende Spannung immer die volle sekundäre
Windungszahl zur Verfügung steht. Dadurch
wird bekanntlich der Fluß
und damit der Erregerstrom des Transformators klein. Weiterhin ist es möglich, außer
den zu regelnden Wicklungen noch weitere Wicklungen auf dem Transformator anzuordnen,
deren nichtregelbare Spannung mit der regelbaren Spannung in beliebiger Weise kombiniert
werden kann.
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Zur Verminderung der Streuung kann es in manchen Fällen von Vorteil
sein, die Primärwicklung in parallel geschaltete Teile zu unterteilen.