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Manteltransformator mit Flußabdrängung Die Erfindung betrifft einen
Manteltransformator finit F1ußabdrängung, dessen Mittelschenkel die Erregerwicklung
und eine mit Anzapfungen versehene Regelwicklung trägt.
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Bei einem bekannten Manteltransformator mit Flußabdrängung besitzt
der Kern, wie die Abb. r zeigt, zwei Rückschlüsse 2 und 3. Auf dein Mittelschenkel
sind die Erregerwicklung 12 und die Regelwicklung 14 aufgebracht. Die Regelwicklung
ist immer nach einer Halbwindung mit einer Anzapfung versehen. Die Anzapfungen sind
an eine Kontaktbahn 6 angeschlossen, von der die geregelte Spannung durch den beweglichen
Kontakt 7 des Stufenschalters abgenommen wird. Beim Regelvorgang wird durch Kurzschluß
zweier Lamellen der Kontaktbahn immer nur der sich über den Rückschluß 2 oder den
Rückschluß 3 schließende Erregerteilfluß vom Kurzschlußstrolnkreis umfaßt,wodurch
eine Abdrängung des Erregerteilflusses von dem Rückschluß 2 auf den Rückschluß 3
und umgekehrt möglich ist. Ein solcher Transformator gestattet eine Spannungsregelung
ohne Verwendung von Uberschaltwiderständen auch bei Belastung. Da die Regelwicklung
desselben aber Halbwindungsanzapfungen besitzt, ist die Spannungszunahme von Stufe
zu Stufe nur klein, was häufig unerwünscht ist. Anzapfungen immer nach einer Vollwindung
anzuordnen, ist nicht möglich, da sich in diesem Fall eine Flußabdrängung nicht
ausbilden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, den bekannten Manteltransformator
dahingehend umzubauen, daß die Spannungszunahme von Stufe zu Stufe mehr als die
halbe Windungsspannung beträgt. Gemäß .der Erfindung wird das dadurch erreicht,
daß die Anzapfungen an der Regelwicklung immer nach 11/z oder 2'/2 Windungen usw.
angeschlossen werden.
Abb. z zeigt einen erfindungsgemäß ausgehildeten
Flußabdrängungstransformator mit der Erregerwicklung 12. Die Regelwicklung i.4 ist
hier immer nach i1/2 Windungen mit einer Anzapfung versehen. Die geregelte Spannung
wird unter Verwendung einer Stufenschalteinrichtung i6, 17 bei i @ abgenommen.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die Benutzung der Anzapfungen in der
erfindungsgemäßen Weise im Kern Flüsse auftreten, die bei Überbrücken zweier Lamellen
durch den Stufenschalter im Kurzschlußkreis die Spannung unter Umständen bis auf
den Wert Null herabmindern können. Das sei näher an Hand der Abb. 3 bis 5 erläutert.
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Hier ist angenommen, daß die Erregerwicklung 12 auf dem Mittelschenkel
des Mantelkernes von einer konstanten Spannung gespeist sei. Der Fluß im Mittelschenkel
ist dann konstant und habe den Wert 01. Die Flüsse in den Außenschenkeln seien 02
und 03 . Findet an der Regelwicklung kein Kurzschluß statt, so ist
(die Punkte über den Größen 0 sollen Vektoren andeuten; ferner soll für alle Flüsse
die Richtung von unten nach oben als positiv gelten).
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Es ist weiter angenommen, daß die Regelwicklung in der erfindungsgemäßen
Weise unsymmetrisch kurzgeschlossen wird, und zwar so, daß im Fenster I zu, = 2
und im Fenster II zoll = i Leiter des kurzgeschlossenen Teiles liegen. zu, -wIl
= zu2 = i Windung muß sich außen herum schließen. In Abb.4 schließt sich
diese eine Windung auf der Seite des Schenkels 2 außen herum, während sie in Abb.
5 außen um den Schenkel 3 geführt ist. In Abb.4 ist der Fluß 0, von
Tu, = i Windung und der Fluß 02 von w2 = i Windung umfaßt. In bezog auf Abb.
5 dagegen kann man sagen, daß 7u, = i Windung den Fluß 01 und zu2 = i Windung die
Flüsse 01 und 03 umschlingt. Damit die resultierende Spannung im kurzgeschlossenen
Teil in beiden Fällen gleich Null sein kann. muß sein für Abb. . zu, #b1- w2 #h2
= o , für Abb. 5 zu, #ß1 -j- w.- (ß1-1,- #b3) - o . Beide Gleichungen sind
identisch, da ,1-f- d)2 +@3 -- o ist. Daraus folgt
In diesen Formeln finden der Widerstand des kurzgeschlossenen Wicklungsteiles und
die Sättigung-keine Berücksichtigung. Siegelten ganz allgemein, und zwar auch für
den Fall der reinen Flußab.drängung mit zu, = i und wn = O.
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Aus diesen Formeln ergibt sich, daß für die Floßverteilung die Windungszahlen
maßgebend sind, mit welchen der kurzgeschlossene Wicklungsteil die beiden Fenster
durchsetzt. Die Lage der Kurzschlußverbindungen außerhalb des Kernes ist ohne Belang.
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Für 'zu, und wij können an sich beliebige voneinander verschiedene
Zahlen gewählt werden. Es ändern sich mit diesen Zahlen aber auch w, und w2. Für
wl = 5 und zuli = 3
z. B. wird wi = 3, während zu2, die Zahl der z. B. den
Außenschenkel :2 umschlingenden Kurzsc'hlußwindungen, gleich -, wird.
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Für den wichtigsten Fall, daß, -%v ie in den Abb. 2 bis 5 dargestellt,
eine Rückverbindung von nur einer Windung (w2) außerhalb des Kernes liegt, welche
an die Kontaktbahn geführt und durch den Stufenschalter geschlossen ist, ergibt
sich zul- wll = i, somit 1-#2=: WII#i#1.
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A '= - (i -1- wII) #1 wli ist in der letzten Gleichung die Zahl der
Vollschleifen, mit welchen der :Mittelschenkel umschlungen wird.
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In dem einen Außenschenkel (Schenkel 2 in Abb. 4 und 5) erfolgt eine
Floßumkehr. Der Floß in diesem Schenkel verhält sich zum Floß im Mittelschenkel
wie wlI : i. Im anderen Außenschenkel (Schenkel 3 in Abb.4 und 5) behält .der Fluß
seine Richtung bei. Er verhält sich zum Fluß im Mittelschenkel wie (wll -f- i) :
i. Bei ioo°/oiger Wirksamkeit der Kurzschlußwicklung erhöht sich der Fluß im Außenschenkel
3 gegenüber dein Zustand ohne Kurzschluß auf das 2 # (zoll + i)-fache seines ursprünglichen
Wertes, bei reiner Flußabdrängung (U)II = o) also auf das 2fache, bei wlI = i auf
das .fache usw.
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Will man den Kurzschlußstrom in der Kurzschlußwicklung klein halten,
so muß man darauf achten, daß .durch die Floßverteilung im Kurzschlußzustand keine
zu hohen Sättigungen auftreten, d. h. man muß die Querschnitte der Außenschenkel
und Joche genügend groß machen, z. B. bei reiner Flußabdrängung (w1, = o) größer
als ohne Flußabdrängung, bei zell = i etwa doppelt so groß als bei reiner Flußabdrängung
usw. Zu weit darf inall aber mit der Vergrößerung der Querschnitte nicht gehen,
da sonst der bei ungleichmäßiger Belastung durch den Laststrom erzeugte Streufloß
(der nur mit der Regelwicklung, aber nicht mit der Erregerwicklung verkettet ist
und sich über die Außenschenkel und Außenjoche des Kernes schließt) und damit die
vom
Laststrom abhängige Schaltbeanspruchung des Stufenschalters
zu groß wird. Zweckmäßig wird die Vergrößerung der Kernquerschnitte nur so weit
getrieben, daß der Wert des zu schaltenden Kurzschlußstromes ungefähr gleich dem
des Laststromes ist. Aber auch bei höheren Kurzschlußströmen treten unzulässige
Überbeanspruchungen nicht auf, wenn, etwa durch Anbringen von Rasten am Stufenschalter,
dafür Sorge getragen, wird, daß der Schalter nicht in den überbrückungsstellungen
stehenbleibt.
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Wie die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche ergeben haben, läßt
sich auf jeden Fall eine so erhebliche Kurzschlußbegrenzung erreichen, daß beim
Verschieben des beweglichen Stufenschalterkontaktes Öffnungsfunken praktisch nicht
auftreten. Soweit sie in geringem Maße entstehen, können sie leicht durch parallel
zum Stufenschalter, gegebenenfalls über Hilfsbürsten, gelegte Kondensatoren völlig
unterdrückt werden. In vielen Fällen kann es auch von Vorteil sein, besondere Wicklungen
auf den Kernen vorzusehen, z. B. auf den Rückschlüssen .der Kerne, an die Kondensatoren
angeschlossen sind.
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Die Erfindung wurde an Hand eines dreischenkligen Man.teltransforrnators
erläutert. Statt des Mantelkernes kann der Transforinator aber auch zwei Einphasenkerne
besitzen. In diesem Falle werden dann zwei Schenkel dieser Einphasenkerne von den
Wicklungen umfaßt. Ferner ist die Erfindung nicht auf Manteltransformatoren beschränkt,
deren Kerne nur zwei Rückschlüsse aufweisen. Die obigen Überlegungen, gelten vielmehr
auch für Mantelkerne mit mehreren Rückschlüssen. Die Anzapfungen sind dann entsprechend
anzubringen, z. B. bei einem Kern mit drei Rückschlüssen immer nach il/, oder immer
nach i°-/3 Windungen usw. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist jedoch
der Manteltransformator mit einem Mittelschenkel, zwei Rückschlüssen und Anzapfungen
jeweils nach il/.; Windungen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Abb. 6 dargestellt.
Der Transforniator besteht hier aus mehreren Manteltransformatoren, deren Erregerwicklungen
parallel am Netz liegen. Die einzelnen Regelwicklungen sind in Reihe geschaltet.
21 sind (lie einzelnen Mantelkerne. Die Kontaktbahn des Stufenschalters, zu der
die immer nach il/., Windungen an jeder Regelwicklung angebrachten Anzapfungen geführt
sind, ist hier, was in vielen Fällen besonders vorteilhaft ist, geradlinig ausgeführt.
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Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß sich auch bei einem größeren
Regelspannungsbereich und bei größerer Last eine Regelspannungskurve von praktisch
gleichen Stufen ergibt, da ein belastungsabhängiger Spannungsabfall nicht auftritt.
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Die Verwendung von Anzapfungen an der Regelwicklung nach jeweils ili,
Windungen ergibt gegenüber Halbwindungsanzapfungen bei den bekannten Transformatoren
eine Verringerung der Anzahl der Anzapfungen samt Lötstellen. Ferner wird auch die
Kontaktbahn des Stufenschalters um ein Drittel kürzer. Diese Vorteile sind besonders
ausschlaggebend beim Bau von Manteltransformatoren kleinerer Leistung (Kleinregler,
Regler für Ausläufer von Netzen, usw.), z. B. für eine Durchgangsleistung von etwa
5 bis 3o kV A. Aber auch bei Transformatoren für größere Leistung kann man mit Vorteil
von der Erfindung Gebrauch machen, wenn man eine große Leistung pro Schaltstufe
unterbringen will und wenn man bei hohen Lastströmen auch eine Erhöhung des Kurzschlußstromes
zulassen kann. Dann ist nämlich eine Vergrößerung des Eisens nur in geringem Maße
erforderlich.
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Eine Erhöhung der Windungsspannung ist auch durch Vergrößerung der
Schichthöhe der Kerne möglich, weil dadurch bei gleicher Sättigung und bei gleichem
Blechschnitt der Kurzschlußstrom praktisch nicht erhöht wird. Diese Maßnahme hat
aber unter Umständen eine wirtschaftliche und konstruktive Grenze.
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Der vom Laststrom bei unsymmetrischer Belastung erzeugte, hauptsächlich
in Eisen verlaufende Streufluß (Drosselfluß) wird durch die Erhöhung der Windungszahl
innerhalb einer Spannungsstufe nicht erhöht, da die Durchflutung nur von der Differenz
toI coll abhängt; wohl aber kann eine Vergrößerung dieses Streuflusses (Drosselflusses)
durch Vergrößerung des Querschnittes für die Außenschenkel und Joche eintreten.
Das wird jedoch in bezug auf die Schaltleistung nicht sehr nachteilig sein, da der
Abbrand an der Stufenschalteinrichtung an sich nicht allzu groß ist.
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Der Manteltransformator gemäß der Erfindung eignet sich besonders
gut als fTberschaltdrossel in Verbindung mit einem Grobstufentransforinator, insbesondere
zur Regelung von Lokomotivmotoren. Werden in Verbindung mit dem Grobstufentransformator
die üblichen Feinregler bzw. lJberschaltdro,sseln benutzt, so ergibt sich entweder
wegen der erforderlichen feinen Unterteilung der Spannung ein sehr langer Schaltweg,
oder aber es müssen wegen der zu schaltenden hohen Leistung schwere, verhältnismäßig
umständliche Lastschalter (Funkenschalter) vorgesehen sein. Bei Verwendung des erfindungsgemäß
ausgebildeten Transformators als Überschaltdrossel wird demgegenüber ein rasches
Überbrücken auch verh--iltnismäßig hoher Stufenspannungen
ohne besondere
Lastschalter und praktisch ohne Funkenbildung möglich.
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Besteht der Transformator gemäß der Erfindung aus mehreren Manteltransformatoren
und wird er als Überschaltdrossel in Verbindung mit einem Grobstufentransformator
verwendet, so kann es vorteilhaft sein, statt parallel geschalteter Erregerwicklungen
der Manteltransformatoren jeden Transformator mit einer Ausgleichswicklung zu versehen
und diese unter sich parallel zu schalten.