-
Stufentransformator Es ist bekannt, Flußabdrängungstransformatoren
zwecks Herabsetzung des vom Laststrom erzeugten Streuflusses und Erzielung einer
gleichmäßig ansteigenden Regelspannungskurve aus mehreren Manteltransformatoren
aufzubauen, welche hinsichtlich ihrer Erregerwicklungen parallel und hinsichtlich
ihrer mit Anzapfungen versehenen Wicklungen in Reihe geschaltet sind. Jeder Manteltransformator
besitzt mindestens zwei Rückschlüsse, von denen immer @ nur einer bei Überbrückung
einer Stufe durch den Stufenschalter von einer Kurzschlußwindung umfaßt wird, wodurch
eine Abdrängung des Erregerflusses aus diesem Rückschluß auf den anderen bzw. auf
die anderen Rückschlüsse des betreffenden Mantelkernes bewirkt wird. An dem gerade
kurzgeschlossenen Wicklungsteil bricht infolgedessen die Spannung zusammen, und
der Kurzschlußstrom wird begrenzt, so daß ein funkenloses Regeln ohne Verwendung
von Überschaltwiderständen möglich ist. Die Kurzschlußströme werden dabei um so
mehr herabgesetzt, je vollständiger sich die Flußabdrängung auswirken kann, d. h.
je größer der Querschnitt (oder je geringer die Sättigung) der Rückschlußschenkel
ist, nach denen die Abdrängung erfolgt. Sollen also beim Überbrücken der Spannungsstufen
kleine - Kurzschlußströme auftreten, so muß das Kernvolumen und damit das Gesamtvolumen
des Transformators unter Umständen. verhältnismäßig groß gewählt werden.
Gegenstand
der Erfindung ist nun ein Stufentransformator, bestehend aus mehreren hinsichtlich
ihrer Erregerwicklungen parallel und hinsichtlich ihrer mit Anzaptungen versehenen
Wicklungen in Reihe geschalteten Manteltransformatoren, die außer einem die Wicklungen
tragenden Mittelschenkel mindestens zwei Rückschlüsse besitzen, von denen immer
einer bei Überbrückung einer Stufe durch den Stufenschalter von einer Kurzschlußwindung
umfaßt wird, die Flußabdrängung bewirkt. Bei einem solchen Stufentransformator sollen
der bei Überbrückung der einzelnen Spannungsstufen auftretende und von der Transformatorspannung
abhängige Kurzschlußstrom und damit die Beanspruchung des Stufenschalters durch
diesen Strom auch ohne Vergrößerung des Kernvolumens des Stufentransformators klein
gehaIten werden.
-
Die Erfindung wird an Hand der Abb.3 bis 7 näher erläutert.
-
In Abb. i ist ein bekannter Flußabdrängungstransformator dargestellt.
Zum Verständnis der Wirkungsweise desselben dienen die Abb. 2 a bis 2 c.
-
Der bekannte Transformator besteht aus den beiden Manteltransformatoren
io und ii. Die parallel am Netz N liegenden Erregerwicklungen sind mit i bezeichnet.
2 sind die mit Anzapfungen versehenen in Reihe geschalteten Wicklungen. Der Verbraucher
V ist einerseits an den beweglichen Kontakt der Kontaktbahn 5 und andererseits an
das eine Ende der Regelwicklungen angeschlossen. Bei jedem Manteltransformator sind
Erregerwicklung und Regelwicklung auf dem Mittelschenkel angeordnet, und zwar vorzugsweise
unmittelbar aufeinanderliegend. Bei Regelung der Verbraucherspannung werden nach
und nach durch den beweglichen'Kontakt des Stufenschalters die einzelnen Halbwindungen
der Regelwicklung 2 entweder zu- oder abgeschaltet. Dabei werden vorübergehend die
einzelnen Halbwindungen kurzgeschlossen. Durch das Kurzschließen der Halbwindungen
wird der Erregerkraftfluß jeweils aus dem von dem kurzgeschlossenen Wicklungsteil
umschlungenen Flußpfad (Rückschluß) auf den anderen Flußpfad abgedrängt, so daß
kein hoher Kurzschlußstrom auftreten kann.
-
Die Abb. 2 a bis 2 c zeigen die Verteilung des Erregerkraftflusses
in den beiden Manteltransformatoren. Es ist dabei der Fall angenommen, daß der bewegliche
Kontakt des Stufenschalters vom ersten auf den zweiten festen Kontakt verschoben
wird. Abb. 2 a stellt den Flußverlauf in den Eisenkernen bei Leerlauf des Transformators
dar, d. h. wenn sich der bewegliche Kontakt des Stufenschalters auf der ersten Lamelle
der Kontaktbahn 5 in Abb. z befindet. Wird der bewegliche Kontakt in die in Abb.
i gezeichnete Stellung gebracht, dann ist der das Fenster 3 durchsetzende Stab 2'
der Regelwicklung 2 kurzgeschlossen. Der auftretende Kurzschlußstrom erzeugt einen
Abdrängungsfluß, so daß die in Abb.2b dargestellte Flußverteilung entsteht. Hierbei
ist der Fall angenommen, daß sich die Flußabdrängung vollständig auswirken kann.
Der Kurzschlußstrom in dem Stab 2' drängt den in dem linken Schenkel des Manteltransformators
befindlichen Erregerkraftfluß auf den rechten Schenkel ab, wodurch der Kurzschlußstrorn
begrenzt wird.
-
Wird der bewegliche Kontakt des Stufenschalters auf die zweite Lamelle
gebracht, so wird der Kurzschluß aufgehoben und der Stab 2' vom Laststrom durchflossen.
Jetzt ist aber die Belastung des Kernes io ungleichmäßig. Unabhängig vom Erregerkraftfluß,
der im Mittelschenkel durch die Erregerspannung unveränderlich-vorgegeben ist, entsteht
infolgedessen nun ein vom Laststrom erzeugter Drosselfluß, der sich, wie aus Abb.
2 c hervorgeht, über die Außenschenkel und Joche des Kernes io schließt.
-
Bei den vorhergehenden und folgenden Betrachtungen ist angenommen,
daß die Transformatorbelastung im wesentlichen ohmisch ist. Dann ist nämlich der
vom Laststrom erzeugte Streufluß etwa 9o° phasenverschoben gegenüber dem durch die
Primärspannung festgelegten Erregerkraftfluß. Im Maximum des Streuflusses ist somit
die Amplitude des Erregerkraftflusses gerade Null. In der Abb. 2c, die für diesen
Zeitpunkt gelten soll, ist deshalb auch nur der Streufluß eingezeichnet. Diese Betrachtungen
gelten praktisch auch noch so lange, als der Streufluß und der Erregerfluß noch
so weit phasenverschoben sind, daß ihre Maxima zeitlich nicht unmittelbar zusammenfallen.
-
Wie sich aus den Abb. 2 a bis 2 c ergibt, treten bei dem bekannten
Flußabdrängungstransformator außer dem Erregerkraftfluß zwei weitere magnetische
Flüsse auf, nämlich der Abdrängungsfluß und der Drosselfluß. Der Abdrängungsfluß
ist der fiktive Fluß, welcher durch Superposition mit dem Fluß im nicht abgedrängten
Zustand (Abb. 2 a) den Fluß im abgedrängten Zustand (Kurzschlußfall, Abb. 2b) bildet.
Die Erregung des Abdrängungsflusses erfolgt gewissermaßen durch den Kurzschlußstrom,
und zwar sind die Amperewindungen des Abdrängungsflusses der Größe nach gleich dem
Kurzschlußstrom.
-
Der Drosselfluß (Abb. 2 c) wird demgegenüber durch den Laststrom erzeugt.
Er tritt auf, wenn der Laststrom den Kern unsymmetrisch belastet und ist im allgemeinen
gegenüber
dem Erregerfluß wesentlich in der Phase verschoben. Die
erregenden Amperewindungen des Drosselflusses sind gleich dem Laststrom. Begrenzt
wird dieser Fluß durch die Sättigung des Eisens; er wirkt nach außen wie eine in
den Laststromkreis eingeschaltete Drosselspule.
-
Die magnetischen Energien des Abdrängungsflusses und des Drosselflusses
sind nun von Bedeutung für die Bemessung des Transformators und insbesondere für
die Schaltbeanspruchung des Stufenschalters. Die Schaltbeanspruchung durch den Laststrom
steigt mit zunehmender magnetischer Energie des Drosselflusses, während die Schaltbeanspruchung
durch die Transformatorspannung' mit zunehmender magnetischer Energie des Abdrängungsflusses
steigt.
-
Um also eine möglichst kleine Schaltbeanspruchung zu bekommen, ist
es wichtig, sowohl den vom Kurzschlußstrom erregten Abdrängungsfluß als auch den
durch den Laststrom erzeugten Drosselfluß möglichst klein zu halten. Die Verringerung
des Abdrängungsflusses wird nun erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei Verwendung
von Manteltransformatoren mit zwei Rückschlüssen diese oder die Joche, bei solchen
mit mehreren Rückschlüssen die Joche allein als Streuwege für den Abdrängungsfluß
des benachbarten Manteltransformators dienen. Das ist ohne weiteres möglich, da
in benachbarten Manteltransformatoren niemals gleichzeitig eine F lußabdrängung
stattfindet und somit die Nachbarschenkel oder Nachbarjoche in dem in Frage kommenden
Augenblick auch nicht hoch gesättigt sind.
-
In den Abb. 3 a bis 3 c ist veranschaulicht, in welcher Weise durch
ein unmittelbares Aneinandersetzen der beiden Mantelkerne io und i i eine Verringerung
des Kurzschlußstromes gegenüber der Anordnung gemäß den Abb. 2 a bis :2c erzielt
wird. Um Wirbelströme zwischen den einzelnen Kernblechen zu vermeiden, wird zwischen
die beiden Mantelkerne eine dünne Isolierschicht eingefügt.
-
Abb. 3 a zeigt entsprechend der Abb. 2 a die Flußverteilung bei Leerlauf
des Stufentransformators.
-
In Abb. 3 b ist angenommen, daß der Stab 2' der nicht näher dargestellten
Regelwicklung infolge Kurzschlusses der beiden ersten Lamellen der Kontaktbahn von
einem Kurzschlußstrofn durchflossen wird. Der Erregerkraftfluß wird durch diesen
Kurzschlußstrom auf den rechten Außenschenkel des Kernes io abgedrängt. Es ist ersichtlich,
daß sich nunmehr im Kern io der abgedrängte Fluß nicht nur über den rechten Außenschenkel,
sondern auch noch über den benachbarten Außenschenkel des Kernes ii, ja sogar bis
zu einem gewissen Grad auch über den anderen Außenschenkel von i i schließen kann.
Durch diese günstige Flußabdrängung kann der Kurzschlußstrom ohne Verwendung zusätzlichen
Eisens (besonders dicker Außenschenkel) außerordentlich klein gehalten werden.
-
Abb. 3 c zeigt die Verteilung des vom Laststrom erzeugten Drosselflusses
bei Einschaltung des Stabes 2' in den im wesentlichen Ohmschen Belastungsstromkreis.
Auch dieser Drosselfluß durchsetzt, ebenso wie der Abdrängungsfluß in Abb. 3 b,
die Außenschenkel und Joche des benachbarten Kernes i i.
-
Statt die Mantelkerne, wie in den Abb. 3 a bis 3 c gezeigt, aneinander
zu setzen, kann es auch vorteilhaft sein, einen einheitlichen, fünf- oder mehrschenkligen
Kern gemäß den Abb. ¢a bis q c zu verwenden, bei dem dann bewickelte Schenkel und
Streuschenkel miteinander abwechseln. Die Flußverteilung, die sich hier bei Leerlauf,
bei Kurzschluß zweier Lamellen und bei Belastung ergibt, geht unmittelbar aus den
Abb. q.a bis q.c hervor. Sie entspricht praktisch der in den Abb. 3 a bis 3 c dargestellten.
-
Durch die bei den beschriebenen Stufentransformatoren erzielbare Verringerung
des KurzschluBstromes und somit Verringerung des von diesem erregten Abdrängungsflusses
wird aber gleichzeitig die Ausbildung des vom Laststrom erzeugten Drosselflusses
begünstigt und der belastungsabhängige Spannungsabfall des in Frage kommenden Manteltransformators
unter Umständen erhöht. Das hat zur Folge, daB die Beanspruchung des Stufenschalters
:durch den Laststrom unter Umständen ansteigt. Diese Beanspruchung durch den Laststrom
kann nun aber dann ohne weiteres in Kauf genommen werden, wenn die Vollast nur kurzzeitig
auftritt, z. B. bei selbsttätig gesteuerten Niederspannungsstufentransformatoren,
die ein Niederspannungsnetz in einem ländlichen Bezirk auf konstante Spannung regeln
sollen. Hier ist die Belastung im allgemeinen nur sehr gering, ja die Transformatoren
laufen.häufig sogar überhaupt leer. Demgemäß ist die Schaltbeanspruchung durch den
Laststrom von vornherein schon gering, während die Schaltbeanspruchung durch den
Kurzschlußstrom, die unabhängig von der Belastung ist, in der erfindungsgemäßen
Weise verringert wird.
-
Bei Stufentransformatoren aber, die meist oder dauernd mit Vollast
laufen und bei denen die Schaltbeanspruchung durch den dann im wesentlichen dauernd
vorhandenen Laststrom ansteigt, muß jedoch dafür gesorgt werden, daß mit der Verringerung
der magnetischen Energie .des Abdrängungsflusses auch
eine Verringerung
der magnetischen Energie des Drosselflusses bzw. bei gleichbleibender magnetischer
Energie des Abdrängungsflusses eine Verringerung der magnetischen Energie des Drosselflusses
eintritt.
-
Das wird gemäß der weiteren Erfindung dadurch erreicht, daß die Erregerflüsse
in benachbarten Rückschlüssen oder Jochen zweier Manteltransformatoren entgegengesetzte
Richtung besitzen. Gegenüber einer Anordnung, z. B. nach Abb. 3 a bis 3 c, wird
dadurch bei gleichen Kurzschlußströmen (im Falle des Kurzschlusses zweier Lamellen
der Kontaktbahn) eine Verringerung des Querschnittes der Rückschlüsse und damit
eine stärkere Behinderung des vom Laststrom erzeugten Drosselflusses möglich. Andererseits
wird bei gleichbleibendem Kernquerschnitt durch die einander entgegengerichteten
Flüsse in den Nachbarschenkeln (gegenüber einer Anordnung mit gleichsinniger Flußrichtung)
die Ausbildung der Flußabdrängung durch den Kurzschlußstrom begünstigt, dagegen
nicht die Ausbildung des Drosselflusses.
-
In den Abb. 5 a bis 5 c ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit entgegengesetzt
gerichteten Erregerflüssen in den Nachbarschenkeln schematisch dargestellt. Die
Erregerwicklungen der beiden benachbarten Mantelkerne io und ii sind hier zur Erzielung
der Gegenflüsse gegensinnig parallel geschaltet.
-
Abb. 5 a zeigt den Flußverlauf bei Leerlauf. Wenn der magnetische
Widerstand der Trennfuge zwischen den Kernen io und i i genügend klein ist, schließt
sich der Erregerkraftfluß von Mittelschenkel zu Mittelschenkel. Dadurch verringert
sich, was von außerordentlicher Bedeutung ist, der Magnetisierungsstrom der Anordnung.
-
Abb. 5 b zeigt den Flußverlauf bei Kurzschluß des Stabes z'. Es ist
ersichtlich, daß die Sättigung der Nachbarschenkel der Kerne io und i i und damit
der Kurzschlußstrom gegenüber der Anordnung nach Abb. 3 b mit gleichsinnigen Nachbarflüssen
wesentlich verringert ist; der Fluß (und damit die Sättigung) in den benachbarten
Schenkeln der Kerne io und i i ist (den vereinfachten Fall der ioo °foigen Flußabdrängung
angenommen) nur halb so groß. Die Flußabdrängung kann sich also viel leichter auswirken.
-
Abb. 5 c zeigt den Verlauf des Drosselfiusses, sobald der Stab a'
vom Laststrom durchflossen wird. Für diesen Streufluß haben sich die Sättigungsverhältnisse
der benachbarten Schenkel von io und i i gegenüber der Anordnung nach Abb. 3 c nicht
geändert. Die Anordnung gemäß Abb. 5 a bis 5 c mit ungleichsinnigen Nachbarflüssen
hat somit gegenüber der Anordnung nach Abb. 3 a bis 3 c mit gleichsinnigen Nachbarflüssen
den Vorteil, daß neben einer Verkleinerung des Magnetisierungsstromes eine Verringerung
der magnetischen Energie des Abdrängungsflusses (und damit des Kurzschlußstromes)
ohne Vergrößerung der magnetischen Energie des vom Laststrom abhängigen Drosselflusses
erreicht ist.
-
Benachbarte Eisenteile, in denen Flußabdrängung stattfindet, können
mit verringertem Eisenquerschnitt ausgeführt werden, da durch die Annäherung ein
Nebenweg für den Fluß im abgedrängten Zustand geschaffen wird. Ferner kann es vorteilhaft
sein, die äußeren Schenkel bzw. Eisenwege des Stufentransformators, in denen eine
Flußabdrängung stattfindet und die keinen Nachbarkern zur Verfügung haben, zu verstärken.
-
Für den Stufentransformator mit abwechselnd gegensinnig parallel geschalteten
Erregerwicklungen besteht ebenso wie für den mit gleichsinnig parallel geschalteten
Erregerwicklungen die Möglichkeit, einen einheitlichen Kern zu verwenden. Ein derartiger
Transformator ist in Abb.6a bis 6c dargestellt und, wie sich aus folgendem ergibt,
besonders vorteilhaft. Zwischen je zwei der mit gegensinnig parallel geschalteten
Erregerwicklungen versehenen Schenkel befindet sich ein Streusteg. Wird der Querschnitt
dieses Steges verhältnismäßig groß gewählt, so wird die magnetische Energie des
Abdrängungsflusses klein und die magnetische Energie des Drosselflusses groß. Bei
Verringerung des Querschnittes des Streusteges ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse.
Durch geeignete Bemessung des Streustegquerschnittes oder auch durch Einfügen eines
Luftspaltes können die beiden magnetischen Energien aufeinander abgestimmt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die Schaltbeanspruchung den jeweils vorliegenden
Verhältnissen anzupassen. Die Abb.6a bis 6c zeigen auch den Flußverlauf im Stufentrans-'
formator für die verschiedenen Betriebszustände. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft
sein, die zwischen je zwei bewickelten Schenkeln liegenden Streustege fortzulassen.
-
Die Abb. 7 a bis 7 c zeigen eine weitere Ausführungsform des Stufentransformators
gemäß der Erfindung. Die Mantelkerne io und i i sind hier übereinandergesetzt, so
daß die Verlängerung des Mittelschenkels und die Verlängerung der Rückschlüsse des
einen Kernes gewissermaßen den Mittelschenkel und die Rückschlüsse des . benachbarten
Kernes bilden. Die Kernteile, die im Sinne der Erfindung als Streuwege für den Abdrängungsfluß
des benachbarten Manteltransformators dienen, sind hier die Joche. Wie aus Abb.
7 a hervorgeht, sind die Erregerwicklungen
gleichsinnig parallel
geschaltet, so daß sich in den benachbarten Jochen der Kerne io und i i entgegengesetzt
gerichtete Flüsse ergeben. Ist aber der magnetische Widerstand der Trennfuge zwischen
den Mantelkernen nur klein, so schließt sich der Erregerkraftfluß der Kerne io und
ii unmittelbar über die Mittelschenkel und die Rückschlüsse. Die benachbarten Joche
der Kerne bleiben dann bei symmetrischer Flußverteilung im wesentlichen flußfrei
(Abb. 7 a).
-
In den Abb. 7 b und 7 c ist die Flußverteilung dargestellt, die sich
bei Kurzschluß des Wicklungselementes 2 bzw. bei Einschalten dieses Elementes in
den Laststromkreis ergibt.
-
Auch bei dieser Anordnung können die Erregerwicklungen gegensinnig
parallel geschaltet werden. Dann sind die Kraftflüsse in den benachbarten Jochteilen
der Mantelkerne io und i i gleichgerichtet.
-
Ferner kann statt der Kerne io und ii ein einheitlicher Kern verwendet
werden. Hierdurch ist es möglich, eine. bauliche Verkürzung und auch eine Verringerung
des Eisengewichtes des Stufentransformators zu erzielen.
-
Der Stufentransformator nach der Erfindung kann statt aus zwei Manteltransformatoren
auch aus mehreren Manteltransformatoren bestehen, was in der Praxis von besonderer
Bedeutung ist. Jeder Manteltransformator (außer denen am Anfang und am Ende der
Reihe) besitzt dann zwei Nachbartransformatoren, nach deren Rückschlüssen hin, je
nach der Spannungsregelung, eine Flußabdrängung stattfindet.
-
Die Verwendung der Rückschlüsse oder Joche als Streuwege für den Abdrängungsfluß
des benachbarten Manteltransformators gemäß der Erfindung hat besondere Bedeutung
bei bereits vorgeschlagenen Flußabdrängungstransformatoren mit Anzapfungen nach
jeweils ilJ2 oder 2'/2 Windungen usw., da hier besonders große Abdrängungsflüsse
auftreten.