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Drehstromtransformator oder Drehstromdrosselspule Bei Drehstromtransformatoren
oder Drehstromdrosselspulen treten wegen des nichtlinearen Zusammenhanges von Fluß
und Amperewindungen fünfte und siebente Oberwellen im Magnetisierungsstrom auf,
welche erheblich stören können. Insbesondere machen sich solche Oberwellen störend
bemerkbar, wenn die Sättigung des Eisens hoch gewählt wird. Um diese Oberwellen
unschädlich zu machen, hat man bereits vorgeschlagen, parallel zu einem in Sterndreieck
geschalteten Transformator einen zweiten Transformator gleicher Magnetisierungsleistung
zu schalten, der in Dreieckstern geschaltet ist. Es ergänzen sich dann die fünften
und siebenten Oberwellen in beiden Magnetisierungsströmen zu Null. Gegenstand der
Erfindung ist ein Drehstromtransförmator bzw. eine Drehstromdrosselspule, bei dem
bzw. der die Oberwellen durch die besondere Ausbildung des Transformators bzw. der
Drosselspule unterdrückt werden. Gemäß der Erfindung werden zur Beseitigung der
Oberwellen die Schenkel des Transformators bzw. der Drosselspule aufgespalten und
durch Hilfswicklungen die in den beiden Teilen eines Schenkels entstehenden Flüsse
um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzt. Um z. B. die fünften Oberwellen
im Magnetisierungsstrom, welche in den die beiden Teile des Schenkels jeweils umgreifenden
Hauptwicklungen auftreten, zu unterdrücken, kann man eine Flußversetzung von 36°
der
beiden Teilflüsse vorsehen. Vorteilhaft ist es, eine Flußversetzung
von 3o° anzuwenden, weil dann keine fünften und siebenten Oberwellen in den die-
beiden Teilschenkel umgreifenden Hauptwicklungen des Transformators auftreten können.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform erhält man, wenn man Längsschlitze vorsieht,
die in Richtung der Ebene der Kernbleche liegen.
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In, der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Dreischenkeltransformator mit den Schenkeln x,
2 und 3. Gemäß der Erfindung ist jeder Schenkel durch einen Schlitz in. zwei gleiche
Teile a und b aufgespalten. Die Wicklungen I und II, die nicht vom
Netz erregt werden, sind ausschließlich Spreizwicklungen, welche die Aufgabe haben,
die Flußaufspaltung, wie sie im Vektordiagramm der Fig. 2 dargestellt ist, zu erzwingen.
Die von der Netzspannung erregte Hauptwicklung (Primärwicklung) des Transformators,
die ganz beliebig wie bei jedem anderen Transformator geschaltet sein kann und die
beiden Teilschenkel umgreift, ist in den Figuren mit III bezeichnet. Die Schaltung
der Hauptwicklung III ist offengelassen, da die Schaltung beliebig gewählt werden
kann. Die andere Hauptwicklung (Sekundärwicklung) ist der Einfachheit halber nicht
gezeichnet, für sie gilt dasselbe, wie für die Primärwicklung. In Fig. 2 ist dargestellt,
wie der Fluß «)1 des Schenkels :i sich aus zwei um 30° gegeneinander versetzten
Teilflüssen 01a und Olb zusammensetzt. Um diese Flußaufspaltung zu erreichen, sind
die Hilfswicklungen I und II vorgesehen. Die Hilfswicklung I umgreift die beiden
Teilflüsse «)1a und Olb derart in entgegengesetzter Schaltrichtung, daß an den Klemmen
der Wicklung I eine Spannung entsprechend der Differenz der beiden Teilflüsse 01a
und Olb auftreten muß. Man sieht nun aus dem Diagramm der Fig. 2, in welchem die
Aufspaltung der Flüsse lediglich für den Schenkel i gezeichnet ist - die Flüsse
0, und 03 der Schenkel 2 und 3 -werden gleichfalls in um 30° versetzte Teilflüsse
«)2a, 0,b und 03a, Ab aufgespalten -, daß unter der vorausgesetzten Bedingung, daß
die beiden Teilflüsse um 3o° gegeneinander versetzt sind, der Differenzfluß 01,17-01b
die gleiche Richtung wie der Fluß 0,o-0,
haben muß. Man braucht daher, um
die beiden Teilflüsse im Schenkel i um 30° zu versetzen, die Wicklung I nur von
einer verketteten Spannung zu erregen, die von den anderen beiden Schenkelflüssen
erzeugt wird. Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel die Wicklung I1 vorgesehen,
welche in Stern geschaltet ist. Die Wicklung I auf dem Schenkel i ist an die Endpunkte
der Wicklung II auf den Schenkeln 2 und 3 angeschlossen. In entsprechender Weise
ist die Wicklung I auf den Schenkeln 2 und 3 angeschlossen. Um die gewünschte Flußversetzung
durch die Hilfswicklungen zu erzwingen, muß ein bestimmtes Windungsverhältnis der
Wicklungen I und II gewählt werden. Die Wahl des Windungsverhältnisses ergibt sich
aus Fig. z. Bezeichnet man mit w1 die Windungszahl der Wicklung I, die einen Teilschenkel
umgreift, so muß an den Klemmen dieser Wicklung eine Spannung herrschen, die gleich
ist: k - (0l, Olb) - wl oder, wie aus Fig. 2 ersichtlich, gleich k - 01 - tg i5°
wI. Bezeichnet man mit wa die Windungszahl der Wicklung II, die beide Teilschenkel
gemeinsam umgreift, so ist die von der Wicklung II erzeugte verkettete Spannung,
wie sich aus dem Vektorbild ergibt, gleich:
Da diese beiden Spannungen gleich sein sollen, so ist also das Verhältnis von w,
zu w]1 gleich
Man erkennt aus den Magnetisierungsbedingungen des normalen Transformators, daß
das Kupfer für die Wicklungen I und II im Verhältnis zum Hauptkupfer des Transformators
in der Größenordnung von nur i0/, liegt, da der Ausgleichstrom, welcher zum Versetzen
der Flüsse erforderlich ist, nur etwa ein Viertel des normalen Magnetisierungsstromes
des Transformators beträgt.
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Durch die Aufspaltung jedes Schenkelflusses in zwei um 30° versetzte
Teilflüsse entstehen zwei Dreiphasensysteme von Flüssen, die gegeneinander um 30°
versetzt sind, so daß sich im Magnetisierungsstrom die fünften und siebenten Oberwellen
aufheben.
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Im Ausführungsbeispiel war angenommen worden, daß die Hilfswicklung
I für beide Teile eines Schenkels die gleiche Windungszahl hat. Man kann aber auch
die Windungszahlen auf den beiden Teilschenkeln verschieden groß wählen. An welche
Spannung man dann die Wicklung I legen muß, ergibt sich aus der Überlegung, daß
die beiden Teilflüsse eines Schenkels gleich groß und um 30° gegeneinander versetzt
sind, und daß die an den Klemmen der Wicklung I auftretende Spannung unter dieser
Bedingung gleich sein muß k # (WI' ' Ola=wl"Olb), worin wI' die Windungszahl auf
dem Schenkel a, wI" die Windungszahl auf dem Schenkel b ist. Die Wicklung I muß
dann an eine Spannung angeschlossen werden, welche nach Größe und Phasenlage der
obenerrechneten Spannung gleich ist und z. B. durch besondere Hilfswicklungen erzeugt
wird.
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Während im Ausführungsbeispiel die Wicklung I so geschaltet ist, daß
sie die beiden Teile eines Schenkels im entgegengesetzten Sinne umschlingt, kann
man sie auch so schalten, daß sie die beiden Teile eines Schenkels im gleichen Sinne
umschlingt. Auch hierbei ergibt sich wieder unter Berücksichtigung, daß die beiden
Teilflüsse gleich groß und um 30° gegeneinander versetzt sind, diejenige Spannung
nach Größe und Phasenlage, welche der Wicklung zugeführt werden muß. Umschlingt
die Wicklung I die beiden Teile eines Schenkels im gleichen Sinne, so scheidet der
Fall, daß die Windungszahlen auf beiden Teilen gleich groß sind, aus.
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Fig. i stellt nur schematisch die Anordnung der Wicklungen dar. Praktisch
wird man sowohl in der Nähe des oberen als auch des unteren Joches Wicklungen I
anordnen oder sie auch längs des ganzen Schenkels verteilen, wozu sich vorzugsweise
Röhrenwicklungen verwenden lassen.
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Es ist nicht erforderlich, daß zur Erzeugung der Spannung, an welche
die Wicklung I angeschlossen
wird, besondere Hilfswicklungen II
vorgesehen werden. Man' kann auch beispielsweise diese Spannung einer der Hauptwicklungen
des Transformators selbst entnehmen. Bei geeigneter Wahl der Windungszahl kann man
auch, z. B. beim Ausführungsbeispiel nach Fig. z, die Wicklung I von der verketteten
Netzspannung unmittelbar erregen.
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Es ist auch möglich, die Flußversetzung dadurch zu erzwingen, daß
man die Hilfswicklung I nicht um die Teilschenkel, sondern, durch den Schlitz um
die Joche herumschlingt. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Fig. 3, in welcher
wieder ein dreischenldiger Transformator dargestellt ist. Die Hilfswicklungen I
umschlingen die Joche. Zweckmäßig wird man die Hilfswicklung I sowohl um das obere
als auch um das untere Joch herumschlingen. Wie man die Windungszahl der einzelnen,
die Joche umgreifenden Windungen wählen muß, und durch welche Spannungen sie erregt
werden müssen, ergibt sich wieder aus der Bedingung, daß die beiden Teilflüsse eines
Schenkels um 30° gegeneinander versetzt sein müssen. Die dazu z. B. erforderlichen
Hilfswicklungen sind nicht dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht nur anwendbar für Transformatoren, bei denen
die Hauptwicklungen III den Laststrom führen, sondern in gleicher Weise auch für
Drosselspulen, die beispielsweise zum Blindleistungsausgleich langer Leitungen dienen
und stark gesättigt sind.
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Wie bereits eingangs erwähnt, ist es nicht unbedingt erforderlich,
eine Flußversetzung von 30° zu erzwingen, sondern man kann auch beispielsweise eine
solche von 36° hervorrufen. Auch hier ergibt sich wieder aus einem entsprechenden
Vektorbild die Windungszahl und die die Hilfswicklung erregende Spannung.
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Man kann die Flußversetzung auch durch eine andere Gruppe von Hilfswicklungsschaltungen
erzwingen, bei der die mit dem Index a und b bezeichneten Teilschenkel
des Transformators je als selbständige Drehstromeinheit behandelt werden, z. B.
in Sterndreieck oder in Sternzickzack parallel geschaltet werden, so daß die Flüsse
in den beiden Einheiten jeweils um 30° gegeneinander versetzt sind.
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In Fig. q. ist ein Ausführungsbeispiel für eine solche Anordnung dargestellt.
Die Wicklung I auf den Schenkeln a ist in Stern, die Wicklung II auf den Schenkeln
bin Dreieck geschaltet. Die beiden Wicklungen I und II sind parallel geschaltet.
Dadurch wird erzwungen, daß die beiden Flüsse in den Teilschenkeln a und
b um 3o elektrische Grade gegeneinander versetzt sind, so daß sich in der
Hauptwicklung III die fünften und siebenten Oberwellen aufheben. Eine besonders
einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn man für die Wicklungen I und II die geringstmögliche
Windungszahl wählt, nämlich vier Windungen für die Stern- und sieben Windungen für
die Dreieckswicklung. Man kann diese z. B. aus Flachkupfer herstellen und über die
Schenkellänge verteilt aufbringen. Der Spulenkasten mit den Hauptwicklungen wird
dann darüber aufgebracht. Eine solche Anordnung unter Verwendung von Flachkupferwindungen
wird insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Jochbleche stumpf auf die Kernbleche
aufstoßen. Wo dies nicht der Fall ist, wird es zweckmäßig sein, Scheibenwicklungen
aufzubringen, und man wird dann sowohl in der Nähe der oberen als auch zweckmäßig
in der Nähe der unteren Joche jeweils Wicklungen I und II vorsehen oder sie auch
längs des ganzen Schenkels verteilen. Bei genügender Breite des Schlitzes wird man
jedoch im allgemeinen mit je einer Wicklung oben und unten oder einer Wicklung in
der Mitte des Schenkels auskommen.
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Statt die eine Wicklung in Stern und die andere in Dreieck zu schalten,
kann man auch die Wicklung der Schenkel a in Stern und die der Schenkel
b in 30° Zickzack schalten und die beiden Wicklungen parallel schalten. Es
ist auch möglich, jede der beiden Wicklungen in Zickzack mit ± z5° Drehung zu schalten.
Aber auch andere Schaltungsmöglichkeiten für die Wicktungen ergeben sich, z. B.
kann man beide Wicklungen I und 1I in Dreieck schalten. Die Wicklungen werden aber
dann nicht mit ihren Eckpunkten parallel geschaltet, sondern mit so gewählten Punkten
des Dreiecks, daß hierdurch wiederum eine Versetzung der Teilflüsse um 3o elektrische
Grade erzwungen wird. Wie die beiden Dreieckswicklungen miteinander zu verbinden
sind, zeigt im Vektordiagramm die Fig. 5. Mit A, B und C sind diejenigen
Punkte bezeichnet, die beiden Dreieckswicklungen gemeinsam sind. Man kann aber auch
gleichzeitig noch die Punkte A', B' und Cmiteinander verbinden.
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Fig. 6 zeigt im Vektordiagramm eine andere Möglichkeit, wie man zwei
Dreieckswicklungen zwecks Versetzung der Flüsse um 30° parallel schalten kann.
A, B und C sind die gemeinsamen Punkte.
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Die fünften und siebenten Oberwellen werden dann aufgehoben, wenn
die beiden Teilflüsse gleiche Kurvenform haben. Dies ist bei den bisherigen Ausführungsbeispielen
erfüllt, da sich keine dritten Oberwellen im Fluß ausbilden können. Hat aber der
Transformator bzw. die Drosselspule noch zusätzliche Schenkel (Fünfkernschenkel)
oder können sich größere Streuflüsse über den Kesselmantel ausbilden, so müßte man
z. B. bei der Anordnung nach Fig. q, weil sonst in den Schenkeln a dritte Oberwellen
auftreten könnten, eine Hauptwicklung des Transformators in Dreieck schalten oder
aber eine in Dreieck geschaltete Wicklung auf den Schenkel a aufbringen. Eine solche
ist aber dann nicht erforderlich, wenn die beiden Hilfswicklungen I und II in Dreieck
geschaltet sind.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen war angenommen worden, daß
die Oberwellen nur infolge der Sättigung in den Schenkeln entstehen oder mit anderen
Worten, die Joche sind schwächer gesättigt und rufen keine oder nur geringe Oberwellen
hervor, so daß einerseits eine Symmetrierung des Magnetisierungsstromes erzielt
und andererseits der Oberwellenausgleich auf die Schenkelamperewindungen beschränkt
werden kann. Man kann aber auch in den Fällen, in welchen die Joche gleichfalls
Oberwellen erzeugen, den Einfluß der Joche mit berücksichtigen, indem man dafür
sorgt, daß der von ein und demselben Fluß durchsetzte Eisenteil, bei dem der Weg
des Flusses größer ist als bei einem zweiten, durch einen anderen Fluß durchsetzten
Eisenteil, schwächer gesättigt ist als der zweite. Der Grund
dafür
liegt im folgenden: Es muß, damit sich die Oberwellen im Strom aufheben, für alle
drei Flüsse 0i, 0, und 03 das Produkt aus Feldstärke H, Induktion B und Volumen
v der von ihnen durchsetzten Eisenteile untereinander gleich groß sein. Nun durchsetzt
der Fluß 01, der gleich ist: 0.,1 + Olb, nicht nur den linken äußeren 5rchenkel,
sondern auch die linken, oberen und unteren Jochteile und der Fluß 03 den rechten
Schenkel und die rechten oberen und unteren Jochteile, während der Fluß 02 nur den
Mittelschenkel durchsetzt. Infolgedessen ist das Volumen der von den Flüssen 01
und 03 durchsetzten Eisenteile größer als das Volumen des vom Fluß 02 durchsetzten
Eisenteiles, und infolgedessen müssen die erstgenannten beiden Eisenteile, damit
die Volumenbedingung B.H.v = konstant aufrechterhalten wird, etwas schwächer gesättigt
werden. Die praktische Ausführung eines solchen Transformators, bei dem auch die
Einflüsse der Jochsättigung mit berücksichtigt werden, zeigt die Fig. 7. Die Schenkelschlitze
der Außenschenkel werden bis in die Joche hineingezogen, und die Bemessung wird
so getroffen, daß die Produkte aus Feldstärke, Induktion und Volumen der verschieden
schraffierten Eisenteile untereinander gleich sind. Andererseits muß man aber ferner
dafür sorgen, daß auch die Produkte B.H.v der von den Teilflüssen 0" und
0, durchsetzten Eisenteile gleich groß sind .oder mit anderen Worten, auch
bei den gleich schraffierten Eisenteilen muß untereinander die oben angegebene Volumenbedingung,
daß die Produkte B.H.v untereinander gleich groß sein müssen, bestehen. Setzt man
voraus, daß die Schichthöhe der Blechpakete in allen Eisenteilen gleich groß ist,
so müssen infolgedessen die von den Flüssen 01 und durchsetzten Teile einen etwas
größeren Querschnitt bekommen als der Mittelschenkel, und ferner müssen die von
den Flüssen 01a und Alb durchsetzten Eisenteile infolge ihrer größeren Länge einen
größeren Querschnitt haben als die von den Flüssen 01, und 03a durchsetzten
Eisenteile.
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Wie die Fig. 7 zeigt, ist diese Bauweise besonders für Transformatoren
mit Rahmenkernen geeignet. Es ist dann nur notwendig; die in der Figur gestrichelt
eingetragenen Schlitze in der Mitte des Transformators magnetisch zu überbrücken.
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Bei der angegebenen Bedingung, daß für alle Flüsse die Produkte aus
Feldstärke, Induktion und Volumen der von ihnen durchsetzten Eisenteile untereinander
gleich sind, ist unter Induktion und Feldstärke diejenige der Grundwelle zu verstehen,
da davon ausgegangen ist, daß das Verhältnis der Feldstärke einer Oberwelle zur
Feldstärke der zugehörigen Grundwelle in dem in Frage kommenden Bereich ungefähr
konstant ist. Dies trifft auch im allgemeinen zu. Will man jedoch noch genauer rechnen,
so muß man, um beispielsweise die Bemessungsbedingung für den Ausgleich der fünften
Oberwelle zu erhalten, stets die Feldstärke für die fünfte Oberwelle und die Induktion
der Grundwelle einführen, weil das Produkt beider und dem Volumen ein Maß für die
durch die Eisenteile erzeugten Oberwellen im Strom ist.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde die Aufspaltung der
Flüsse dadurch erreicht, daß Hilfswicklungen vorgesehen waren und Schlitze, die
senkrecht zur Blechschichtebene liegen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, Schlitze
vorzusehen, die in Richtung der Blechschichtebene verlaufen. Man kann dann den Transformator
aus zwei gleichen Blechpaketen herstellen. In den Fig.8 und 9 ist eine solche Anordnung
in Vorderansicht und Schnitt gezeichnet. Wie die Fig. 9 zeigt, besteht der Transformator
aus zwei gleichen Blechpaketen.. Die Schenkel des einen tragen die Wicklung I, die
Schenkel des anderen Blechpaketes die Wicklung II, wenn das Schaltbild der Fig.
¢ oder eine dieser Figur analoge Schaltung zugrunde gelegt wird. Die Wicklung III
ist wieder die Hauptwicklung, z. B. die Primär- oder Sekundärwicklung, welche die
beiden Blechpakete umfaßt. Auch bei dieser Anordnung kann man darauf Rücksicht nehmen,
daß auch die Joche Oberwellen erzeugen. Auch hier ist es besonders zweckmäßig, die
Wicklungen I und II mit der geringstmöglichen Windungszahl auszuführen und sie als
Flachkupferwicklung auszubilden. Man kann aber bei dieser Anordnung auch Röhrenwicklungen
vorsehen. Wird bei der Anordnung nach Fig. 8 bzw. 9 eine Schaltung gewählt, wie
sie z. B. der Fig. i zugrunde gelegt wurde, so ist die Wicklung I dann wieder so
anzuordnen, daß sie die beiden. Eisenteile umschlingt.
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Während bei den bisherigen Ausführungsbeispielen angenommen wurde,
daß der Transformator bzw. die Drosselspule parallel zur Leitung liegt und infolgedessen
durch die Anordnung die fünften und siebenten Oberwellen im Magnetisierungsstrom
unterdrückt werden, kann man die Erfindung auch dann anwenden, wenn der Transformator
bzw. die Drosselspule im Zuge in der Leitung liegt. Es werden dann die fünften und
siebenten Oberwellen in der Spannung unterdrückt.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich alle auf den
Fall, daß die Flüsse in den beiden Teilschenkeln um 30° gegeneinander versetzt sind.
Man kann aber auch, wie bereits eingangs erwähnt, wenn man nur die fünften Oberwellen
unterdrücken will, eine Schaltung treffen, bei welcher die beiden Teilflüsse um
36° gegeneinander versetzt sind. Will man nur die siebente Oberwelle ausgleichen,
so muß die Schaltung so getroffen werden, daß die beiden gleichen Teilflüsse um
18o/7 elektrische Grade gegeneinander verschoben sind.