EP0656637B1 - Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket - Google Patents

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EP0656637B1
EP0656637B1 EP94250233A EP94250233A EP0656637B1 EP 0656637 B1 EP0656637 B1 EP 0656637B1 EP 94250233 A EP94250233 A EP 94250233A EP 94250233 A EP94250233 A EP 94250233A EP 0656637 B1 EP0656637 B1 EP 0656637B1
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EP
European Patent Office
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transformer
windings
voltage
laminated core
free space
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EP94250233A
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English (en)
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Jian Dr.-Ing. Xie
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Alstom Transportation Germany GmbH
Bombardier Transportation Holdings USA Inc
Original Assignee
AEG Westinghouse Transport Systeme GmbH
AEG Westinghouse Transportation Systems Inc
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/08—High-leakage transformers or inductances

Definitions

  • the invention relates to a transformer with a frame-shaped laminated core, as defined in the preamble of claim 1.
  • a transformer is known from DE-C-0 631 785.
  • each of the windings is located separately from the other windings in a separate window into which the central space enclosed by the laminated core is divided by one or more cruciform intermediate yokes.
  • the sole aim of dividing the central interior by the cruciform intermediate yokes is to protect the primary circuit by the reduction in short-circuit currents that can be achieved thereby.
  • GTO gate turn-off
  • the high power required is generally achieved by connecting several four-quadrant actuators in parallel using just one such transformer.
  • FIG. 5 shows the schematic circuit diagram for such a transformer with four four-quadrant actuators 2 feeding in separate undervoltage windings 1.
  • the four high-voltage windings 3 are generally connected in parallel.
  • FIG. 6 The constructive design of such a known transformer, which is to be assumed to be known, can be seen in FIG. 6.
  • the constructive design of such a known transformer which is to be assumed to be known, can be seen in FIG. 6.
  • Around the legs 4 and 5 of a frame-shaped laminated core 6 are the undervoltage windings 1 and the high-voltage windings 3 grouped into pairs and protrude on one side into the central free space 7 enclosed by the laminated core 6.
  • the 16 2/3 Hz AC voltage is generated by pulsing the power semiconductors (GTOs) in four-quadrant actuators 2 from DC voltages.
  • GTOs power semiconductors
  • the output voltages e1, e2, e3 and e4 of the four-quadrant controller (cf. FIG. 5) are corresponding Fig. 7c superimposed with high harmonics.
  • These voltage harmonics further cause current harmonics in the undervoltage windings 1, as shown in FIG. 7b.
  • the individual four-quadrant actuators are clocked with an offset.
  • the output current of the transformer iGes in the high-voltage winding 3 becomes sinusoidal (cf. FIG. 7a).
  • the object of the invention is to design a single transformer so that the unwanted current harmonics can be greatly reduced in a simple manner without significantly increasing the transformer costs, the transformer volume and the weight.
  • a cross-shaped intermediate yoke 8 is integrated into the new transformer instead of the mere frame-shaped laminated core 6 which has hitherto been the case.
  • the four pairs of windings 1, 3 are magnetically decoupled in the four windows 9 thus formed (in the previous space 7).
  • the principle underlying the new design is as follows:
  • the magnitude of the current harmonics in the undervoltage windings 1 depends on the leakage inductance and decreases with increasing leakage inductance.
  • Transformers with several undervoltage windings 1 have two different leakage inductances: between the individual undervoltage windings 1 and between the undervoltage windings 1 and the high-voltage windings 3. While the first leakage inductance is decisive for limiting the current harmonics, the second one determines the voltage drop of the transformer. In the previous transformer design (see FIG. 6), the sizes of the two leakage inductances are dependent on one another.
  • the leakage inductance between the undervoltage windings 1 must therefore not be increased arbitrarily to reduce the current harmonics, since otherwise the voltage drop of the transformer is also increased, which means a deterioration in the electrical properties of the transformer.
  • the four low and high voltage windings are magnetically decoupled by the additional intermediate yoke 8.
  • the leakage inductance between the individual undervoltage windings 1, which determines the magnitude of the current harmonics, can thus be increased as desired without influencing the other leakage inductance.
  • 2a and 2b that the currents are sinusoidal in both the high and low voltage windings through the use of the new transformer design. Since only 8 harmonics in the intermediate yoke of the river are present, which have a very small amplitude, the intermediate yoke 8 can be dimensioned very narrow. In order to reduce the current harmonics by approx. 20 times, for example, a cross section of the intermediate yoke 8 of only about 1/10 of the leg cross section 4 or 5 is required. For this reason, the additional intermediate yoke 8 does not make the transformer much larger and heavier.
  • 3 and 4 show transformer constructions for six- or eight-fold infeed and arranged accordingly two three or two four winding pairs 1; 3.
  • the transformer laminated core 6 is supplemented here by two or three adjacent cross-shaped intermediate yokes 8 which merge into one another. The principle of action is as already described.
  • the new transformer design can be used wherever several four-quadrant actuators are operated in parallel, e.g. can also be used on locomotives.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist. Ein solcher Transformator ist durch die DE-C-0 631 785 bekannt.
  • Bei diesem bekannten Transformator, der im allgemeinen als Klingeltransformator oder als Spielzeugtransformator dient, befindet sich jede der Wicklungen getrennt von den übrigen Wicklungen in einem eigenen Einzelfenster, in die der zentrale,vom Blechpaket umschlossene Freiraum durch ein oder mehrere kreuzförmige Zwischenjoche unterteilt ist. Einziges Ziel der Aufteilung des zentralen Innenraums durch die kreuzförmigen Zwischenjoche ist eine Absicherung des Primärkreises durch die dadurch erzielbare Reduktion der Kurzschlußströme.
  • In der zuvor erwähnten DE-C-0 631 785 ist zum Stand der Technik angegeben, daß bei mehrphasigen Manteltransformatoren zwischen die Transformatorbleche Streustegbleche zur Erzielung eines die Verzerrung der Stromkurve vorbeugenden Flusses eingeschaltet werden können.
  • Transformatoren werden auch zur Bereitstellung von 16 2/3 Hz-Energie bei der Bahnstromversorgung über statische Umrichter mit Leistungshalbleitern (z.B. Gate-Turn-Off (= GTO)-Thyristoren) eingesetzt. Die benötigte hohe Leistung wird dabei allgemein durch Parallelschaltung von mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern über nur einen solchen Transformator erreicht.
  • In Fig. 5 ist das schematische Schaltbild für einen solchen Transformator mit vier auf separate Unterspannungswicklungen 1 einspeisende Vierquadrantensteller 2 dargestellt. Die vier Oberspannungswicklungen 3 sind allgemein parallel geschaltet.
  • Der als bekannt vorauszusetzende konstruktive Aufbau eines solchen bekannten Transformators ist Fig. 6 entnehmbar. Um die Schenkel 4 und 5 eines rahmenförmigen Blechpakets 6 sind dabei die Unterspannungswicklungen 1 und die Oberspannungswicklungen 3 je zu Paaren gruppiert und ragen einseitig in den vom Blechpaket 6 umschlossenen zentralen Freiraum 7.
  • Die 16 2/3 Hz-Wechselspannung wird durch Pulsen der Leistungshalbleiter (GTOs) in Vierquadrantenstellern 2 aus Gleichspannungen erzeugt. Durch das Pulsen sind die Ausgangsspannungen e1, e2, e3 und e4 der Vierquadrantensteller (vgl. Fig. 5) entsprechend Fig. 7c mit hohen Oberschwingungen überlagert. Diese Spannungsoberschwingungen verursachen weiter Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1, wie in Fig. 7b dargestellt. Zur Kompensation der Stromoberschwingungen werden die einzelnen Vierquadrantensteller versetzt getaktet. Dadurch wird der Ausgangsstrom des Transformators iGes in der Oberspannungswicklung 3 sinusförmig (vgl. Fig. 7a).
  • Von den Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 werden zusätzliche Stromwärmeverluste im Transformator und in den Stromrichtern hervorgerufen. Außerdem wird die Ausnutzung der Leistungshalbleiter (GTOs) durch die Stromspitzen deutlich verschlechtert. Diese Nachteile können durch den Einsatz von vier getrennten Transformatoren, die oberspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, beseitigt werden. Dadurch werden aber die Kosten, das Volumen und das Gewicht des Transformators stark erhöht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einzel-Transformator so auszubilden, daß auf einfache Weise, ohne wesentliche Erhöhung der Transformatorkosten, des Transformatorvolumens und des Gewichtes die unerwünschten Stromoberschwingungen stark reduziert werden können.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des einzigen Anspruches gelöst.
  • Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    den neuartigen Transformatoraufbau für vier Wicklungspaare
    Fig. 2
    die zugehörigen Strom- und Spannungsverläufe
    Fig. 3
    den neuartigen Transformatoraufbau für sechs Wicklungspaare
    Fig. 4
    den Transformatoraufbau für acht Wicklungspaare
    Fig. 5 bis 7
    den schon erläuterten Stand der Technik.
  • Wie Fig. 1 zeigt, ist dem neuen Transformator statt des bloßen bisher üblichen rahmenförmigen Blechpakets 6 ein kreuzförmiges Zwischenjoch 8 integriert. In den damit gebildeten vier Fenstern 9 (im bisherigen Freiraum 7) liegen die vier Wicklungspaaare 1;3 magnetisch entkoppelt ein. Das der neuen Konstruktion zugrundeliegende Prinzip ist folgendes:
  • Die Größe der Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 ist von der Streuinduktivität abhängig und nimmt mit zunehmender Streuinduktivität ab. Bei Transformatoren mit mehreren Unterspannungswicklungen 1 gibt es zwei unterschiedliche Streuinduktivitäten: Die zwischen den einzelnen Unterspannungswicklungen 1 und die zwischen den Unterspannungswicklungen 1 und den Oberspannungswicklungen 3. Während die erste Streuinduktivität für die Begrenzung der Stromoberschwingungen maßgebend ist, bestimmt die zweite den Spannungsabfall des Transformators. Bei der bisherigen Transformatorkonstruktion (vgl. Fig. 6) sind die Größen der beiden Streuinduktivitäten voneinander abhängig. Die Streuinduktivität zwischen den Unterspannungswicklungen 1 darf deswegen zur Verringerung der Stromoberschwingungen nicht beliebig erhöht werden, da sonst der Spannungsabfall des Transformators ebenfalls vergrößert wird, was eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Transformators bedeutet.
  • Bei der neuen Transformatorkonstruktion werden die vier Unter- und Oberspannungswicklungen durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 magnetisch entkoppelt. Damit kann die Streuinduktivität zwischen den einzelnen Unterspannungswicklungen 1, die die Größe der Stromoberschwingungen bestimmt, ohne Einfluß auf die andere Streuinduktivität beliebig erhöht werden. D.h., die Stromoberschwingungen können durch Erhöhung der Streuinduktivität stark reduziert werden, ohne den Spannungsabfall des Transformators zu vergrößern. In den Fig. 2a und 2b sieht man, daß die Ströme durch den Einsatz der neuen Transformatorkonstruktion sowohl in den Oberspannungs- als auch in den Unterspannungswicklungen sinusförmig sind. Da im Zwischenjoch 8 nur Oberschwingungen des Flusses vorhanden sind, die eine sehr kleine Amplitude haben, kann das Zwischenjoch 8 sehr schmal dimensioniert werden. Um die Stromoberschwingungen z.B. um ca. 20-fach zu reduzieren, wird ein Querschnitt des Zwischenjoches 8 von etwa nur 1/10 des Schenkelquerschnitts 4 bzw. 5 benötigt. Aus diesem Grund wird der Transformator durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 nicht viel größer und schwerer.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen Transformatorkonstruktionen für sechs- oder achtfache Einspeisung und entsprechend angeordnet zweimal drei bzw. zweimal vier Wicklungspaare 1;3. Das Transformator-Blechpaket 6 ist hier durch zwei bzw. drei aneinandergrenzende kreuzförmige Zwischenjoche 8, die ineinander übergehen, ergänzt. Das Wirkungsprinzip ist wie bereits geschildert.
  • Die neue Transformatorkonstruktion kann überall dort, wo mehrere Vierquadrantensteller parallel betrieben werden, z.B. auch auf Lokomotiven, eingesetzt werden.

Claims (1)

  1. Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket (6), bei dem auf zwei seiner gegenüberliegenden Schenkel (4; 5) Wicklungen (1, 3) angeordnet sind und bei dem der vom Blechpaket (6) umschlossene zentrale Freiraum (7) durch wenigstens ein kreuzförmiges Zwischenjoch (8) in gleichförmige Einzelfenster (9) unterteilt ist, in welche jeweils zugeordnete Wicklungen (1; 3) ragen, wobei der Querschnitt des wenigstens einen Zwischenjoches (8) einen Bruchteil des Querschnittes der Schenkel (4; 5) beträgt, derart, daß die Streuung zwischen den Unterspannungswicklungen (1, 3) vergrößert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Wicklungen (1, 3) als mindestens vier Wicklungspaare (1; 3) aus jeweils einer inneren Oberspannungswicklung (3) und einer darüberliegenden äußeren Unterspannungswicklung (1) auf jedem der gegenüberliegenden Schenkel (4; 5) gruppiert sind und
    daß die Oberspannungswicklungen (3) in Reihe geschaltet sind.
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