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Dreiphas ige Wicklung in St ern-l)reieck-Mischschaltung für
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cine elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine dreiphasige
Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung für eine elektrische Maschine nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind für mehrstufiges Anlassen von Induktionsmotoren Stern-Dreieck-Mischschaltungen
bekannt ("CONTI ELEKTRO-Berichto" 1965, Seiten 212 bis 215), bei denen nur die Anlaßstufung
betrachtet ist und hierzu die Sternzweige gleichachsig zu den Dreieckabschnitten
angeordnet sind.
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Für oberwellenarme Drehfeldamanschinen sind Wicklungen mit einem in
Dreieck geschalteten Wicklungsteil und einem in Stern geschalteten Wicklungsteil
unter Parallel schaltung beider Wicklungsteile bekannt (Proc. IEE 117 (1970) Seiten
1657 ff.). hnliche Schaltungen sind auch für polamplitudenmodulierte polumschaltbare
Dreiphasenwicklungen allein zur Verbesserung der Felderregerkurven bekanntgeworden
CEPO 018 835 A1). Hierbei sind exakt angepaßte Windungszahlen zur Vermeidung von
Ausgleichsströmen erforderlich, was nur bei entsprechend großen Nutenzahlen und/oder
vielen Leitern pro Nut ausführbar ist.
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Eine Stern-Dreieck-Mischschaltung zur Erzielung eines gleichmäßigeren
zeitlichen und räumlichen Flußverlaufes bei Asynchronmaschinen mit konzentrierten
Wicklungen und ausgepägten Polen ist ferner aus der DE-PS 949 896 bekanntgeworden,
bei der die Sternzweigspulen entsprechend der Phasenlage ihrer Ströme auf räumlich
um 30° el versetzten Polen angeordnet sind. Eine Verkleinerung der Kupferverluste
wird bei keiner dieser Stern-Dreieck-Mischschaltungen angestrebt.
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Die Schlei fringläufer von Asyncronmotoren größerer Leistung sind
im allgemeinen mit dreiphasigen ungesehnten Stabwicklungen versehen, um zur besseren
Ausnutzung der Maschine einen möglichst hohen Wicklungsfaktor t zu erhalten.
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Bei gesehnten Stabwicklungen (Stab-Wellenwicklungen) kann die Spulenweite
W nur auf einer Stirnseite verkürzt werden, dagegen muß sie auf der anderen Stirnseite
um den gleichen Betrag vcrgrößert werden. Zur Vermeidung unterschiedlicher Wickelkopf-Auslandungen
werden daher Stab-Wellenwicklungen mit unterschiedlichen Zonenbreiten für den vorlaufenden
und den rücklaufenden Wicklungsteil ausgesführt (Sequenz "Die Wicklungen elektrischer
Maschinen" Bd. 1 "Wechselstrom-Ankerwicklungen", Springer-Verlag Wien 1950). Dabei
bleibt die gesamte Leiterlänge und damit auch der Wicklungswiderstand trotz Sehnung
unverändert, jedoch erhöht sich bei unveränderter Leistung der Strom reziprok zu
der mit dem Sehnungsfaktor = = sin (W/x . t/2) (Gl. 1) verminderten Spannung so
daß sich die leistungsbezogenen Kupferverluste in Abhängigkeit vom Sehnungsfaktor
erhöhen gemäß
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreiphasige Wicklung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die sowohl einen verminderten Oberwellengehalt der Felderregerkurve
als auch verringerte Kupferverluste aufweist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Maßnahmen nach
dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der @rfindung
sind gegenstand der Unteransprüchc.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispele und weitere
Einzelheiten
der Erfindung angegeben und nachfolgend näher er]äutert. Es zeigen Fig. 1 Zonenplan
einer ungesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung Fig. 2 das dazugehörige Durchflutungspolygon
(gleichseitiges Sechseck@ Fig. 3 Zonenplan einer 5/6gesehnten sechszonigen Dreiphasenwicklung,
Fig. 4 das zu Fig. 3 und 6 gehörige 1)urchflutungspolygon (ungleichseitiges Zwölfeck),
Fig. 5 die zu den Wicklungen nach Fig. 1 und 3 gehörige Phasenlage des Stromsystems,
Fig. 6 Zonenplan einer ungesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung, Fig. 7 Zonenplan
ciner 11/12gesehnten zwölfzonigen Dreiphasenwicklung, Fig. 8 das zu Fig. 7 gehörige
Durchflutungspolygon (ungleichseitiges Vierundzwanzigeck), Fig. 9 die zu den Wicklungen
nach Fig. 6 und 7 gehörige Phasenlage des Stromsystems, Fig. 10 Sehnungsabhängigkeit
der auf herkömmliche Zweischichtwicklungen bezogenen Kupferverluste von Stern-Dreieck-Mischschltungen
als Stab-Wellenwicklung bzw.
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Zweschicht-Drahtspulenwicklung, Fig. 11 Zonenplan und räumliche Spulenverteilung
eines Stranges sowie der insgesamt notwendigen Schaltverbindungen einer 4poligen
Stab-Wellenwicklung für N = 72 Nuten (N/p = 36) Fig. 12 Nutenstern der Wicklung
nach Fig. 11, Fig. 13 Schaltbild der Wicklung nach Fig. 11, Fig. 14 Görgespolygone
der in Tabelle I zusammengestellten 12/18- bis 18/18gesehnten Wicklungen für N/p
= 36, Fig. 15 bis 18 Görgespolygone er in Tabelle II zusammeS-gestellten Stern-Dreieck-Mischschaltungen
bei Spulengruppierungen 1 - 10 - 1; 2 - 8 - 2; 3 - 6 - 3 und
4 -
4 - 4 jeweils für Spulenschr?ittweiten 1 -5 bis 1 - 19 für N/p = 36, Fig. 19 räumliche
Spulenanordnung einer 11/12gesehnten zwölfzonigen 7-weischichtwicklung mit Zonenplan
nach Fig. 7 für N = 48 Nuten, Fig. 20 und 21 effektive Strangwindungszahlen einer
Stern-Dreieck-Mischschaltung mit einheitlichen Spulen sowie für Sternzweige mit
abweichenden, angepaßten Spulen und jeweils hälftinger Spulenaufteilung entsprechend
Tabelle III, Fig. 22 bis 25 Spulenanordnungen von 4poligen, ungesehnten, zwölfzonigen
Einschichtwicklungen für N = 48 Nuten analog zu Fig. 6, wobei Fig. 22 und 23 mit
paarweise benachbart bzw. verteilt angeordneten konzentrischen Spulengruppen Fig.
24 mit gleichmäßig verteilten Einzelspulen (Korbwicklung) sowie Fig. 25 als Zweietagenwicklung
mit gekreuzten Spulenköpfen ausgeführt sind.
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Ausgehend von einer üblichen sechszonigen, ungesehnten, dreiphasigen
7weischichtwicklung mit einem Zonenplan nach Fig. 1 , einem gleichseitigen sechseckigen
Durchflutungspolygon nach Fig. 2 und einem zugehörigen Stromsystem mit der Phasenlage
nach Fig. 5 kann durch eine 5/6-Sehnung gemäß Fig. 3 ein zwölfeckiges Durchflutungspolygon
nach Fig. 4 erhalten werden, das gegenüber dem der ungesehnten Zweischichtwicklung
nach Fig. 1 und 2 einen verringerten Oberwellengehalt aufweist, jedoch entsprechend
den Gleichungen (1) und (2) um rund 7 % höhere Kupferverluste gegenüber der erstgenannten
Wicklung aufweist.
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Bei der Zweischichtwicklung nach Fig. 3 überlappen sich die in Oberschicht
OS und Unterschicht US jeweils mit 600 ei Phasenverschiebung aufeinanderfolgenden
Wicklungszonen jeweils abwechselnd in den Überlappungzonen I und II mit
der
durch die Spulenweite W festgelegten Zonenbreite E für die Überlappungszone 11 (Cl.
3).
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In der Überlappungszone lt beträgt die resultierende Nutdurchflutung
gegenübc r Je r Nutdurchflutung der in Oberschicht und Unterschicht gleichphasing
stromdurchflossenen Spulenseiten der Überlappungszone I nur das ##=0,866 fache und
ist gegenüber dieser um 30° el phasenverschoben. Dadurch ergibt sich bei gleicher
Phasenlage nach Fig. 5 das zwölfeckige Durchflutungspolygon nach Fig. 4 mit den
Polygonseitenlängen I und II.
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Ein zwölfeckiges Durchflutungspolygon nach Fig. 4 kann auch mit einer
ungesehneten zwölfzonigen Zweischichtwicklung nach Fig. 6 erhalten werden, wenn
diese mit einem Stromsystem mit der Phasenlage nach Fig. 9 gespeist wird. Dieses
Stromsystem besteht aus zwei gegeneinander um 300 el phasenverschobenen Teilsystemen
U1 , V1 , W1 und U2, V2, W2, deren Amplituden sich wie 1 : ### verhalten.
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Bei einem solchen Stromsystem nach Fig. 10 kann gemäß Fig. 7 durch
eine 11/12gesehnte Zweischichtwicklung auch ein vierundzwanzigeckiges Durchflutungspolygon
mit entsprechend verringertem Oberwellengehalt nach Fig. 8 erhalten werden Bei durchwegs
einheitlichen Spulen treten im zweiten Teilsystem U2, V2, W2 wegen der auf das g/2-Eache
herabgesetzten Ströme nur 75 ° der in den Spulen des ersten Teilsystems U1, U2>
U3 vorhandenen spezifischen Verluste auf, so daß sich bei der ungesehnten zwölfzonigen
Zweischichtwicklung nach Fig. 6 gegenüber er vergleichbaren D/6gesehnten sechszonigen
Zweischichtwicklung nach Fig. 3 geringere Kupferverluste. ergeben, deren relative
Größe in W Abhängigkeit von der Sehnung t
beträgt. Das erste Teilsystem U1, V1, W1 bildet je Pol Umfangszonen der
der
Breite #-3# mit vollen Verlusten, das zweite Teilsystem U,, V2, h2 Um@angszone mit
dc'r Breite 3e mit dreiviertel Verlusten.
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Eine solche zwölfzonige Zweischichtwicklung kann mit einheitlichen
Spulen in relativ in(;acher Weise nach Fig. 10 (Mitte) als Stern-Dreieck-Mischchaltung
mit einem in Dreieck geahalteten inneren Wicklungsteil und zwei an jedem Eckpunkt
angeschlossenen parallelen Sternzweigen gebildet werden, die im Unterschied zu den
üblichen Dreieckschaltungen Fig. 10(rechts) lediglich drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen
und eine abgeänderte Reihenfolge des Aneinanderfügens der einzelnen Spulen erfordern.
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Im Vergleich zu einer herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklung
in Dreieckschaltung mit verschieden gesehnten Spulen im Bereich W/r = I .... 2/3
können gemäß Fig. 10 (unten) bei einer zwölfzonigen Stabwicklung durch die vorgenannte
Stern-Dreieck-Mischschaltung mit ungesehnten Spulen verminderte relative Kupferverluste
(nach Gl. 4) erhalten werden, die von dem Wert 1 beim Grenzfall einer unveränderten
reinen Dreieckschaltung Fig. 10(rechts) bei W/c = 1 bis auf den Wert 0,75 beim anderen
Grenzfall einer reinen Doppelsternschaltung Fig. 10(links) für W/t = 2/3 linear
mit der Sehnung der sechszonigen Vergleichswicklung abnehmen. Gegenüber einer herkömmlichen
in Dreieck geschalteten Wellenwicklung wird dabei nur die Zuordnung der Spulen zu
den einzelnen Wicklungsteilen verändert (andere Spulenfolge) und es sind drei zusätzliche
Ausgleichsverbindungen vorzusehen.
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Bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen
ist die bei zwölfzoniger Ausführung erzielbare Kupferverlustiminderung geringer,
da hier 1)urchmesserspulen notwendig sind, deren mittlere Leiterlänge w im Gegensatz
zu der Stab-Wellenwicklung vergrößert werden muß. Die größere mittlere reiterlänge
1w bedingt einen
erhöhten Kupferbedarf (siehe folgende Cl. 8 und
9) und einen entsprechend erhöhten ohmschen Wicklungswiderstand.
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Die mittlere Leiterlänge lw setzt sich aus der sehnungsproportionalen
Spulenkopflänge 1s und einem konstanten Längenanteil 1k entsprechend 1w = 1k + 1s
## = 1k (1 + ks r) (Gl. 5) zusammen, wobei das Verhältnis beider Längenanteile durch
den für ungesehnte Spulen (### = 1) geltenden Faktor k5 = ### (Gl. 6) bestimmt ist.
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Für solche ungesehnten zwölfzonigen Zweischicht-Drahtspulenwicklungen
in Stern-I)reieck-blischschaltungen ergibt sich gegenüber der besagten sechszonigen
Vergleichswicklung in Dreieckschaltung eine Reduzierung der Kupferverluste gemäß
In Fig. lid sind für verschiedene Werte der relativen Stirnverbindungslänge k5 =
0,5; 0,75 , 1 und 1,5 die Kupferverlustverhältnisse solcher ungesehnter Zweschicht-Drahtspulenwicklungen
in Stcrn-Dreieck-Mischschaltung in Abhängigkeit von der Sehnung der in Dreieck geschalteten
Vergleichswicklungen angegeben.
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Die prozentuale Differenz zwischen den Kurven in Fig. 10 (unten) für
die Kupferverluste bei Stab-Wellenwicklungen und den Kupferverlusten bei Zweischicht-Drahtspulenwicklungen
nach der Erfindung entspricht dem erforderlichen Mehraufwand an Kupfer für Drahtspulenwicklungen
mit Durchmesserspulen, der durch
wiedergegeben wird.
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Als detailliertos Aus@ührun@sheispiel ist nachfolgend eine @poligo
zweisch@@htige ungeschnte Stab-Wellenwicklung nach den Fig. 11 bis 13 erläutert.
Der in Fig. 11 und 12 dargestellte Wicklungsstrang besteht aus vier Spulengruppen
a,
b, c und d mit je @re Spulen, die rü@mlich ir gleicher Weise
verteilt sind wie bei einer herkömmlichen @ /@@gesehnten Zweischichtwicklung in
Dreieckschalqung. Zur Erzielung gleicher Spulenweiten W = r = 18 Nutteilugen auf
beiden Stirnseiten sind neun Spulen beim vorwärtsdurchlaufenden Wellenzug mit den
Spulengruppen d, 1), a und drei Spulen beim rückwärtsdurchlaufenden Wel lenzug mit
der Spulengruppc c vorgesehen. In den Nuten 1, 2, 3 sind z.R. die Oberseiten der
Spulengruppe b und in den Nuten 4, 5, 6 die der Spulengruppe a eingelegt. Beginnend
an der Klemme U mit der in Nut 6 führenden Obersichichtspulenseite werden die Spulengruppen
a und b durchlaufen. Nach der letzten Spule der Spulengruppe b ist von der Unterschicht
der Nut 55 kommend der vorwärtsdurchlaufende Wellenzug unterbrochen und um zwölf
Nuten versetzt, unterschichtseiting in Nut 1 beginnend der gegensinnige Wellenzug
mit der Spulengruppe c eingefügt, nach deren letzter Spule - Oberschicht Nut 21
- wiederum um zwölf Nuten versetzt und in Oberschicht Nut 72 beginnend die Spulengruppe
d angeschlossen ist. Diese Anordnung wiederholt sich für die beiden anderen Stränge
in analoger Weise Zur Bildung des in Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteils
mit den Spulengruppen b und c je Straalg sind gemäß Fig. 11 und 12 Anzapfungen U1,
V1, W zwischen den Spulengruppen a und b sowie X1, Y1, Z1 zwischen den Spulengruppen
c und d angeordnet und die Klemmen U1 - Z1, V1 - X1 und W1 - Y1 durch je einen Ausgleichsleiter
Au, Av, AW miteinander verbunden. Die Spulengruppen a und d benachbarter Stränge
bilden auf diese Weisc jeweils zwei parallele Sternzweige der Mischschaltung.
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In Tabelle I sind für herkömmliche Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung
für N = 72 Nuten und 4poliger Ausführung (N/p = 36 Nuten je Polpaar) mit verschiedenen
Sehnungen und verschiedener Aufteilung der zwölf Spulengruppen von o + 7 + 5 usw.
bis 12 + 0, die zugehörigen Wicklungsfaktoron # und Oberwellenstreufaktoren ; sowie
die von der Sehnung
leistungsbezogenen Kupferverluste nach Cl.
2 systematisch zusammengestellt und mit den bei verschiedenen Spulengruppenaufteilungen
bei unveränderten Oberwellenanteilen (gleichos Durchflutungspolygon) erzielbaren
Minderungen der Kupferverluste durch erfindungsgemäße Stern-Dreieck-Mischschaltungen
verglichen.
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ei jeweils unveränderter Durchflutungsverteilung (gleiches Durchflutungspolygon,
gleicher Oberwellengehalt) können mit der Stern-Dreieck-Mischschaltung die Kupferverluste
mit zunehmender Sehnung bis maximal 24 % bei W/# = 2/3 im Grenzfall der reinen Doppelsternschaltung
Fig. 10(links) verringert werden In Fig. 14 sind die zugehörigen Durchflutungspolygone
der verschieden gesehnten Wicklungen nach Tabelle I aus Symmetriegründen jeweils
nur für einen 120°-Sektor der 6achsig symmetrischen Polygone dargestellt.
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Die in Tabelle I genannten Oberwellenstreufaktoren
lassen sich aus den polaren Trägheitsmomenten 1p1 I 1p2 1pq der q-Polygonpunkte
eines Symmetriesektors des Durchflutungspolygons in geschlossener Form zu
bestimmen, wobei Rg den mittleren Trägheitsradius des Polygons und R = N/P # #/#
(G1. 12) den Trägheitsradius des Grundwellenkreises der Zweischchtwicklung bedeuten.
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Anhand der Fig. 7 und 8 ist schon dargelegt worden, daß sich bei einer
zwölfzonigen Wicklung durch Schrittverkürzung, d.h. durch S@hnung der Spulen v vicrundzwanzigeckige
Durchflutungspolygone mit weiter verringerter Oberwelligkeit erzielen lassen, bei
denen allerdings die leistungs-
bezogene Kupferverluste gemäß @@.
2 schnungsabhängig ansteigen.
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Ausgehend von der Tabelle 1 und den Durchflutungspolygonen nach Fig.
15 sind in der Tabelle j 1 für unterschiedlich gesehnte Stern-Dreieck-Mischchaltungen
die Wicklungsfaktoren, Oberwellenstreufaktoren und die relativen Kupferverluste
bei verschiedenen Spulenaufteilungen 1 -10 -1 bis 4 - 4 - 4 und Spulenschritten
(1 - 19) bis (1 - 15) angegeben sowie in den Fig. 15 bis 18 die zugehörigen Durchflutungspolygone
dargestellt. In der Spalte A der Tabelle II sind die Kupferverluste der Stern-Dreieck-Mischchaltungen
auf eine herkömmliChe ungesehnte sechszonige Wicklung in Dreieckschaltung (= 100
°Z) und in Spalte B auf herkömmliche äquivalente Wicklungen gemäß Tabelle I bezogen,
die bei der Stern-Dreieck-Mischchaltungen mit Spulenschritt (1 - 19) identische,
zwölfeckige Durchhflutungspolygone ergeben, wobei diese "äquivalenten Wicklungen"
je nach Spulenaufteilung nur die 23/24-, 11/12-, 7/8- und S/6-fachen Kupferverluste
einer herkömmlichen Ausführung aufweisen.
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Entsprechend den Angaben in Tabelle l lassen sich die Oberwellenstreufaktoren
#0 vom Höchstwert #0 = @,16 # 10-3 bei einer ungesehnten sechszonigen @icklung in
Deieckschaltung auf einen Kleinstwert #0 = 2,93 # 10-3 bei einer 5/6 gesehnten sechszonigen
Dreieckwicklung bzw. einer im Aufteilungsverhältnis 3 - 6 - s gruppierten letztgenannten
äquivalenten ungesehnten zwölfzonigen Wicklung in Stern-Dreieck-Mischschaltung beträchtlich
reduzieren.
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Entsprechend Tabelle @@ ist bei den geschnten Stern-Dreieck Mischchaltungen
abhängig von den verschiedenen Spulenaufteilungen durch Verkürzung der Spulenschritte
von (1 - 193 auf (1 - 16) bei eier Spulenauf@e lang, (2 - II - Z) oder (4 - 4 -
4) bzw. (1 - 17) bei der 5, Spulenaufteilung (7 - 6 -nur eine verhältnismäßig gering
erscheinende weitere Minderung der Oberwellenst rcllfaktorcn ii i s auf den geringsten
Wert
#0 = 2,66 # 10-3 möglich. Dabei ist aber zu bedenken, das man hiermit dem theoretisch
möglichen Minimalwert des Oberwellenstreufaktors
schon sehr nahe kommt, der für das Beispiel N/p = 36 nur #0min = 2,542 # 10-3 beträgt.
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Wic aus Tabelle II weiterhin ersichtlich ist, können bei verschiedenen
spulengruppierungen und Spulenschritten identische Wicklungsfaktoren # und identische
Oberwellenstreufaktorcn tO, d.h. identische Durcghflutungspolygone erhalten werden.
Aufgrund der niedrigeren Kupferverluste sind z.B.
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= 0,9200 und # = 2,73 # 10-³ sowohl mit Gruppierung 1 - 10 - 1 und
Schritt 1 - 16 als auch mit Gruppierung 3 - 6 - 3 und Schritt 1 - 18 = 0,9095 und
# = 2,66 # 10-³ sowohl mit Gruppierung 2 - 8 - 2 und Schritt 1 - 16 als auch mit
Gruppierung 3 - 6 - 3 und Schritt I - 17 = 0,8951 und # = 2,86 # 10-³ sowohl mit
Gruppierung 1 - 10 - 1 und Schritt 1 - 15 als auch mit Gruppierung t - 4 - 4 und
chritt 1 - 18 = 0,8848 und # = 2,68 # 10-³ sowohl mit Gruppierung 2 - 8 - 2 und
Schritt 1 - 15 als auch mit Gruppierung 4 - 4 - 4 und Schritt 1 - 17 und von diesen
jeweils die zuletzt genannten Spulengruppierungen mit der geringeren Spulenzahl
für dc in Dreieck geschalteten inneren Wicklungsteil vorzuzlehen. Selbst bei den
oberwellenärmsten Varianten ergeben sich hiormit noch geringere Kupferverluste als
bei einer ungesehnten Wicklung in Dreieckschaltung.
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Bei der in Fig. 19 gezeigten 11/12gesehnten zwölfzonigen, 4poligen
Zweischichtwicklung für N = 48 Nuten (N/p = 24) entsprechend dem Zonenplan Fig.
7 mit konzentrischen Doppelspulen gehören die Doppelspulen abwechselnd dem inneren
und dem @ußeren Wicklungsteil an. konzentrischer Doppelspulen können auch ausschließlich
Spulen gleicher Weite vor ges@hen s@in.
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Bei dieser Stern-Dreieck-Mischschaltung mit Doppelspulen und einer
mittleren Spulenweite von 11 Nutteilungen ergibt sich ein vierundzwanzigekiges Durchflutungspolygon
gemäß Fig. 8 dessen Seitenlängen in den Abschnitten I, II, III sich wie
verhalten Bei Drahtspulenwicklungen können die Spulen der beiden Wichlungsteile
hinsicht 1 ich Windungzahl und Draht'qtierschnitt unterschiedlich ausgeführt scin,
um trotz der unterschiedlichen Ströme gleiche Durchflutungen und Stromdichten in
sämtlichen Spulenseiten zu erhalten, beispielsweise durch Erhöhung der Windungszahl
in den äußeren Sternzweigspulen im Verhältnis
(reziprok zu den Zweigströmen) und Verringerung der betreffenden Querschnitte auf
das
fache.
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Bei der Wicklung nach jig. 19 mit einheitlichen Wicklungsspulen und
hälftiger Spulenaufteilung auf die beiden Wicklungsabschnittc beträgt die gesamte
Windungszahl
wie es in Fig. 20 dargestellt ist. Bei in genannter Weise angepaßten Spulen in beiden
Wicklungsteilen erhöht sich die wirksanle Windungszahl auf Wges = 4w# entsprechend
Fig. 21.
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Die charakteristischen Wicklungseigenschaften der beiden vorgennanten
Varianten sind in Tabelle III gegenübergestellt.
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Bei derart angepaßten Sternzweigspulen ergibt sich als Vorteil eine
gleichmäßige Aufteilwtg der Verluste auf beide Wicklungsteile sowie ein noch geringerer
Oberwellengehalt der Durchflutung. Bei ungesehnten Spulen erhält man ein gleichseitiges
Zwölfeck als Durchflutungspolygon. Bei 11/12-Schnung hat das vierundzwangzigeckige
Durchflutungspolygon im Gegensatz zu lig. 8 nur zwei unterschiedliche Seitenlängen,
da die Seitenlängen I und III dann gleich
.ifij. f)ie beiden Seitenlängen
I und lJ unterscheiden sich mit 2 : 2cos 150 2 : 1,932 nur mehr geringfügig, so
daß der Oberwellengehalt dem bestmöglichen Fall mit einem gleichseitigen vierundzwanziggeckigen
Durchflutungspolygon schr nahe kommt.
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In der vergleichenden (3egenüberstellung für N/p = 24 Nuten pro Polpaar
in Tabelle IV sind die entsprechenden Angaben enthalten.
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Bei unterschiedlichen Windungszahlen wy # w der Spulen beider Wicklungsteile
kann gemäß Tabelle III statt einer Parallelschaltung der Stcrnzweige auch eine Reihenschaltung
vorgesehen werden, wozu die Windungszahl der Sternzweigspulen gegenüber der Parallelschaltung
halbiert und ihr Leiterquerschnitt verdoppelt werden muß.
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Eine exakte Anpassutig der unterschiedlichen Spulen entsprechend den
unterschiedlichen Zweigströmen gemäß den in Tabelle 111 bzw. Fig. 21 angegebenen
Beziehungen ist im allgemeinen nicht möglich und auch nicht erforderlich. Die angestrebten
Verbesserungen werden auch bei näherungsweiser Anpassung praktisch erreicht, ohne
daß sich hierdurch Nachteile ergeben.
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In der Tabelle IV ist unter anderem auch eine oberwellenarme zwölfzonige
ungeselinte Einschichtwicklung für N/p = 24 in Stern-Dreieck-Mi schshaltung nlit
einheitlichen Spulen aufgeführt, die den gleichen günstigen Oberwellengehalt wie
eine herkömmliche 5/6 gesonnte Zweischichgwicklung aufweist.
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Da trüber hinaus kann durch angepaßte unterschiedliche Spulen nach
I:ig. 21 und Tabelle 11.1 der Oberwellengehalt noch weiter verringert werden, so
daß sich ein Zwölfeckiges Durchflutungspolygon mit gleichen Seitenlängen ergibt.
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Derartige Einschichtwicklungen können nach Fig. 22 und 23 mit konzentrischen
Spullengruppen ausgeführt werden, wobei
die den beiden verschiedenen
Wicklungsteilen zugehörigen Spulengruppen längs des Umfangs gemäß Fig. 22 jeweils
paarweise nebeneinanderliegend oder gemäß lig. 23 in gleiche mäßiger abschnittsweise
Verteilung angeordnet sein können Weiterhin sind gemäß Fig. 24 stattdessen auch
symmetrisch verteilte Einzelspulen möglich.
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Die Wicklungen nach lig. 22 und 23 können in vier Zügen in die Blechpaketnuten
eingezogen werden, wobei der Reihe nach jeweils drei sich nicht überlappende Spulengruppen,
z.B.
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U1, W1, VI im ersten Zug bei Fig. 22 bzw. Ui U2, W1 im ersten Zug
bei Fig. 73 eingezogen werden können.
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Mit entsprechend gekreuzten Wickelköpfen läßt sich bei einer Spulenverteilung
analog zu Fig. 22 auch eine in zwei iiigen einzielbare Zweitetagenwicklung nach
Fig. 25 erzielen.
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Nach dem Vorhergehenden ist zusammenfassend festzustellen, daß sich
durch die erfindungsgemäßen zwölfzonigen Stern-Dreieck-Mischschaltungen selbst bei
ungesehnten Spulen schon oberwellenärmere Durchflutungsverläufe als bei herkömmlichen
gesehnten Wicklungen in Dreieckschaltung erzielen lassen.
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Durch Sehnung der Spulen läßt sich entsprechend dem dann vierundzwanzigeckigen
Durchflutungspolygon ein noch weiter verminderter Oberwellengehalt erreichen. Zusätzlich
ermöglicht eine solche Sterr-preieck-blischschaltung gegenüber herkömmlichen gesehnter
Wicklungen in Dreieckschaltung eine Verringerung der Kupferverluste. Diese ist sehnungsabhängig
und kann bei Stab-Wellenwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltung, für den Grenzfall
einer 2/3gesehnten herkömmlichen Wicklung bis zu einer I)oppelsternschaltung führen,
die nur noch 75: Kupferverluste hat. Solche Stabwellenwicklungen unterscheiden sich
von herkömmlichen Wicklungen nur durch eine geänderte Reihenfolge, in der die einzelnen
Wicklungsteile verbunden sind ohne drei zusätzliche Ausgleichsverbindungen.
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Bei Drahtspulen-Zweischichtwicklungen in Stern-Dreieck-Mischschaltungen
sind die Verlusteinsparungen geringer, da dann ungesehnte oder schwächer gesehnte
Spulen verwendet werden müssen. Abhängig davon, welchen Anteil die sehnungsabhängi
gen Spulenkopflänge 15 an der mittleren Leiterlänge 1W hat, sind die erzielbaren
Verlusteinsparungen nur rund halb so groß wie bei einer Stab-Wellenwicklung und
es ergibt sich ein relativer Kupfermehrbedarf
bei einer Stern-Dreieck-Mischaltung mit ungesehnten Spulen, der sich bei gesehnten
Spulen auf
vermindert, worin W die ungesehnte Spulenweite und W' die gesehnte Spulenweite bedeuten.
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Bei Stab-Wellenwicklungen ist also eine größtmögliche Verringerung
der Kupferverluste bei gleichzeitig verminderten Oberwellenanteilen und bei Drahtspulenwicklungen
- durch zusätzlich angepaßte Spulen - eine größtmögliche Verringerung der Oberwellenanteuile
mit gleichzeitig verminderten Kupfcrverlusten gegenüber vergleichbaren günstigst
gesehnten herkömmlichen Wicklungen in Drei.echsclualtung erreichbar.
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Durch die Anj)assung von Spul enwindungszahl und Leiterquerschnitt
eines Wicklungsteiles lassen sich dabei durchwegs gleiche Spulendurchflutungen,
Stromdichten und Verluste in allen Wicklungsteilen erhalten.
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Zusammenstellung der verwendeten Gleichungen (Gl. 1) Sehnungsfaktor
(Gl. 2) leistngsbezogene Kupferverluste (Gl. 3) Überlappungszonenbreite (Gl. 4)
Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsunabhängiger Leiterlänge (Stab-Wellenwicklungen)
(Gl. 5) mitlere Leiterlänge (Gl. 6) relative Stirnverbindungslänge bei W/ =1 (Gl.
7) Verhältnis der Kupferverluste bei sehnungsabhängiger Leiterlänge (Drahtspulenwicklungen)
(Gl. 8) relative Kupfermehrbedarf für Y- -Mischaltung mit angesehnten Spulen (Gl.
9) relative Kupfermehrbedarf für Y- -Mischaltung mit gesehnten Spulen
(Gl. 10) Oberwellenstreufaktor (Gl. 11) Oberwellenstreufaktor
(Gl. 12) Radius des Grundwellenkreises (Gl. 13) minimal erreichbar Oberwellenstreufaktor
Bedeutung der verwendeten Formelzeichen GCU Kupfergewicht #GCU
Kupfer-Mehrgewicht lp Polares Trägheitsmoment eines Görgespolygon-Radpunktes ks
relative Stirnverbindungslänge lk Kern-(Blochpaket)länge ls Stirnverbindungslänge
lw mittlere Leiterlänge N Nutenzahl p Polpaarzahl PN Nennleistung q Nutenzahl pro
Pol und Strang qY/q# Leiterquerschnitt im Y- bzw.. #-Wicklungsabwschnitt R Trägheitsradius
des Grundwellenkreises Rg mittlerer Trägheitsradius des Görgespolygons VCu Kupferverluste
W Windungszahl WY/W# Spulenwindungszahl im Y-bzw. # -Wicklungsabschnitt W Spulenweite
W' verkürzte Spulenweite # Überlappungszonenbreite # Oberwellenordnungszahl # Wicklungsfaktor
#s Sehnungsfaktor #z Zonenfaktor #0 Oberwellenstreufaktor #0min kleinstmöglicher
Oberwellenstreufaktor # Polteilung
Tabelle I: Vergleichende Übersicht
von herkömmlichen sechszonigen Zweischichtwicklungen in Dreieckschaltung äquivalenten
Y/#-Mischschaltungen für N/p = 36 Nuten je Polpaar
| #-Schaltung Sehnung vor- und rückwärts #o#10-3 Vcu/PN äquivalente
Y/#-Schaltung |
| laufende Stab- # Fig.10 |
| Wellenwicklung mit |
| verschiedenen Gruppierung Verlustminderung |
| Spulengruppierungen der Spulen gemäß Gl. (4) |
| 12 Spulen/ 1/1 6 + 6 0,9561 5,16 100 % 0 - 12 - 0 |
| Strang reine |
| #-Schaltung 1/1 (keine) |
| (Fig.10 rechts) |
| # 17/18 7 + 5 0,9525 4,46 100,8 % 1 - 10 - 1 23/24 |
| 12 # 12 8/9 3 + 4 0,9416 3,49 103,1 % 2 - 8 - 2 11/12 |
| # 5/6 9 + 3 0,9236 2,93 107,2 % 3 - 6 - 3 7/8 |
| 12 7/9 10 + 2 0,8985 3,11 113,2 % 4 - 4 - 4 5/6 |
| 13/18 11 + 1 0,8666 4,00 121,7 % 5 - 2 - 5 19/24 |
| 2/3 12 + 0 0,8280 5,16 133,3 % 6 - 0 - 6 |
| reine Doppel- 3/4 |
| Y-Schaltung |
| (Fig.10 links) |
Tabelle II: Wicklungseigenschaften möglicher T/#-Mischschaltungen
bei N/p = 36 Nuten je Pol paar
| Spulenauf- f relative Kupfer- |
| teilung l schritt t O |
| '1\ I3 |
| I - 10 - 1 1 - 19 525 4,46 9(),7 '}5,8(^-23/243 |
| 1 - 18 0,9so9 4,()5 97,5 96,6 |
| q I |
| 1 1 1 - 17 0,9380 3>28 99,7 98,8 |
| \ 1 - 16 0,9L00 2,73 103,7 102,7 |
| 1-15 0,8951 ~ 2,86 209,5 108,5 |
| 1 |
| 2 - 8 - 2 1 - 19 0,9416 3,44 94,5 91,7(111/12] |
| 2 - 8 - 2 1 - 19 0,941fi 3,49 94,5 91,7(11/12/ |
| 1 - 18 0,9380 3,24 95,2 92,4 ,4 |
| 2I( |
| 8 1 - 17 0,9273 2,Y6 97, 94,5 |
| 2s*L |
| 1 - 15 0,8848 2,68 107,0 103,8 |
| 3 - 6 - 3 1 - 19 0,9236 2,93 93,8 87,5(67/8) |
| 3 1 - 18 0,9200 2,73 94,5 88,2 |
| 36 \ 1 - 17 0,9095 2,66 96,7 90,-2 |
| 1 - 16 0,8921 ~ 7,77 100,5 93,8 |
| 4 1 4 - 4 1 - 16 0,8921 2,77 100,5 93,8 |
| 4 - 4 - 4 1 - 19 0,8985 3,11 94,4 83,3(^-5/6) |
| 41 1 - 18 0,8951 2,86 95,1 84,0 |
| 4#> 1 - 17 0,8848 2,68 97,3 85,9 |
| 1 - 16 0,8679 2,66 101,1 89,3 |
A im Vergleich mit der Normalausführung, ungesehnt - 100 % B im Vergleich mit der
Normalausführung, äquivalente Schnung # 100 %
Tabelle III: Wicklungseigenschaften
bei identischen und angepaßten Spulen
| eini-ieitliel 'Spulen elf angepaßte Spulen |
| Spulen- WY w w Y - 2/gwabei U-Schaltung |
| windungszahl 2/Y3w, |
| w = 1/Y3.w bei --Schaltung |
| Y |
| / Leiter- q = q ,q = 3/2 wobei schaltung |
| Y3/2 |
| q q = 5 bei --Schaltung |
| 1- ~~~~~~ . * F3 |
| - ---- w ~ (2+V3) wA (Fig. 20) wgeS = 4 w (Fig. 21) |
| Waick{ColUflr (Fig. |
| = ģz = 0,9330f *) = 1+2/(ffi3 Z =0'9282fZ *) |
| i effektive (2 |
| Windungs- mß3 8 g w = 8 5 f w |
| zahlt w - F *) 1+4 g821 = 3,7128 WA |
| 'a z = 3,7128 WaFz |
| I |
| unterschiedliche gleiche KupEerverlust- |
| Kupferverlustaufteilung aufteilung wegen erhöhter |
| ! o effektiver Windungszahl nur |
| (2+3) |
| c4 Kupfer- (2+ g) = O,9378facher Strom |
| verluste 32 |
| cn VL =/4/7)V s 2 57,14 0, 93782 57,14 = 50,26% |
| vy 42f: VY = (3,7)vges 1OO OO 0 vy = 0 93782 r .42s86 = |
| 50,26 |
| I - ~~~~ ~~~~ 100,52 % ~~~~~~~~~~~~~ |
| flurchflutungs- Imgleichseitiges Zwölfeek gleichseitiges Zwölfeck |
| ac polygon (Fig. 4 |
| bc. 1 |
| a - = 1 1 : II = 2 |
| 3 W 11 |
| bei W = 11 ungleichseitiges Vier- uiigleichseitiges Vier- |
| X t vmdzwanzigeck (log. 8) undzwanzigeck |
| II.1:2:111 : 2 /2 : 1: I II = 2 : 2.cos15 |
| = = : l,803 :1,732 = ~~~ 2 zu: 1,932 |
*)#z...Zonenfaktor
Tabelle IV:Vergleich verschiedener Wicklungsausführungen
für N/p=24 Nuten pro Polpaar
| Spulen Wicklungsart Sehnung Durchflutungspolygon # #o#10-3 |
| Einschicht- oder Zweischicht- 1/1 gleichseitiges Sechseck (Fig.2)
0,9577 8,900 |
| wicklung #-Schaltung |
| 6zonig (Fig.1) Seitenlänge: 4 x 2 |
| Zweischichtwicklung 5/6 ungleichseitiges Zwölfeck (Fig.4) 0,9250
6,240 |
| #-Schaltung 6zonig (Fig.3) |
| Einschicht- und Zweischicht- 1/1 I II |
| wicklung #-#-Mischschaltung # # |
| 12zonig (Fig.6) Seitenlängen: (2x2) : (2x3) |
| Zweischichtwicklung 11/12 ungleichseitiges Vierundzwanzigeck
0,9171 5,354 |
| 12zonig (Fig.7) (Fig.8) |
| I : II : III |
| Seitenlängen: 2 : #13/2 : #3 |
| Einschicht- und Zweischicht- 1/1 gleichseitiges Zwölfeck 0,9263
6,033 |
| wicklung#-#-Mischschaltung Seitenlänge: 2 : 2 |
| 12zonig (Fig.6) |
| Zweischichtwicklung 11/12 ungleichseitiges Vierundzwanzigeck
0,9124 5,736 |
| #-#-Mischschaltung I : II |
| 12zonig (Fig.7) Seitenlängen:2 : 1,932 |
| 24phasige Käfigwicklung 1/1 gleichseitiges Vierundzwanzigeck
1 |
| 5,731 |
| Dreiphasenwicklung mit sinusförmig 0,731 |
| abgestuften Spulenwindungszahlen |