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Wicklungsschaltung für Phasenwandler Die Erfindung bezieht sich auf
TransformatorschaltuDgen zur Vervielfachung der Phasenzahl und ist insbesondere
für Gleichrichter oder andere Stromrichter großer Leistungbestimmt. Bekannte--4-Phasen-Schaltungen
werden aus zwei symmetrischen i2-Phasen-Systemen gebildet, die gegeneinander um
15 elektrische Grade in der Phase verdreht sind. Durch Überlagerung der beiden symmetrischen
i2-Phasen-Systeme entsteht ein 24-Phasen-System. Fig. i zeigt die Vektordiagramme
der Spannungen der beiden i2-Phasen-Systeme und des daraus gebildeten 2q.-Phasen-Systems.
Die beiden i2-Phasen-Systeme sind einer Bezugsachse gegenüber um ± 7,5 elektrische
Grade verdreht. In Fig.2 ist eine der bekannten 2q.-Phasen-Schaltungen dargestellt.
Die Schaltung besteht aus zwei i 2-Phasen-Transformatoren A und B, denen
Quertransformatoren .C und D,
auch Schwenktransformatoren genannt, vorgeschaltet
sind. Durch letztere wird die Phasendrehung um 7,5 ° erzielt. Die an den Wicklungszweigen
der Transformatoren A und B eingetragenen Ziffern geben die zeitliche Aufeinanderfolge
der Teilspannungen für das --q.-Phasen-System an.
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Transformatorschaltungen nach Art der Fig. 2 bedingen einen verhältnismäßig
großen Aufwand an Transformatorleistung, weil außer den beiden i2-Phasen-Transformatoren
noch zwei Quertransformatoren erforderlich sind. Die zwölfphasige Ausführung der
Haupttransformatoren A und B wird zudem meist sehr teuer wegen der
Zipfelschaltung auf der Sekundärseite.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Transformatorschaltung bzw. eine
Wicklungsschaltung für Phasenwandler zur Vervielfachung der Phasenzahl, die bekannten
Schaltungen gegenüber in mehrfacher Hinsicht Vorteile bietet. Die Erfindung geht
davon aus, daß, wie bei anderen an sich bekannten Transformatorschaltungen, zwei
Transformatoren vorgesehen sind, welche das Vielphaaensystem bilden. Im Gegensatz
zu diesen bekannten Transformatorschaltungen werden jedoch durch die beiden Teiltransformatoren
zwei unsymmetrische Mehrphasensysteme erzeugt, die zu einem symmetrischen System
vervielfachter
Phasenzahl zusammengesetzt «erden. Außerdem unterscheidet
sich die Erfindung von den bekannten Schaltungen durch die Kombination folgender
Merkmale: i. Eine zur Erzeugung einer Phasenspannung dienende Spulengruppe, d. h.
eine Sptilengruppe, welche eine der Phasenspannungen der unsymmetrischen Spannungssysteme
erzeugt, ist ausschließlich dieser einen Phasenspannung zugeordnet, während sämtliche
Spulengruppen hinsichtlich der Windungszahlen der Teilspulen untereinander gleich
sind.
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2. Diejenigen Spulengruppen, die zu wenigstens zwei in der Phasenfolge
benachbarten Phasenspannungen gehören, liegen in ein und demselben Transformator.
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Nach der Erfindung wird beispielsweise eine 24-Pbasen-Schaltung gebildet,
die im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen nicht aus zwei symmetrischen, sondern
unsymmetrischen i2-Phasen-Svstemen besteht.
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In Fig. 3 ist an einem Vektordiagramm gezeigt, wie die beiden i2-Phasen-Systeme
aufgebaut sind, aus denen, ähnlich wie' bei den Diagrammen der Fig. i, ein 24-Phasen-System
gebildet wird. Die i2-Phasen-Systeme sind unsymmetrisch. Jedes der Systeme wird
aus zwei 6-Phasen-Systemen gebildet, deren Phasenspannungen nicht wie bisher um
3o', sondern nur um 15" gegeneinander phasenverschoben sind. Fig.4 zeigt
die Schaltung des 24-Phasen-Systems. Die Schaltung ist aus zwei i 2-Phasen-Transfor
matoren E und F aufgebaut, deren Sekundärwicklungen ähnlich wie bei den Transformatoren
A und B der Fig. 2 mit Zipfel- bzw. Zickzackschaltung ausgerüstet
sind. Der Unterschied gegenüber der Schaltung der Fig.2 besteht darin, daß jedes
Teilsystem aus zwei normalen 6-Phasen-Schaltungen gebildet wird, welche nur um 7,5''
gegeneinander verdreht sind, anstatt wie bei der üblichen Ausführung um -f- 15-.
Die beiden Teilsysteme selbst sind um 30- gegeneinander verdreht. Von den Primärwicklungen
der Transformatoren E und F ist daher die eine in Stern, die. andere in Dreieck
geschaltet.
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Aus der vorstehenden Erläuterung des in Fig. ¢ dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung ergibt sich, daß jeweils eine Spulengruppe, welche eine der Phasenspannungen
der beiden unsymmetrischen Spannungssysteme nach Fig.3 erzeugt, ausschließlich dieser
Phasenspannung zugeordnet ist. Der mit i bezeichneten Phasenspannung des Teiltransformators
E in Fig. 4 sind beispielsweise zwei Spulen zugeordnet, deren Spannungen, in Reihe
geschaltet, die betreffende Phasenspannung ergeben. Aus der Darstellung der Fig.4
ergibt sich, daß die beiden Teilspulen, welche zu jeder der zwölf Spulengruppen
gehören, jeweils nur einer einzigen Phasenspannung zugeordnet sind. Außerdem läßt
die Darstellung der Teiltransformatoren. E und F in Fig.4 erkennen, daß sämtliche
Spulengruppen hinsichtlich der Windungszahlen der Teilspulen untereinander gleich
sind. Weiterhin -neigt Fig. ,1, daß jeweils zwei in der Phasenfolge benachbarte
Phasenspannungen von Spulen erzeugt werden, die in ein und demselben Transformator
liegen. Es liegen beispielsweise die Spulen der Phasenspannungen i und 2 in dem
TeiltransformatorE, während die daran anschließenden beiden untereinander benachbarten
Phasenspannungen 3 und 4 von Spulen bzw. Spulengruppen erzeugt werden, die in dem
anderen Teiltransformator F liegen. Die nächsten beiden Teilspannungen 5 und 6 werden
wiederum von Spulengruppen des Teiltransformators E erzeugt. Das gleiche gilt lür
die daran anschließenden Spannungspaare 7, S (TransformatorF), 9, io (TransformatarE),
i i, 12 (Transformator F) usw.
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Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung hat gegenüber
der bekannten Schaltung nach Fig.2 den Vorteil, daß die Quertransformatoren erspart
werden und dal3 außerdem die Typenleistung der neuen Haupttransformatoren etwas
kleiner ist als bei der bekannten Anordnung. Die Typenleistung der Haupttransformatoren
der bekannten Anordnung beträgt das 1,33fache der Gleichstromleistung, bei der Anordnung
nach der Erfindung das 1,3ofache.
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Es sei darauf hingewiesen, daß Transformator- bzw. Wicklungsschaltungen
für Phasenwandler zur Vervielfachung der Phasenzahl bekannt sind, bei denen Teile
der die Erfindung bildenden Kombination vorliegen. Bei einer dieser bekannten Schaltungen
werden beispielsweise zwei benachbarte Phasenspannungen von Spulengruppen erzeugt,
die eine Teilwicklung gemeinsam haben. Daraus folgt, daß auch das Merkmal der Erfindung
fehlt, daß nämlich sämtliche Spulengruppen untereinander gleich sind. Dieser bekannten
Schaltung gegenüber hat die Erfindung -zunächst den wesentlichen Vorteil, daß die
an die Teilspannung angeschlossenen Anoden für eine ziemlich lange Zeit brennen.
Bei den in Fig. 4. dargestellten Schaltungen nach der Erfindung ist die Brenndauer
sämtlicher Anoden 120 elektrische Grade, obwohl es sich um eine 24-Phas.en-Schaltung
handelt, während bei der bekannten Schaltung die Anoden eine Brenndauer von 3o elektrischen
Graden besitzen. Es ist bekannt, daß die kurze Brenndauer sowohl für die Ausnutzung
des Gleichrichters als auch für die Ausnutzung des Transformators sehr ungünstig
ist. Ein weiterer Vorteil
gegenüber der bekannten Schaltung liegt
darin, daß die Transformatoren wegen des unsymmetrischen Wicklungsaufbaues elektrisch
und magnetisch völlig gleiche Verhältnisse für die Phasenspannungen liefern. Vor
allen Dingen ist die magnetische Streuung bei den einzehien . Phasen gleich, was
daher zu gleichen Spannungsabfällen im Betriebe - des Gleichrichters führt. Die
Tatsache der Symmetrie des Wicklungsaufbaues gemäß der Erfindung ist ferner für
die Herstellung des Transformators sehr vorteilhaft, weil sie die Herstellung verbilligt.
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Bei einer anderen bekannten Transformatorschaltung werden zwei in
der Phasenfolge benachbarte Spannungen zum Teil von Wicklungen erzeugt, die ,ein
und demselben Transformator angehören. Es fehlt dafür jedoch dä.s Merkmal, daß sämtliche
Teilspulen, welche zu den beiden benachbarten Teilspannungen gehören, auch in .ein
und demselben Transformator liegen. Das führt zu einem unsymmetrischen Gesamtaufbau
der Transformatoren und den-aus dieser Unsymmetrie folgenden Nachteilen für den
Betrieb.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, welche gegenüber der in Fig. ¢
dargestellten Transformators'chaltung- noch weitere Vorzüge aufweist, besteht darin;
daß die Zipfel- bzw. Zickzackstücke aus den Haupttransformatoren ganz herausgenommen
und entsprechend der Schaltung nach Fig.2 in zwei Quertransformatoren untergebracht
werden. Für die flaupttransformatoren bekommt man dadurch eine einfache sechsphasige
Wicklungsausführung. bei der jede Zickzackwicklung vermieden ist, Der Haupttransformator
wird im Aufbau wesentlich einfacher und läßt billiger herstellen.
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In Fig.5 ist diese Ausführungsform der Erfindung dargestellt.. Die
beiden Haupttransformatoren G und H besitzen einfache sechsphasige Wicklungen und
sind primär in Stern und Dreieck geschaltet. Zur Phasendrehung der beiden Teilsysteme
- gegeneinander dienen zwei Quertransformatoren I( und L, welche primärseitig an
die Oberspannungsseite der - beiden Haupttransformatoren G und H angeschlossen sind.
Die von den Quertransformatoren erzeugten Zusatzspannungen liegen im Gegensatz zu
den Zickzackschaltungen der Fig.2 und ¢ senkrecht zu den Sekundärspannungen des
Haupttransformators. So z. B. liegt die Zusatzspannung 13 des Quertransformators
I( für die Phase 13
des Haupttransformators 0 dabei in Phase zu der
horizontal liegenden Primärspannung ges Quertransformators. Entsprechend ist auch
die Schaltung des anderen Quertransformators L ausgeführt. Dort ist z. B. für die
Zusatzspannung 12 die Verbindung mit der entsprechenden Teilwicklung 12 des Haupttransformators
H angegeben. Der Quertransformator L ist irri Gegensatz zu dem Quertransformator
I( in Stern geschaltet, damit die von dem Quertransformator erzeugten Zusatzspannungen
in der Phase senkrecht zu den entsprechenden Sekundärspannungen des Haupttransformators
liegen. Die in Fig.5 dargestellte Schaltung der Quertransformatoren hat den Vorteil,
daß die Leistung der Erregerwicklung der Quertransformatoren klein ist. Infolge
der Gegeneinanderschaltung der Zipfelstücke im Quertransformator kompensieren sich
deren Amperewindungen während 'j4 der gesamten Betriebszeit. Die Erregerwicklung
muß nur während 1/1 der Betriebszeit Strom führen. Auf jedem Kern der Quertransformatoren
sind vier Sekundärspulen angeordnet und eine Erregerspule. Die letztere ist an die
Primärseite der Haupttransformatoren angeschlossen. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
die Erregung der Quertransformatoren von der verketteten Spannung der einzelnen
-Sekundärsysteme der Haupttransformatoren zu entnehmen.
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Die Schaltung nach Fig.5 hat nicht nur den Vorteil, daß die Haupttransformatoren
in der Schaltung einfach und .daher in der Herstellung billig werden; es ist auch
die Typenleistung der Haupttransformatoren geringer. Sie beträgt nur das i,2q.fache
der Gleich-Stromleistung des an den Transformator angeschlossenen Gleichrichters.
Die Typenleistung der Quertransformatoren beträgt das o,23fache der Gleichstromleistung.
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- Die Vielphasenschaltungen nach der Erfindun; sind auch dann noch
betriebsfähig, wenn eines der beiden Teilsysteme aus irgendeinem Grunde ausfällt.
Die Rechnung zeigt, daß die Wirkung eines solchen Stromrichterbetriebes, also eines
Betriebes mit einem der unsymmetrischen Spannungssysteme der Fig.3, zwischen der
6-Phasen- und 12-Phasen-Ausführung mit symmetrischen Systemen liegt. Der Primärstrom
enthält die 5. und 7. sowie die 17. und i9. S.tromoberwelle mit je ,ooilo
des Wertes der symmetrischen 6-Phasen-Schaltung, während die i i. und i3. Stromoberwelle
vollkommen verschwunden sind.
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Es sei noch erwähnt, daß die unsymmetrische 12-Phasen-Schaltung der
Fig. 3 auch für sich anwendbar ist, wenn es gilt, bestimmte störende Stromoberwellen
mit geringstmöglichem Aufwand zu beseitigen. Um beispielsweise die 17. und
i g. Stromoberwelle zum Verschwinden zu bringen, ist nur eine Phasendrehung
der beiden 6-Phasen-Systeme des Teilsystems um ± 5° erforderlich, im Gegensatz zu
einer Phasendrehung um ± i5° bet der symmetrischen 12-Phasen-Anordnung. Diese Maßnahme
hat außerdem
den Erfolg, daß die i t. und 13. Oberwelle sowie
die 23. und 25. Oberwelle gegenüber der symmetrischen i2-Phasen-Schaltung nur noch
mit 50% vorhanden sind.
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Die vorstehend beschriebenen Wicklungsanordnungen sind nicht auf die
24-Phasen-Schaltung beschränkt; sie können vielmehr auch bei Vielphasenschaltungen
mit anderen Phasenzahlen sinngemäß angewendet werden.