DE767647C - - Google Patents

Description

• Drehstromtransformator Die Anwendung von Sättigungen über i3 ooo Gauß und insbesondere die Überschreitung . einer Sättigungsgrenze von i5 ooo Gauß begegnet in der Praxis der Schwierigkeit, da.ß der Oberwellenbedarf für die Magnetisierung der Transformatoren zu hoch wird. Während man die Verzerrung des Mag' netisierungsstromes durch dreizahlige Oberwellen in der Weise zu beherrschen gelernt hat, daß man die Schaltung der Transformatoren Wicklungen und den Aufbau des magnetischen Kreises entsprechend wählt, fehlen ähnliche Verfahren. für die 5. und ;. Oberwelle. Dies ist aber dadurch besonders lästig, weil in zahlreichen Netzen unter, bestimmten Betriebsbedingungen die Eigenfrequenz des Netzes in die Größenordnung der Frequenz der 5. und. 7. Oberwelle fällt, wodurch Spannungsverzerrungen, zusätzliche Erdschlußströme und Störungeni benachbarter Fernmeldeanlagen zustande komrnen können. Diese Umstände haben bisher der Anwendung höherer Sättigungen im Transformatorenbau im Wege gestanden..
• Es sind Vorschläge gemacht , worden, welche auf eine Beseitigung der nachteiligen Wirkungen der Oberwellen des Magnetisierungsstromes abzielen. Es wurde. empfohlen> Transformatoren mit Wicklungen in Sternschaltung mit solchen in Dreieckschal-

  Drehstromtransformator

  Die Anwendung von Sättigungen über

  i3 ooo Gauß und insbesondere die LYber-

  schreitung ein@c@r Sättigungsgrenze von

  15 ooo Gauß begegnet in der Praxis der

  Schwierigkeit, daß cl-er Oberwellenbedarf für

  die @@lagnetisierung der Trausformatoren zu

  hoch wird. @Vährcnd inari die Verzerrung

  des #/lagnetisierungsstroi>>es durch drei-

  zahlige Oberwellen in der Weise zu beherr-

  schen gelernt hat, daß n iaii die Schaltung der

  Transforinatorenwicklungen und den Aufbau

  des magnetischen Kreises entsprechend wählt,

  fehlen älinliclie Veriilireii fiü- die 5. Und

  ;. Oberwelle. Dies ist abi2r dadurch 1.esonder-s

  lästig, weil in zahlreichen 'Netzen unter be-

  stimmten Betriebsbedingungen die Eigen-

  frequent des :\etzes in die Größenordnung

  der Frequenz der 5. und .; . Olicn@@elle fällt,

  wodurch Spannungsverzerrungen, zu-sätz-

  lic:lie Erdschlußströme und Störungen be-

  nachbarter Vern.meldeanlagen zustande kom-

  inen können. Diese Umstände haben bisher

  der Anwendung höherer- Sättigungen im

  Tran.sformatorenbau im Wege gestanden.

  Es sind Vorschläge gemacht . worden,

  welche auf eine Beseitigung der nachteiligen

  Wirkungen der @ber@@-ellcn des Magneti--

  sierungsstronies abzielen. Es wurde emp-

  fohlen. Transformatoren mit Wicklungen in

  Sternschaltung mit solchen in Dreiecksch-al-

  tung zusammenwirken zu lassen, weil hierbei

  die 5. und ; . Oberwellen voll. den beiden

  magnetischen l:,#i-cisen in Gegenphase ver-

  langt werden, so daß eine gegenseitige Be-

  lieferung finit den. nötigen Ollerwelien ohne

  Benutzung der Stromwege des Hoch-

  spannungsnetzes erfolgt. Elan ist aber dann

  in der freien \°Vahl der Schaltungen sehr be-

  engt. Ferner ist eine. Anordnung bekannt-

  geworden., welche sich des Unterschiedes im

  Magnetisierungsstroni von dreiphasigen

  Transformatoren mit und ohne Rückschluß-

  scherl.kel bedient. Durch eine besondere Be-

  lastung der Rückschlußschenkel finit einer

  Hilfsdross;lspule wird erreicht. daß das hin-

  sichtlich der ;.Oberwelle gegensätzliche

  Verhalten %-o11 Transformatoren mit und ohne

  magnetischen Rückschluli gerade so ausge-

  glichen wird, daß die 5.01:>el-welle ini

  Magnetishrungsstrom verschwindet. Trans-

  formatoreu finit einer solchen Einrichtung

  dürfen jedoch iliclit niit eitler in sich ge-

  schlossenen @reicrl;swirhlnng vci-selien wer-

  da hierdurch die Wirkung der Hilfs-

  wichlal zunichte gemacht wird. Mindestens

  »Bisseil in die I)rviecks,vickluglg ergänzende

  \#\-iderst@indc eingeschaltet "v(#i-den., welche

  dein I.>reilill;ts.eilstronl der Grundwelle keine

  Impedanz eiitgcgcnstcllat, während sie die

  1;()geii2iii.ilic .NLlili;otlli.)oilelite der Grundwelle

  sowie die Oberwellen der durch drei teil-

  baren Ordnungszahlen abdrosseln. Dadurch

  wird aber die Dreieckswicklung um ihre

  V\`irkung als Ausgleichswickltmg gelwacht,

  die für verschiedene Zwecke als nicht ent-

  lbeOllt'll angesehen. wird. Scliciil;crll;urz-

  schlüsse werden nicht mehr auf die drei

  1'llaseii verteilt, überdies sind die 3-ransfor-

  niatoren für uninittellmre Erdung und für den

  Anschiull von Erd:clllußspulen ungeeiptiet.

  Weiterhin steigen die zusätzlichen Verluste

  der Transformatoren. Gegenstand der Erfindung sind Anord-

  nungen des magnetischen Kreises von Trans-

  formatoren, welche ohne zusätzliche äußere

  Einrichtungen eineu iln wesentlichen. sinns-

  förinigenVerlauf des llagaetisierungsstronies

  auch bei hohen Sättigungen sichern und iin

  übrigen volle I-# reilü#it in clei- Wahl de.r Schal-

  Wicklungen zulassen. Es

  mird dies dadurch erreicht, daß sich die

  eine magnetische Sternschaltung bildenden

  Schenkelflüsse in ciilein oder leiden jochen

  üi)r eine magnetische Dreieckschaltung ver-

  einigün (niagiletisclic Stern-Dreieckschaltung),

  wobei in allen Teilen des Krahlinienweges

  ciii sinusförmiger )#lußvcrlauf gewährleistet

  wird und sidi die Stimme der nia91l.etoilloto-

  riscllen Kräfte hinsichtlich der ;. und j. Har-

  n1C)iilchen angenähert aufhebt. 1-1 ierlw i wer-

  (len (1i"# l)i-cieckfji:isse zweckmäßig durch

  \\'icklutigen in Dreieck- oder wesensgleiche

  Schaltungen gesteuert. Es sei dies an einem

  Beispiel für die 5.01>el-welle erläutert, das

  sich sinngemäß auch auf die j. Oberwelle

  übertragen läßt. Die Betrachtung gilt sinnge-

  mäß für jede Anordnung, bei welcher ein Teil

  des magnetischen Kreises ein Dreieck bildet.

  Abh. i zeit einen dreischenkligen. Trans-

  forinatorl;ern, dessen. Joch in Dreiecksanord-

  nung ausgebildet ist. Die Betrachtung gilt

  sinngemäß für jede. Anordnung, bei welcher

  eil). Teil des magnetischen Kreises ein Drei-

  eck bildet. Die erregenden \1'icl:lungei1.4, 5

  und (>. welche auf den Schenkeln 1, 2 und 3

  aufgebracht sind, können beliebig geschaltet

  sein, desgleichen. die weiteren für die Auf-

  gabe der Transformierung vorgesehenen

  I-laul)t- ull:d 711 den drei

  Schenkeln gehören Kraftflüsse F1, 1, 1,1 und F3.

  I nnehialb der Joche entstehen dann Flüsse IPI,, ,

  h_,.; und h.111 Das Vektordiagranini der-Abb. 2

  kennzeichnet die @i'@)Ileil- und Phasenbezie-

  ftIng cler drei @cll,nhclflüsse und der drei

  Jochflüsse. Man überzeugt ;ich von der Rich-

  tigkeit der Darstellung durch Nachprüfung

  der Bezielluilg

  F,-1'1-=`l:lt

  und der entsl)n#chcnclnl- weiteren. Beziehun-

  gcai, welche hieraus durch cyclischc Ver-

  tauschung der Indizes hervorgeltcn. 1)ie Er-

  findung bedient sich nein der Erkenntnis., daß

  die. .l?1-i-eger-Aiiillei'ewiii(Iiriigei) für die ein-

  z-elilen Flüsse hinsichtlich der Grundwelle

  angenähert in *Phase . sind finit (teil einge-

  tragenen: hlußvel;torem Hinsichtlich der 5.

  und ;. Oberwelle tritt jedoch ein neuer Um-

  stand auf. Abb. 3 a zeit das Veltordiagrailliil

  der 5.0bei-w-elle der magnetornotorischen

  Kräfte in den drei Schenkeln.. Abgesehen von

  eitlem belanglosen Phasenwinkel, der alle

  drei Vektoren gleichmäßig betreffen kaibi,

  zeit sich in dieser Abbildung die bekannte

  Tatsache, dal:i der Drehsinn des Vektordia-

  gralllmes der 5. HannonlKhen entgegen-

  gcsetzt ist dein Drehsinn: des @el;torciia-

  grannns de i- Grundwellen.. Ist nämlich

  lrcispielsweise u die \#\,'iiil;elali@veicliting zwi-

  sc:lieii den \ulldurcligängen ,der Grundwelic

  und der 1 Ul>erwelle der inagnetotnotori-

  schen Kraft im Schenkel 2 (5 a im \1@ lnkel-

  nial! der S. Oberwelle), so sind die ent-

  shreclienden \\."erte für die Schenkel 3 und i

  naturgemäß 120° + a und 240° 1 a bzw. ini

  \Vinkellnaß der 5. Ul>erwelle 6oo° -1- j5 a und

  1200° @- 5 a. welche \Verte gleichwertig sind

  mit 24.0° -f- 5 a und 120° + 5 a, weirn man

  ganze Vielfache voll. 360° unterdrückt. Das

  bedeutet aller, dal.@ die Phasenfolge der

  5. Oberwelle der magiletolnotorischen Kraft

  in den Schenkeln 2. 3 tnid i durch die

  Winkelgrößen o, 240 und 120 charakterisiert ist, was dem in Abb. 3a dargestellten gegenläufigen Drehsinn entspricht. In Abb. 3b ist ferner nach denselben. Erwägungen noch die 5. Oberwelle der magnetomotorischen! Kräfte in den Jochen eingetragen. Bezüglich der Phasenfolge gilt auch hier, daß eine Umkehrung des Drehsinnes stattefunden hat. Man findet die maßgebenden' Vektorlagen durch Bestimmung der Winkelabweichung der Grundwelle von einer bestimmten Bezugslinie und Multiplikation mit 5. Als Bezugslinie aller Vektoren der Grundwelle und der 5. Oberwelle ist nach wie vor, wie in Abb. 3 a gestrichelt angedeutet, der Fluß-7 vektor des Schenkels 2 gewählt. Das Ergebnis ist selbstverständlich von dieser besonderen Wahl unabhängig, ebenso vorn Absolutwert des Winkels u.
• Betrachtet inan nun irgendeinen geschlossenen magnetischen Kreis, welcher zwei Schenkel und deren Jochverbindungen umfaßt., so stellt sich überraschenderweise heraus, daß der Gesamtbedarf an magnetomotorischer Kraft auf dem geschlossenen, Kra.ftlinienwege nur für die Oberwellen und unter diesen nur für die 5., 7., allgemein (i? n ± 5), nicht hingegen für die Grundwelle und die 1i., 13. usw. Oberwelle gleich Null ist oder zum. mindesten sich weitgehend zu Null er-Z' Hierin ist la= o, i, 2, 3 . . . einzusetzen.' Beispielsweise ergibt in Abb. i der Umlaufsinn; Schenkel 3 aufwärts, Joch 31, Schenkel i abwärts, Rückschluß durch das untere hintere Joch, folgende Aneinanderreihung von Vektoren im Oberwellendiagrarnm: Hg(5) in positivem Sinn, 2 Hgi (5) in positivem Sinn, Hl (5). in negativem Sinn.
• Die Zusammensetzung ist unter Berücksichtigung der Weglängen lp (Joch) und (,Schenkel) in Abb. q vollzogen und liefert für die 5. Harmonische das Ergebnis Null, wenn die Beziehung erfüllt ist: Bei gleicher Sättigung kann inan dieser Beziehung durch. Wahl der Längen des magnetischen Kreises leicht entsprechen.. Bei ungleicher Sättigung läßt sich auch durch Wahl entsprechender Querschnitte der magnetischen Kreise die Verteilung der magnetoinotorischen Kräfte beeinflussen..
• Ein weiterer Erfindungsgedanke löst die Aufgabe, das gleiche Ergebnis mit Transforinatoren des üblichen Kernaufbaues zu erzielen. Bekanntlich werden die meisten Transformatoren.. insbesondere diejenigen höherer Leistung, mit in einer Ebene liegenden Schenkeln ausgeführt. Es fehlt also hier die dritte Seite des loclidreieclcs. EIS ist aber möglich, eine vollkommen. gleichwertige magnetische Schaltung anzugeben, bei welcher die drei Schenkel in einer Ebene liegen. Man bedient sich hierzu der Bauart mit Rückschlußschenkel, @-oi-zrigsweise des Fünfschenkeltransformators. Abb. 5 zeigt, daß ein Fünfschenkeltransforinator Jochflüsse aufweist, welche mit den Schenkelflüssen nach Größe und Phase nicht übereinstimmen. In Abb. 5 a ist zunächst die bekannte Tatsache zum Ausdruck gebracht. claß die Grundwellenflüsse in den Rückschlußschenkeln dem Betrage nach gleich sind und einen geschlossenen Umlaufsinn ergeben.. Man könnte sich daher die Rückschlußwege an den strichpunktiert eingetragenen Schnittstellen unterteilt und die beiden Jochabschnitte dort zusammengeschlossen denken. Damit ist erwiesen, daß der Dreiphasentransfoi-iriator der Fünfschenkelbauart sich grundsätzlich so verhält wie der früher behandelte Dreiphasentransformator mit Dreiecksjoch. Verfolgt man die Flüsse vektoriell etwas genauer, so gelangt man zu dem Vektordiagramm der Abb. 5 b, in welchem sowohl die drei Schenkelflüsse F1, F, und F3 als auch die drei Joclifflüsse Fx" I#,3 und F31 eingetragen sind. Das Dreieck der- Jochflüsse kann durch geeignete Bemessung der= Schenkel- und Jochquerschnitte sowie der Einzellängen des magnetischen Kreises zri einem gleichseitigen gemacht werden (vgl. rechtes Bild der Alb. Sb). 1lan kann diese symmetrische Ausbildung der Flüsse aber auch mit beliel>igen Oue i-sclrnitteu und Längen erreichen, wenn inan gemäß Abb. G auf die Jochabschnitte bzw. Rückschlußschenkel in an sich bekannter Weise Hilfswicklungen 7 aufbringt. die in Reihe und zu einem geschlossenen Stromkreis zusammengeschaltet sind. Diese erzwingen eine Flußvei-teilun# im Sinne einer Ergänzung aller Flüsse züi' Summe :Null, somit die Ausbildung eines gleichseitigen Vektordreiecks der Jochflüsse. Nicht immer wird diese Flußsteuerung für den beabsichtigten Zweck die günstigste Lösung sein. Abweichungen können ebenfalls durch die besondere 1@'ahl der @Vindungszahl der Hilfswicklungen erzwungen werden. Im allgemeinen wird man aber Wert darauf legen, drei um i20'- versetzte Jochflüsse zu erhalten.. Die Gleicli@vertiglceit von Transforinatoren mit Rückschlußschenkeln einerseits und solchen in Mantelbauart andererseits gestattet natürlich die Erreichung der gleichen 1@'irhung auch 1,°i Manteltransformatoren.
• Bei allen diesen Bauformen hat ebenso wie bei Zusammensetzung des Joches aus drei zu einem Dreieck zusarnmengefii.gten Abschnitten die geschlossene Hilfswicklung noch den '\%orteil, daß sie die dritte Oberwelle irn Fluß unterdrückt. Es kommt also auch nicht zu der an sich bekannten Rücl:n-irkung der 3. Oberwelle des Flusses auf die 5. Oberwelle des Magnetisierungsstromes.
• Die für die 5. Oberwelle angestellten. Überlegungen sind in gleicher Weise auch für die 7. Ober-,velle gültig, so daß ein nach der Erfindung bemessener magnetischer Kreis keinen Magnetisierungsstrom der 5. oder 7. Oberwelle benötigt. Dadurch, daß innerhalb jedes geschlossenen. Kraftlinienweges Flüsse verschiedener Phasenlage abwechseln, entsteht jeweils ein Bedarf an entgegengesetzt verlaufenden Oberwellen der magnetoinotorischen Kraft, so daß in jedem Augenblick die Schenkel den Bedarf an magnetomotorischer Kraft der joche bestreiten: und umgekehrt. Es entstehen also freie magnetische Spannungen der 5. und 7. Oberwelle an den Schenkel- und föchabschnitten. die sich das Gleichgewicht halten und deren Summe nicht durch einen dein Netz entnommenen Anteil des , Magnetisierungsstromes gedeckt zu werden braucht.
• Um dem Transformatorbauer di e wünschenswerte Freizügigkeit bei der Bemessung des magnetischen, Aufbaues von Transformatoren zu geben, kann man auch darauf verzichten, den Bedarf an magnetomotorischer Kraft für einen bestimmten Abschnitt des magnetischen Kreises ausschließlich durch die geometrischen Abmessungen der Eisenwege festzulegen. Man kann vielmehr durch geeignete Materialauswahl oder durch - andere Regelung des abschnittweisen Bedarfes an inagnetomotorischer Kraft für die Einhaltung der Regel gemäß der Erfindung sorgen. Eine geeignete Lösung stellt: in diesem Sinne beispielsweise auch die Belastung einzelner Abschnitte mit zweckmäßig regelbaren., vorzugsweise eisengesättigten Drosselspulen dar. Man wird hierfür naheliegenderweise die unbewickelten Jochabschnitte I>evoizugen. Sieht man einzelne. Drosselspulen: 8 vor (Abb. 7), die 'auf den Rückschlu.ßschen.lceln übrigens zusammengefaßt werden können, so regelt man den Betrag der 5. Oberwelle der magnetomotorischen. Kraft auf den Jochabschnitten.. Für die Regelung der Phasenlage steht etwa eine Schaltung nach Abb.6 oder eine andere zweckmäßige Verkettung von Hilfswicklungen und Hilfsdrosselspulen zur Verfügung.
• Die Verwendung von Hilfswicklungen mit induktiver Belastung setzt zunächst den Bedarf an lnagnetomotorischer Kraft der Grundwelle hinauf. Durch Sättigung des Eisens der induktiven Belastungen. kann. man erreichen, daß in noch stärkerem Maße die 5. Oberwelle der maanetomotoriscllen. Kraft erhöht wird. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Dreiphasen.transfornlatoren beschränkt. Sie kann ohne weiteres auf Sechsphasentransformatoren übertragen werden und spielt sinngemäß auch. bei Transformatoren anderer Phasenzahl eilte Rolle für die dort in Frage kommenden Oberwellen, heispielsweise für die dritte Oberwelle von Vierpliasentransforrnatoren. 1\'ie bereits erwähnt, ist es auch nicht erforderlich, sich .bei der Anwendung der Erfindung auf den Ausgleich des Oberwellenhedarfes illz Magnetisierungsstroin eines einzelnen Transformators zti beschränken. lIan ist vielhehr durch die angegebenen Mittel in der Lage, den Magnetisierungsstrom eines Transformators oder einer Transformatorengruppe gegenüber dem natürlichen Verlauf so uiiizullildcn., daß ein für die Kompensierung eines anderen Transformators oder einer anderen Transformatorengruppe erforderlicher Oherwellenanteil in richtiger Größe 1111d Phase aufgenommen wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: t. Drelistronitransformator. bei deni die Jochflüsse eine andere Phasenlage alif-«-eisen als die Schenkelflüsse, dadurch gekennzeichnet.. daß. sich die eine magnetische Sternschaltung bildenden Schenkelflüsse in einem loch oder in beiden Jochen über drei zu einem magnetischen Dreieck zusammengefügte Jochteile (Abb. i) oder über zwei Rücksehlußschenkel (A117. 5 a) zu einem magnetischen Dreieck schließen (iliagnetisclle Stern-Dreieckschaltung), und daß die Größe, Phasenlage und Induktion der Jochflüsse bei sinusförlnigenl Flußverlauf in allen Kernteilen so bemessen ist, daß die von, den Tochflüssen hervorgerufenen Oberwellen. insbesondere fünfter und siebenter Ordnungszalil, im Magiletisierungsstroin des Transformators die durch die Schenkelflüsse hervorgerufenen entsprechenden Ohei-lN-ellen aufheben. ?. Dl'el7St1'Ollltl'alt@tUl'1711i(@1' nach Allspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ein s@-mmetrisclles Fluß- und Alllperewin:dungsdreieck bildende- Jochma-netisierung gegen die einen svinmetrischeil Stern bildende Schenkelnlagnetisierung um einen Winkel roll 30° verschoben ist, wobei die zur Jochinagnetisierung und die zur Schenkelmagne.tisieruilg erforderlichen Anteile der Magnetisierungsscheinleistung angenähert gleich sind. 3. Drehstromtransformator nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Jochflüsse durch Wicklun,aen in Dreieck- oder wes.ensleirllen Schaltungen gesteuert @\-cl-deli. d.. Drehstromtran.sformator nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfswicklungen durch zusätzliche induktive Belastung, vorzugsweise durch Drosselspulen: mit gesättigtem Eisenkern, den Bedarf an magnetomotorischer Kraft der einzelnen Joche regeln.. 5. Drehstromtran.sformator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedarf des Transformators an 5. und Oberwellen im Magnetisierungsstrom auf einen vorbestimmten., gegenüber der freien Magnetisierung in positivem oder negativem Sinne abweichenden Wert eingestellt ist. ZurAbgrenzung desErfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungs- verfahren folgendeDruckschriften inBetracht gezogen, worden: Deutsche Patentschrift Nr.58817o; britische Patentschrift Nr. 387 815; E. T. Z., 1923, S. 116; Archiv für Elektrotechnik. Bd.25, 1931, S. 364; Bulletin des Schweizer Elektrotechnischen Vereins, 1932, 5. 514; Arnold-Le Cour. »Die Transforma- toren«, i g.,o, S. oo und 92; Richter, »Elektrische Maschinen«, 1932, Bd. IIT, S. 1-4-15; Goldstein. »M#cßwan,cller«, 1928, S. 155-15<,: Rudolf Buch. »Ohei-wellen in hochgesät- tigten Transformatoren«, Doktordisser- tation, Darmstadt 1933 S. 94-