-
Wechselstromwicklung, insbesondere Stabwicklung, für elektrische Maschinen
Es ist bereits eine Wechselstromwicklung, insbesondere eine Stabwicklung, für elektrische
Maschinen mit Reihenparallelschaltung von Wicklungsteilen vorgeschlagen worden,
bei der je Phase Wicklungsgruppen hintereinandergeschaltet sind, die aus der Zahl
nach voneinander verschiedenen parallel geschalteten Wicklungszweigen bestehen.
Die Ouersc'hnitte der dabei schwächer belasteten Wicklungsteile sind kleiner bemessen
als die Querschnitte der stärker belasteten Wicklungsteile. Die Vorteile einer derartigen
Wechselstromwicklung kommen insbesondere bei Wechselstromgeneratoren niedriger Polzahl,
insbesondere bei zweipoligen Drehstromturbogeneratoren, zur Geltung. Insbesondere
bei diesen zweipoligen Drehstromturbogeneratoren ist es wünschenswert, für die Breite
der Ständernuten bestimmte obere und untereGrenzwerte einzuhalten, weil bei sehr
breiten Nuten erhöhte Zusatzverluste auftreten und die Wärmeabführung schwierig
wird, während bei sehr schmalen Nut-en nach Abzug der Nutenisolation und des Einbauspieles
nur eine sehr geringe Leiterbreite übrigbleibt. Daraus ergibt sich, daß bei größeren
hoch ausgenutzten Turbogeneratoren mit Stabwicklung die Nutenzahl je Pol und Phase
zweckmäßig zwischen den Werten q = 9 und q = 12 gewählt werden soll,
d. h. daß die Gesamtnutenzahl zwischen 54 und 72 liegen soll. Bei Nutenzahlen unter
54. ergeben sich sehr breite Nuten mit erhöhtem Stromvolumen je Nut und hohem Kupfer-oder
Aluminiumgewicht,
Ida die Stromdichte wegen ,der verhältnismäßig kleinen wärmeabführenden Staboberfläche
niedrig gehalten werden muß. Bei Nutenzahlen über 7a erhält man sehr schmale Nuten
mit ungünstigem Füllfaktor, besonders bei hoher Spannung. Die schmalen Stäbe sind
wegen der kleinen Abmessungen der für die Unterdrückung der Stromverdrängung notwendigenTeilleiter
.des Stabes schwierig herzustellen und zu versteifen und besitzen nur geringe eigene
Steifi!gkeit gegen die Kurzschlußstromkräfte, besonders wenn .die Stäbe aus Aluminium
hergestellt sind. Infolge dieser Begrenztheit der praktisch anwendbaren Gesamtnutenzahl
des Generators kommt man in Schwierigkeiten für bestimmte Bereiche der von dem Generator
zu liefernden Spannung, die in der Praxis verlangt werden. Da man in jeder Nut nur
einen oder zwei Stäbe unterbringt, ist es nicht immer möglich, bei Ehihaltung einer
günstigen Nutenzahl eine derartige Zahl von Stäben hintereinänderzuschalten, daß
sich die gewünschte Spannung ergibt, trotzdem man zu diesem Zweck die Wicklung aus
mehreren parallel geschalteten Zweigen aufbauen kann. Vor allem ist der Sprung in
der abgegebenen Spannung beim Übergang von einem auf zwei parallel geschaltete Zweige
viel zu groß, da dazwischenliegende Werte ebenfalls verlangt werden. Man ist gezwungen,
die Gesamtnutenzahl entweder oberhalb oder .unterhalb des angegebenen optimalen
Bereiches zu wählen und dementsprechend die geschilderten Nachteile in Kauf zu nehmen.
-
Die ältere Wicklung beseitigt diesen Nachteil, da man durch die Reihenparallelschaltung
mit ungleicher Zähl von parallel geschalteten Zweigen innerhalb ider einzelnen hintereinandergeschalteten
Gruppen auch bei Innehaltung einer günstigen Gesamtnutenza'hl zu Spannungswerten
gelangen kann, die mit den bisherigen Mitteln, wie geschildert, nicht zu erreichen
sind. Eine besonders günstige Anordnung besteht beispielsweise darin; daß man in
jeder Nut einen Stab für den vollen Strom (Vollstab) mit entsprechend vollem Querschnitt
(volle Höhe) und einen Stab für den halben Strom (Halbstab) mit halbem Querschnitt
('halbe Höhe) vorsieht. Aus den Halbstäben werden je Phase zwei parallele Zweige
gebildet, die Vollstäbe dagegen werden je Phase in Reihe geschaltet und mit .den
parallelgeschalteten Zweigen der Halbstäbe hintereinandergeschaltet. Bei Verwendung
derartiger Voll- und Halbstäbe in Reihenparallelschaltung läßt sich der in der Praxis
verlangte Spannungsbereich der Generatoren bereits wesentlich vollständiger mit
Nutenzahlen ausführen, die innerhalb des optimalen Bereiches liegen, wobei die Spannungen
genügend feinstufig, also mit einem Stufenunterschied von 6 X 5 bis 1z X 5 % aufeinanderfolgen.
-
Bei den älteren Wicklungen haben sich noch gewisse Nachteile gezeigt.
Es handelt sich dabei um eine Zweischichtwicklung, wobei die Lage der Voll-und der
Halbstäbe von Nut zu Nut regelmäßig abwechselt, so daß z. B. in den ungeraden Nuten
der Oberstab ein Vollstab und der Unterstab ein Halbstab ist, während umgekehrt
in den ,geraden Nuten der Oberstab ein Halbstab und der Unterstab ein Vollstab ist.
Ebenso wie bei einer normalen Zweischichtwicklung bilden dabei die Stirnverbindungen
der Oberstäbe die vordere Schicht, die Stirnverbindungen -der Unterstäbe die hintere
Schicht des Wickelkopfes: Dabei ergibt sich nun .der Nachteil; daß die verschiedene
Höhe der Voll-und ,der Halbstäbe benachbarter Nuten besondere Maßnahmen erfordern,
um beim Übergang der Stäbe in die beiden Schichten des Wickelkopfes die Stäbe aneinander
vorbeiführen zu können, da die hohen Vollstäbe der Ober- und der Unterschicht von
.der einen Schicht in die andere hineinragen. Ferner müssen beim Einbau der radialen
Wicketkopfbefestigungslaschen wegen der in jeder Schicht aufeinanderfolgend verschiedenen
Stallhöhen die Fehlräume bis zur Höhe des Vollstabes durch besondere Füllstücke
ausgefüllt werden. Diese Maßnahmen vergrößern den Raumbedarf des Wickelkopfes, erfordern
viel Einphasenarbeit und geben keine volle Gewähr für eine gleichmäßige Verspannung
der radialen Versteifungsklötze. Ferner sind die Wicklungszonen (die Breite des
von dem Stäben einer Phase unter einem Pol ausgefüllten Wicklungsraumes) etwas unsymmetrisch,
denn wenn der äußerste linke Stab der Wicklungszone ein Vollstab ist, so muß der
äußerste rechte Stab .dieser Zone ein Halbstab sein, wodurch sich eine Unsymmetrie
in der Stromverteilung ergibt.
-
Die Erfindung betrifft eine weitereAusgestaltung einer derartigen
Wechselstromwicklung,kttptdurch die die geschilderten Nachteile vermieden werden.
Es sind dabei wiederum innerhalb der Reihenparallelschaltung die Querschnitte der
schwächer belasteten Wicklungsteile kleiner als die Querschnitte der stärker belasteten
Wicklungsteile, und die Wicklung ist als Zweiscnichtwicklung ausgebildet. Erfindungsgemäß
sind die Wicklungsteile mit schwachem Querschnitt (Teilstäbe) und die Wicklungsteile
mit stärl<:erem Querschnitt (Vollstäbe) innerhalb der Wicklungszone einer Phase
derart verteilt, daß an der Oberschicht (und entsprechend an der Unterschicht) mehrere
Teilstäbe in aufeinanderfolgenden Nuten untergebracht sind Ferner sind von diesen
verschiedenen Nuten angehörigen Teilstäben mehrere benachbarte im Wickelkopf zu
Bündeln zusammengefaßt, deren. Querschnitt mit dem Querschnitt der Vollstäbe im
Wickelkopf übereinstimmt. Da also das aus mehreren Teilstäben bestehende Stabbündel
im Wickelkopf mindestens annähernd denselben Querschnitt und dieselbe Quersrhnittsform
aufweist wie ein Vollstab, so besteht der Wickelkopf nur noch: aus einheitlich gestalteten
Teilen, und er kann deinentsprechend insbesondere bezüglich des Einbaue der Wickelkopfbefestigungslaschen
genau so ausgefiihrt werden wie .an einer normalen Zweischicht stabwicklung ohne
Benutzung der Reihenparallelschaltung.
-
Wenn dieTeilstäbe .derReihenparallelschaltungswicklung zwar die volle
Breite der Vollstäbe, jedoch
eine entsprechend verminderte Höhe
aufweisen, so wird man im Wickelkopf mehrere Teilstäbe übereinander anordnen und
sie zu einem Bündel zusammenfassen, wodurch dieses Bündel annähernd dieselbe Höhe
aufweist wie ein Vollstab, besonders dann, wenn der Vollstab wegen großer Höhe für
die Kopfumwandlung in zwei Hälften unterteilt wird. Wenn gemäß einer anderenAusführungäform
.
der Teilstab dieselbe Höhe wie der Normalstab aufweist, jedoch eine entsprechend
verminderte Breite, so kann man im Wickelkopf mehrere Teilstäbe nebeneinanderliegend
zu einem Bündel zusammenfassen, so daß dieses Bündel annähernd dieselbe Breite wie
ein Vollstab im Wickelkopf aufweist. Auch bei dieser Anordnung ergeben sich wesentliche
Vorteile bezüglich der Unterbringung und der Befestigung der Stäbe im Wickelkopf,
da der Wickelkopf eben aus einheitlich gestalteten Teilen zusammengesetzt wird.
-
Die Zeichnung zeigt in Fig. i ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
an Hand des Wickelschemas der Ständerwicklung eines dreiphasigen und zweipoligen
Turbogenerators mit insgesamt 66 Nuten. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit sind
nur die Leiter einer Phase eingezeichnet. Die Teilstäbe der Reihenparallelschaltung
besitzen dabei den halben Querschnitt (Halbstäbe) gegenüber den Vollstäben. Die
Vollstäbe sind mit starken Strichen und die Halbstäbe mit dünnen Strichen eingezeichnet.
Fig. 2 zeigt die Schaltung der Voll- und der Halbstäbe innerhalb einer Phase. Wie
ersichtlich, besteht die Phase aus zwei parallel geschalteten Zweigen. Innerhalb
jedes Zweiges sind die stark ausgezogenen Vollstäbe mit den aus zwei Parallelzweigen
bestehenden Halbstäben in Reiche geschaltet. Je Phase sind 16 Leiter in Reihe geschaltet,
von denen zehn Leiter Vollstäbe sind und sechs Leiter Halbstäbe. Da gemäß Fig. 2
für die Halbstäbe insgesamt vier parallel geschaltete Zweig-, vorhanden sind und
für die Vollstäbe zwei, so ergeben sich für eine Phase insgesamt 20 Vollstäbe und
24 Halbstäbe, für die .der dritte Teil des insgesamten Nutraumes von 66 Nuten zur
Verfügung steht, so daß von je 22 Nuten 2o mit einem Voll-und einem Halbstab und
zwei Nuten mit zwei Halbstäben besetzt sind. Wegen der Sehnung der Wicklung sind
jedoch diese 2o Nuten nur zum Teil mit Voll- und Halbstäben derselben Phase besetzt.
Die zwei Nuten sind durchgehend mit zwei verschiedenen Phasen angehörigen Halbstäben
besetzt. Wie aus Fig. i ersichtlich, sind nun die Halbstäbe innerhalb der Wicklungszone
einer Phase derart verteilt, daß an der Oberschicht der Wicklung die verschiedenen
Nuten angehörigen Halbstäbe 1, z_ 3, 4, 5, 6 unmittelbar aufeinanderfol.gen, also
benachbart sind. Von diesen Halbstäben sind nun im Wickelkopf .die Halbstäbe i und
2 und die Halbstäbe 3 und 4 bzw. 5 und 6 je zu einem aus zwei Halbstäben bestehenden
Bündel zusammengefaßt, dessen Querschnitt mit dem OOuerschnitt der Vollstäbe im
Wickelkopf übereinstimmt, da die Ha1_lr Stäbe nur die. halbe Höhe der Vollstähe
aufweisen und zwei Halbstäbe übereinanderliegend im Wickelkopf zu einem Bündel vereint
sind. In derselben Weise sind in der Unterschicht der Wicklung die Halbstäbe 7 und
8 bzw. 9 und io und ii und 12 zu Bündeln zusammengefaßt.
-
Die im Wickelkopf zu Bündeln zusammengefaßten beiden Halbstäbe gehören
stets derselben Phase an, so daß die gegenseitigen Stromkräfte aufeinander stets
anziehend und niemals abstoßend wirken. Die Beanspruchung durch Stromkräfte ist
also für diese Bündel im Wickelkopf genau wie für die Vollstäbe selbst, namentlich
wenn diese im Wickelkopf in zwei Hälften unterteilt sind.
-
Wie aus Fig. a ersichtlich, weist jede Phase der Wicklung für die
Vollstäbe zwei parallele Zweige, für die Halbstäbe vier parallele Zweige auf. Es
wird dadurch eine Verdoppelung des Bereiches der mit günstigen Nutzahlen und Teilparallelschaltung
erreichbaren Spannungen erzielt. Andererseits sind bei zwei Polen nur zwei symmetrische
parallele Zweige je Phase möglich, deren Spannungen also sowohl in der Größe als
auch in der Phase übereinstimmen. Es müssen daher in den vier parallelen Halbstabzweigen
der Fig.2 :die unsymmetrischen und damit die Ausgleichsspannungen so klein wie möglich
gehalten werden. Dies kann man dadurch erreichen, daß man die Halbstäbe innerhalb
der Gesamtschaltung einer Phase besonders günstig anordnet, andererseits muß aber
die Anordnung der Halbstäbe den bereits geschilderten Bedingungen bzw. der Ausbildung
des Wickelkopfes genügen. Dabei ergeben sich eine große Zahl von Variationsmöglichkeiten,
von denen man sich die günstigsten bezüglich der Unterdrückung der Ausgleichsspannungen
zwischen parallel geschalteten Halbstabzweigen aussucht. Bei der Anordnung gemäß
dem Schema in Fig. i läßt sich die Ausgleichsspannung zwischen den unsymmetrischen
parallel geschalteten Halbstabzweigen für die Spannung mit Grundfrequenz auf 0,27'/ü
der in den Halbstabzweigen entstehenden Nutzspannung herabdrücken. Die resultierenden
Spannungsvektoren der unsymmetrischenHalbstabzweige unterscheiden sich dabei nur
in ihrer Größe, nicht in der Phasenlage. Eine Eigentümlichkeit dieser zweischichtigen
Wicklungen mit Teilparallelschaltung besteht darin, daß der bezüglich der Spannung
wirksame Wert der durch Schrittverkürzung erreichten Sehnung der Wicklung nicht
mit dem Wert der Schrittsehnung als solcher identisch ist, und zwar beträgt in Fig.
i die wirksame Sehnung 0,829, während die Schrittsehnun g 28/33 =- 0#849 ist. Wie
bereits erwähnt, sind je Phase zwei Nuten mit je zwei Halbstäben besetzt. Trotz
des Vorhandenseins dieser Fehlleiternuten weist der Wickelkopf leine Lücken auf,
sondern ist genau so regelmäßig wie bei einer Zweistabwicklung für 48 Nuten ohne
Fehlleiter.
-
Aus Fig. i ist ferner zu ersehen, daß innerhalb der Wicklungszone
einer Phase die Halbstäbe in nebeneinanderliegenden Nuten in der Mitte der Zone
und soweit als möglich symmetrisch innerhalb der Zone angeordnet sind. Dies geht
daraus hervor, daß zu beiden Seiten von den in der Oberschicht
angeordneten
Halbstäben i bis 6 noch ebenfalls in der Oberschicht die. Vollstäbe 13 und 14 auf
der linken Seite und die Vollstäbe 15, 16 und 17 auf der rechten Seite angeordnet
sind. Ebenso sind zu beiden Seiten der in der Unterschicht nebeneinander angeordneten
Halbstäbe 7 bis 12 die Vollstäbe 18, 19 und 2o links und die Vollstäbe 21 und 22
rechts angeordnet. Diese Unterbringung der Teilstäbe in der Mitte der gesamten Wicklungszone
einer Phase bringt wesentliche Vorteile mit sich. Die Ausgleichsspannung zwischen
den unsymmetrischen Teilstabzweigen läßt sich dann sehr klein halten, besonders
weil man die jeweils in Reihe zu schaltenden Teilstäbe derart gruppieren kann, daß
ihre.resultierenden Spannungsvektoren sich nur in der Größe oder nur in der Phase
unterscheiden. Die Wicklungszone und damit auch die Ankerfelderregerkürve läßt sich
bei gerader Anzahl der je Phase in Reihe zu schaltenden Halbstäbe symmetrisch ausführen.
Wie aus der Fig.2 ferner ersichtlich, ergibt sich bei dieser Unterbringung der Teilstäbe
innerhalb der Wicklungszone zwanglos, daß der Anfang und das Ende der gesamten Phasenwicklung
.durch Vollstäbe gebildet wird. Die Generatorklemmen werden also unmittelbar mit
Vollstäben verbunden, so daß eine Beeinflussung des Generatorschutzes durch Ausgleichsströme
der Teilstäbe nicht eintritt. Gegenüber den bisher vorgeschlagenen
Wechselstromwicklungen mit Reihen-
parallelschaltung ergibt sich ferner der Vorteil, daß zusätzliche Ringleitungen
zur Verbindung der Teilstäbe vermieden werden können, :da eben die Teilstabwicklung
in der Mitte der Zone angeordnet ist, wodurch längere Verbindungen für die Parallelschaltung
der Teilstabwicklungen und für die Reihenschaltung mit den Vollstabwicklungsteilen
in Fortfall kommen. Derartige Ringleitungen erfordern aber Raum= und Werkstoffaufwand,
und es entstehen dadurch auch noch zusätzliche Verluste. Als weiterer Vorteil der
Unterbringung der Teilstäbe in der Mitte der Wicklungszone ergibt sich, daß die
wirksame Sehnung, weil an den Außenrändern der Zone Vollstäbe liegen, kleiner ist
als die Schrittsehnung. Sie kann daher besser dem optimalen Wert o,82 angenähert
werden. Die geschilderte Anordnung der Halbstäbe in der Mitte der Zone ergibt ferner
noch den Vorteil, daß die den größten Kurzschlu-ßkräften im Wickelkopf unterworfenen
Stäbe nicht Halbstäbe sind, sondern Vollstäbe; die eine größere Eigensteifigkeit
besitzen und dementsprechend die Kurz.schlußkräfte aufnehmen 'können. Die mathematischen.
Untersuchungen zeigen; daß bei :der Wicklungsanordnung der Fig. i die größten Kurzschlußkräfte
an den Vollstäben 17 und 2o auftreten. Es sind dies diejenigen Stäbe, die am Rand
der Oberschichtzone (Vollstäbe 13, 14, Halbstäbe i bis 6, Vollstäbe 15, 16, 17)
und ,am Rande der Unterschichtzone (Vollstabs 2o, 19; 18, Halbstäbe 7 bis 12, Vollstäbe
2z, 22) liegen, und zwar an denjenigen Rändern, die .dem Teil der Zone angehören,
der sich mit der anderen Zone überlappt. Fig. 3 der Zeichnung zeigt das Wicklungsschema
einer dreiphasigen zweipoligen Zweischichtwicklung, die sowohl bezüglich der Nutzahl
als auch bezüglich der parallelen Zweige von dem Schema der Fig. i abweicht. Man
kann unter sonst gleichen Verhältnissen mit der Wicklung der Fig.3 eine wesentlich
höhere Spannung erzielen, und zwar im Verhältnis r3:8. Die Darstellungsart ist dieselbe
wie in Fig. i. Die gesamte Nutenzahl beträgt 54. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist,
sind innerhalb einer Phase die stark ausgezogenen Vollstäbe mit den aus zwei Parallelzweigen
bestehenden Halbstäben in Reihe geschaltet, wobei am Anfang der Phase Vollstäbe
liegen. Hierauf erfolgt in der Reihenschaltung eine Parallelschaltung von Halbstäben,
dann wiederum Vollstäbe, hierauf eine Parallelschaltung von Halbstäben und- schließlich
am Ende der Phase wiederum Vollstäbe. Je Phase sind 26 Leiter in Reihe geschaltet,
von denen 18 Leiter Vollstäbe sind und 8 Leiter Halbstäbe. Da für die Halbstäbe
zwei parallel geschaltete Zweige vorhanden sind, so ergeben sich für eine Phase
insgesamt 18 Vollstäbe und r6 Halbstäbe, die in 18 Nuten untergebracht sind, wobei
von diesen 18 Nuten 16 mit einem Voll- und. einem Halbstab und zwei Nuten (in der
Zeichnung die Nuten 30 und 3) mit je einem der Vollstäbe besetzt sind. Diese beiden
Nuten sind also nur zu 2/a gefüllt. Die Halbstäbe sind wiederum innerhalb der Wicklungszone
einer Phase derart verteilt, daß an der Wictelungszone der Oberschicht die verschiedenen
Nuten angehörigen Halbstäbe i, 2, 3 und 4 in der Mitte der Wicklungszone liegen,
während am linken Rand dieser Zone die Vollstäbe 9 und 1o und am rechten Rand die
Vollstäbe 11, 12 Und 13 liegen. Ähnlich befinden sich für die Wicklungszone der
Unterschicht .dieser Phase die Halbstäbe 14, 15, 16 und 17 in der Mitte der Zone,
während am linken Rand die Vollstäbe 18 und 19 und am rechten Rand die Vollstäbe
2o und 21 liegen. Im Wickelkopf sind in der Oberschicht die Halbstäbe i und 2 und
die Halbstäbe 3 und 4 zu je einem aus zwei Halbstäben bestehenden Bündel zusammengefaßt,
in derUnterschicht die Halbstäbe 14 und 15 Und die Halbstäbe 16 und 17. Die Ausgleichsspannung
zwischen den parallel geschalteten Halbstabzweigen beträgt für die Spannung mit
Grundfrequenz 0,407% der in den Halbstabzweigen erzeugten Nutzspannung. Die wirksame
Sehnung für die Wicklung der Fig:3 beträgt o;822, die Schrittsehnüng 2327'= o,852: