EP0117460A1 - Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern - Google Patents

Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern Download PDF

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EP0117460A1
EP0117460A1 EP84101188A EP84101188A EP0117460A1 EP 0117460 A1 EP0117460 A1 EP 0117460A1 EP 84101188 A EP84101188 A EP 84101188A EP 84101188 A EP84101188 A EP 84101188A EP 0117460 A1 EP0117460 A1 EP 0117460A1
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EP
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yoke
magnetic
legs
core
leg
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Donald Dr. Brandes
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Transformatoren Union AG
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/38—Auxiliary core members; Auxiliary coils or windings
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F27/24—Magnetic cores
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    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/26—Fastening parts of the core together; Fastening or mounting the core on casing or support
    • H01F27/263—Fastening parts of the core together

Definitions

  • the invention relates to a three-phase choke coil with a five-legged core, the three wound core legs of which are constructed from gaps that enclose gaps filled with non-magnetic material and with reduced cross sections in the yokes and the yoke legs compared to the cross section of the wound core legs.
  • Choke coils are used in electricity supply networks to compensate for capacitive reactive power.
  • Single-phase chokes are often used for high voltages and high reactive powers.
  • a more economical solution would be possible in many cases by using three-phase choke coils because they require less investment both in the costs for the choke coil itself and for its installation in a system.
  • the use of a three-phase choke coil as a structural unit with a five-legged core is expedient. Similar to large transformers with five-leg cores, three core legs are wound here and the unwound outer legs serve as magnetic inferences. As a result, the inductances of the inductor are fully guaranteed in the case of asymmetrical voltage conditions.
  • the loads in the yoke sections between the wound legs on the one hand and on the other hand in the back yoke legs are very different in a choke coil with five-legged core.
  • the yoke sections represent pure iron paths and therefore have a very low magnetic resistance. Even if the back yoke legs are well nested with the yoke plates, saturation occurs locally in the nesting location, so that the resistance of the back yoke is relatively large compared to that of the yoke sections. The result of this is that the magnetic flux closes over the yokes and leads to high induction and thus to high losses.
  • the invention is based on the object of forcing a predetermined distribution of the magnetic flux in a five-legged core with optimized iron cross sections for three-phase choke coils and with non-magnetic gaps in core legs carrying windings in the individual yoke sections and in the yoke legs.
  • This object is achieved for a three-phase choke coil of the type mentioned in that the magnetic resistance between the central core leg and each of the outer of the wound core leg is greater than the magnetic resistance in each of the two magnetic inferences about the yoke ends and the yoke legs and in that these magnetic resistances are essentially determined by the thickness of gaps filled with non-magnetic material at least in the upper yoke and between its ends and the yoke legs.
  • the magnetic resistance between the central core leg and each of the outer of the wound core legs is twice as large as the magnetic resistance in each of the two magnetic yokes, so that the amount in the yokes and the yoke legs large magnetic fluxes occur.
  • At least the upper yoke is advantageously divided into three sections of equal size, each of which is assigned to a core leg and held by an associated pressing device, the pressing devices of the individual core legs working independently of one another.
  • a pull rod arranged centrally in the core leg is provided in each of the pressing devices for absorbing parallel tensile forces.
  • a common press construction of the three yoke parts receives inserts made of non-magnetic material, e.g. made of chromium-nickel steel in order to avoid preferential flow and consequently high eddy current losses.
  • the yoke legs are expediently additionally braced with the yokes.
  • Three-phase choke coils designed according to the invention are very advantageous because the flux distribution of the magnetic flux can be optimally adjusted through the additional gaps provided which are filled with non-magnetic material, and because each of the core legs can be optimally braced with the associated winding or windings.
  • the additional gaps influence the inductance of the three-phase choke coil only relatively little because they are overall much smaller than the sum of the gaps within the wound core legs between the laminated cores forming the latter.
  • the axial bracing which can be adjusted largely independently of one another on the individual core legs, is particularly advantageous with regard to low-noise designs of choke coils.
  • the active connections of the various magnetic resistances of a three-phase choke coil with a five-legged core can be seen from the schematic representation according to FIG.
  • the magnetic resistances R4, R5 and R6 of wound core legs 4, 5 and 6 are of the same size.
  • the magnetic resistors R3 formed by parts of a lower yoke and the magnetic resistors R2 formed by parts of an upper yoke lie between the ends of the core leg 5 and the ends of the core legs 4 and 6.
  • the yoke legs of the five-legged core form magnetic resistors R1.
  • the magnetic resistors R1, R2 and R3 are considerably smaller than the magnetic resistors R4, R5 and R6.
  • At least one magnetic resistor R2 and R3 each lie in series with one another in one of the possible closed magnetic flux circuits with the magnetic resistors R4, R5 and R6.
  • one of the magnetic resistors R1 is in series with the magnetic resistor R4 or R6.
  • Fig. 2 shows in a U-shaped frame made of a lower yoke 3 and yoke legs 11 core legs 4, 5 and 6, each of which carries a winding 10.
  • the core legs 4, 5 and 6 are constructed in the usual way from laminated cores, between which gaps filled with non-magnetic material are provided for determining the magnetic resistance R4, R5 and R6 they represent.
  • Columns / provided between yoke sections 7 are twice as large as corresponding column 1 between the upper ends of the back legs 11 and the yoke sections 7 adjacent to them.
  • Columns 1 and 2 contain inserts made of non-magnetic material.
  • a magnetic flux driven by the windings 10 through the core legs 4, 5 and 6 is distributed in the desired manner onto the yoke sections 7, the yoke legs 11 and the lower yoke 3 in such a way that supersaturations in the individual iron parts guiding the magnetic flux are excluded and, moreover, the forced flow division achieves an optimum for the losses occurring in the iron.

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Abstract

Mit Wicklungen (10) versehene Kernschenkel (4, 5, 6) sind bei derartigen Drosselspulen üblicherweise aus mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte einschließenden Blechpaketen aufgebaut, wobei der Querschnitt der bewickelten Kernschenkel (4, 5, 6) größer ist als die Querschnitte der Joche (3,7) und der Rückschlußschenkel (11). Erfindungsgemäss ist der Fünfschenkelkern so gestaltet, daß der magnetische Widerstand (R2 plus R3) zwischen dem mittleren Kernschenkel (5) und jedem der äußeren der bewickelten Kernschenkel (4, 6) größer ist als der magnetische Widerstand (R1) in jedem der beiden magnetischen Rückschlüße über die Jochenden und die Rückschlußschenkel (11). Die Größe dieser magnetischen Widerstände (R1, R2, R3) ist im wesentlichen durch die Stärke von mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte (1, 2) mindestens im oberen Joch sowie zwischen den Jochenden und den Rückschlußschenkeln (11) bestimmt. Durch die erfindungsgemäße Verteilung der magnetischen Widerstände lassen sich Drehstromdrosselspulen mit Fünfschenkelkernen hinsichtlich der Verteilung des Magnetflusses sehr gut optimieren, so daß sie als physikalisch gleichwertiger Ersatz für Einphasendrosselspulen einsetzbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern, dessen drei bewickelte Kernschenkel aus mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte einschließenden Blechpaketen aufgebaut sind und mit gegenüber dem Querschnitt der bewickelten Kernschenkel reduzierten Querschnitten in den Jochen und den Rückschlußschenkeln.
  • In Elektrizitätsversorgungsnetzen werden zur Kompensation kapazitiver Blindleistungen Drosselspulen benutzt. Für hohe Spannungen und für große Blindleistungen werden häufig Einphasendrosselspulen eingesetzt. Eine wirtschaftlichere Lösung wäre jedoch vielfach durch Verwendung von Drehstromdrosselspulen möglich, weil diese ein geringeres Investment sowohl in den Kosten für die Drosselspule selbst, als auch für deren Aufstellung in einer Anlage erfordern.
  • Ist dabei eine so geringe Nullimpedanz erforderlich, wie sie bei Einphasendrosselspulen vorliegt, so ist der Einsatz einer Drehstromdrosselspule als eine Baueinheit mit Fünfschenkelkern zweckmäßig. Ähnlich wie bei Großtransformatoren mit Fünfschenkelkernen sind hierbei drei Kernschenkel bewickelt und die unbewickelten Außenschenkel dienen als magnetische Rückschlüsse. Dadurch sind bei unsymmetrischen Spannungsverhältnissen die Induktivitäten der Drosselspule voll gewährleistet.
  • Durch die DE-OS 27 28 904 ist ein Drehstromtransformator mit infolge hohem Streuflußanteil drosselähnlichem Verhalten bekannt. Bei diesem Transformator sind in üblicher Krt 2 Po/15.02.1983 Weise drei Kernschenkel bewickelt, deren Enden durch Joche zur Führung des Magnetflusses miteinander verbunden sind. Durch das Kapitel I Nr. 7 "Der Flinfschenkelkern für Drehstrom" in dem Buch "Die Transformatoren" von Rudolf Küchler ist darüber hinaus die allgemeine Verwendbarkeit von Fünfschenkelkernen bekannt, in denen sich die Querschnittsflächen der Kernschenkel zu denen der Joche und Rückschlußschenkel wie 1,73 zu 1 verhalten. Die bewickelten Kernschenkel sind dabei für Drosseln gemäß der DE-OS 30 40 742 oder der DE-OS 30 40 724 aus Blechpaketen aufgebaut, die mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte einschließen.
  • Bei diesen Verhältnissen mit durchgehenden Jochen sind bei einer Drosselspule mit Fünfschenkelkern die Belastungen in den Jochabschnitten zwischen den bewickelten Schenkeln einerseits und andererseits in den Rückschlußschenkeln sehr unterschiedlich. Die Jochabschnitte stellen reine Eisenwege dar und haben damit einen sehr kleinen magnetischen Widerstand. Selbst wenn die Rückschlußschenkel mit den Jochblechen gut verschachtelt sind, kommt es in der Verschachtelungsstelle örtlich zu einer Sättigung, so daß der Widerstand des Rückschlusses, verglichen mit dem der Jochabschnitte relativ groß ist. Dies führt im Ergebnis dazu, daß sich der Magnetfluß über die Joche schließt und in diesen zu hohen Induktionen und somit auch zu hohen Verlusten führt. Noch ungünstiger sind diese Verhältnisse, wenn das obere Joch zur Pressung der Schenkel beweglich ausgeführt wird, weil dann zwischen dem jeweiligen Rückschlußschenkel und dem oberen Jochbalken ein unmagnetischer Spalt besteht. Diese Einstellbarkeit ist darüber hinaus aus Geräuschgründen erwünscht.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in einem Fünfschenkelkern mit optimierten Eisenquerschnitten für Dreiphasen-Drosselspulen und mit nicht magnetischen Spalten in Wicklungen tragenden Kernschenkeln in den einzelnen Jochabschnitten und in den Rückschlußschenkeln eine vorher bestimmte Verteilung des Magnetflusses zu erzwingen.
  • Diese Aufgabe wird für eine Drehstromdrosselspule der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der magnetische Widerstand zwischen dem mittleren Kernschenkel und jedem der äußeren der bewickelten Kernschenkel größer ist als der magnetische Widerstand in jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse über die Jochenden und die Rückschlußschenkel und dadurch, daß diese magnetischalWiderstände im wesentlichen durch die Stärke von mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte mindestens im oberen Joch sowie zwischen dessen Enden und den Rückschlußschenkeln bestimmt sind.
  • Nach zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der magnetische Widerstand zwischen dem mittleren Kernschenkel und jedem der äußeren der bewickelten Kernschenkel doppelt so groß ist wie der magnetische Widerstand in jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse, so daß in den Jochen und den Rückschlußschenkeln dem Betrage nach gleich große Magnetflüsse auftreten.
  • Dabei ist in vorteilhafter Weise mindestens das obere Joch in drei gleich große Abschnitte unterteilt, von denen jeder je einem Kernschenkel zugeordnet und von einer zugehörigen Preßeinrichtung gehalten ist, wobei die Preßeinrichtungen der einzelnen Kernschenkel unabhängig voneinander arbeiten.
  • Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist in jeder der Preßeinrichtungen zur Aufnahme schenkelparalleler Zugkräfte eine zentrisch im Kernschenkel angeordnete Zugstange vorgesehen. Eine gemeinsame Preßkonstruktion der drei Jochteile erhält im Bereich der Jochspalte Einsätze aus unmagnetischem Material, z.B. aus Chromnickelstahl, um hier eine bevorzugte Flußführung und im Gefolge damit hohe Wirbelstromverluste zu vermeiden. Außerdem sind in zweckmäßiger Weise die Rückschlußschenkel mit den Jochen zusätzlich verspannt.
  • Erfindungsgemäß ausgeführte Drehstromdrosselspulen sind sehr vorteilhaft, weil die Flußverteilung des Magnetflusses durch die vorgesehenen zusätzlichen mit unmagnetischem Werkstoff gefüllten Spalte optimal einstellbar ist, und weil außerdem jeder der Kernschenkel mit der oder den zugehörigen Wicklungen je für sich optimal verspannbar ist. Dabei beeinflussen die zusätzlichen Spalte die Induktivität der Drehstromdrosselspule nur verhältnismäßig wenig, weil sie insgesamt viel kleiner sind als die Summe der Spalte innerhalb der bewickelten Kernschenkel zwischen den die letzteren bildenden Blechpaketen. Die an den einzelnen Kernschenkeln weitgehend unabhhängig voneinander einstellbare axiale Verspannung ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf geräuscharme Ausführungen von Drosselspulen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
    • Fig. 1 zeigt in einem Ersatzschaltbild die Verteilung der magnetischen Widerstände.
    • Fig. 2 stellt einen Längsschnitt durch eine Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern dar.
  • Der schematisierten Darstellungsform gemäß Figur 1 sind die Wirkverbindungen der verschiedenen magnetischen Widerstände einer Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern zu entnehmen. Darin sind die magnetischen Widerstände R4, R5 und R6 von bewickelten Kernschenkeln 4, 5 und 6 gleich groß. Zwischen den Enden des Kernschenkels 5 und den Enden der Kernschenkel 4 und 6 liegen die von Teilen eines unteren Joches gebildeten magnetischen Widerstände R3 und die von Teilen eines oberen Joches gebildeten magnetischen Widerstände R2. Die Rückschlußschenkel des Fünfschenkelkerns bilden hierbei magnetische Widerstände R1. Die magnetischen Widerstände R1, R2 und R3 sind erheblich kleiner als die magnetischen Widerstände R4, R5 und R6.
  • Durch diese Anordnung liegen mindestens je ein magnetischer Widerstand R2 und R3 in Reihe miteinander in einem der möglichen geschlossenen Magnetflußkreise mit den magnetischen Widerständen R4, R5 bzw. R6. Dagegen liegt je einer der magnetischen Widerstände R1 für sich allein in Reihe mit dem magnetischen Widerstand R4 bzw. R6.
  • Fig. 2 zeigt in einem U-förmigen Rahmen aus einem unteren Joch 3 und aus Rückschlußschenkeln 11 aufgebaute Kernschenkel 4, 5 und 6, von denen jeder eine Wicklung 10 trägt. Die Kernschenkel 4, 5 und 6 sind in üblicher Weise aus Blechpaketen aufgebaut, zwischen denen zur Bestimmung des von ihnen dargestellten magnetischen Widerstandes R4, R5 bzw. R6 mit nicht magnetischem Werkstoff angefüllte Spalte vorgesehen sind.
  • Über jedem der Kernschenkel 4, 5 und 6 liegt je einer von drei Jochabschnitten 7, die gemeinsam ein oberes Joch bilden. Zwischen den Jochabschnitten 7 vorgesehene Spalte/sind doppelt so groß wie entsprechende Spalte 1 zwischen den oberen Enden der Rückschenkel 11 und den diesen benachbarten Jochabschnitten 7. In den Spalten 1 und 2 liegen Beilagen aus nicht magnetischem Werkstoff.
  • Der mechanische Zusammenhalt dieser Anordnung wird in üblicher Weise durch im einzelnen nicht dargestellte Preßeinrichtungen 8 für die Wicklungen 10 und die Kernschenkel 4, 5 und 6 sowie durch eine zusätzliche im wesentlichen in Längsrichtung des oberen Joches wirkende Preßeinrichtung 9 gewährleistet. Die Preßeinrichtung 9 hält gleichzeitig die Beilagen in den Spalten 1 und 2.
  • Durch die Anordnung und Gestaltung der Spalte 1 und 2 wird ein von den Wicklungen 10 durch die Kernschenkel 4, 5 und 6 getriebener magnetischer Fluß in gewünschter Weise so auf die Jochabschnitte 7, die Rückschlußschenkel 11 und das untere Joch 3 verteilt, daß Übersättigungen in den einzelnen den Magnetfluß führenden Eisenteilen ausgeschlossen sind und wobei außerdem durch die erzwungene Flußaufteilung ein Optimum für die im Eisen auftretenden Verluste erreicht ist.

Claims (5)

1. Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern, dessen drei bewickelte Kernschenkel aus mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte einschließenden Blechpaketen aufgebaut sind und mit gegenüber dem Querschnitt der bewickelten Kernschenkel reduzierten Querschnitten in den Jochen und den Rückschlußschenkeln, dadurch gekennzeichnet ,
- daß der magnetische Widerstand (R2 plus R3) zwischen dem mittleren Kernschenkel (5) und jedem der äußeren der bewickelten Kernschenkel (4, 6) größer ist als der magnetische Widerstand (R1) in jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse über die Jochenden und die Rückschlußschenkel (11) und
- daß diese magnetischen Widerstände (R1, R2, R3) im wesentlichen durch die Stärke von mit nicht magnetischem Werkstoff gefüllte Spalte (1, 2) mindestens im oberen Joch sowie zwischen Jochenden und Rückschlußschenkeln (11) bestimmt sind.
2. Drehstromdrosselspule nach Anspruch 1, adurch gekennzeichnet , daß der magnetische Widerstand (R2 plus R3) zwischen dem mittleren Kernschenkel (5) und jedem der äußeren der bewickelten Kernschenkel (4, 6) doppelt so groß ist wie der magnetische Widerstand (R1) in jedem der beiden magnetischen Rückschlüsse, so daß in den Jochen (3, 7) und den Rückschlußschenkeln (11) dem Betrage nach gleich große Magnetflüsse auftreten.
3. Drehstromdrosselspule nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens das obere Joch in drei gleich große Jochabschnitte (7) unterteilt ist, von denen jeder je einem Kernschenkel (4, 5, 6) zugeordnet und von einer zugehörigen axialen Preßeinrichtung (8) gehalten ist, wobei die Preßeinrichtungen (8) der einzelnen Kernschenkel (4, 5, 6) unabhängig voneinander arbeiten.
4. Drehstromdrosselspule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß in jeder der Preßeinrichtungen (8) zur Aufnahme schenkelparalleler Zugkräfte eine zentrisch im Kernschenkel (4, 5, 6) angeordnete Zugstange vorgesehen ist.
5. Drehstromdrosselspule nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückschlußschenkel (11) mit den Jochteilen (7) zusätzlich verspannt sind.
EP84101188A 1983-02-18 1984-02-06 Drehstromdrosselspule mit Fünfschenkelkern Withdrawn EP0117460A1 (de)

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