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Anordnung zur Unterdrückung zusätzlicher Stromwärrneverluste in gewendelten
Transformatorenwicklungen Transformatorenwicklungen für große Stromstärken, die
dementsprechend große Leiterquerschnitte erfordern, müssen so entworfen werden,
daß die unter der Einwirkung des magnetischen Streufeldes entstehenden zusätzlichen
Verluste in erträglichen Grenzen bleiben. Eine bekannte Maßnahme, dieses Ziel zu
erreichen, besteht darin, den gesamten Leiterquerschnitt in eine gewisse Zahl von
parallelen Teilleitern aufzuteilen und diese im Zuge der Wicklung an einzelnen Stellen
so umzuschichten, daß eine möglichst gleichmäßige Verkettung der einzelnen Teilleiter
mit dem magnetischen Streufluß erreicht wird.
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Es gibt zwei verschiedene Arten einer solchen Umschichtung. Bei der
einen Art, die als Verdrillung bezeichnet werden soll, -wird an der Verdrillungsstelle
der Gesamtleiter um 180° gedreht. Hinter der Verdrillungsstelle ist dann die Reihenfolge
der Einzelleiter die umgekehrte wie vor der Verdrillungsstelle. Hinter einer etwaigen
zweiten Verdrillungsstelle ist die ursprüngliche Reihenfolge wieder vorhanden. Solche
Verdrillungen lassen sich zwar in verhältnismäßig einfacher Weise und entweder ohne
oder mit nur geringfügigem zusätzlichem Raumbedarf ausführen, erfüllen aber die
Forderung nach gleichmäßiger Verkettung der Teilleiter mit dem Streufluß nur sehr
unvollkommen. Sie werden daher nur selten und auch dann nur bei Wicklungen für mäßige
Stromstärken angewandt.
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Bei der zweiten Art der Umschichtung, die als Wendelung bezeichnet
wird, wird die Reihenfolge der Teilleiter an den Wendelstellen zyklisch vertauscht.
Die Zahl der Wendelstellen steht dann in direktem Zusammenhang mit der Zahl der
parallelen Teilleiter. Meistens werden (m-1) Wendelstellen vorgesehen, wenn m Teilleiter
vorhanden sind. Es sind auch Ausführungen mit m Wendelstellen bekannt, bei denen
die Abstände zwischen Wicklungsanfang und erster Wendelstelle sowie zwischen letzter
Wendelstelle und Wicklungsende nur halb so groß sind wie die Abstände zwischen benachbarten
Wendelstellen. Die gebräuchlichste Ausführungsart von Wicklungen, bei denen solche
zyklische Vertauschungen vorgenommen werden, ist die sogenannte Wendelwicklung.
Die Wicklung mit Wendelstellen erfüllt zwar die Forderung nach gleichmäßiger Verkettung
der Teilleiter mit dem Streufluß sehr vollkommen, doch erfordert jede Wendelstelle
einen zusätzlichen Raumbedarf. Auch ist der Arbeitsaufwand zur Herstellung einer
Wendelstelle wesentlich größer als der zur Herstellung einer Verdrillungsstelle.
Raumbedarf und Arbeitsaufwand wachsen also mit der Zahl der Wendelstellen und daher
mit der Zahl der parallelen Teilleiter. Bei Wicklungen für sehr große Ströme, die
einen großen Querschnitt des Gesamtleiters erfordern, muß aber eine große Zahl von
Teilleitern vorgesehen werden, wenn die zusätzlichen Verluste hinreichend klein
bleiben sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, trotz einer kleineren Zahl
von Wendelstellen die zusätzlichen Verluste hinreichend klein zu halten. Sie schlägt
deshalb vor, die m Teilleiter in n Gruppen aufzuteilen. Jede Gruppe enthält also
n Teilleiter. Die Wendelung entsprechend dem bisher bekannten Verfahren wird dabei
so durchgeführt, als ob jede Teilleitergruppe ein einzelner Teilleiter wäre. Die
Zahl der Wendelstellen ist daher nicht (m-1), sondern (n-1). Je nach Größe der durch
diese Wendelung der Gruppen für sich allein nicht ausreichend unterdrückten zusätzlichen
Verluste werden erfindungsgemäß zusätzlich Verdrillungen vorgenommen.
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Zahl und Lage dieser Verdrillungsstellen richten sich nach den jeweils
vorliegenden Verhältnissen und sind so zu wählen, daß sich ein möglichst kleiner
Wert für die zusätzlichen Verluste ergibt. Weder der Zahl noch der Lage nach brauchen
die Verdrillungen der einzelnen Gruppen unter sich übereinzustimmen. Mit Rücksicht
auf den Raumbedarf wird man die Verdrillungen zweckmäßig an den Wendelstellen vornehmen,
doch können-in besonderen Fällen auch Verdrillungen an anderer Stelle erfolgen.
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Um die wirksamsten Verdrillungen der Gruppen zu finden, bedient man
sich zweckmäßig eines bekannten Verfahrens, das Widerstandsverhältnis k zu bestimmen.
Nach diesem Verfahren kann man setzen: k=T (e) +AB Y' (e), (1)
wobei cp und
T bestimmte Funktionen der »reduzierten
Leiterhöhe« e sind, welche
ihrerseits im wesentlichen von der wirklichen Leiterhöhe und der Wechselstromfrequenz
abhängt. Als wirkliche Leiterhöhe ist im vorliegenden Fall die Höhe des Wicklungsmetalls
(Kupfer) aller Teilleiter einer Gruppe einzusetzen. Die Faktoren A und
B hängen von dem Mittelwert der magnetischen Feldstärke ab, die an der unteren
und oberen Grenzschicht einer Gruppe herrscht, wenn diese durch die ganze Wicklung
durchlaufen werden. Es ist an sich bekannt, das Produkt A - B durch Verdrillungen
zu beeinflussen; zweckmäßig ist ein negativer Wert dieses Produktes anzustreben.
Von der Kombination der an sich bekannten Verdrillung mit der an sich bekannten
Wendelung ist jedoch bisher kein Gebrauch gemacht worden. Diese Kombination, die
das Wesen der vorliegenden Erfindung ausmacht, bringt aber bei der Wendelwicklung
wesentliche Vorteile, die nicht ohne weiteres zu erwarten waren.
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An Hand eines Beispiels sei dies näher erläutert: Die Zahl der Teilleiter
sei ssz=15, die Zahl der Gruppen n.=5. Jede Gruppe enthält also drei Teilleiter.
Die »reduzierte Leiterhöhe« des einzelnen Leiters sei 5=0,2; dann ist die reduzierte
Leiterhöhe der Gruppe 5g=3 - 5 =0,6. In bekannter Weise findet man p (e) =1,000142;
Tf (e) = 0,000533; 9p (eg) =1,01146; Tf (eg) = 0,04282.
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An Hand der Zeichnung seien nacheinander drei Ausführungsarten einer
Zylinderwicklung betrachtet. 1. Anordnung (Fig. 1) : Vollkommene Wendelung mit (m-1)=
14 Wendelstellen in der bisher bekannten Ausführung.
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Das Widerstandsverhältnis ist _ () @' 3 (m2-1) Y' (e) =10394. (2)
Die zusätzlichen Verluste betragen also 3,94°/0 der Gleichstromverluste.
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2. Anordnung (Fig. 2) : Wendelung der Gruppen allein mit (zz-1) =
4 Wendelstellen.
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Das Widerstandsverhältnis ist k = (p (eg) -f-3 (iz2-1)
F (eg) =1,354. (3) Die zusätzlichen Verluste betragen also 35,40/m der Gleichstromverluste.
Dieser Wert ist so, hoch, daß man eine Wicklung in dieser Anordnung nicht durchführen
wird.
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3. Anordnung (Fig. 3) : Wendelung der Gruppen mit vier Wendelstellen
und zusätzlicher Verdrillung innerhalb der Gruppen an einzelnen Wendelstellen. Bei
dieser Anordnung treten zunächst zusätzliche Verluste auf, die man aus dem Widerstandsverhältnis
nach Gleichung (1) erhält. In jeder der fünf Gruppen läßt sich z. B. für das ProduktAB
in dieser Gleichung der Wert AB= -0,24 erreichen, wenn man verdrillt:
die erste Gruppe an den Wendelstellen 2 und 4, die zweite Gruppe an der Wendelstelle
3, die dritte Gruppe an den Wendelstellen 1 und 4, die vierte Gruppe an der Wendelstelle
2, die fünfte Gruppe an den Wendelstellen 1 und 3. Es ergibt sich dann ein Widerstandsverhältnis
k = p (eg) -0,24 Yf (eg) =1,0012. (4) Die darin zum Ausdruck kommenden zusätzlichen
Verluste (zusätzliche Verluste erster Ordnung) betragen 0,12"/o der Gleichstromverluste.
Hinzu kommen hier allerdings noch die gleichen zusätzlichen Verluste (zusätzliche
Verluste zweiter Ordnung), wie sie in der 1. Anordnung auftreten, also 3,94'°/a.
Mit hinreichender Genauigkeit können die gesamten zusätzlichen Verluste als Summe
derjenigen der ersten und zweiten Ordnung gesetzt werden; sie betragen also für
die 3. Anordnung 4,060/m.
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Die 3. Anordnung der Wicklung führt also zu zusätzlichen Verlusten,
die nur ganz unwesentlich höher sind als diejenigen, die bei der 1. Anordnung auftreten.
Sie werden aber bei der 3. Anordnung mit einem Wicklungsaufbau erreicht, der wesentlich
einfacher und billiger ist als derjenige der 1. Anordnung. Da die Verdrillungsstellen
mit den Wendelstellen zusammenfallen, erfordern sie keinen zusätzlichen Raumbedarf.
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Von besonderem Vorteil ist der Aufbau der Wicklung nach der vorliegenden
Erfindung, wenn die Wicklung durch wahlweise Reihen- oder Parallelschaltung für
zwei oder mehr Nennspannungen verwendet werden soll. Dann ist es aus isoliertechnischen
Gründen notwendig, die Teilleiter in Gruppen zusammenzufassen und zunächst die Gruppen
zu wendeln. In dem betrachteten Beispiel ist das der Fall, wenn die Gruppen nicht
nur parallel geschaltet werden, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, sondern auch in
Reihe, wenn die Wicklung für die fünffache Nennspannung verwendet werden soll.
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Wollte man in diesem Fall das für gegebene Leiterabmessungen erreichbare
Minimum der zusätzlichen Verluste anstreben (im Beispiel 3,94°/0 der Gleich stromverluste),
so müßte man nach den bisher bekannten Verfahren neben den (iz-1) Wendelstellen
der Gruppen in jedem Wicklungsabschnitt noch
Wendelstellen für die Teilleiter jeder einzelnen Gruppe vorsehen. In dem betrachteten
Beispiel hätte man also insgesamt vier Wendelstellen der Gruppen und 5 - 5 - 2=50
Wendelstellen der Teilleiter innerhalb der Gruppen auszuführen.
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Die Erfindung gestattet es jedoch, nach Fig.3 mit vier Wendelstellen
der Gruppen und acht Verdrillungen auszukommen, wobei die Verdrillungsstellen räumlich
mit den Wendelstellen zusammenfallen.