DE1053651B

DE1053651B - Arrangement to suppress additional current heat losses in coiled transformer windings

Info

Publication number: DE1053651B
Application number: DEG21942A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Habil Franz Heiles
Original assignee: Garbe Lahmeyer and Co AG
Current assignee: Garbe Lahmeyer and Co AG
Priority date: 1957-04-18
Filing date: 1957-04-18
Publication date: 1959-03-26

Description

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.Arrangement to suppress additional Stromwärrneverluste in coiled Transformer windings Transformer windings for large currents that accordingly require large conductor cross-sections, must be designed in such a way that that the additional arising under the action of the magnetic stray field Losses remain within tolerable limits. A well known measure to this goal Achieve consists in dividing the entire conductor cross-section into a certain number of split parallel partial conductors and these in the course of the winding at individual points to rearrange so that the individual sub-conductors are chained as evenly as possible is achieved with the magnetic leakage flux.

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.There are two different types of such redeployment. In the a type which shall be referred to as a twist, -will at the point of twist the entire conductor rotated by 180 °. The sequence is then behind the twisting point the single conductor is the opposite of that before the twisting point. Behind any second twist point, the original sequence is available again. Such Twists can be done in a relatively simple manner and either without or run with only a small additional space requirement, but meet the There is only a very strong demand for even interlinking of the sub-conductors with the leakage flux imperfect. They are therefore seldom and even then only with moderate windings Currents applied.

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.The second type of redeployment, known as twisting the order of the sub-conductors is cyclically reversed at the helix points. The number of helix points is then directly related to the number of parallel sub-conductor. Mostly (m-1) helix points are provided if m sub-conductors available. There are also known designs with m helical points in which the distances between the start of the winding and the first coil point and between the last The helix point and the end of the winding are only half as large as the distances between neighboring ones Spiral points. The most common type of winding where such cyclical interchanges are made is the so-called helical winding. The winding with helical points does meet the requirement for uniform interlinking the partial conductor with the leakage flux is very perfect, but requires every helix point an additional space requirement. Also, the amount of work involved in making a The helix point is significantly larger than that used to produce a twist point. The space requirement and workload therefore grow with the number of helix points and therefore with the number of parallel sub-conductors. With windings for very large currents, the require a large cross section of the overall conductor, but must have a large number of Partial conductors are provided if the additional losses are sufficiently small should stay.

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.The invention is based on the object, despite a smaller number of spiral points to keep the additional losses sufficiently small. she beats therefore propose to divide the m sub-leaders into n groups. So each group contains n sub-ladder. The twist according to the previously known method is thereby performed as if each sub-leader group were a single sub-leader. the The number of spiral points is therefore not (m-1), but (n-1). Depending on the size of the through this twisting of the groups by itself does not sufficiently suppress additional ones According to the invention, losses are additionally carried out by twisting.

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.The number and position of these twisting points depend on the respective existing conditions and are to be selected so that the smallest possible Value for the additional losses. Need neither the number nor the location the twists of the individual groups agree among themselves. With consideration Depending on the space requirements, the twists will expediently be made at the helix points, however, in special cases, twists can also be made elsewhere.

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.In order to find the most effective twisting of the groups, it is expedient to use a known method of determining the resistance ratio k. Using this method, one can set: k = T (e) + AB Y '(e), (1) where cp and T are certain functions of the "reduced conductor height" e, which in turn depends essentially on the actual conductor height and the alternating current frequency . In the present case, the height of the winding metal (copper) of all sub-conductors in a group is to be used as the actual conductor height. The factors A and B depend on the mean value of the magnetic field strength that prevails at the lower and upper boundary layer of a group when these are passed through the entire winding. It is known per se that the product A - B can be influenced by twisting; It is advisable to aim for a negative value for this product. However, no use has been made to date of the combination of the twist known per se with the twist known per se. This combination, which constitutes the essence of the present invention, however, brings essential advantages in the case of the helical winding that were not to be expected without further ado.

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.This is explained in more detail using an example: The number of sub-conductors let ssz = 15, the number of groups n. = 5. So each group contains three sub-leaders. The "reduced ladder height" of the individual ladder is 5 = 0.2; then the reduced one Group ladder height 5g = 3 - 5 = 0.6. In a known way, one finds p (e) = 1,000142; Tf (e) = 0.000533; 9p (eg) = 1.01146; Tf (eg) = 0.04282.

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.On the basis of the drawing, three types of execution are one after the other Cylinder winding considered. 1. Arrangement (Fig. 1): Complete helix with (m-1) = 14 helix points in the previously known design.

Das Widerstandsverhältnis ist _ () @' 3 (m2-1) Y' (e) =10394. (2) Die zusätzlichen Verluste betragen also 3,94°/0 der Gleichstromverluste.The resistance ratio is _ () @ '3 (m2-1) Y' (e) = 10394. (2) The additional losses are thus 3.94% of the direct current losses.

2. Anordnung (Fig. 2) : Wendelung der Gruppen allein mit (zz-1) = 4 Wendelstellen.2. Arrangement (Fig. 2): the groups are twisted only with (zz-1) = 4 helix positions.

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.The resistance ratio is k = (p (eg) -f-3 (iz2-1) F (eg) = 1.354. (3) The additional losses are thus 35.40 / m of the direct current losses. This value is so high that one will not perform a winding in this arrangement.

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.3. Arrangement (Fig. 3): spiraling of the groups with four spiral points and additional twisting within the groups at individual spiral points. With this arrangement, additional losses initially occur, which are obtained from the resistance ratio according to equation (1). In each of the five groups z. B. for the product AB in this equation the value AB = -0.24 can be achieved if you twist: the first group at the helix points 2 and 4, the second group at the helix point 3, the third group at the helix points 1 and 4, the fourth group at the helix point 2, the fifth group at the helix points 1 and 3. This results in a resistance ratio k = p (eg) -0.24 Yf (eg) = 1.0012. (4) The additional losses expressed therein (additional losses of the first order) amount to 0.12 "/ o of the direct current losses. In addition, however, there are the same additional losses (additional losses of the second order) as occur in the 1st arrangement , i.e. 3.94 ° / a. With sufficient accuracy, the total additional losses can be set as the sum of those of the first and second order; they therefore amount to 4.060 / m for the third arrangement.

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.The 3rd arrangement of the winding therefore leads to additional losses, which are only slightly higher than those that occur in the 1st arrangement. In the third arrangement, however, they are achieved with a winding structure that is essential is simpler and cheaper than that of the 1st arrangement. Because the twist points coincide with the spiral points, they do not require any additional space.

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.The structure of the winding according to the present invention is of particular advantage Invention, if the winding by either series or parallel connection for two or more nominal voltages are to be used. Then it's from insulation Reasons necessary to combine the sub-leaders in groups and first the groups to spiral. In the example under consideration, this is the case when the groups do not can only be connected in parallel, as shown in FIGS. 2 and 3, but also in Row if the winding is to be used for five times the nominal voltage.

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.In this case, if one wanted to aim for the minimum of additional losses attainable for given conductor dimensions (in the example 3.94% of the direct current losses), one would have to use the previously known method in addition to the (iz-1) coil points of the groups in each winding section still Provide spiral points for the sub-leaders of each individual group. In the example under consideration, a total of four spiral points of the groups and 5 - 5 - 2 = 50 spiral points of the sub-conductors would have to be implemented within the groups.

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.However, the invention allows, according to Figure 3, with four helical points of groups and eight twists get along, the twists spatially coincide with the helix points.

Claims

PATENT APPLICATIONS: 1. Arrangement for suppressing additional current heat losses in coiled transformer windings with m sub-conductors lying one above the other transversely to the stray field direction, characterized in that n groups of each Partial conductors are formed and coils are produced in a manner known per se as if the groups were part conductors, and that, in addition, the groups are twisted in a manner known per se at suitable points.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the twisting points spatially with coincide with the spiral points. Publications considered: R. Richter : Electrical machines,

3rd volume, edition 1954, pp.208./209; R. Küchler: The transformers, 1956, pp. 274 to 276.