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Wicklungsanordnung für in Kaskade geschaltete Transformatoren oder
Wandler Die Erfindung betrifft eineWicklungsan.ordnung für Transformatoren oder
Wandler, insbesondere für hohe Spannungen. Bei derartigen Geräten wird; häufig eine
Kaskadenschaltung benutzt, bei der die Hochspannungswicklungen in Reihe geschaltet
sind, während die zum Energietransport bzw. zur Magnetisieru@ng erforderliche Leistung
durch besondiere Wicklungen, die als Überkopplungswicklungen oder Schubwicklungen
bezeichnet werden, von einem Kern zum näch,-sten bzw. von einem Schenkel eines Kernes
zum nächsten übertragen wird.
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Bei den Kaskadenhochspannungstransformatoren kann man im wesentlichen
zwei Typen unterscheiden. Bei der einen Type ist für jeden bewickelten. Schenkel
ein besonderer Eisenkern, vorzugsweise ein Mantelkern, vorgesehen, während die zweite
Ausführungsart Rahmenkerne aufweist, von denen zwei Schenkel be-«-ickelt sind.
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Bei der ersten Art, bei welcher jeder bewickelte Schenkel einen besonderen
Eisenkern aufweist, sind dis Spulen gewöhnlich so angeordnet, daß sich unmittelbar
auf dein Eisenkern eine Niederspannungswicklung befindet, «-elche häufig beim räumlich
und qhannungsmäßig untersten Kern die Primärwicklung des Hochspannungstransformators
bzw. bei Spannungswandlern die Sekundärwicklung bildet. Der Eisenkern selbst hat
dabei ein elektrisches Potential, das in der Nähe des Potentials dieser Wicklung
liegt. C'lier dieser Wicklung ist die eigentliche Hochspannungswicklung des bertreffenden
Kernes angeordnet, und zwar so, daß das Potential vom Wicklungsgrund nasch außen
hin zunimmt. Über der Hochspannungswicklung ist eine weitere Niederspannungswicklung
N urgesehen, die als Überkopplungswicklung dient und mit der Wicklung auf dem nächsten.
Schenkel verbunden ist. Diese Wicklung befindet sich auf dem höchsten Potential
der Hochspannungswicklung des betrcffenden Kernes.
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Auch bei der zweiten Art von Hochspannungstransformatcren, bei der
zwei Schenkel eines Rahmenkernes mit je drei Wicklungen versehen sind, befindet
sich üblicherweise die Hochspannungswicklung zwischen. zwei Niederspannungswicklungen.,
von denen die eine sich. a.u.f dem Kernpotential befindet und als Überkopplungswicklung
dient, während jeweils die anderen, außen auf der Hochspannungswicklung liegenden,
sich auf einem Potential befinden, das um das Potential der Hochspannungswicklung
ihres Schenkels gegen den Kern verschoben ist.
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Bei beiden Arten von Kaskadentransformatoren befindet sich also die
Hochspannungswicklung zwischen den beiden Niederspannungswicklungen.
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Die Erfindung geht von. der Erkenntnis aus, daß diese Wicklungsanordnung
sehr urigünstig ist, wenn man. eine größere Leistung bzw. eine kleinere Kurzschlußspa.nn.ung
erreichen will. Die Anordnung führt nämlich zwangläufig zu einer Verkettung der
Streuspannungen von zwei Wicklungen. da, von einer Niederspannungswicklung ausgehend,
die Energie SO-wohl auf die Hochspanaiungswicklung wie auf' die jenseits der Hochspannungswicklung
liegende weitere Niederspannungswicklung transformiert werden muß. Daher ergeben
sich, bei diesen Wicklungsanordnungen insbesondere beim untersten Schenkel des Kaskadentransforrnators
verhältnismäßig hohe Streuspa.nnungsabfälle.
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Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für in Kaskade geschaltete
Transformatoren oder Wandler, insbesondere für hohe Spannungen, bei denen nur drei
Wicklungen, nämlich eine Hochspannungs-, eine Niederspannungs- und eine Kopplungswicklung,
auf einem gemeinsamen Kernschenkel angebracht sind und die erforderlichen Isolationsabstände
durch von einer Isalierflüssigkeit durchflossene Isolierkanäle zwischen den betreffenden
Wicklungen bzw. zwischen diesen und. dem Eisenkern erzielt werden. Erfindungsgemäß
ist zur Vermeidung einer Verkettung der Streuflüsse bei der Transformation von der
(bzw. auf die) Wicklung größter AW-Zahl auf die (bzw. von den) beiden anderen Wicklungen
die Wicklung größter AW-Zahl zwischen den beiden anderen Wicklungen angeordnet.
Vorzugsweise ist zwischen der Wicklung größter AW-Zahl und der Kopplungswicklung
eines zusätzliche Isolation angeordnet, welche für das gesamte Hochspannungspotential
des Schenkels bemessen ist.
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Es ist bereits ein Trockentransformator in Kaska.denschaltung bekanntgeworden,
bei dem die- Kopplungswicklung aus je zwei konzentrisch zu den Tra.nsformatorwicklungen
innen- und außenliegenden Wicklunge.
n besteht. Hier sind also auf
dem Kerasclivnlcel vier Wicl:lungcn angeordnet, während- es sich bei der Erfindung
um eine M'icklungsanordnung handelt. bei welcher auf dem gem; insamen Kernschenkel
nur drei Wiclcluii-an vorgesehen sind.
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Bei diesem bekannten Transformator findet die Tra.nsformatio-ii von
den beiden Überkopplungswicklungen auf die Sekundärwicklung statt. Demgemäß tritt
bei der Transf^rma,tion der außenliegenden Merkopplungswicklung auf die Sekundärwicklung
ein Streufluß auf, der auch eine unerwünschte Verkettung mit dem Streufluß der Primärwicklung
aufweist und somit den Streuspannungsabfall der außenliegenden Üb erkopplungswicklun:g
und der Primärwicklung in unerwünschter Weise vergrößert. Auch. dieser bekannte
Transformator hat daher den wesentlichen Nachteil, der erst durch die Erfindung
vermieden wird.
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Eine rechnerische Überprüfung ergibt, da.ß durch die Wicklungsanordnung
gemäß der Erfindung ein außerordentlicher Gewinn an verminderter Kurzsohlußspannu.ng
bzw. an erreichbarer Leistung im Vergleich mit den bekannten Anordnungen erzielt
wird. Bei einem Kaskadentransformator mit Rahmenkern, bei dem je zwei Schenkel Wicklungen
tragen, genügt es, in manchen Fällen dieWicklungsanerd.nu.ng gemäß der Erfindung
nur bei dem Schenkel größter AM'-Zahl anzuwenden. Jedoch kann auch die Benutzung
dieser Wicklungsanordnung bei den übrigen Schenkeln;, insbesondere bei mehrstufigen
Kaskadentransformatoren, noch Vorteile bringen: Bei Kaskadentransformatoren, welche
für jeden mit Wicklungen versehenen Schenkel einen besonderen Kern aufweisen, ist
die erfindungsgemäße Anordnung der Wicklungen bei allen mit drei Wicklungen versehenen
Schenkeln zweckmäßig. Eine solche Anordnung hat außerdem den Vorteil einer großen
Symmetrie des gesamten Wicklungsaufbaues.
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Außerdem empfiehlt es sich, bei der Hoch;pannungswicklung das Erdpotential
nach innen und das Hochspannungspotential nach außen zu legen und die axiale Länge
der Wicklungslagen in an sich, bekannter Weise nach außen zunehmen zu lassen. Dieser
der üblichen Wicklungsart entgegengesetzte Aufbau der Wicklung ist wegen: der Potentialverhältnisse
günstiger.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, und zwar zeigt Fig.1 die schematische Darstellung eines vierteiligen
Kaskadentransformators bekannter Bauart, bei welchem jeder bewickelte Schenkel einen,
besonderen Eisenkern aufweist, Fig.2 den Aufbau eines Kaskadentransformators. !).ei
welchem gemäß der Erfindung die Wicklungen größter AMT-Zahl zwischen den beiden
anderen \@'icl:-lungen angeordnet sind, Fig. 3 einen Kaskadentransformator be-kannter
Bauart mit zwei rahmenförmigen Eisenkernen. von denen jeder auf zwei Schenkeln bewickelt
ist, und Fig. 4 einen Kaskadentransformator gemäh der findung, der ebenfalls zwei
rahmenförmige Eisenkern aufweist, von denen jeder auf zwei Schenkeln 1),---wickelt
ist.
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In Fig. 1 und 2 sind von jedem Eisenkern nur die bewickelten Schenkel
dargestellt, während die Rücl:-schlußschenkel sich in einer senkrecht zur Zeichenebene
liegenden Ebene schließen.
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Von den vier Eis2nkernen1 bis 4 befindet sich der Kern 1 auf Erdpotential
und trägt unmittelbar auf seinem _Mittelschenkel. die Niederspannungswickl.un##
5, welche die Primärwicklung des KaskadentransforniatGrs darstellt.
| Auf dieser ist die erste HoclispaimungswickIung 9 |
| angebracht und über dieser eine als Kopplungswick- |
| lung geschaltete Z:ederspannungswiclaung 13. In ähn- |
| licher Weise sind die übrigen Kern; bewickelt, wobei |
| die \iederspaninnigstvickiungta 6. 7 und 8 auf dem |
| Kern liegen, darüb;-r die @ochspanvungsn-icklungen |
| 10, 11 und. 12 und über diesen die Ieopppltuigstvicl;- |
| lungen 14 und 15. |
| Die M'icklungen sind folgen.derniafen geschaltet: |
| Die Hochspannungswicklungen 9, 10, 11. 12 liegen |
| sämtlich in. Reibe. Der Anfang der Ho.°lispannungs- |
| wicklung 9 liegt an dein geerdeten Eisenkern 1, ihr |
| Hochspannungsende. welches das gleiche Potential hat |
| wie der Eisenkern 2 und die Überkopplungswicklung |
| 13, ist mit dem Anfang der Hochspannungs.wichlung |
| 10 verbunden. Das Ende der Hochspa.n.nungswick- |
| iung 10 ist wiederum an die Kopplungswicklung 14 |
| und den Eisenkern 3 sowie an den Anfang der Hoch- |
| spannungswicklung 11 angeschlossen. Das End@'e der |
| Hochspa.nn.urigswicklung 11 steht mit der Ü berkoq>p- |
| lungswicklung 15, dem Eisenkern 4 und dein Anfang |
| dei Hochspannungswicklung 12 in Verbindung. Das |
| Ende der Hocbspannungswicklung 12 führt zum Hoch- |
| spannungspol des 7`i-ansforinatoi-s. Die Kopplungs- |
| wicklung 13 ist mit der Wicklung 6 des Kernes 2 ver- |
| iiunden, die Kopplungswicklung 14 finit der Wicklung 7 |
| des Kernes 3 und die Kohl>lungswicklung 15 mit der |
| U'icklung 8 des Kernes 4. |
| Da sich die Kopplungswicldungen 13. 14, 15 1>z w. |
| die obersten Lagen der Hochspannungswicklung 12 |
| auf einem Potential l;efinden, tvelcli2s uni (las der |
| Hochspannungswicklung eines jeden Kernes v:rscliie- |
| den von dem Kern ist. muß zwischen diesen Wick- |
| lungen und dein I-Zernriickscliltiß eine entsprechende |
| Isolation vorgesehen sein. Bei dein Kern 1 ist dies |
| schematisch dadurch dargestellt, daß der innere Uni- |
| riß des Kernfensters 25 in die Bildebene gedreht ist, |
| wobei ein ausreichender Isolationsabstand zwischen |
| der @-%'ieklu,rig 13 und dem lZiickscliltißjncli 25 vc;r- |
| lian(len ist. |
| Der in Fig. ? dargestellte Kaskadentransfortnator |
| hat die gleiche Anzahl von Kernen wie der Transfor- |
| mator (I.r Fig, 1. Jedoch sind die 1@'icklw@;en ge- |
| mäß der Erfindung angeordnet, wobei einander ent-- |
| sprechende Teile mit gleichem Bezugszeichen v2 rselileii |
| sind. Auf jedem bewickelten Kernschenkel 1, 2, 3 |
| und 4 befindet sich die Wicklung gröl.lter AW-Zahl 13, |
| 14, 15, 16, in der -litte zwischen den beiden aiirleren |
| M'ickluagen. Die Niederspannung., und Priniärwick- |
| lung 13 liegt zwischen der Ho,clispannungst\-ickluii" 9 |
| und der lsclil)ltingstricl:lu:ng 5. Sie ist ,gegenüber der |
| Kopplungswicklung 5 durch einen entsprechenden |
| :Vistand 21 1@C11:'rt. Das Potential der Hochspan- |
| 9 t#: ä clist voni G1`ici;lung;@@rtind. der |
| unmittelbar atit der @;-ickhing13 lieL"t, nach außcii |
| zunehmend. Die @c:hsl>annungswicklung ist so au<- |
| gebildet. d-ai.i auch die axiale länge der I_agca nach |
| außen hin zunimmt. Der Kerii 1 befindet sich auf deni |
| Potential der letzten Lage der H"chspannungswick- |
| lung 9. Die Kcl>I@lurig#;wicl:ltin" 5 ist mit der Kopp- |
| iungswicIdinig 14 dls nächsten Kern:: verbunden, die |
| @r.e,Tenüber der _\i@d:ispannungt<<;icklung 6 dies. |
| Kernes durch den Abstand 22 io_iiert ist. |
| Die Kei>I)litngs@vicklung 6 de, Kernes 2 ist finit der |
| Kcl>I>lungstviclaun 15 des Kernes 3 verbunden, die |
| gegen die @ie(Ier#pannun@@swiclclun:; 7 durch den Iso- |
| liei-alist2ind 23 isc.lier-t ist. 1)ie «'icklung 7 steht mit |
| (hr t@`ichlung 16 d1s Iier-nes 4 in @-erbindun,.;, dlic° |
| ge"cnüber der Wicklung 8 durch den Isolierzilistancl 24 |
| isoliert ist. |
Die Kerne 2, 3 und 4 liegen jeweils an dem Hochspannungspotential
der letzten äußersten Lagen der Hochspannungswicklungen 10, 11 und 12, die alle
in Reihe geschaltet sind.
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Die Niederspannungswicklung 8 des letzten Kernes 4 ist bei der Serienschaltung
aller vier Kaskadenteile nicht erforderlich; sie kann jedoch bei besonderer Anordnung
zur wahlweisen, parallelen Schaltung der Kerne benutzt werden.
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Bei der Anordnung nach Fig.2 sind die doppelpoligen Zu- und Ableitu:ogen
zu. dien Wicklungen 13, 14, 15 und 16, die außerdem noch einen weiteren, Leiter
für den jeweiligen Anfang der Hochspannungsspulen 9,
10, 11 und 12 enthalten,
mit einer Isolationsbandage 17, 18, 19 und 20 versehen.
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Die Anordnung nach Fig.2 hat den Vorteil, d'aß sich die speisende
Wicklung jedes. Kernes zwischen den beiden anderen Wicklungen befindet, so daß -die
Streuverluste insbesondere bei den, Wicklungen des Kernes 1 und 2 stark vermindert
sind.
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Bei einer praktischen Ausführung gemäß der Erfindung zeigt sich, daß
bei einem Wicklungsaufbau, nach Fig. 2 die Streuspannungen nur etwa: die Hälfte
bis ein Drittel des Wertes betragen, die bei einer Anordnung nach Fig. 1 vorhanden
sind. Dabei ist der Aufwand der Wicklungsanordnung nicht wesentlich größer.
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Bei dein Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und. 4 sind j: zwei rahmentörmige
Eisenkerne 29 und 30 vo-rgesehe:n. Bei der Ausführung nach Fig.3 trägt der Rahmenkern
29 auf zwei Schenkeln die Wicklungen 31 und 32, der Rahmenkern 30 die Wicklungen
33 und 34, welche als Kopplungswicklungen des jeweiligen Kernes miteinander verbunden
sind. Über diesen Kopplungswicklungen befinden sich die Hochspannungswicklungen
35, 36, 37 und 38, und über diesen die Niederspannuligswickfungen 39, 40 und 41.
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Die Hochspannungswicklungen 35 und 38 sind in Reihe geschaltet. Di.;
Kerne 29 und 30 befinden sich nach. Fig.3 jeweils auf dem Potential des inneren
%t'icklungsendes dieser Hochspannungswicklungen.
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Die Niederspannungswicklung 39 ist die Primärwicklung dis Transformators.
Die Wicklungen 31 und 32 liegen auf Kernpotential und sind als Kopplungswicklungen
miteinander verbunden. Ebenso die Wicklungen 33 und 34 des Kernes 30. Die Kopplungswicklung
40 ist an die Kopplungswicklung 41 angeschlossen.
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Gegenüber diesem bekannten Aufbau zeigt Fig.4 den Aufbau gemäß der
Erfindung. Hierbei befindet sich die N iederspannungswitklung 39 zwischen der Hochspannungswicklung
35 und der Kopplungswicklung 31. Die Wicklung 39 ist gegen die Kopplungswickltnlg
31 durch den Isolierkanal 43 isoliert. Die Hochspannungswicklung 35 hat an ihrem
inneren Umrang das Potential der Wicklung 39, d. h. Erdpotential. und an ihrem äußeren
Umfang das Potential des Kerns 29. Die Wicklung ist wieder so. ausgebildet, claß
die axiale Länge der Lagen nach außen hin zunimmt. In ähnlicher Weise hat die Hochspannungs-#.viclclung
36 auf ihrem äußeren Umfang das Potential deä Eisenkernes 29 und auf ihrem innren
Umfang das höhere Potential, welches dem mittleren Potential der Wicklung 40 entspricht
und zur Wicklung 41 sowie zum Wicklungsanfang der Hochspannungswicklung 37 übertragen
wird.
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Die Verbindungsleitung zur Niederspannungswicklung 3'9 bz.w. von der
Wicklung 40 zur M'icklung 41 ist durch Isol:ierstoffba.nda,gen 47 und 48 isoliert.
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Der Kern 30 hat das Potential der äußersten Lagen der -licchspannungswicklung
37, während an. der Hochspannungswicklung 38 außen das höchste Potential liegt.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß bei den Kernschenkein mit den Wicklungen
31, 39 und 35 sowie 41, 33 und 37 die Streuspannungen wesentlich. niedriger sind
als nach. Fig. 3, da sich die Wicklungen 39 und 40 der höchsteil AW-Zahl zwischen.
den Wicklungen befinden, auf die sie die Energie zu übertragen haben. Auch bei der
Anordnung der Wicklungen 32, 40 und 36 wird eine kleinere Streuspannung erhalten
als beli der bisher bekannten Anordnung, da die beiden Wicklungen 32 und 40, welche
dien Hauptteil der Energie zu übermitteln haben, sich unmittelbar nebeneinander
befinden und da, die Wicklung 40, welche eine Niederspannungswicklung ist., einen
wesentlich kleineren radialen Umfang aufweist als die Hochspannungswicklung 36.
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Auch bei diesem Beispiel hat die Anordnung der Fig. 4 nur etwa die
Hälfte bis ein Drittel der Streuspannung wie b,eii der bekannten Anordnung nach
Fig. 3.
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Die am. Beispiel von Transformatoren gezeigte Anordnung kann auch
bei Spannungswandlern benutzt werden. Bei Transformatoren kann durch die Erfindung
der, induktive Anteil der Kurzschlußspannung insbesondere bei dem Schenkel größter
A.W-Zahl beträchtlich gesenkt werden, und zwar bis zu etwa 40 bis 50% gegenüber
dem Wert der bekannten Anoirdnungen.
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Da sich bei Kaskadenhochspannungstransforinatoren des 01imsche- Anteil
der Kurzscblußspannun:g durch Anordnung größerer Wicklungsquerschnitte ohne wesentlich:
höheren Aufwand herabsetzen läßt, ist es möglich, durch die Wicklungsanordnung nach
der Erfindung aus etwa dem gleichen Modell bei gleicher Kurzschlußspannun.g annähernd
die zwe.ifacheLeistung zu entnehmen bzw. bei gleicher entnehmbarer Leistung die
Kurzschlußspanmung auf annähernd die Hälfte zu senken..
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Bei Kaskadenspannungswandlern wird durch die Wicklungsanordnung der
Streuspannungsabfall gesenkt. Da dieser bei dieser Spannungswandlertype den größten
Anteil an dem gesamten Spa.nn:ungsabfall darstellt, wird bei gleicher Klassengenauigkeit
die 1Ießleistung der betreffenden Wandlertype auf etwa das Zweifache erhöht bzw.
bei gleicher entnommener 11-1eß -leistung die Genauigkeit verdoppelt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin., däß die Sicherheit
des Wicklungsaufbaues gegen Sprungdellen und elektrische Spannungsstöße verbessert
wird. Bei dein neuen `,'icklungsau.fbau ist nämlich der Kapazität der Hochspannungswicklung
gegen den Kern die etwa zwei- bis dreimal so grüße Kapazität der beiden Niederspannuilgswicklungen
gegeneinander elektrisch parallel geschaltet. Bei auftretenden Stoßbeanspruchungen
fließt daher über die verhältnismäßig empfindlichen Hochspannungs@vicl_lungcn nur
etwa ein Viertel bis ein Drittel des gesamten über den Transformator oder Spannungswandler
fließenden Stoßstrc.mes. Hierdurch wir' die Staßbeanspruchung der Hochspannungswicklungen
beträchtlich herabgesetzt.