DE4341721C2 - Transformer with a frame-shaped laminated core - Google Patents
Transformer with a frame-shaped laminated coreInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket. Bei der Bereitstellung von 16 2/3 Hz-Energie bei der Bahnstromversorgung treten bekanntlich Probleme auf, wenn statische Umrichter mit Leistungshalbleitern (z. B. GTO) im Pulsbetrieb eingesetzt werden. Die benötigte hohe Leistung wird allgemein durch Parallelschaltung von mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern über nur einen solchen vorgenannten Transformator erreicht, der entsprechend groß ausgelegt sein muß.The invention relates to a transformer with a frame Sheet pack. When providing 16 2/3 Hz energy at the Traction power supply problems are known to occur when static Inverters with power semiconductors (e.g. GTO) in pulse mode be used. The high power required is generally determined by Parallel connection of several four-quadrant feeders achieved via only one such transformer mentioned above, the must be designed accordingly large.
In Fig. 5 ist das schematische Schaltbild für einen solchen Transformator mit vier auf separate Unterspannungswicklungen 1 einspeisenden Vierquadrantenstellern 2 dargestellt. Die vier Oberspannungswicklungen 3 sind im allgemeinen parallel geschaltet.In FIG. 5, the schematic diagram is shown of such a transformer with four feeding to separate low-voltage windings 1 four-quadrant actuators. 2 The four high-voltage windings 3 are generally connected in parallel.
Der konstruktive Aufbau eines solchen bekannten Transformators ist Fig. 6 entnehmbar. Um die Schenkel 4 und 5 eines rahmenförmigen Blechpakets 6 sind dabei die Unterspannungswicklungen 1 und Oberspannungswicklungen 3 je zu Paaren gruppiert und ragen einseitig in einen vom Blechpaket 6 umschlossenen zentralen Freiraum 7. Die 16 2/3 Hz-Wechselspannung wird durch Pulsen von Leistungshalbleitern (GTO) in Vierquadrantenstellern 2 aus Gleichspannungen erzeugt. Durch das Pulsen sind die Ausgangsspannungen e1, e2, e3 und e4 der Vierquadrantensteller (vgl. Fig. 5) entsprechend Fig. 7c mit hohen Oberschwingungen überlagert. Diese Spannungsoberschwingungen verursachen Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1, wie in Fig. 7b dargestellt. Zur Kompensation der Stromoberschwingungen werden die einzelnen Vierquadrantensteller versetzt getaktet. Dadurch wird der Ausgangsstrom des Transformators iGes in der Oberspannungswicklung 3 sinusförmig (vgl. Fig. 7a). The construction of such a known transformer is shown in FIG. 6. To the legs 4 and 5 of a frame-shaped lamination stack 6 while the low-voltage windings 1 and high-voltage windings 3 are each grouped into pairs and project on one side in a space enclosed by the lamination stack 6 central space. 7 The 16 2/3 Hz AC voltage is generated by pulsing power semiconductors (GTO) in four-quadrant actuators 2 from DC voltages. By pulsing, the output voltages e1, e2, e3 and e4 of the four-quadrant controller (cf. FIG. 5) are superimposed with high harmonics in accordance with FIG. 7c. These voltage harmonics cause current harmonics in the undervoltage windings 1 , as shown in FIG. 7b. To compensate for current harmonics, the individual four-quadrant actuators are clocked with an offset. As a result, the output current of the transformer i Ges in the high-voltage winding 3 becomes sinusoidal (cf. FIG. 7a).
Von den Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 werden zusätzliche Stromwärmeverluste im Transformator und in den Stromrichtern hervorgerufen. Außerdem wird die Ausnutzung der Leistungshalbleiter (GTO) durch die Stromspitzen deutlich verschlechtert. Diese Nachteile können durch den Einsatz von vier getrennten Transformatoren beseitigt werden, die oberspannungsseitig in Reihe geschaltet sind. Dadurch werden aber die Kosten, das Volumen und das Gewicht der Anordnung insgesamt stark erhöht.Additional current heat losses in the transformer and in the converters are caused by the current harmonics in the undervoltage windings 1 . In addition, the utilization of the power semiconductors (GTO) is significantly deteriorated by the current peaks. These disadvantages can be eliminated by using four separate transformers, which are connected in series on the high voltage side. As a result, however, the overall cost, volume and weight of the arrangement are greatly increased.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einzel-Transformator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit ihm auf einfache Weise, ohne wesentliche Erhöhung der Kosten, des Volumens und des Gewichtes die unerwünschten Stromoberschwingungen stark reduziert werden können.The object of the invention is a single transformer of the beginning mentioned type so that with it in a simple manner without substantial increase in costs, volume and weight unwanted current harmonics can be greatly reduced.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket mit auf dessen Schenkeln angeordneten Wicklungspaaren aus umeinandergewickelten Ober- und Unterspannungswicklungen gelöst, dessen zentraler Freiraum durch kreuzförmige Zwischenjoche in gleichförmige Einzelfenster unterteilt ist, in welche jeweils zugeordnete Wicklungspaare ragen, wobei der Querschnitt der Wicklungsjoche einen Bruchteil des Querschnittes der Schenkel beträgt, derart, daß die Streuung zwischen den Wicklungspaaren vergrößert wird, wobei insbesondere in Anwendung bei statischen Umrichtern unter Parallelschaltung von "n" Vierquadrantenstellern dann "n" Wicklungspaare vorgesehen sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the invention by a transformer frame-shaped laminated core with arranged on its legs Pairs of windings made of wrapped upper and Undervoltage windings solved, the central clearance through cruciform intermediate yokes divided into uniform single windows is, into which respectively assigned pairs of windings project, the Cross section of the winding yokes a fraction of the cross section of the Leg is such that the scatter between the Winding pairs is increased, with particular use in static inverters with parallel connection of "n" Four quadrant actuators then "n" winding pairs are provided. Advantageous refinements can be found in the further claims.
Außerhalb des hier vorliegenden Anwendungsgebietes und Leistungsbereiches sind bereits zahlreiche Transformatorkonstruktionen und -auslegungen bekanntgeworden, die zwar jeweils gewisse Teilmerkmale und Ähnlichkeiten aufweisen, insgesamt jedoch nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe beitragen.Outside of the present field of application and The performance range already includes numerous transformer designs and interpretations became known, each of which certain Have partial characteristics and similarities, but not overall Contribute to the solution of the task.
So sind bereits Einphasen-Transformatoren mit rahmenförmigen Blechpaket bekanntgeworden, bei denen der zentrale Freiraum durch kreuzförmige Zwischenjoche in Einzelfenster unterteilt ist, wobei der Querschnitt der Zwischenjoche teilweise nur einen Bruchteil des Querschnittes der Schenkel beträgt (DE-PS 631 785). So are already single-phase transformers with frame-shaped Sheet metal package, in which the central clearance through cruciform intermediate yokes is divided into individual windows, the Cross section of the intermediate yokes sometimes only a fraction of the Cross-section of the legs is (DE-PS 631 785).
Die Primär- und Sekundärwicklungen sind getrennt auf den Schenkeln untergebracht. Die Zwischenjoche dienen dort der Kurzschlußstrombegrenzung durch Vergrößerung der Streuinduktivität zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen. Diese Maßnahme vergrößert den Spannungsabfall und verschlechtert die elektrischen Eigenschaften des Transformators erheblich.The primary and secondary windings are separate on the legs housed. The intermediate yokes serve there Short-circuit current limitation by increasing the leakage inductance between the primary and secondary windings. This measure enlarged the voltage drop and deteriorates the electrical properties of the transformer considerably.
Aus der DE-AS 1 110 299 ist ein Drehstrom-Hochspannungs-Transformator für Röntgentechnik bekannt, bei dem Wicklungspaare auf den Schenkeln Verwendung finden, deren Ober- und Unterspannungswicklungen - allerdings andersartig - umeinander bzw. übereinander gewickelt sind. Der in einer Ausführung (Fig. 5) dargestellte 3-Schenkel-Transformator weist ein einen Mittelschenkel kreuzendes Querjoch auf, was zunächst eine gewisse Ähnlichkeit zu kreuzförmigen Zwischenjochen aszoziiert. Das dortige Querjoch dient jedoch einem anderen Zweck und ist ausschließlich zur Führung der durch die dortige Stern-Dreieck- Schaltung verursachten Flußdifferenz (Grundschwingung) bestimmt. Der Querschnitt des Querjochs ist deshalb dort auch nur unbeträchtlich vermindert. Diese Ausführung ist weder zur magnetischen Trennung sämtlicher Wicklungspaare noch weiteren Lösung der gestellten Aufgabe brauchbar.From DE-AS 1 110 299 a three-phase high-voltage transformer for X-ray technology is known, in which pairs of windings are used on the legs, the upper and lower voltage windings of which - but differently - are wound around or above one another. The three-leg transformer shown in one embodiment ( FIG. 5) has a transverse yoke crossing a middle leg, which initially associates a certain similarity to cruciform intermediate yokes. However, the transverse yoke there serves a different purpose and is intended exclusively for guiding the flux difference (fundamental oscillation) caused by the star-delta connection there. The cross section of the transverse yoke is therefore only insignificantly reduced there. This version is neither useful for the magnetic separation of all pairs of windings nor a further solution to the problem.
Bekannt ist ferner ein Drehstrom-Dreischenkel-Transformator mit zwei Rückschlußstegen verminderten Querschnitts in den beiden Fenstern (ca. 30% des Schenkelquerschnitts), mit denen sich Oberschwingungen des Magnetisierungsstromes weitgehend unterdrücken lassen (Buch von R. Küchler "Die Transformatoren", 2. Auflage 1966, Springer Verlag Berlin, S. 60). Die Anordnung ist allerdings auf Transformatoren in Stern-Zickzack-Schaltung beschränkt und läßt sich bei größeren Transformatoren des Zielbereiches kaum anwenden. Also known is a three-phase three-leg transformer with two Retention bars of reduced cross-section in the two windows (approx. 30% of the leg cross section), with which harmonics of the Have magnetization current largely suppressed (book by R. Küchler "The Transformers", 2nd edition 1966, Springer Verlag Berlin, p. 60). The arrangement, however, is based on transformers Star zigzag circuit is limited and can be used for larger ones Hardly use transformers in the target area.
Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.Based on schematic embodiments, the invention in explained in more detail below.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 den neuartigen Transformatoraufbau für vier Wicklungspaare, Fig. 1 shows the novel transformer assembly of four pairs of windings,
Fig. 2 die zugehörigen Strom- und Spannungsverläufe, Fig. 2, the corresponding current and voltage waveforms,
Fig. 3 den neuartigen Transformatoraufbau für sechs Wicklungspaare, Fig. 3 shows the novel transformer assembly for six pairs of windings,
Fig. 4 den Transformatoraufbau für acht Wicklungspaare, Fig. 4 shows the transformer construction for eight pairs of windings,
Fig. 5 bis 7 den schon erläuterten Stand der Technik. Fig. 5 to 7 the state already explained art.
Wie Fig. 1 zeigt, ist dem neuen Transformator statt des bloßen bisher üblichen
rahmenförmigen Blechpakets 6 ein kreuzförmiges Zwischenjoch 8 integriert. In
den damit gebildeten vier Fenstern 9 (im bisherigen Freiraum 7) liegen die vier
Wicklungspaare 1/3 ein. Das der neuen Konstruktion zugrundeliegende Prinzip
ist folgendes:
Die Größe der Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 ist
von der Streuinduktivität abhängig und nimmt mit zunehmender Streuinduktivität
ab. Bei Transformatoren mit mehreren Unterspannungswicklungen 1 gibt es zwei
unterschiedliche Streuinduktivitäten: Die zwischen den einzelnen
Unterspannungswicklungen 1 und die zwischen den Unterspannungswicklungen 1
und den Oberspannungswicklungen 3. Während die erste Streuinduktivität für die
Begrenzung der Stromoberschwingungen maßgebend ist, bestimmt die zweite den
Spannungsabfall des Transformators. Bei der bisherigen
Transformatorkonstruktion (vgl. Fig. 6) sind die Größen der beiden
Streuinduktivitäten voneinander abhängig. Die Streuinduktivität zwischen den
Unterspannungswicklungen 1 darf deswegen zur Verringerung der
Stromoberschwingungen nicht beliebig erhöht werden, da sonst der
Spannungsabfall des Transformators ebenfalls vergrößert wird, was eine
Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Transformators bedeutet.As shown in FIG. 1, a cross-shaped intermediate yoke 8 is integrated into the new transformer instead of the mere frame-shaped laminated core 6 which has hitherto been the case. The four winding pairs 1/3 lie in the four windows 9 thus formed (in the previous free space 7 ). The principle underlying the new design is as follows:
The magnitude of the current harmonics in the undervoltage windings 1 depends on the leakage inductance and decreases with increasing leakage inductance. In the case of transformers with a plurality of undervoltage windings 1, there are two different leakage inductances: that between the individual undervoltage windings 1 and that between the undervoltage windings 1 and the high-voltage windings 3 . While the first leakage inductance is decisive for limiting the current harmonics, the second determines the voltage drop of the transformer. In the previous transformer design (see FIG. 6), the sizes of the two leakage inductances are dependent on one another. The leakage inductance between the undervoltage windings 1 must therefore not be increased arbitrarily in order to reduce the current harmonics, since otherwise the voltage drop of the transformer is also increased, which means a deterioration in the electrical properties of the transformer.
Bei der neuen Transformatorkonstruktion werden die vier Unter- und Oberspannungswicklungen durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 magnetisch entkoppelt. Damit kann die Streuinduktivität zwischen den einzelnen Unterspannungswicklungen 1, die die Größe der Stromoberschwingungen bestimmt, ohne Einfluß auf die andere Streuinduktivität beliebig erhöht werden. Das heißt, die Stromoberschwingungen können durch Erhöhung der Streuinduktivität stark reduziert werden, ohne daß der Spannungsabfall des Transformators vergrößert wird. In den Fig. 2a und 2b sieht man, daß die Ströme durch den Einsatz der neuen Transformatorkonstruktion sowohl in den Oberspannungs- als auch in den Unterspannungswicklungen sinusförmig sind. Da im Zwischenjoch 8 nur Oberschwingungen des Flusses vorhanden sind, die eine sehr kleine Amplitude haben, kann das Zwischenjoch 8 sehr schmal dimensioniert werden. Um die Stromoberschwingungen z. B. ca. 20fach zu reduzieren, wird ein Querschnitt des Zwischenjoches 8 von etwa nur 1/10 des Schenkelquerschnitts 4 bzw. 5 benötigt. Aus diesem Grund wird der Transformator durch das zusätzliche Zwischenjoch 8 nicht viel größer und schwerer.In the new transformer design, the four low and high voltage windings are magnetically decoupled by the additional intermediate yoke 8 . The leakage inductance between the individual undervoltage windings 1 , which determines the magnitude of the current harmonics, can thus be increased as desired without influencing the other leakage inductance. That is, the current harmonics can be greatly reduced by increasing the leakage inductance without increasing the voltage drop of the transformer. In FIGS. 2a and 2b it is seen that the currents are sinusoidal by the use of the new transformer design both in the Oberspannungs- and in the low-voltage windings. Since only harmonics of the river are present in the intermediate yoke 8 , which have a very small amplitude, the intermediate yoke 8 can be dimensioned very narrow. To the current harmonics z. B. to reduce about 20 times, a cross section of the intermediate yoke 8 of about only 1/10 of the leg cross section 4 or 5 is required. For this reason, the additional intermediate yoke 8 does not make the transformer much larger and heavier.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Transformatorkonstruktionen für sechs- oder achtfache Einspeisung und entsprechend angeordnet zweimal drei bzw. zweimal vier Wicklungspaare 1/3. Das Transformator-Blechpaket 6 ist hier durch zwei bzw. drei aneinandergrenzende kreuzförmige Zwischenjoche 8, die ineinander übergehen, ergänzt. Das Wirkungsprinzip ist wie bereits geschildert. FIGS. 3 and 4 show transformer designs for six or eight times the feed and arranged corresponding to two three or four pairs of windings twice 1/3. The transformer laminated core 6 is supplemented here by two or three adjacent cross-shaped intermediate yokes 8 which merge into one another. The principle of action is as already described.
Die neue Transformatorkonstruktion kann überall dort, wo mehrere Vierquadrantensteller parallel betrieben werden, z. B. auch auf Lokomotiven, eingesetzt werden.The new transformer design can be used wherever several Four quadrant actuators are operated in parallel, e.g. B. also on locomotives, be used.
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