Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, in dessen zentralen Freiraum Wicklungen ragen, die als n-Paare aus jeweils einer inneren Oberspannungswicklung und einer darüberliegenden äußeren Unterspannungswicklung um zwei der gegenüberliegenden Schenkel des Blechpakets gruppiert sind, insbesondere für den Parallelbetrieb mit mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern. Bei der Erzeugung von 16 2/3-Hz-Wechselspannung aus Gleichspannung durch getaktete Vierquadrantensteller treten störende Stromoberschwingungen auf. Um diese auf einfache Weise zu reduzieren - d.h. ohne Erhöhung der Transformatorkosten, des Transformatorvolumens oder des -gewichtes - wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem Blechpaket (6) im zentralen Freiraum (7) ein oder mehrere kreuzförmige Zwischenjoche (8) eingefügt sind, die den Freiraum (7) in Fenster (9) für die einzelnen Wicklungspaare (1/3) unterteilen, in denen diese einliegen und daß die Oberspannungswicklungen (3) in Reihe geschaltet sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, wie er im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

[0002] Solche Transformatoren werden z.B. zur Bereitstellung von 16 2/3 Hz-Energie bei der Bahnstromversorgung über statische Umrichter mit Leistungshalbleitern eingesetzt. Die benötigte hohe Leistung wird dabei durch Parallelschaltung von mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern über nur einen solchen Transformator erreicht.

[0003] In Fig. 5 ist das schematische Schaltbild für einen solchen Transformator mit vier auf separate Unterspannungswicklungen 1 einspeisende Vierquadrantensteller 2 dargestellt. Die vier Oberspannungswicklungen 3 sind allgemein parallel geschaltet.

[0004] 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 den vom Blechpaket 6 umschlossenen zentralen Freiraum 7.

[0005] Die 16 2/3 Hz-Wechselspannung wird durch Pulsen von Leistungshalbleitern (GTOs) 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 weiter 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).

[0006] Von den Stromoberschwingungen in den Unterspannungswicklungen 1 werden zusätzliche Stromwärmeverluste im Transformator und in den Stromrichtern hervorgerufen. Außerdem wird die Ausnutzung der Leistungshalbleiter (GTOs) durch die Stromspitzen deutlich verschlechtert. Diese Nachteile können durch den Einsatz von vier getrennten Transformatoren, die oberspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, beseitigt werden. Dadurch werden aber die Kosten, das Volumen und das Gewicht des Transformators stark erhöht.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator so auszubilden, daß auf einfache Weise, ohne wesentliche Erhöhung der Transformatorkosten, des Transformatorvolumens und des Gewichtes die unerwünschten Stromoberschwingungen stark reduziert werden können.

[0008] Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

[0009] Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

[0010] Es zeigen:

Fig. 1

den neuartigen Transformatoraufbau für vier Wicklungspaare

Fig. 2

die zugehörigen Strom- und Spannungsverläufe

Fig. 3

den neuartigen Transformatoraufbau für sechs Wicklungspaare

Fig. 4

den Transformatoraufbau für acht Wicklungspaare

Fig. 5 bis 7

den schon erläuterten Stand der Technik.

[0011] 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 Wicklungspaaare 1/3 magnetisch entkoppelt ein. Das der neuen Konstruktion zugrundeliegende Prinzip ist folgendes:

[0012] 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.

[0013] 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. D.h., die Stromoberschwingungen können durch Erhöhung der Streuinduktivität stark reduziert werden, ohne den Spannungsabfall des Transformators zu vergrößern. 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. um ca. 20-fach 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.

[0014] 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.

[0015] Die neue Transformatorkonstruktion kann überall dort, wo mehrere Vierquadrantensteller parallel betrieben werden, z.B. auch auf Lokomotiven, eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Transformator mit rahmenförmigem Blechpaket, in dessen zentralen Freiraum Wicklungen ragen, die als n-Paare aus jeweils einer inneren Oberspannungswicklung und einer darüberliegenden äußeren Unterspannungswicklung um zwei der gegenüberliegenden Schenkel des Blechpaketes gruppiert sind, insbesondere für den Parallelbetrieb mit mehreren einspeisenden Vierquadrantenstellern,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Blechpaket (6) im zentralen Freiraum (7) ein oder mehrere magnetisch entkoppelnde kreuzförmige Zwischenjoche (8) eingefügt sind, die den Freiraum (7) in Fenster (9) für die einzelnen Wicklungspaare (1/3) unterteilen, in denen diese einliegen und daß die Oberspannungswicklungen (3) in Reihe geschaltet sind.

2. Transformator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenjoche (8) schmal dimensioniert sind und nur einen Bruchteil des Querschnitts der Schenkel (4 bzw. 5) aufweisen.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß für n = 4 Wicklungspaare (1/3) ein Zwischenjoch (8) Verwendung findet, das im Freiraum (7) vier Fenster (9) bildet.

4. Transformator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß für n = 6 bzw. n = 8 Wicklungspaare zwei bzw. drei neben- oder übereinander angrenzende und ineinander übergehende Zwischenjoche 6 bzw. 8 Einzelfenster (9) bilden.

Zeichnung