Die Erfindung betrifft einen Leistungstransformator in Trockenbauweise und ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators in Trockenbauweise.
Transformatoren dienen zur Leistungsübertragung bei der Energieversorgung durch Spannungsanpassung von einem ersten Spannungsniveau auf ein zweites. Anstelle von früher verbreitet eingesetzten Leistungstransformatoren mit Ölfüllung werden in zunehmendem Maße Leistungstransformatoren in Trockenbauweise, so genannte Trockentransformatoren, eingesetzt.
Dabei ist der Aufbau eines Leistungstransformator in Trockenbauweise dem des Leistungstransformator mit Ölfüllung insoweit sehr ähnlich, als auch bei Leistungstransformator in Trockenbauweise die jeweiligen Wicklungskörper auf Kernen aus ferromagnetischem Material aufgebracht sind, die jeweils an beiden Enden mit Jochen verbunden sind und einen magnetischen Kreis bilden.
Allerdings wird bei den Trockentransformatoren die Verlustwärme, welche bei Leistungstransformatoren mit Ölfüllung vom Öl aufgenommen und über geeignete Kühlflächen oder separate Kühler abgegeben wurde, durch Luftkonvektion abgeführt. Die geringere spezifische Wärmekapazität der Luft gegenüber Öl bedeutet schlechthin eine Leistungsbegrenzung für Trockentransformatoren.
In den Wicklungen eines belasteten Transformators treten ohmsche Verluste durch die Wicklungsströme und durch Wirbelströme im Leitermaterial auf. Diese ohmschen Verluste werden überlagert von Leerlaufverlusten und gegebenenfalls Kurzschlussverlusten sowie Hystereseverlusten.
Die Leerlaufverluste sind hauptsächlich durch die Induktion und die Beschaffenheit des Kerns bestimmt und näherungsweise unabhängig von der Betriebstemperatur des Transformators. Die Kurzschlussverluste sind temperaturabhängig und steigen bei konstanter Belastung mit der Temperatur bzw. dem spezifischen Widerstand des Leitermaterials an. Um die Hystereseverluste möglichst klein zu halten, kommen bevorzugt Kernmaterialien mit sehr schmaler Hystereseschleife zum Einsatz.
Um die hierdurch verursachten Wärmeverluste eines Trockentransformators zu verringern und so dessen Belastbarkeit zu verbessern, wird in neuerer Zeit bevorzugt amorphes Kernmaterial statt kornorientierten Kernmaterials eingesetzt.
Allerdings erfordert die Verwendung von amorphen Werkstoffen neue Konstruktionen und Verarbeitungsweisen, da das amorphe Material weitgehend druckempfindlich ist, so dass hierdurch die Kernverluste verstärkt werden können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Leistungstransformator der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen konstruktiver Aufbau so gewählt ist, dass die Vorteile des amorphen Kernmaterials voll zum Tragen kommen, ohne dass infolge Druckbelastung die Kernverluste erhöht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Demgemäß ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kern aus amorphem Material von der Haltevorrichtung hängend gehalten ist, wobei die Haltevorrichtung zur Fixierung der wenigstens je einen Primärwicklung und Sekundärwicklung dient und hierzu den wenigstens einen Wicklungskörper jeweils an dessen Stirnseiten beaufschlagt.
Dabei ist vorgesehen, dass der amorphe Kern jeweils als Wickelbandkern aus Bandmaterial aus amorphem Werkstoff hergestellt ist.
Vorzugsweise werden hierbei die zum Einsatz als Kerne vorbereiteten Blechwickel mittels reißfestem Band in Form gehalten, indem das reißfeste Band im Abstand zueinander wiederholt um den Blechstapel geschlungen wird, so dass die Blechwickel zusammengehalten sind. Die derart gebildeten Wickelbandkerne haben vorzugsweise einen rechteckförmigen Grundriss, das heißt, sie fassen jeweils eine rechteckige Fläche ein. Doch gehören auch Ausgestaltungen mit ovalem oder kreisförmigem Grundriss in den Geltungsbereich der Erfindung.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Transformator als Drehstromtransformator ausgebildet und besitzt drei nebeneinander angeordnete Kerne, die jeweils von einem Wicklungs- oder Spulenkörper umfasst sind.
Hierzu sind wenigstens zwei Wickelbandkerne mit ihren Längsschenkeln nebeneinander angeordnet und zu deren mechanischen Verbindung mittels Bandmaterial aus amorphem Material in der Wickelebene umwickelt sind, wobei alle Schenkel den gleichen Wickelquerschnitt aufweisen, das heißt die gleiche Dicke und Breite.
Mit anderen Worten sind in vorteilhafter Weiterbildung wenigstens zwei, vorzugsweise jedoch besser vier der zuvor beschriebenen Wickelbandkerne mit ihren Längsschenkeln aneinander gelegt. Diese so gebildete Anordnung wird so dann mittels Bandmaterial aus amorphem Werkstoff umwickelt, so dass infolge dieser Umwicklung insgesamt fünf Schenkel mit gleichem Wickelquerschnitt resultieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Haltevorrichtung aus wenigsten zwei Spannelementen gebildet ist, welche miteinander in Wirkverbindung stehen und an jeder Stirnseite eines Wicklungskörpers angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Haltekonstruktion so ausgeführt ist, dass mechanische Spannungen, die bei der Fixierung der Wicklungskörper entstehen, ausschließlich in die Haltekonstruktion und in die Wicklungskörper eingeleitet werden, so dass die von den Wicklungskörpern umfassten Kerne in der Haltekonstruktion zwar geführt aber nicht verspannt, also mechanischen Spannungen ausgesetzt, sind.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder Kern zylinderförmig aus amorphem Material in Schichtbauweise gebildet ist mit zumindest zwei Schenkeln und einem einendig angeformten Joch.
Vorteilhafterweise können die Spannelemente der Haltekonstruktion aus ferromagnetischem Material bestehen und gleichzeitig als Joch dienen.
Als vorteilhaft erweist es sich hierbei, dass jeder Kern mit den Spannelementen der Haltevorrichtung magnetisch leitend verbunden ist. Hierzu ist vorgesehen, dass jeder Kern endseitig jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten von den Spannelementen ohne Druck umfasst ist, wobei zur Vermeidung einer Druckbelastung des Kerns infolge einer Einspannung des Kerns und der hierdurch bedingten mechanischen Beanspruchung die Spannelemente mittels fest mit den Spannelementen verbundener Abstandshalter exakt auf Abstand zu dem jeweiligen Kern gehalten werden.
Der jeweilige Kern wird hierbei an dem vorgesehenen Ort mit einem Ende in den Freiraum zwischen den Spannelementen eingeführt und mittels einer mit den Spannelementen ebenfalls fest verbundenen Tragplatte gehalten, so dass beispielsweise bei einem als Drehstromtransformator ausgeführten erfindungsgemäßen Transformator drei Kerne säulenartig nebeneinander an der als unteres Joch dienenden unteren Haltevorrichtung angeordnet sind, wobei sie gegebenenfalls in den von den beiden Spannelementen begrenzten Zwischenraum unter Vermeidung mechanischer Spannungen eingreifen.
Es ist aber entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung auch möglich, dass die Haltekonstruktion aus nicht-ferromagnetischem Material, insbesondere aus faserverstärkten Kunststoffen besteht. In diesem Fall ist die Haltekonstruktion zwar nicht Teil des Magnetfeldkreises, dafür aber weist die gesamte Anordnung ein deutlich verringertes Gewicht gegenüber einer Ganz-Metall-Ausführung auf.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Transformators ist jeder Kern an seinen Stirnseiten mit einer Auflage aus Isoliermaterial versehen. Diese Auflage dient einerseits als elektrische Isolierung und andererseits als Mittel zur Stoßdämpfung für den betreffenden Kern. Vorzugsweise ist diese Auflage aus einem Isolierwerkstoff, wie zum Beispiel Kunststoff, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff oder Silikonkautschuk.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Transformators sind an den stirnseitigen Enden jedes Jochs Träger vorgesehen, welche die Joche, das heißt das Unterjoch mit dem Oberjoch, miteinander verbinden. Diese Träger sind bevorzugt an den außen liegenden Längsseiten des Kerns beziehungsweise der Kerne entlang geführt und von dem jeweiligen betreffenden Wicklungskörper umfasst, das heißt, die Träger sind im Inneren des Wicklungskörpers parallel zu dem jeweiligen Kern hindurchgeführt und mit dem gegenüberliegenden Joch verbunden.
Zusätzlich können Zuganker vorgesehen sein, welche die aus den Spannelementen gebildeten Joche gegen die Wicklungskörper pressen, wobei die Kerne jeweils unbeeinträchtigt sind.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Erfindung vorsieht, anstelle einer bisher üblichen Kernpresskonstruktion, bei welcher die Befestigung der Spulen- oder Wicklungskörper durch Anpressen an den Kern erfolgt, eine Spulen-Presskonstruktion zu verwenden. Hierbei werden die Wicklungskörper mittels einer Haltekonstruktion unabhängig vom Kern gehalten. Der Kern wird lediglich auf dafür vorgesehenen Platten der Haltekonstruktion aufgestellt beziehungsweise aufgehängt.
Neben dem Schutz der neuen Gestaltung eines Transformators mit sogenanntem hängendem Kern in einer Spulen- oder Wicklungspresskonstruktion ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung dieses neuartigen Transformators, nämlich eines Transformators mit einem Kern , der aus geschichteten Streifen aus amorphem Material zusammengesetzt ist, welches empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen ist, mit wenigstens einem den Kern umgebenden, aus wenigstens je einer Primärwicklung und Sekundärwicklung gebildeten Wicklungskörper sowie mit wenigstens einer Haltevorrichtung anzugeben.
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators durch die Merkmale des Anspruchs 10 definiert.
Hierbei bilden die Kurzschenkel der Wickelringe jeweils die magnetischen Joche. Anstelle der Rechteckform für den Querschnitt der einzelnen Wickelringe können auch ovale oder kreisförmige Querschnitte zur Anwendung kommen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Transformatorkern aus insgesamt vier Wickeln mit nebeneinander angeordneten Längsschenkeln gebildet ist, die miteinander mechanisch verbunden sind, so dass auf diese Weise ein 5-Schenkel-Kern hergestellt ist. Auch hier wird die mechanische Verbindung, wie zuvor bereits für den dreischenkeligen Kern angegeben, vorzugsweise dadurch bewirkt, dass die Einzelkerne in ihrer Wickelebene mit Bandmaterial umwickelt werden und so der Verbund der Einzelkerne zu einem 5-Schenkel-Kern erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist es zweckmäßig, dass zu Zwecken der Stoßdämpfung und der elektrischen Isolation Matten aus Silikonkautschuk an den Stirnseiten jedes Kerns angeordnet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
In
Die drei Wicklungskörper 12 sind in dichtem Abstand zueinander nebeneinander in Linie angeordnet und zwischen einem unteren Joch 22 und einem oberen Joch 24 gehalten.
Jedes Joch 22, 24 ist aus je zwei Spannelementen 25 zusammengesetzt, die jeweils als C-Profil ausgebildet sind, das heißt aus einem Stegteil 26 mit an dessen Längsseiten zur gleichen Seite weisenden rechtwinklig angeformten Flanschen 28. Die Spannelemente 24 sind parallel zu einander angeordnet, so dass die Flansche 28 nach außen gerichtet sind, während ihre flanschlosen Rückseiten aufeinander gerichtet sind.
Im gezeigten Beispiel haben die Flansche eine verschiedene Breite und zwar derart, dass die auf Seiten der Wicklungskörper 12 befindlichen Flansche 28 schmaler sind als die auf der den Wicklungskörpern 12 abgewandten Seite, die etwa doppelt so breit sind. Insbesondere für die Spannelemente 25 des unteren Jochs 22 erweist sich diese Gestaltung als vorteilhaft, da mit den breiteren Flanschen 28 eine entsprechend größere Aufstandfläche und damit eine höhere Standsicherheit gewährleistet ist.
Die jeweils den Wicklungskörpern 12 zugewandten Flansche 28 der Spannelemente 25 dienen zur Befestigung der Wicklungskörper 12 und damit zur Krafteinleitung beim Verspannen der Joche 22, 24. Darüber hinaus sind am unteren Flansch 28 des unteren Jochs 20 Traversen 30 angebracht, an deren äußeren Enden Rollen 32 befestigt sind, auf welchen der komplette Transformator 10 bewegbar ist, wie auch aus der Ansicht in
Zur Abstützung der Wicklungskörper 12 auf dem unteren Joch 20 dienen Querträger 34, die aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen und vorzugsweise als glasfaserverstärkte Platten 36 und Leisten 38 zum Einsatz kommen. Diese Querträger 34 sind einerseits mit dem oberen Flansch 28 des unteren Jochs 20 verbunden und andererseits mit den jeweils darauf gesetzten Wicklungskörpern 12.
In entsprechender Weise wiederholt sich diese Befestigungsweise an der Oberseite des Transformators 10. Auch hier sind zwecks Verankerung der Wicklungskörper 12 aus Platten 36 und Leisten 38, beide jeweils aus elektrisch nichtleitendem Material bestehend, gebildete Querträger 34 entsprechend angeordnet, welche für die starre Verbindung der Wicklungskörper 12 mit dem unteren Flansch 28 des oberen Jochs 22 vorgesehen sind.
In der
Besonders unterscheidet sich diese Ansicht von der in
Wie bereits an anderer Stelle ausgeführt, ist bei amorphen Werkstoffen, die für die Herstellung von Transformator kernen vorgesehen sind, darauf zu achten, dass das Kernmaterial keinerlei mechanischer Beanspruchung, zum Beispiel durch Druck ausgesetzt ist, da hierdurch ein Anstieg der Kernverluste verursacht wird.
Aus diesem Grund sind die unteren Flansche 28 der das untere Joch 22 bildenden Spannelemente 25 mit einer Abstützplatte 40 versehen, auf welcher der jeweilige Kern 11 ruht. Zusätzlich sind jeweils Zuganker 42 vorgesehen, welche die Spannelemente 25 des unteren Jochs 22 und des oberen Jochs 24 und den Kern 11 durchdringen und so für eine formschlüssige Halterung des Kerns 11 sorgen.
An einem oberen Flansch 28 eines Spannelements 25, im gezeigten Beispiel des rechten Spannelements 25, des oberen Jochs 24 ist ein Isolator angebracht, der zur Halterung der Verbindungsleitung 20 dient. Auf der gegenüberliegenden, im gezeigten Beispiel linken Seite des oberen Jochs 24 sind ebenfalls Verbindungsleiter gezeigt, die mit wenigstens einem der Wicklungskörper 12 verbunden sind.
In
In dem in
Unterhalb dieser an beiden Seiten des Transformators 10 verlaufenden Leisten 38 ist jeweils eine Platte 50 aus Silikon vorgesehen, an die eine weitere Leiste 52 aus glasfaserverstärktem Kunststoff anschließt.