DE3732382C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Transformators zur Transformation elektrischer Spannungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Transformatoraufbau ist allgemein auch als Transformator in Kaskadenschaltung bekannt (z. Beisp.: M. Beyer u. a., Hochspannungstechnik, Springer-Verlag, Berlin 1986, S. 235 ff.). Bei den bekannten Kaskadentransformatoren werden Einzeltransformatoren miteinander verschaltet, die jeweils aus einer Erregerwicklung, einer Kopplungswicklung und einer Oberspannungswicklung bestehen. Die Oberspannungswicklungen der Einzeltransformatoren sind in Reihe geschaltet und bilden die Sekundärwicklung des Transformators. Die Kopplungwicklung eines Einzeltransformators ist jeweils mit der Erregerwicklung des nächsten Einzeltransformators elektrisch verbunden. Bei einem solchen bekannten Aufbau müssen die Kopplungs- und Erregerwicklungen der unteren Stufen höhere Leistungen übertragen als die oberen, und sie müssen deshalb dem entsprechend stärker dimensioniert werden. Kaskadentransformatoren der bekannten Bauweise sind also aus Einzeltransformatoren aufgebaut, die jeweils unterschiedliche Leistungen übertragen müssen, und die mit Ausnahme der Oberspannungswicklungen jeweils verschiedene, für unterschiedliche Leistungen ausgelegte Wicklungen besitzen.

Dem relativ hohen Aufwand für die einzelnen Wicklungen eines Transformators in Kaskadenschaltung der bekannten Bauart stehen vergleichsweise geringere Aufwendungen bei der Isolation der Hochspannungswicklung gegen den Transformatorkern gegenüber. Da die Kerne der Einzeltransformatoren auf unterschiedliches Potential gelegt werden können, muß nicht die gesamte Hochspannung gegen das Erdpotential des Kerns isoliert werden wie bei konventionellen einstufigen Transformatoren, sondern stattdessen muß nur eine geringere Teilspannung in jedem Einzeltransformator isoliert werden. Diese geringeren Aufwendungen für die Isolierung sind besonders bei solchen Transformatoren interessant, bei denen geringe Leistungen gefordert werden, und bei denen deshalb die erheblich erhöhten Aufwendungen des Kaskadentransformators bekannter Bauart für die Wicklungen nicht so sehr ins Gewicht fallen. Kaskadentransformatoren werden deshalb vor allem als Prüftransformatoren eingesetzt.

Ein über den jetzigen Stand hinausgehender, weiter verbreiteter Einsatz von Kaskadentransformatoren erscheint dann möglich, wenn die insbesondere bei höheren Leistungen deutlich ins Gewicht fallenden hohen Kosten für die Wicklungen gesenkt werden könnten.

Aufgabe und Ziel der Erfindung ist es deshalb, durch einen baukastenartigen Aufbau von Transformatoren unterschiedlicher Nenndaten aus jeweils gleichen und somit industriell rationeller und leichter herstellbaren Einzelelementen eine kostengünstige, rationelle Fertigung zu ermöglichen und damit insgesamt geringere Gesamtkosten des Transformators zu erzielen.

Mit dem erfindungsgemäßen Transformatoraufbau in Kaskadenschaltung wird dieses Ziel verfolgt. Erfindungsgemäß wird ein modulhafter Aufbau aus Einzeltransformatoren vorgeschlagen, bei dem alle Einzeltransformatoren und damit alle Wicklungen für die gleiche zu übertragende Leistung ausgelegt sind. Der somit aus vielen gleichen Elementen aufgebaute Transformator, der bausteinmäßig für unterschiedliche Leistungen und unterschiedliche Spannungen durch entsprechende Parallelschaltung und Reihenschaltung dieser gleichartigen Einzeltransformatoren aufgebaut werden kann, läßt einen möglichen Kostenvorteil gegenüber bekannten Kaskadentransformatoren bereits aufgrund dadurch möglicher rationeller Fertigungsverfahren erwarten. Darüber hinaus ist der Wicklungsaufwand bei dem erfindungsgemäßen Transformator im Vergleich zu bekannten Kaskadentransformatoren insgesamt vorteilhaft geringer.

Die erfindungsgemäße Beschränkung auf nur einen Transformatortyp für alle Einzeltransformatoren, auf im Prinzip nicht mehr als zwei Wicklungsarten (Niederspannungswicklung und Hochspannungswicklung) mit gleicher zu übertragender Leistung, sowie die erfindungsgemäß annähernd gleiche Spannungsbeanspruchung aller Wicklungen gegen den jeweiligen Kern und der damit einheitliche Isolationsaufwand sind wesentliche kennzeichnende Merkmale des erfindungsgemäßen Transformatoraufbaues, die zu einer rationellen und damit kostengünstigen Fertigung beitragen sollen.

Der erfindungsgemäße Transformatoraufbau hat gegenüber konventionellen, einstufigen Transformatoren einen höheren Bedarf an Leitermaterial, dafür sind die Aufwendungen für eine zuverlässige Isolation der aktiven, spannungsbeanspruchten Teile geringer. Damit kann er grundsätzlich dort eine kostengünstige Alternative zu einstufigen Transformatoren sein, wo höhere Leistungen entweder nicht gefordert sind oder aber nicht zu ohmschen Verlusten und deshalb nicht zu einem hohen Aufwand an Leitermaterial führen. Zu berücksichtigen ist dabei jedoch auch, daß der Aufwand für die Spulen nicht nur durch die reinen Materialkosten, sondern in erheblichem Maß auch durch die Fertigungsaufwendungen gegeben ist. Die Fertigung kleiner, gleicher Spulen in hoher Stückzahl kann die Fertigungskosten sehr senken, und damit die Gesamtkosten der Wicklungen des erfindungsgemäßen Transformators trotz höheren Materialaufwandes in akzeptablen Grenzen halten.

Der erfindungsgemäße Transformatoraufbau kann vorteilhaft beispielsweise bei Spannungswandlern nach dem Transformatorprinzip, bei Prüftransformatoren, oder auch bei Leistungstransformatoren mit supraleitenden Spulen angewendet werden. Insbesondere beim Bau von supraleitenden Transformatoren läßt der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Transformators, daß durch den baukastenartigen Aufbau aus gleichen, kleineren Einzeltransformatoren eine kostengünstige, rationelle Fertigung möglich sein soll eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung möglich erscheinen. Für die Herstellung von supraleitenden Transformatorspulen erscheint eine wirtschaftliche Fertigung insbesondere durch kleinere Bauformen bei größerer Stückzahl und somit durch Anwendung des erfindungsgemäßen Transformatoraufbaus möglich. Mögliche höhere Spulenverluste sind bei supraleitenden Transformatoren von geringerer Bedeutung.

Entsprechend dem Grundgedanken des erfindungsgemäßen Transformatoraufbaus, daß durch den baukastenartigen Aufbau aus gleichen Einzeltransformatoren eine kostengünstige, rationelle Fertigung möglich sein soll, lassen sich grundsätzlich industriell leichter herstellbare, von der klassischen Form abweichende Bauformen für die Wicklungen aufzeigen. Solche rationellere industrielle Herstellung von Wicklungen des erfindungsgemäßen Transformators erscheint insbesondere bei einlagigem Spulenaufbau vorteilhaft möglich.

In dem Fall, in dem die pro Einzeltransformator zu übertragenden Leistungen (bzw. die in den Windungen auftretenden Verluste und damit die geforderten Leiterquerschnitte) und die Spannungen der Spulen gegen den jeweiligen Kern (bzw. der Aufwand für die Isolation der Leiter gegen den Kern) gering sind, kann beispielsweise eine Anordnung kostengünstig sein, bei der das Wickeln der Spulen entfällt und stattdessen die Spule aus dünnem isolierendem Trägermaterial (beispielsweise Folie) mit darauf aufgetragenen, schräg angeordneten Leitersegmenten besteht. Durch Falten dieser Schicht um das den magnetischen Fluß führende Kernmaterial herum bzw. durch entsprechendes Aufeinanderlegen zweier gleicher gebogener Schichten entsteht dann eine Spule, wobei im ersten Fall die jeweils entgegengesetzten Enden zweier benachbarter Leitersegmente durch das Falten aneinanderliegen und elektrisch verbunden werden. Ebenso können größere Stromstärken durch Parallelschalten mehrerer Leiter übertragen werden, wobei in einem solchen Fall die Leitersegmente mit einer größeren Schräge angeordnet werden, und somit nach dem Falten die entgegengesetzten Enden zweier weiter auseinanderliegend aufgebrachter Segmente miteinander verbunden werden. Je nach geforderter Stromtragfähigkeit und Material können diese Leitersegmente zum Beispiel aufgedampft oder durch Ätzen oder andere Bearbeitung eines zunächst gleichmäßig aufgebrachten Leitermaterialbelages auf die isolierende Trägergrundschicht hergestellt werden, oder die Wicklung entsteht beispielsweise durch Aufbringen schmaler vorgefertigter Leiterstreifen auf die Trägergrundschicht. Diese Art des Spulenaufbaus kann vorteilhaft insbesondere auch dann angewandt werden, wenn der Transformatorkern aus elektrisch isolierendem Material besteht, und wenn somit die Notwendigkeit einer dielektrischen Isolation der Windungen gegen den Kern entfällt. Auch die Herstellung mehrlagiger Spulen läßt sich nach diesem Grundprinzip durchführen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 bis 4 Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Aufbau eines Transformators

Fig. 5 bis 7 Ausführungsbeispiele für den Aufbau der Einzeltransformatoren.

Der in Fig. 1 in seinem Schaltungsaufbau gezeigte erfindungsgemäße Transformatoraufbau (30) besteht aus 17 miteinander verschalteten Einzeltransformatoren (1) bis (17), die in 8 Untereinheiten (18) bis (25) angeordnet sind. Zur Untereinheit (18) beispielsweise gehören also die Einzeltransformatoren (1), (2), (3) und (4), zur Untereinheit (21) beispielsweise gehören also die beiden Einzeltransformatoren (11) und (12), und zur Untereinheit (24) beispielsweise gehört nur ein einziger Einzeltransformator (16). Die Sekundärwicklungen des jeweils letzten Einzeltransformators (4), (7), (10), (12), (14), (15), (16) und (17) einer jeden Untereinheit sind in Serie geschaltet und bilden die Gesamtsekundärwicklung des Transformatoraufbaues. Die Primärwicklungen des jeweils ersten Einzeltransformators (1), (5), (8), (11), (13), (15), (16) und (17) einer jeden Untereinheit sind parallel und in Serie verschaltet und bilden die Gesamtprimärwicklung des Transformatoraufbaues. Die Anschlußklemmen (26), (27) der Gesamtsekundärwicklung und die Anschlußklemmen (28), (29) der Gesamtprimärwicklung sind von außen zugänglich.

In Fig. 2 ist derselbe erfindungsgemäße Transformatoraufbau dargestellt. In dieser Darstellung sind die Spannungs- Übersetzungsverhältnisse der Einzeltransformatoren angegeben. Die gestrichelten Linien zeigen die Verschaltung zur Potentialfestlegung der Transformatorwicklungen und der elektrisch leitfähigen Transformatorkerne.

Die in Fig. 3 eingetragenen Zahlenwerte geben für diesen im Schaltungsaufbau in Fig. 2 gezeigten Transformatoraufbau die normierten Spannungspotentiale der einzelnen Leiter (u. a. Verbindungsleitungen zwischen den Einzeltransformatoren), der Wicklungsanschlüsse, sowie der Kerne an. Als Bezugspotential für die Normierung ist der achte Teil der Gesamtsekundärspannung des Transformatoraufbaues gewählt worden. Die als Hochspannungswicklungen ausgeführten Wicklungen der Einzeltransformatoren haben also eine normierte Spannung von 1, während die normierte Spannung der Niederspannungswicklungen 0,1 beträgt. Damit ergibt sich sowohl für die Niederspannungswicklungen als auch für die Hochspannungswicklungen eine maximale Potentialdifferenz zum zugehörigen Transformatorkern von 1 bzw. 1,1; für diese Potentialdifferenz müssen die Isolierungen der Windungen gegenüber den Kernen also einheitlich ausgelegt werden.

Fig. 4 zeigt den Schaltungsaufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformatoraufbaues, bei dem im Unterschied zu dem vorherigen Beispiel hochspannungsseitig eine Spannungsregulierung erfolgen kann. Die Einrichtungen zur Spannungsstellung sind an die unteren beiden Einzeltransformatoren angeschlossen, deren Sekundärwicklungen dafür - hier nicht dargestellt - mit Anzapfungen versehen sein müssen. Der in Fig. 4 dargestellte Transformatoraufbau ist also in einem Bereich von 6 bis 8 des normierten Potentials regelbar. Die an den einzelnen Wicklungsanschlüssen und Leitungen bei Mittelstellung dieser Regulierung auftretenden normierten Potentiale sind als Zahlenwerte in Fig. 4 angegeben.

In der Fig. 5 ist der Aufbau eines Einzeltransformators als flaches, gefaltetes Band skizziert dargestellt. Um einen flachen Eisenkern (40) herum ist die Isolierung (41) angeordnet. Die Sekundärspule und die Primärspule sind außen um die Isolierung (41) gewickelt; in der schematischen Schnittdarstellung von Fig. 5b sind die Spulen mit (42) gekennzeichnet. Um die Spulen (42) herum kann eine weitere Isolierschicht (43) aufgebracht werden.

Die bei dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau des Einzeltransformators um Kern (40) und Isolierung (41) angeordnete Spule (42) kann beispielsweise auch durch eine in Fig. 6 schematisch dargestellte, gefaltete Isolierfolie (50) mit darauf aufgetragenen, schräg angeordneten Leitersegmenten (51) realisiert werden. Durch das Falten der Folie (50) berühren die Endpunkte der jeweils benachbarten Leitersegmente (51) einander, wie in Fig. 6b skizziert.

Fig. 7 zeigt in skizzierter, perspektivischer Darstellung eine Halbschale (60) als Element eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Spule eines erfindungsgemäßen Einzeltransformators. Auf einem isolierenden, gebogenen, dünnen Grundkörper (61) sind Leitersegmente (62)-(66) schräg aufgebracht. Die Leitersegmente enden in den auf den geraden Kanten der Halbschale (60) sichtbaren Kontaktflächen (72)-(76) und (82)-(86). Durch Aufsetzen einer hier nicht dargestellten zweiten, identischen Halbschale in der Weise, daß die jeweiligen Kontaktflächen der Leitersegmente beider Halbschalen berühren, entsteht eine elektrische Spule.

Claims (6)

1. Transformatoraufbau, bestehend aus mehreren miteinander elektrisch verbundenen Einzeltransformatoren mit je mindestens einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Kerne der Einzeltransformatoren unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen können, mit einer Gesamtsekundärwicklung des Transformatoraufbaues, die aus der Reihenschaltung der Sekundärwicklungen mehrerer Einzeltransformatoren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeltransformatoren in einer oder mehreren Untereinheiten umfaßt sind, wobei diese Untereinheiten [(23)- (25)], [(18)-(22)] aus je einem einzigen Einzeltransformator [(15), (16), (17)] oder mehreren hintereinandergeschalteten Einzeltransformatoren [(1)-(4), (5)- (7), (8)-(10), (11)-(12) und (13)-(14)] bestehen, wobei innerhalb einer Untereinheit aus mehreren Einzeltransformatoren jeweils die Sekundärwicklung eines Einzeltransformators mit der Primärwicklung des nächsten Einzeltransformators elektrisch verbunden ist, daß die in Reihe als Gesamtsekundärwicklung des Transformatoraufbaues geschalteten Sekundärwicklungen diejenigen des jeweils letzten Einzeltransformators einer Untereinheit sind, daß die Primärwicklungen des jeweils ersten Einzeltransformators einer Untereinheit in Reihe und/oder parallel als Gesamtprimärwicklung des Transformatoraufbaues geschaltet sind, und daß die Primärwicklungen und Sekundärwicklungen der Einzeltransformatoren überwiegend aus nur zwei normierten, unterschiedlichen Wicklungstypen für jeweils die gleiche Übertragungsleistung bestehen, und zwar einer "Niederspannungswicklung" bzw. einer "Hochspannungswicklung".

2. Tranformatoraufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den die gleiche Leistung übertragenden Untereinheiten eine oder mehrere Untereinheiten mit davon abweichender zu übertragender Leistung vorhanden sind, mit der oder mit denen eine Anpassung an ein definiertes Spannungsübersetzungsverhältnis und/oder eine Spannungsregulierung des Transformators erfolgt.

3. Transformatoraufbau nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung und Sekundärwicklung eines Einzeltransformatoraufbaues keine leitende elektrische Verbindung haben, derart, daß der Einzeltransformator als "Isoliertransformator" wirkt.

4. Transformatoraufbau nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Untereinheit aus einem oder mehreren hintereinandergeschalteten Einzeltransformatoren alle Wicklungen Niederspannungswicklungen sind, mit Ausnahme der Sekundärwicklung des letzten Einzeltransformators und ggfs. mit Ausnahme der Primärwicklung des ersten Einzeltransformators der Untereinheit.

5. Transformatoraufbau nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Einzeltransformatoren aus isolierenden Schichten (50) mit schräg aufliegenden Leitersegmenten (51) bestehen, wobei durch Falten der Schichten die entgegengesetzten Enden direkt benachbarter oder weiter auseinanderliegender Leitersegmente aufeinander und elektrisch zur Spule verbunden sind.

6. Transformatoraufbau nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen der Einzeltransformatoren aus isolierenden Schichten (61) mit schräg aufliegenden Leitersegmenten [(62)-(66)] bestehen, wobei durch Aufeinanderlegen zweier halbschalenartig gebogener Schichten die Enden [(72)- (76) und (82)-(86)] von Leitersegmenten beider Schichten aufeinanderkommen und elektrisch zur Spule verbunden sind.