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Spannungsausgleichtransformator.
Bei Gleichrichteranordnungen, insbesondere solchen, in denen das Gleichrichten des Wechsel- stromes durch Metalltrockengleichrichter erfolgt, wird häufig die Forderung gestellt, dass die Gleich- spannungswerte sich bei schwankender Belastung nur in verhältnismässig engen Grenzen ändern dürfen.
Werden bei Gleichrichtergeräten keine besonderen Anordnungen zur Spannungsregulierung getroffen, so fällt die Gleichspannung mit steigender Belastung infolge des Spannungsabfalles an den
Gleichrichterventilen stark ab.
Es sind verschiedene Anordnungen und Schaltungen bekanntgeworden, durch die eine selbst- tätige Spannungsregulierung in Abhängigkeit von der Belastung des Gleichrichters erreicht wird.
Bekannt sind für diesen Zweck z. B. Regulierdrosseln, die mit ihrer Primärwicklung in Reihe mit der Primär- oder Sekundärwicklung des das Gleichrichterventil speisenden Transformators geschaltet sind und deren Sekundärwicklung vom Verbraucherstrom durchflossen wird. Mit steigendem Ver- braucherstrom werden diese Drosseln mehr und mehr gesättigt. Infolgedessen sinkt der Spannungs- abfall an der Primärwicklung der Regulierdrossel. Die Spannung am Transformator steigt um den gleichen Betrag und gleicht so den erhöhten Spannungsabfall am Gleichrichterventil aus. Durch richtiges Bemessen der Regulierdrossel kann die Anordnung so abgeglichen werden, dass die Gleich- spannung am Verbraucher bei steigender und fallender Belastung unverändert bleibt.
Es sind auch Anordnungen bekanntgeworden, in denen der Spannungsausgleich am Transfor- mator selbst erfolgt. Bei den bekannten Ausgleichtransformatoren befinden sich Primär-, Sekundär- und Magnetisierwicklung auf getrennten Kernen des Transformators. Die Spannungsregulierung geschieht dort in der Weise, dass die vom Gleichstrom durchflossene Magnetiderwicklung die Span- nung der Sekundärwicklung beeinflusst.
Durch Gegeneinanderschalten zweier Magnetisierwicklungen ist es sowohl bei den Regulier- drosseln als auch bei den Reguliertransformatoren in bekannter Weise möglich zu verhindern, dass eine Wechselstromkomponente in den Verbraucherkreis übertritt, u. zw. ist dies erzielbar, ohne dass die magnetisierende Wirkung dieser Wicklungen aufgehoben wird.
Die bekannten Anordnungen zur Spannungsregulierung bei Gleichrichterschaltungen haben aber verschiedene Nachteile, welche durch die Erfindung beseitigt werden.
Die Nachteile bestehen bei der Regulierdrossel darin, dass ausser dem Transformator noch eine
Drosselspule für die Spannungsregulierung vorgesehen werden muss, die den Preis solcher Gleich- richtergeräte nicht unerheblich verteuert. Ausserdem können Gleichrichteranordnungen mit Regulier- drossel infolge der nicht einfachen vektoriellen Spannungsabhängigkeit von Transformator und Re- gulierdrossel immer nur für eine bestimmte Netzspannung bemessen werden. Es ist nicht möglich, durch einfaches Umschalten von Wicklungsanzapfungen an Transformator und Regulierdrossel ein solches Gerät an verschiedene Netzspannungen anschaltbar zu machen.
Auch ist es nicht möglich, die Wicklungen dieser bekannten Regulierdrosseln genau zu be- rechnen. Jede Drossel muss vielmehr nach dem Zusammenschalten mit dem zugehörigen Transfor- mator und Gleichrichterventil besonders abgeglichen werden.
Auch die bisher bekannten Reguliertransformatoren haben ihre Nachteile. Entweder sind mehrere Transformatoren nötig, oder die gewünschte Spannungsregulierung tritt infolge der Streuung
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der Sekundärwicklung nur sehr unvollkommen und bei weitem nicht in den notwendigen Grenzen ein.
Solche Mängel sind durch die Erfindung vermieden. Diese ermöglicht, eine ideale Spannungregulierung mit Hilfe eines einzigen Transformators zu erreichen.
Fig. 1-4 sind Schaltbilder je eines Beispiels der neuen Anordnung.
Jede der in Fig. 1-4 dargestellten Anordnungen hat einen dreischenkeligen Eisenkern der in Drehstromtransformatoren üblichen Art. Die Schenkel dieses Kerns sind mit I, II, III bezeichnet. p bedeutet die Primärspule des Transformators. Seine Sekundärspule besteht aus einer Hauptwicklung s 1 und einer Hilfswicklung s 2. Die Wicklungen s 1, s 2 sind auf verschiedenen Schenkeln angeordnet und gegeneinander geschaltet. Wicklung s 1 befindet sich auf dem Schenkel, der die Spule p
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bezeichnet.
Diese Teile sind in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise zusammengeschaltet.
In der Anordnung nach Fig. 1 sitzen die Spule p und die Wicklung s 1 auf dem Schenkel I, die Wicklungen m, s 2 auf dem Schenkel II. Der Schenkel III hat keine Wicklung.
Im unbelasteten Zustande der Vorrichtung ist die Spule m, die in dem Verbraucherkreise liegt, stromlos. Ein Teil des von der Spule p erzeugten Wechselflusses wirkt auf die Gegenwicklung s 2. Die Spannung, die so in der Wicklung s 2 entsteht, verringert die Sekundärspannung, die von der Wick- lung s 1 allein an den Gleichrichter G. gelegt würde, wenn sie nicht unter dem Einfluss der Wicklung s 2 stünde.
Im vollbelasteten Zustande der Vorrichtung ist der Schenkel II durch die Spule m magnetisch gesättigt oder stark magnetisiert. Hiedurch wird die Wechselflusskomponente,, die vorher auf die Wicklung s 2 gewirkt hat, vollständig oder fast vollständig in den Schenkel 111 verdrängt. Die vorher in der Wicklung s 2 induzierte Gegenspannung verschwindet also. Die am Gleichrichter G wirksame Wechselspannung nimmt mithin zu.
Auf diese Art wird die Gegenwirkung der Wicklung s 2 von dem Verbraucherkreise aus so mit Hilfe der Spule m geregelt, dass innerhalb der durch L3rrlauf und Vollast bestimmten Grenzen stets diejenige Spannung an dem Gleichrichter liegt, die nötig ist, um Änderungen auszugleichen, welche in dem Verbraucherkreise erfolgen.
Da die Spule m gleichfalls unter dem Einfluss des Wechselflusses steht, gelangt eine Wechsel- stromkomponente auf die Gleichstromseite. Wenn dies unerwünscht ist, können zwei solche Trans- formatoren, u. zw. jeder der halben Leistung, miteinander verbunden werden, nämlich dadurch, dass ihre Spulen m hintereinander geschaltet werden und daher die Wechselspannungskomponenten einander aufheben.
Durch Anordnen von Anzapfungen an der Spule p kann der Transformator leicht an verschiedene
Netzspannungen anschliessbar gemacht werden. Dies ist bei Regulierdrosseln nicht möglich. Durch wahlweises Parallel-oder Reiheschalten der Primärspulen zweier Transformatoren können diese an zwei verschiedene Netzspannungen angeschlossen werden, ohne dass Anzapfungen oder ein Mehraufwand an Kupfer erforderlich sind. Da bei der neuen Anordnung die gegenseitige Beziehung der Wechselstromgrössen nicht vektorieller Art ist, ist es verhältnismässig leicht, die Transformatoiwick- lungen zu berechnen und. so das umständliche Abgleichen zu vermeiden, welches bei Regulierdrosseln nötig ist.
Die neue Anordnung ist gleich gut verwendbar für eine Gleichrichtereinrichtung mit Widerstandsbelastung und für Batteriepufferung wie auch zum Laden von Akkumulatoren. Versuche haben gezeigt, dass sich bei Widerstandsbelastung selbst unter ungünstigen Bedingungen eine Spannungskonstanz von + 2% mühelos erreichen lässt. Die Versuche haben auch gezeigt, dass über einen weiten Bereich ein annähernd proportionales Verhältnis zwischen Gleichstrom-und Wechselspannungs- zunahme besteht. Bei Batteriepufferung lässt sich das Einsetzen und Wiederaussetzen des Ladestroms in sehr engen Grenzen der Batteriespannung erreichen, z. B. zwischen den Zellenspannungen von 2'2 und 2-4 Volt.
Die Anordnung nach Fig. 1 ermöglicht auch, eine Pufferbatterie zeitweise schnell zu laden.
Hiefür werden die Wicklung m oder die Wicklung s 2 oder Teile dieser Wicklungen kurz- geschlossen.
Wenn die Anordnung nach Fig. 1 zum Laden eines Akkumulators dienen soll, werden gemäss Fig. 2 statt einer Spule m zwei Spulen ml, m2 auf dem Schenkel II vorgesehen. Spule m 1 liegt an der Ladespannung, Spule m 2 im Ladestromkreis. Spule m 2 entspricht in dieser Beziehung der in
Fig. 1 gezeigten Spule m. Die Spulen ml, m2 sind gegeneinander geschaltet.
Bei Leerlauf der Anordnung, Fig. 2, ist nur die Spule m1 von Gleichstrom durchflossen.
Schenkel II wird hiedurch so stark magnetisiert, dass in der Wicklung s 2 keine Wechselspannung induziert werden kann. Am Gleichrichter G ist daher die unverminderte Spannung der Wicklung s 1 wirksam. Wenn dann aber die zu ladende Batterie angeschaltet wird, fliesst der Ladestrom auch durch die Spule m 2. Die magnetisierende Wirkung der Spule m 1 wird hiedurch aufgehoben. Der Wechsel- fluss fliesst nun auch durch den Schenkel 11 und induziert so in der Wicklung s 2 eine Wechselspannung.
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Die Spannung am Gleichrichter G sinkt daher aus den angegebenen Gründen. Die Anordnung ist solcher Art, dass beim Anschalten der Batterie die maximale Ladestromstärke vorhanden ist. Wenn dann während des Ladens die Ladestromstärke unter der Wirkung der steigenden Gegenspannung der Batterie abnimmt, kommt die Spule m 1 zu einem überwiegenden Einfluss. Der Schenkel II wird also magnetisiert. Die in der Wicklung s 2 induzierte Spannung sinkt daher. Proportional hiezu steigt die in der Wicklung s 1 induzierte Spannung, so dass der Ladestrom seine frühere Stärke erreicht.
Der Ladestrom wirkt auf diese Art bis zur Beendigung des Ladens mit voller Stärke.
In der Anordnung nach Fig. 3 sind die Spule p und Wicklung s 1 auf dem Schenkel II angebracht. Wicklung s 2 und eine Gleichstromspule m : 2 befinden sich auf dem Schenkel1. Der Schenkel III hat eine Gleichstromspule m 1 und eine Gleichstromspule h, die aus vielen Windungen dünnen Drahtes besteht. Die Spulen m 1, h sind gegeneinander geschaltet.
Die Wirkung der Spulen p, s 1, s 2 ist dieselbe, wie sie mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Bei geöffnetem Gleichstromkreise, also bei Leerlauf ist nur die Spule/t von Gleichstrom durehflossen. Durch die Spule h ist der Schenkel 111 magnetisch gesättigt. Der von der Spule p erzeugte Kraftlinienfluss wird hiedurch verhindert, in den Schenkel 111 einzudringen. Im Schenkel 1 ist deshalb eine Komponente dieses Kraftlinienflusses wirksam. Wenn dann aber auf der Gleichstromseite belastet, d. h. der Gleichstromkreisgeschlossen wird, fliesst der Gleichstrom auch durch die Spulen m 1, m 2.
Die Spule m 1 hebt bei Vollast die magnetisierende Wirkung der Hilfsspule lu auf. Die Spule m 2 jedoch magnetisiert den Schenkel 1 und veranlasst so den magnetischen Kraftfluss, den die Spule p erzeugt, in den Schenkel 111 zu fliessen. Die Anzahl der Kraftlinien im Schenkel 1 und daher die Spannung in der Wicklung s 2 nehmen hiedurch ab. Infolgedessen sinkt die am Gleichrichter G wirksame Wechsel-
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Die Anordnung nach Fig. 4 dient ähnlich wie die Einrichtung nach Fig. 2 mm Laden von Ak- kumulatòren. Hiefür ist die Spule h nicht auf dem Schenkel 111 angebracht, wie es im Falle der Fig. 3 geschehen ist, sondern auf dem Schenkel L
Wenn hier der maximale Ladestrom durch die Batterie fliesst, wird die magnetisierende Wirkung der Spule h durch die Gegenspule m 2 aufgehoben, während Spule'm 1 den Schenkel 111 stark ma- gnetisiert. Der primäre Wechselfluss wird so veranlasst, in den Schenkel 1 statt in den Schenkel 111 zu fliessen. Die Wechselspannung der Wicklung s 2 steigt daher, so dass die aus dem Zusammenwirken von s 1, s 2 entstehende, am Gleichrichter Gliegende Wechselspannung klein ist.
Wenn jetzt die Gegen- spannung der Batterie zunimmt, sucht der Ladestrom zu sinken. Infolgedessen gewinnt die ma- gnetisierende Wirkung der Spule h wieder überwiegenden Einfluss, während im Schenkel777 die mittels der Spule m 1 bewirkte Magnetisierung abnimmt. Die magnetischen Kraftlinien werden hiedurch in den Schenkel 111 statt in den Schenkel 1 gelenkt. Die in der Wicklung s 2 erzeugte Wechselspannung sinkt mithin ab, so dass aus den beschriebenen Gründen die am Gleichrichter G wirksame Wechsel- spannung zunimmt. Die Wicklungen des Transformators sind so bemessen, dass die steigende Batteriespannung durch die steigende Gleichrichterspannung ausgeglichen wird, der Ladestrom also konstant bleibt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Spannungsausgleichtransformator, der insbesondere zum Zusammenschalten mit einem
Gleichrichter bestimmt ist, und dessen Sekundärspannung in Abhängigkeit von dem Verbraucher- strom so beeinflusst wird, dass sie zur Spannung am Verbraucher in einem gewünschten Verhältnis steht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schenkel eines dreischenkeligen Transformators die Primär- spule (p) und einen Teil (s 1) der Sekundärwicklung trägt und ein zweiter Schenkel mit dem anderen
Teil (s2) sowie einer vom Verbraucherstrom durchflossenen : M : agnetisierwicklung (m) versehen ist, und dass die beiden Teile (s 1, s 2) der Sekundärwicklung gegeneinander geschaltet sind.