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Sättigungsdrossel mit grossem Impedanz-Regelbereich
Es istbekannt, die Leistung in einem einphasigen Wechselstromkreis oder in einem Gleichstromkreis, welcher von einem Transformator-Gleichrichter-Aggregat gespeist wird, zu regeln, indem die Grösse ei= Impedanz variiert wird, die in den Wechselstromkreis eingeschaltet ist.
Die Änderung der Impedanz kann mittels einer Drossel mit magnetisierbarem Kern bewirkt werden.
Man kann auch den induktiven Spannungsabfall beeinflussen, indem die Streuverluste des Transformators, der den in Frage stehenden Stromkreis speist, verändert werden.
Wenn es sich um Stromkreise mit grosser Leistung handelt, wird eine Induktivität mit Sättigungsbereich verwendet, wobei die mehr oder minder grosse Sättigung des Magnetkreises mittels einer Wicklung bewirkt wird, die von Gleichstrom oder gleichgerichtetem Wechselstrom durchflossen wird.
Diese Art der Regelung ist insbesondere geeignet, wenn der zu regelnde Stromkreis an seinen Ausgangsklemmen eine im wesentlichen konstante Spannung erfordert, was z. B. bei einem Gleichstromkreis zum Aufladen einer Akkumulatorenbatterie erforderlich ist. Dasselbe gilt für einen Gleichstromkreis oder für einen einphasigen Stromkreis zur Speisung eines elektrischen Bogens.
Im letztgenannten Falle ist die Einschaltung einer Selbstinduktion mit grosser Impedanz wünschen- wert, um sicherzustellen, dass sich eine im wesentlichen konstante Bogenleistung ergibt.
Wenn man die Leistung einer Schweissmaschine in weiten Grenzen nur durch die Regelung der Sättigung einer Induktivität ändern will, ist es notwendig, dass eine Drossel verwendet wird, deren ohmscher Widerstand klein im Verhältnis zu ihrer Selbstinduktivität ist. Wenn man den Sättigungsstrom für solche Induktivitäten ändert, so erhält man eine grosse Änderung ihrer Impedanz.
Beidenbekannten Sättigungsdrosseln, wie sie in einphasigen Wechselstromkreisen verwendet werden, ist die in den Wechselstromkreis eingeschaltete Wicklung immer in zwei Teile aufgeteilt. Die beiden Wechselstromwicklungen sindhiebei entweder auf den äusseren Schenkeln eines dreischenkeligen Magnetkerns aufgebracht (der unter Umständen durch Zusammenfügung zweier zweischenkeliger Magnetkernsysteme gebildet wird) oder auf zwei Schenkeln zweier ähnlicher Magnetkerne, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind.
Im erstgenannten Falle wird auf dem zentralen Schenkel des dreischenkeligen Magneten die zur Vormagnetisierung dienende Wicklung aufgespult, welche die beiden Hälften des geschlossenen Magnetkreises vormagnetisiert. Im zweiten Falle wird auf jedem der beiden Magnetkreise eine Vormagnetisierungswicklung aufgebracht, welche vorzugsweise konzentrisch zu der Wechselstromwicklung des jeweiligen Magnetkreises verläuft.
In beiden Fällen wird die Schaltung der verschiedenen Wechselstromwicklungen einerseits und die der verschiedenen Vormagnetisierungswicklungen anderseits so ausgeführt, dass in dem Stromkreis für die Vormagnetisierung eine sekundäre Wechselstromkomponente vermieden wird.
Bei vorgegebenen Ausmassen des Magnetkernsystems hat man für die Spiralen der Wicklungen der Selbstinduktion einen bestimmten Raum zur Verfügung. Hieraus ergibt sich eine maximale Anzahl von Drahtspiralen mit genügend grossem Querschnitt, die in diesem Raum untergebracht werden können und
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entsteht.
Wenn man unter diesen Bedingungen nur eine einzige Wechselstromwicklung auf dem zentralen Kern eines dreischenkeligen Magnetsystems aufspulen will, müssen die die Vormagnetisierung bewirkenden Gleichstromwicklungen auf den äusseren Schenkeln des Magnetkreises angebracht sein. In diesem Falle
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hat man die Wahl, die beiden Gleichstromwicklungen auf zwei verschiedene Weisen zusammenzuschalten, wobei beide Lösungsmöglichkeiten Nachteile aufweisen.
Die erste L5sungsmöglichkeit bedingt die Bildung einer sekundären Wechselstromkomponente in dem Gleichstromkreis für die Vormagnetisierung, was nicht zulässig ist.
Die zweite Lösungsmöglichkeit gestattet es, die äusseren Schenkel zu sättigen, im zentralen Schenkel ergibt sich aber der resultierende Magnetfluss Null. Dies bedeutet, dass die Mindestimpedanz der Selbstinduktion dem Maximalwert derselben verhältnismässig benachbart ist, weil sie der Impedanz entspricht, die eine Selbstinduktion aufweist, die aus einer Drossel mit geradem Magnetkern besteht, dessen Länge der Länge des mittleren Schenkels des in Frage stehenden Magnetsystems entspricht.
Die vorliegende Erfindung hat eine Drossel mit Vormagnetisierung mittels eines Gleichstromes zum Gegenstand, die einen grossen Impedanzregelbereich aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Wicklungen auf zwei zweischenkeligeMagnetsysteme aufgespult sind, die symmetrisch unter Zwischenschaltung einer Platte, Schicht od. dgl. aneinandergefügt sind, welche aus einem elektrisch isolierenden und magnetisch wenig permeablen Materialbesteht und eine Dicke in der Grössenordnung von 2 mm aufweist. Die beiden aneinandergefügten zweischenkeligen Magnetsysteme bilden insgesamt ein dreischenkeliges Magnetsystem, dessen zentraler Schenkel aus zwei Teilen zusammengesetzt ist und mit einer Selbstinduktionswicklung versehen ist, die in den einphasigen WechseIstromkreis zur Regelung der Impedanz eingeschaltet wird.
Die zwischengeschaltete Platte, Schicht od. dgl. stellt eine genügende Isolierung zwischen den beiden aneinandergefügten Kreisen sicher, damit die magnetischen Felder der beiden Vormagnetisierungswicklungen sich nicht beeinflussen und sich jeweils in den beiden Teilen des zusammengesetzten zentralen Schenkels ein Magnetfluss ergibt, der in dem'einen Teil entgegengesetzt zu dem Magnetfluss in dem andern Teil verläuft.
Der ohmsche Widerstand einer einzigen Wechselstromwicklung der Sättigungsdrossel ist kleiner als der ohmsche Widerstand zweier getrennter Wicklungen, die dieselbe Anzahl von Spiralen haben und den gleichen zur Verfügung stehenden Raum in den Öffnungen des Magnetkernsystems einnehmen.
Das Verhältnis L/R wird somit bezüglich der verschiedenen bekannten Schaltungen mit zwei Wechselstromwicklungen verbessert.
Die beiden Gleichstromwicklungen können so miteinander verbunden werden, dass jede resultierende Wechselstromkomponente im Vormagnetisierungskreis vermieden wird, abgesehen davon, dass nunmehr beide Magnetkreise sich in ihrer ganzen Ausdehnung sättigen können.
Man erhält auf diese Weise einen maximalen Regelbereich der Impedanz Z der Selbstinduktion bis zu einem Wert, der im wesentlichen dem ohmschen Widerstand der Drossel entspricht, wenn dieselbe völlig gesättigt ist.
Wenn man davon ausgeht, dass die Impedanz der andern Elemente des zu regelnden Wechselstromkreises gegenüber der Sättigungsdrossel vernachlässigbar ist, ist das Verhältnis von Maximal- zur Minimalimpedanz im wesentlichen gleich dem Verhältnis der Maximal- und Minimalintensitäten, die man im Verbraucherkreis erzielen will. Bei Schweissmaschinen kann man'mit dem erfindungsgemässen Verfahren ein Verhältnis von 5/1 erreichen.
Andere Merkmale der Erfindung sind im nachfolgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles veranschaulicht.
Fig. 1 ist ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Sättigungsdrossel. Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Wechselstromwicklung, die auf dem zusammengesetzten zentralen Schenkel aufgespult ist, der aus zwei Schenkeln zusammengesetzt ist, welche durch eine Isolierschicht getrennt sind. Fig. 3 ist ein Schnitt durch zwei gleiche Wechselstromwicklungen, die auf zwei getrennte Schenkel zweier magnetischer Kreise aufgespult sind, wobei die beiden Wicklungen der Wicklung gemäss Fig. 2 wirkungsmässig entsprechen.
Fig. 4 ist ein Schaltschema einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsfbnn einer Sättigungsdrossel.
In Fig. 1 ist eine Wechselstromquelle veranschaulicht, als welche ein übliches Wechselstromnetz dienen kann. An den Klemmen A und B des Netzes ist die Primärwicklung 1 eines Transformators 2 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 3 über ein Gleichrichter-Aggregat 4 einen Gleichstromkreis speist. Die Gleichrichter sind nach Art einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Der Rheostat 7 dient zur Regelung des Vormagnetisierungsstromes, der durch die hintereinandergeschalteten Wicklungen 5 und 6 fliesst. Die beiden den Vormagnetisierungsstromkreis bildenden Wicklungen 5 und 6 sind auf den Jochstücken 8 und 9 der Magnetsysteme 10 und 11 aufgespult, deren Schenkel 12 und 13 unter Zwischenschaltung einer Platte 14 aneinandergefügt sind, welche aus einem elektrisch isolierenden und wenig permeablen Material besteht.
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Die Wicklung 15 wird mit den Anschlüssen C und D in den Wechse1sttomkreis eingeschaltet, dessen Leistung geregelt werden soll. Die Wicklung 15 ist auf den aus den Schenkeln 12 und 13 gebildeten zentralen Schenkel aufgespult.
Wie schon im vorstehenden erläutert worden ist, sind die beiden Wicklungen 5 und 6 in Serie geschaltet, wobei der ausgangsseitige Anschluss 16 der ersten Wicklung mit dem eingangsseitigen Anschluss 17 der zweiten Wicklung verbunden ist und der inden Schenkeln 12 und 13 sich ergebende Vormagnetisierungfluss in zueinander entgegengesetzten Richtungen erzeugt wird, wie dies durch die Pfeile in der Fig. 1 angedeutet ist. Der durch den Wechselstrom in der Wicklung 15 erzeugte magnetische Wechselfluss hat hingegen in den Schenkeln 12 und 13 stets dieselbe Richtung.
Die magnetische Sättigung in den beiden aneinandergefügten Magnetsystemen findet längs der ganzen Ausdehnung der Magnetisierungslinien statt, so dass auch in den Schenkeln 12 und 13 eine Sättigung eintritt, während die beiden Wechselstromkomponenten, welche in die Wicklungen 5 und 6 durch den Wechselfluss infolge des Stromdurchganges durch die Wicklung 15 induziert werden, sich im Stromkreis 18, der zum Gleichrichter-Aggregat 4 führt, gegenseitig. aufheben.
Das in Fig. 4 veranschaulichte Schaltschema entspricht wirkungsmässig genau dem Schaltschema der Flg. l. DieBezugsziffernfür die verschiedenen Teile sind beibehalten worden, wobei lediglich die beiden Vormagnetisierungswicklungen mit den Bezugsziffern 5a und 6a an Stelle der Bezugsziffern 5 und 6 und die Wechselstromwicklung mit der Bezugsziffer 15a an Stelle der Bezugsziffer 15 bezeichnet worden ist.
Bei der veranschaulichten Ausführungsvariante gemäss Fig. 4 sind die Wicklungen 5a und 6a nicht auf den beiden Jochstücken 8 und 9 der Magnetkreise 10 und 11, sondern auf den äusseren Schenkeln 19 und 20 der beiden Magnetsysteme aufgespult. Die drei Wicklungen 5a, 6a und 15a erstrecken sich längs der ganzen Höhe der Schenkel 19,20 und des zusammengesetzten Zentralschenkels, der aus den beiden Schenkeln 12 und 13 sowie der diese beiden Schenkel voneinander isolierenden Schicht 14 besteht. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäss Fig. l füllt die Wicklung 15a nicht den gesamten Zwischenraum zwischen dem Zentralschenkel und den Aussenschenkeln aus, weil ein Teil dieses Zwischenraumes nunmehr von den Wicklungen 5a und 6a ausgefüllt wird.
Der ohmsche Widerstand der Wicklung 15 ist für eine bestimmte gegebene Anzahl von Spiralen, die wiederum durch den maximal zulässigen Strom sowie die freien Zwischenräume 21 und 22 bestimmt ist, proportional zur Länge der mittleren Spirale der Wicklung, d. h. zum Mittelwert der Längen der innersten und äussersten Spiralen, also des Mittelwertes aus der Länge der inneren Spirale 23, die sich unmittelbar am Kern befindet und der Länge der äusseren Spirale 24, die sich am äusseren Umfang der Wicklung befindet.
Um den ohmschen Widerstand der Wicklung 15 der erfindungsgemässen Selbstinduktion mit dem ohmschen Widerstand der beiden kreisförmigen Wicklungen gemäss Fig. 3 zu vergleichen, genügt es somit, die Länge der mittleren Spirale 25 der Fig. 2 mit der Summe der Längen der mittleren Spiralen 26 und 27 der beiden Wicklungen gemäss Fig. 3 zu vergleichen.
Wie man sieht, weist die Spirale 25 eine im wesentlichen ovale Gestalt auf, die sich aus den beiden kreisförmigen Stücken, die denselben Durchmesser wie die Spiralen 26 und 27 aufweisen sowie den geradlinigen Stücken 28 und 29 zusammensetzt, deren Länge der Entfernung zwischen den Zentren 30 und 31 der beiden benachbarten Querschnitte 32 und 33 der Schenkel 12 und 13 entspricht, die durch die Isolierplatte 14 getrennt sind.
Beim Vergleich der beiden Figuren ist weiterhin ersichtlich, dass der Abstand des Punktes 30 vom Punkt 31 geringer ist als die Hälfte der Länge der mittleren Spirale 26. Folglich wird der ohmsche Widerstand der erfindungsgemässen Selbstinduktion proportional dem Verhältnis der Länge der mittleren Spirale 25 zu der Summe der Längen der mittleren Spiralen 26 und 27 reduziert, woraus sich ergibt, dass der ohmsche Widerstand der Wicklung 15 nur 2/3 des ohmschen Widerstandes der beiden Wicklungen gemäss Fig. 3 beträgt.
Das Verhältnis L/R wird also in dem Masse verbessert, wie der ohmsche Widerstand der Wicklung des Wechselstromkreises vermindert wird. Die Verminderung des ohmschen Widerstandes führt, wie oben schon erwähnt, zugleich zu einer Vergrösserung des mit dem Rheostat 7 überstrichenen Regelbereiches der Impedanz Z der Selbstinduktion und der Impedanz des Stromkreises. Man kann die Leistung in einem Verhältnis 5/1 ändern, was bisher nicht durchführbar war, wenn nicht für die verschiedenen gewünschten Leistungsbereiche am Transformator besondere Anzapfungen und Umschaltorgane vorgesehen sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Wheatstone-Brückenschaltung der Gleichrichter 4 kein Kennzeichen der Erfindung ist und dass es möglich ist, die magnetischen Kreise mittels eines gleichgerichteten Stromes zu sättigen, ohne dass es darauf ankommt, welche Gleichrichterschaltung verwendet wird.
Ausserdem kann ein Glättungskondensator an den Anschlüssen für die Vormagnetisierungswicklungen vorgesehen sein, um die restlichen Ungleichmässigkeiten des gleichgerichteten Stromes zu beseitigen.
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Es versteht sich von selber, dass an den beschriebenen Ausführungsformen Änderungen, Verbesserngen oder Erweiterungen vorgenommen werden oder gewisse Vorrichtungen durch äquivalente Vorrichtungen ersetzt werden können, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sättigungsdrossel mit Gleichstrom-Vormagnetisierung und grossem Impedanz-Regelbereich, gekennzeichnet durch ein dreischenkeliges Magnetsystem, welches aus zwei zweischenkeligen Magnetsystemen symmetrisch zusammengesetzt ist, wobei je ein Schenkel des einen Magnetsystems längsseitig mit dem Schenkel des andern Magnetsystems unter Zwischenschaltung einer Platte, Schicht od. dgl. aneinanderstösst, welche aus einem Material besteht, das elektrisch isoliert und far den magnetischen Fluss undurchlässig ist und eine Dicke in der Grössenordnung von 2 mm aufweist, und dass die Selbstinduktionswicklung, die in den einphasigen Wechselstromkreis eingeschaltet werden soll, auf dem zusammengesetzten zentralen Schenkel des dreischenkeligen Magnetsystems aufgespult ist.