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Die Erfindung betrifft einen Regeltransformator bzw. -stabilisator mit kontinuierlicher Regelung der Wechsel- oder Gleichspannung, der einen dreischenkeligen Magnetkern aufweist, in dessen Jochen sich Öffnungen befinden, in denen jeweils zwei zu einem Wicklungspaar gehörende Teilwicklungen angeordnet sind, die so geschaltet sind, dass die Grundwellenflüsse der beiden Teilwicklungen einander entgegengesetzt gerichtet sind.
In der brit. Patentschrift Nr. l, 083, 954, insbesondere den dazugehörigen Figuren, sind bereits dreischenkelige Magnetkerne gezeigt, in deren Jochen sich Öffnungen befinden, wobei in diesen öffnungen Wicklungspaare angeordnet sind, an die jeweils ein Steuerstrom herangeführt wird. Während auf dem mittleren Schenkel des Kerns die Primärwicklung angeordnet ist, sind die Sekundärwicklungen auf den Aussenschenkeln angebracht. Wie aus der Beschreibung dieser Patentschrift, insbesondere S. 2, Zeilen 39 bis 48 zu entnehmen ist, soll die bekannte Anordnung eine Steueranordnung sein, die z. B. als langsamer Schalter, als automatische Verstärkungssteuerung, als Phasendetektor usw. verwendet werden kann.
Insbesondere soll diese Anordnung eine definierte Dämpfung zwischen dem primärseitig zugeführten Eingangssignal und dem ausgangsseitig abnehmbaren Ausgangssignal ermöglichen. Dies wird bei der bekannten Anordnung dadurch erreicht, dass die in den Öffnungen angebrachten Steuerwicklungen von einer einstellbaren Gleichstromquelle oder von mehreren solchen Quellen angesteuert werden, so dass durch den mehr oder weniger eintretenden Sättigungseffekt die Kopplung zwischen Eingang und Ausgang verändert werden kann. Dabei wird jedoch jeweils, wie vorstehend schon ausgeführt, eine Gleichspannung fest eingestellt.
Es wäre denkbar, wenn dies in der brit. PatentschriEt Nr. l, 083, 954 auch nicht dargelegt ist, diese Steuerwicklungen in Abhängigkeit von den Schwankungen der Ausgangsspannung zu steuern. Dann würde man ebenfalls eine Regelung der Ausgangsspannung erreichen können.
Eine solche Regelung ist jedoch vor allem dann, wenn grosse Leistungen ausgeregelt werden sollen, nicht mehr akzeptabel, weil durch das unterschiedliche Aufbringen von Primär- und Sekundärwicklung auf getrennten Schenkeln eines Kerns eine erhebliche Streuung auftritt, die im Endeffekt zu einem kleinen Leistungsfaktor führt. Ausserdem tritt bei Belastung eine Distorsion der Sekundärspannung auf. Durch diese Nachteile wird die bekannte Anordnung schon bei einer Leistung von einigen hundert VA unbrauchbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Regeltransformator und Stabilisator zu schaffen, der technisch einfach aufgebaut und wirtschaftlich zu fertigen ist und der auch bei hohen Ausgangsleistungen eine stabile Ausgangsspannung liefert.
Gemäss der Erfindung wird der Regeltransformator derart ausgebildet, dass in einem der beiden Joche beidseits des Mittelschenkel je eine Öffnung vorgesehen ist, dass die in den Öffnungen befindlichen Teilwicklungen der Wicklungspaare in ihrer Windungszahl gleich sind, bzw. sich bis zu 0, 6% voneinander unterscheiden, dass die Summe der Gleichströme in den Wicklungspaaren im vorgesehenen Regelbereich konstant gehalten ist, dass ferner auf jedem Schenkel des Magnetkerns je eine Teilwicklung der Primär- und Sekundärwicklung aufgebracht ist, dass die Teilwicklungen der Primärwicklung auf den einzelnen Schenkeln des Magnetkerns jeweils gleiche Windungszahlen aufweisen, während die Windungszahl mindestens einer der auf den Schenkeln aufgebrachten Teilwicklungen der Sekundärwicklung unterschiedlich gegenüber den beiden andern Wicklungen,
insbesondere kleiner, ist und dass die Primärwicklung aus der Reihenschaltung der zwei auf den Aussenschenkeln des Magnetkerns befindlichen Teilwicklungen besteht, zu denen die auf den mittleren Schenkel des Kerns angeordnete Teilwicklung parallel geschaltet ist.
Dadurch erhält man geregelte Ein- und Dreiphasen-Transformatoren und Stabilisatoren, die für kleine und grosse Leistungen einfach in der Herstellung sind und gegenüber den bisher bekannten Regeltransformatoren bessere technische Eigenschaften und eine grössere Lebensdauer aufweisen. Insbesondere erhält man eine kontinuierliche Regelung von Gleich- und Wechselspannungen mit gleichzeitig niedrigem Oberwellengehalt.
Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo es notwendig ist, Wechsel- oder Gleichspannung zu erzeugen, mit oder ohne automatischer Regelung, für normale oder Tiefenregelung, für Nieder- oder Hochspannung, besonders auch als genauer Stabilisator mit Transformator- oder Autotransformatorausführung, für Wechsel- oder Gleichstrom, in Radio- oder Fernsehstudios und entsprechenden Einrichtungen bei der Post und in Verteilernetzen zur Regelung von Transformatoren für elektrische Öfen, wobei Transformatoren mit Trocken-, Flüssigkeits- fester oder Gas-Isolation ohne Begrenzung des Spannungsbereiches in ein oder dreiphasiger Ausfertigung erstellt werden können.
In einer weiteren baulichen Vereinfachung kann der Regeltransformator auch als Spartransformator ausgebildet sein.
Die Regulierung der Spannung wird über die zwei in den Schlitzen des Joches befindlichen mit Gleichstrom gespeisten Spulen erreicht, dabei erhält man eine kontinuierliche Veränderung des Stromes von Minimal- auf Maximalwert bzw. umgekehrt, u. zw. derart, dass die Summe in den Wicklungen der beiden Schlitze des Joches über den gesamten Regelbereich oder einen Teil davon konstant bleibt. Dadurch wird eine optimale Vernichtung höherer Harmonischer starker Leistung und eine bessere Regelkennlinie als bei den bisher bekannten Anordnungen erreicht.
Ferner erhält man durch die besondere Verschaltung von Primär- und Sekundärwicklungen ein System von zwei Regeltransformatoren auf den äusseren Kernen (mit den Transformationskoeffizienten--Ks und K7---) und einen nicht geregelten Transformator auf dem mittleren
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Kern (mit dem Transformationskoeffizienten--Kss--). Man sieht, dass der geregelte Teil des Transformators wegen der verschiedenen Koeffizienten der Transformation--Ks/K-einen Teil nicht kompensierter Amperewindungen enthält, welche bis zur Sättigung der magnetischen Kreise des Transformators führen, weshalb beim belasteten Transformator höhere Harmonische auftreten. Diesen Mängeln solcher Regeltransformatoren ist bisher nicht mit Erfolg abgeholfen worden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher der Regeltransformator derart ausgebildet, dass parallel zur Primärwicklung ein Siebglied, bestehend aus der Reihenschaltung einer Induktivität und eines Kondensators liegt, das auf die zu kompensierende Harmonische abgestimmt ist.
Die Wirkung für die Beseitigung der Oberwellen ist dabei weitaus grösser als bei bekannten Verfahren mit einer Siebung auf der Sekundärseite des Regeltransformators und der Preis einer solchen Lösung ist mehrfach niedriger.
Weiterhin lässt sich der Regeltransformator derart ausbilden, dass in den Öffnungen eine oder mehrere zusätzliche Kompensationswicklung (en) angeordnet sind, die aus einem oder mehreren Wicklungspaaren in Kurzschlussschaltung bestehen und dass die Windungszahlen der jeweils zu einem Paar vereinigten Teilwicklungen gleich sind.
Dies hat die vollkommene Kompensation unerwünschter Komponenten induktiver elektromotorischer Kräfte in den Wicklungen zur Folge und damit die kleinste Amperewindungszahl für die Regelung und die einfachste Lösung für eine Regelung von Hand oder automatisch.
Die Regelung der Wicklung kann dabei kontinuierlich über Thyristoren oder Leistungstransistoren erfolgen.
Dadurch wird sowohl die Hand- als auch die automatische Regelung in Halbleiterelementen unter Anwendung integrierter Schaltungen eröffnet, was einen hohen Grad an Genauigkeit und Verlässlichkeit in der Arbeit, Verkleinerung der Abmessungen und Verringerung des Preises gegenüber den bisher bekannten Anordnungen mit Transduktoren oder elektrischen Röhren als Hauptelemente der Regelung oder bei nur teilweisem Gebrauch einiger elektrischer Halbleiter ermöglicht.
Will man an Stelle von Wechselspannung Gleichspannung regeln, so lässt sich dies vorteilhaft dadurch erreichen, dass der Sekundärwicklung ein Gleichrichter, dem ein Filter nachgeschaltet ist, parallel geschaltet ist.
An Hand der Ausführungsbeispiele nach den Fig. l bis 4 wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. l zeigt einen Regeltransformator bzw. Stabilisator, der aus einer magnetischen Spule mit Regelwicklungen--d und e--und Kompensationswicklungen-f--, einem Filter, einem elektronischen Regler für Hand oder automatische Regelung und Gleichrichter sowie Filter für den Fall der Gleichstromregelung enthält. Der magnetische Kreis des einphasigen Regel-Transformators oder Stabilisators besteht aus den Kernen --5, 6 und 7--sowie zwei Jochen. Auf einem Joch befinden sich zwei Öffnungen--l und 2--. Der Spulenkern der Magnetspule ist aus Transformatorenblech hergestellt. Die Arbeitswicklungen bilden die drei primären Teilwicklungen--a und g-sowie die drei sekundären Teilwicklungen--b, c, h--.
Jede Regelwicklung-d, e-- besteht aus einem Paar Wicklungen --d1 d2 und el e-und ferner enthält jede Regelwicklung eine oder mehrere Kompensationswicklungen--f--. Die Teilwicklungen der Primärwicklung haben die gleiche Windungszahl, die Teilwicklungen der Sekundärwicklung verschiedene Windungszahlen. Die Wicklung--b--hat 10 bis 85% der Wicklung von-c--, je nach gewünschtem Regelbereich.
Die Kompensationswicklungen--f--sind einschichtig und gleich ausgebildet. Sie können mit jeder Regelwicklung und e--ein-oder mehrmals verbunden sein. Im letzteren Fall sind sie im Inneren galvanisch isoliert und wie in Fig. 2 gezeigt geschaltet. Dabei sind die Wicklungen--a-der Primärwicklung in Reihe und die Wicklung-g--der Primärwicklung zu den Wicklungen--a-parallel geschaltet. Die Teilwicklungen der Sekundärseite liegen in Reihe. Soll der Regeltransformator als regelbarer Gleichrichter oder Stabilisator für Gleichspannung verwendet werden, so ist sekundärseitig der Gleichrichter --8-- und das Filter - angeschlossen.
Primärseitig ist auf der Wicklung --a-- des Kerns --5-- oder auf besonderen Wicklungen um den Kern--5--parallel die Filterwicklung--3 und 4--vorhanden. Sie hat die Aufgabe der Vernichtung der dritten Harmonischen der sekundärseitig abgegebenen Spannung.
Wenn die Anordnung als Stabilisator verwendet werden soll, werden die in den Schlitzen des Joches befindlichen Wicklungen aus einer gesonderten Quelle gespeist. Wird die Anordnung als Regeltransformator verwendet, so erfolgt die Speisung aus den Sekundärwicklungen über einen Gleichrichter, dessen Stromstärke über Transistoren oder Thyristoren als Stellglieder verändert wird.
Transistoren und Thyristoren sind Grundelemente für die kontinuierliche Regelung des Gleichstromes in den Wicklungen--d und e--. Die Wicklungspaare der Wicklungen--d, e und f--sind so miteinander verbunden, dass deren Fluss dem Fluss der Grundwelle entgegenwirkt.
Die den Gleichstrom regelnden Wicklungen--d und e--sind auf einen Teil des magnetischen Kreises, wie in Fig. 2 gezeigt, aufgebracht. Die Regelung der Spannung erfolgt durch verschiedene Aufteilung des Gleichstromes in den Regelwicklungen--d und e--in einem bestimmten optimalen Verhältnis, wobei die Summe der beiden Ströme konstant bleibt. Die maximale Sekundärspannung erhält man, wenn die Primärspannung konstant ist und in der Wicklung--e--der maximale Regelstrom fliesst und der minimale Regelstrom in der Wicklung--d--.
Umgekehrt erhält man die minimale Sekundärspannung dann, wenn der
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Regelstrom den Maximalwert in der Wicklung--d--und den Minimalwert in der Wicklung-e--hat. Wenn sich das Verhältnis des Regelstromes in den Wicklungen-d und e-ändert, ändert sich auch die Sekundärspannung kontinuierlich. Wenn man die automatische Regelung so einstellt, dass sie die Sekundärspannung konstant hält, wenn sie in den bestehenden Grenzen der Primärspannung sich ändert, erhält man einen Stabilisator. Im gesamten Bereich der Regelspannung von Leerlauf bis zur Nennlast erfolgt die Regelung für ohmsche, induktive und kapazitive Belastung kontinuierlich ohne höhere Harmonische der sekundären Ausgangsspannung (Klirrfaktor kleiner 1, 5%), bei einem hohen Leistungsfaktor und geringen Regelzeitkonstanten.
Bei einer Erprobung bei Transformatoren zwischen 5 und 105 kVA wurden bezüglich der kontinuierlichen Regelung von Wechsel- und Gleichstrom gute technische und ökonomische Ergebnisse erzielt.
Verwendet man an Stelle eines Einphasen-Transformators, wie vorstehend beschrieben, einen Dreiphasen-Transformator, so kann die Regelung in gleicher Weise erfolgen. Dabei ist es möglich, entweder je Phase eine Regelung vorzusehen oder aber für alle drei Phasen gemeinsam zu regeln.
Eine Anordnung, bei der an Stelle von Gleichstrom Wechselstrom geregelt wird, die aber ansonsten die gleiche Funktionsweise und den gleichen Aufbau aufweist wie die Anordnung nach Fig. l, ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Nach diesem Prinzip können auch einphasige und dreiphasige Autotransformatoren arbeiten.
Die Fig. 3 und 4 zeigen das Schema der Schaltung eines Einphasen-Autotransformators, den Magnetkreis, die Regelwicklungen--d und e--, die Kompensationswicklungen--f--. Die Funktionsweise ist die gleiche wie beim Einphasen-Transformator wie er in den Fig. l und 2 dargestellt ist. Die Primärwicklung besteht aus drei Teilwicklungen, von denen jeweils zwei Wicklungen--a--in Reihe und eine Teilwicklung--g--parallel
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zur Primärwicklung--a--.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeltransformator bzw. -stabilisator mit kontinuierlicher Regelung der Wechsel- oder Gleichspannung, der einen dreischenkeligen Magnetkern aufweist, in dessen Jochen sich Öffnungen befinden, in denen jeweils zwei zu einem Wicklungspaar gehörende Teilwicklungen angeordnet sind, die so geschaltet sind, dass die Grundwellenflüsse der beiden Teilwicklungen einander entgegengesetzt gerichtet sind, dadurch gekenn- zeichnet, dass in einem der beiden Joche beidseits des Mittelschenkels je eine Öffnung (1, 2) vorgesehen ist, dass die in den Öffnungen (1, 2) befindlichen Teilwicklungen (ddei) der Wicklungspaare (d, e) in ihrer Windungszahl gleich sind, bzw.
sich bis zu 0, 6% voneinander unterscheiden, dass die Summe der Gleichströme in den Wicklungspaaren (d, e) im vorgesehenen Regelbereich konstant gehalten ist, dass ferner auf jedem Schenkel des Magnetkernes je eine Teilwicklung der Primär- und Sekundärwicklung aufgebracht ist, dass die Teilwicklungen (a ;
a, g) der Primärwicklung auf den einzelnen Schenkeln des Magnetkerns jeweils gleiche Windungszahlen aufweisen, während die Windungszahl mindestens einer der auf den Schenkeln aufgebrachten Teilwicklungen (c, h, b) der Sekundärwicklung unterschiedlich gegenüber den beiden andern Wicklungen, insbesondere kleiner, ist, und dass die Primärwicklung aus der Reihenschaltung der zwei auf den Aussenschenkeln (5,7) des Magnetkerns befindlichen Teilwicklungen (a) besteht, zu denen die auf den mittleren Schenkel (6) des Kerns angeordnete Teilwicklung (g) parallel geschaltet ist.
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