Stromwandler. Die Erfindung betrifft einen Stromwand ler, dessen Sekundärstromstärke mit grosser Genauigkeit der Primärstromstärke propor tional gemacht werden kann. Die Erfindung ist besonders wichtig für Stromwandler mit einer einzigen Primärleitung.
Die magnetisierenden Amperewindungen sind bei Stromwandlern üblicher Bauweise gleich der geometrischen Summe der Ampere windungen des primären und des sekundären Stromes, und zwar
EMI0001.0004
Amperewindungen pro Centimeter. In dieser Formel sind i. und iB die primäre, beziehungs weise die sekundäre Stromstärke; ist WP die primäre Windungszahl; L die mittlere Länge der magnetischen Induktionslinien und die reelle Zahl Ü das Übersetzungsverhältnis des Wandlers, das heisst das Verhältnis der Nenn werte des primären und des sekundären Stromes.
Die Abweichung der Amp@rewin- dungszahl vom oben genannten Betrag, zum Beispiel hervorgerufen durch das Abgleichen der sekundären Windungszahl, oder durch irgendeinen Zweig in Nebenschluss zur sekun dären Bürde geschaltet, ist für das Folgende nicht wesentlich, da die Grössenordnung der Amperewindungszahl durch derartige Anord nungen dieselbe bleibt. Die magnetisierenden Amperewindungen erzeugen im Kern das magnetische Feld, welches in der sekundären Wicklung die Spannung induziert, welche den Strom in der sekundären Wicklung erzeugt.
Bei den üblichen Stromwandlern wird der Fehler des Wandlers, das heisst die Abwei chung der oben genannten Proportionalität, durch das Verhältnis dieser magnetisierenden Amperewindungen zu den primären (oder sekundären) Amperewindungen bestimmt. Die magnetische Impedanz des Kerns, das heisst der Quotient der magnetisierenden Ampere windungen und der Stärke des magnetischen Flusses, hat einen grossen Einfluss auf dieses Verhältnis. Dadurch, dass die spezifische magnetische Impedanz des Kernmaterials, zum Beispiel von Eisen, zu gross ist und zu stark abhängig ist vom Absolutwert der mag netischen Induktion, ist der Fehler oft zu gross.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Lö sung zur Verringerung dieses Fehlers der bekannten Stromwandler durch zweckmässige Erhöhung und Einstellung der Magnetisieruug des Kernmaterials. Diese Steigerung der magnetischen Induktion erfordert eine Erhö hung der magnetomotorischen Kraft pro Centi- meter bis zu einem Wert; welche den nor malen Wert
EMI0002.0008
bedeutend übertrifft.
Wenn die Kerne eine solche Form haben, dass sie Anlass geben zu einer Verzweigung der magnetischen Flüsse, wie zum Beispiel ,bei Wandlern der Mantel type zutrifft, so darf in genannter Formel L die mittlere Länge der magnetischen Induk tionslinien des betreffenden Zweiges darstellen.
Diese Erhöhung der magnetischen Induk tion wird bei bekannten Ausführungen dadurch erhalten, dass auf den Wandler eine Hilfs wicklung angebracht ist, welche an eine Hilfs spannung angeschlossen ist. Dabei wird immer darnach gestrebt, dass der Koeffizient der ge genseitigen Induktion zwischen dieser Hilfs wicklung und der sekundären Wicklung, sowie zwischen dieser Hilfswicklung und -der pri mären Wicklung gleich Null ist.
Der Strom in der Hilfswicklung beeinflusst alsdann die Ströme in den andern Teilen der Wicklung nicht; selbstverständlich abgesehen von der indirekten Beeinflussung, die durch die Er höhung der magnetischen Induktion verursacht wird und eben der Zweck der Hilfswicklung ist.
Nach der Erfindung enthält die sekundäre Wicklung des Wandlers parallele Zweige und wenigstens ein Kern trägt eine Anzahl elek trisch zusammenhängender Spulen mit un gleicher Windungszahl. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Anordnung infolge der ge genseitigen Induktion zwischen diesen Spulen in der sekundären Wicklung Spannungen in duziert werden, die innere Ströme in der se kundären Wicklung erzeugen.
Diese, in der sekundären Wicklung fliessenden inneren Ströme liefern mit dem primären Strom die Amperewindungen, welche nötig sind, um die gewünschten Werte der magnetischen Induk tion des Kernmaterials zu erhalten. Diese Vorgänge sind beispielsweise im Schaltungs schema von Fig.1 der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht. - Das Schema wird weiter unten genauer beschrieben.
Die Erfindung ermöglicht den Bau genauer Stromwandler einfacher Konstruktion, da die vielen Freiheitsgrade der Schaltung ausserdem eine ausgiebige Gelegenheit bieten, die Fehler nahezu ganz zu kompensieren.
Nach einer Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes kann die zweckmässige Stromverteilung dadurch erhalten und einge stellt werden (vergleiche Fig. I), dass die se kundäre Wicklung parallele Zweige enthält, in solcher Weise, dass in mehr als einem Zweig eine Reihenschaltung zweier oder mehrerer Spulen ungleicher Windungszahl vorkommt, und wobei die zu einer Reihen schaltung gehörigen Spulen auf getrennten Kernen angebracht sind.
Auch kann eine Impedanz in Nebenschluss zu einer Spule geschaltet werden, oder können Brückenzweige (oder ein Bruckenzweig, ver gleiche Fig. 4) angebracht werden, in welchen elektromotorische Kräfte (oder eine elektro motorische Kraft) aufgenommen oder induziert werden können (vergleiche Fig. 5).
Die zweckmässige Stromverteilung kann auch erzeugt werden, indem die sekundären Stromkreise aus zwei oder mehr elektrisch getrennten Systemen bestehen (vergleiche Fig. 5 und 6).
Die Stromverteilung kann ausserdem da durch beeinssusst werden, dass die Konstanten des magnetischen Kreises geändert werden. Das kann in verschiedener Weise geschehen, zum Beispiel durch das Anbringen von Luft schlitzen oder magnetischen Nebenschlüssen.
Die vielen Freiheitsgrade, welche die Schaltung nach der Erfindung besitzt, zum Beispiel die Wahl des Verhältnisses der Win- dungszahlen und des Verhältnisses der Impe- danzen der Spulen, und ausserdem die Mög lichkeit, Modifikationen einzuführen, bieten eine ausgiebige Gelegenheit, den Fehler ualiezu völlig zu kompensieren.
In dieser Beschreibung wird unter eine Spule die Sammlung aufeinanderfolgender Windungen verstanden, welche denselben magnetischen Flug umschlingen und durch denselben Strom durchflossen werden. Eine Spule kann im Grenzfall aus einer einzigen Windung bestehen.
Die beiliegenden Figuren zeigen beispiels weise eine Anzahl Ausführungsformen der Erfindung.
1n den Figuren sind übereinstimmende Bestandteile durch gleiche Verweisungszeichen angedeutet.
Die Fig. 1 gibt schematisch eine Ausfüh rungsform, welche in einfacher Weise gün stige Resultate gibt. In dieser Figur ist die Primärleitung mit l bezeichnet, mit f und g sind die Kerne angedeutet, auf welchen die vier Spulen u, v, 2v und x angebracht sind. Mit diesen Verweisungszeichen sind auch die respektiven Windungszahlen dieser Spulen angedeutet. In den verschiedenen Spulen werden elektromotorische Kräfte induziert. Die Effektivwerte dieser Kräfte werden be ziehungsweise mit<I>e",</I> e" e,q und ex angedeutet.
Der Strom im Zweige a <I>u b</I> w <I>c</I> wird ib ge nannt; der Strom im Zweige<I>a</I> v <I>d x c</I> wird id genannt und der Strom durch das Instrument, zum Beispiel ein Messinstrument, i.. Die Im pedanzen dieser drei Kreise werden zb, zd (aus Ohmschem Widerstand und Streureaktanzen bestehend) und z. genannt.
Ein Zusammenhang dieser Grössen ist aus dem Vektordiagramm (Fig. 3) zu sehen.
Im Gegensatz zu den Wandlern normaler Bauart, wo die magnetisierenden Amperewin- dungen gleich WP (ip +. Ü i,) sind, sind die A W des Kernes f gleich i, WP +,
ib <I>u</I> # id <I>v</I> und die jenigen des Kerns g gleich ip Wp.f ab 70 4- id <I>x.</I> Diese A. W verursachen in den Kernen die magnetischen Felder, welche in den sekun dären Spulen die EMke e", eo, e", und e$ indu zieren.
Die Summe der EIYIke e" -# e"" ebenso wie die Summe e, .j.. ex wird im Gleichgewicht gehalten durch die sekundäre Klemmenspan- nung des Wandlers i. z, und den Spannungs abfall in den Zweigen ib zb bezw. id zd.
Wenn zum Beispiel die Querschnitte der Kerne einander gleich sind; wenn z,=0,6 Ohm; zb = zd = 1,2 Ohm; ip = 60 Ampere; i, _ 0,5 Ampere; WP <I>= 1; u</I> = 150; z9 <I>=</I> 90, v = x = 119, dann wird die Berechnung nach den angegebenen Richtlinien zeigen, dass e" = 0,68 Volt; e" = 0,55 Volt: e," = 0,90 Volt; eY = 1,20 Volt; ib = 0,15 Ampere;
id = 0,41 Ampere; i/2 i6 ze = 0,15 Volt.
Das Verhältnis der magnetischen Induk tionen in den Kernen f und g ist
EMI0003.0085
Eine ungleiche -- unerwünschte - Vor magnetisierung zerstört bei bekannten Wand lern die Genauigkeit, während bei dem Erfindungsgegenstand die ungleiche Magneti- sierung beim Entwurf des Wandlers berück sichtigt wird.
Im allgemeinen Fall brauchen natürlich weder die Kernquerscbnitte; noch die Win- dungszahlen der Spulen v und x einander gleich zu sein ; ebensowenig brauchen die Streureaktanzen der verschiedenen Spulen vernachlässigbar klein zu sein, wie dies im gegebenen Beispiel deutlichkeitshalber der Fall war. Auch soll aus dem Beispiel nicht geschlossen werden, dass die ungleiche Mag netisierung der Kerne ein wesentliches Merk mal der Erfindung ist; in besondern Fällen können die Kerninduktionen einander gleich sein.
In Fig. 2 sind die Spulen u und v, ebenso wie ?v und x teilweise kombiniert. Bereits aus diesem einfachen Beispiel gehen die vielen Freiheitsgraden hervor, welche die Schaltung nach der Erfindung bietet; in einfacher Weise ist diese Anzahl noch zu erweitern, zum Bei spiel wie in Fig. 4 und 5 angedeutet ist.
In Fig. 4 ist zwischen den Punkten b und d ein Brückenzweig hineingefügt, worin zwecks genauer Einstellung der magnetischen Induktionen in den Eisenkernen eine einstell bare Impedanz zt eingeschaltet ist. In Fig. 5 ist ausserdem in den Brücken zweig eine elektromotorische Kraft aufge nommen, welche durch Induktion auf einem dritten Kern erhalten wird. Diese elektro= motorische Kraft kann in Phase und Grösse geregelt werden, zum Beispiel durch eine Hilfswicklung h, welche über eine einstell bare Impedanz zi, geschlossen ist, während dieser Schliessungskreis ausserdem eine elek tromotorische Kraft enthalten kann.
Derjenige Teil der sekundären Wicklung, welche elektrisch mit der Sekundärbürde z. zusammenhängt, ist eine Art Wheatstonesche Brücke. Die Spulen 2c, <I>v,</I> zv und<I>x</I> sind die Seiten des Vierecks, z, und der Brückenzweig zt die Diagonale. Dadurch wird es möglich, dass der durch z8 fliessende Strom nahezu unabhängig ist von zt und umgekehrt, wie solches von einem Stromwandler gefordert wird (der Sekundärstrom i" soll nämlich im mer dem Primärstrom proportional sein).
Fig. 6 zeigt noch eine andere Kombination mit drei Kernen.
Sowohl die Spulen als die Kerne können teilweise kombiniert werden.
In Fig. 7 ist schematisch angedeutet, in welcher Weise die Kerne kombiniert bewik- kelt - werden können.
Deutlichkeitshalber ist nur angegeben, wie die Wicklungen u und iv angebracht werden können. Es gibt hier zv Windungen, welche beide gerne f und g umfassen, und u-t.v Windungen, welche nur den Kern<I>f</I> um fassen.
Es ist klar, dass auch durch die Wahl be stimmter Querschnitte und durch spezielles Kernmaterial Einfluss ausgeübt werden kann.