Kapazitiver Spannungswandler Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Spannungswandler, der einen Hauptkondensator und einen Parallelkondensator besitzt an den über eine Re sonanzdrossel die Primärseite eines Hilfstransformators mit Eisenkern und Sekundärwicklungen angeschlossen ist, und zwar auf ein solches Gerät, bei dem das Auftre ten von subharmonischen Schwingungen verhindert wer den soll.
Bei einem kapazitiven Spannungswandler, der in ein elektrisches System eingefügt ist, treten subharmoni- sche Schwingungen auf, wenn auf der Sekundärseite des Geräts Kurzschlussbedingungen herrschen oder wenn die Systemspannung schwankt. Dies liegt daran, dass der Hilfstransformator in dem Spannungswandler einen Eisenkern besitzt und die Nichtlinearität seiner Erre- gerinduktivität zusammen mit dem Vorhandensein der Kondensatoren Ferroresonanzen ergibt.
Dieses beson dere Phänomen lässt einen Überstrom durch den Span- nungswandler fliessen und führt zu einem starken Span nungsanstieg an verschiedenen Klemmen des Systems sowie den damit zusammenhängenden Nachteilen.
Es sind viele Vorschläge gemacht worden, um die se subharmonischen Schwingungen zu unterdrücken. So hat man einen Dämpfungswiderstand parallel zur Primär- oder Sekundärwicklung des Hilfstransformators gelegt. Dieser Widerstand bringt jedoch eine beträcht liche feste Belastung des Spannungswandlers im Normal betrieb mit sich. Dies führt nicht nur zu dem schweren Nachteil, dass die Sekundärlast, die an den Spannungs wandler angeschlossen werden kann, notwendigerweise begrenzt ist, sondern auch zu einer Verschlechterung der Genauigkeit des Geräts.
Ein anderes Verfahren zum Unterdrücken der Subharmonischen besteht darin, pa rallel zur Sekundärwicklung des Hilfstransformators einen Parallelresonanzkreis zu schalten, der auf die Grundfrequenz der zugeführten Spannung abgestimmt und so ausgelegt ist, dass er bei der Grundfrequenz eine hohe Impedanz und bei subharmonischen Frequen zen eine geringe Impedanz darbietet. Diese Anordnung hat jedoch ihren Nachteil darin dass eine Kapazität und eine Induktivität zusätzlich vorgesehen werden müs sen und dass der Resonanzkreis immer noch eine höhe re Impedanz hinsichtlich der Subharmonischen besitzt, als zulässig wäre.
Es ist bekannt, dass die subharmonischen Schwingun gen durch die Nichtlinearität der Erregerinduktivität des Hilfstransformators infolge der Sättigung seines Eisen kerns auftreten.
Demgemäss ist es das Hauptziel der vorliegenden Er findung einen kapazitiven Spannungswandler, der einen Hauptkondensator und einen Parallelkondensator be sitzt, an den über eine Resonanzdrossel die Primärseite eines Hilfsstransformators mit Eisenkern und Sekun därwicklung angeschlossen ist, anzugeben, der sehr ein fache Schaltungsmittel zum Verhindern der subharmoni- schen Schwingungen besitzt.
Die Erfindung besteht darin, dass der Hilfstransfor mator durch einen Schaltungszweig überbrückt ist, der eine Sättigungsdrossel, die vor der Sättigung des Hilfs transformators gesättigt ist und nach ihrer Sättigung eine geringere Impedanz als die Erregerimpedanz des Hilfstransformators aufweist, und einen Dämpfungswi- derstand, der so bemessen ist, dass der zum Unter drücken eines subharmonischen Resonanzstromes aus reicht, besitzt.
Es sei nun angenommen, dass im Betrieb irgendei ne Ausgleichserscheinung auftritt, die Subharmonische zu erzeugen vermag. Dann hat der Eisenkern des Hilfs transformators die Neigung, sich zu sättigen. Bevor je doch die Sättigung des Eisens des Hilfstransformators erfolgt ist, hat sich das Eisen der Drossel gesättigt, so dass in dem Entladungskreis der Kondensatoren der Hilfstransformator durch die geringere Impedanz der Drossel überbrückt ist, wobei der Entladungsstrom der Kondensatoren dann durch die Drossel fliesst und durch den Dämpfungswiderstand niedrig gehalten wird.
Auf diese Weise wird das Eisen des Hilfstransformators nie- mals gesättigt und es können daher keine subharmoni schen Schwingungen auftreten.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von bevor zugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schaltung eines kapaziti- ven Spannungswandlers gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine der Fig. 1 äquivalente Schaltung, Fig. 3 die charakteristischen Kurven des Hilfstrans- formators und der Sättigungsdrossel,
wie sie in den Aus führungsbeispielen der Erfindung verwendet werden, Fig. 4 eine schematische Schaltung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und Fig. 5 eine schematische Schaltung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Parallelkondensator C2 einerseits an einen Hauptkondensator Cl und andererseits an eine Resonanzdrossel L und die Primärseite P eines Hilfs transformators Tr angeschlossen. Die Sekundärseite S dieses Transformators ist an eine Belastung, beispiels weise Messgeräte oder Relais, gelegt. Der Kondensator C2 ist mit einem Erdungsschalter K überbrückt. So weit ist der Aufbau des Spannungswandlers bekannt.
Neu ist bei dieser Schaltung dagegen das Vorhanden sein einer Reihenschaltung einer Sättigungsdrossel L5 und eines Dämpfungswiderstandes Rd. In Fig. 1 liegt diese Reihenschaltung parallel zur Primärseite P des Hilfstransformators Tr. Die Äquivalenzschaltung hier für ist in Fig. 2 gezeigt, in der C die Summe der Ka pazitäten der Kondensatoren C1 <B>und</B> C2,
L" und R die Summe der Induktivität der Drossel L und der primären Streuinduktivität des Transformators Tr bzw. die Sum me ihrer Widerstände und Z" die Erregerimpedanz des Transformators Tr bedeuten.
Die Sättigungsdrossel L, hat solche Eigenschaften, dass ihre Sättigungskurve steil ansteigt und die Sätti gung rasch erreicht ist. Blech aus kalt gewalztem Sili- ziumstahl mit hoher Permeabilität ist als Kernma terial für die Sättigungsdrossel geeignet. Fig. 3 zeigt die Sättigungskurven des Hilfstransformators Tr und der Sättigungsdrossel L8 als A bzw. B.
Es ist erforderlich, dass die Impedanz der Drossel, nachdem sie gesättigt ist, beträchtlich geringer ist als die Erregerimpedanz des Hilfstransformators. Wenn daher die Drossel gesättigt ist, überbrückt sie wirksam die Erregerimpedanz des Transformators Tr. Man kann es gestatten, dass auch vor der Sättigung der Drossel deren Impedanz geringer ist als die Erregerimpedanz des Transformators.
Dies führt jedoch zu einer Verschlechterung der Eigenschaf ten des Spannungsgeräts. Demzufolge ist es vorzuziehen, dass vor Sättigung der Drossel deren Impedanz be- trächtlich höher ist als die Erregerimpedanz des Trans formators, so wie es Fig. 3 zeigt.
Der Dämpfungswiderstand Rd hat einen solchen Widerstandswert, dass er den Resonanzstrom aufgrund der Ferroresonanz klein halten kann. Vorzugsweise soll te der Widerstandswert 1- bis 10-fach so gross sein wie der Ausdruck
EMI0002.0078
wobei C1 und C2 die Kapazitäten der Kondensatoren Cl und. C2 und w die Grundkreisfrequenz darstellen.
Dieser Widerstandsbe reich ist geeignet, um subharmonische Schwingungen der Ordnung 1/s und 1/5 zu unterdrücken. Auf den in Reihe geschalteten Dämpfungswiderstand Rd kann man auch verzichten, wenn die Drossel L8 so ausgelegt und konstruiert ist, dass ihre Wicklung den erforderli chen Dämpfungswiderstandswert besitzt.
Im Betrieb ist, solange der Spannungswandler nor mal arbeitet, die Impedanz der Sättigungsdrossel L, beträchtlich höher als die Erregerimpedanz des Hilfs- transformators Tr@ so dass das Vorhandensein der Drossel L8 nicht mit der normalen Betriebsweise des Spannungsgeräts kollidiert.
Wenn aber elektrische Stös- se auftreten, die normalerweise zur Erzeugung von sub harmonischn Schwingungen in dem Spannungsgerät füh ren, wird der Kern des Hilfstransformators so beein- flusst, dass er sich sättigen will.
Vor der Sättigung des Hilfstransformators jedoch tritt eine Sättigung der Sätti gungsdrossel auf und deren Impedanz wird beträcht lich kleiner als die Erregerimpedanz des Hilfstransfor- mators; demzufolge fliesst der subharmonische Reso nanzstrom nicht durch den Zweig mit der höheren Im pedanz des Hilfstransformators, sondern durch den Zweig mit der geringeren Impedanz der Sättigungsdros sel, wo er nur durch den Dämpfungswiderstand niedrig gehalten wird.
Auf diese Weise wird der Kern des Trans formators niemals gesättigt, und das Auftreten von Sub- harmonischen kann vollständig verhindert werden.
Für die Zwecke der Erfindung ist es erforderlich, dass die Reihenschaltung der Drossel L, und des Wi derstandes Rd so mit Bezug auf den Parallelkonden sator C2 angeordnet ist, dass der Transformator Tr überbrückt wird. Diese Forderung kann auch durch die Ausführungsformen der Figuren 4 und 5 erfüllt werden. In Fig. 4 ist die Reihenschaltung der Sättigungsdrossel L, und des Dämpfungswiderstandes Rd als über brückung des Parallelkondensators C2 gezeigt.
Der subharmonische Resonanzstrom tritt nicht durch den Hilfstransformator Tr, sondern durch diese Reihenschal tung, so dass er durch den Dämpfungswiderstand un terdrückt wird. In Fig. 5 ist die Reihenschaltung der Sättigungsdrossel L" und des Dämpfungswiderstandes Rd parallel zur Sekundärseite S des Hilfstransforma- tors Tr geschaltet.
Die Äquivalenzschaltung für diese Anordnung ist genau die gleiche, wie sie in Fig. 2 ge zeigt ist. Die Reihenschaltung liegt parallel zur Erreger impedanz des Hilfstransformators Tr, so dass Subhar- monische nicht durch die höhere Impedanz des Trans formators, sondern durch die geringere Impedanz der Reihenschaltung fliessen, wo sie durch den Dämpfungs- widerstand Rd unterdrückt werden.
Es ist ersichtlich, dass man da der Eisenkern des Hilfstransformators niemals in einen gesättigten Zustand gebracht wird, den Kern so auslegen kann, dass er eine maximale Flussdichte besitzt, die höher als sonst ist. Dies bedeutet, dass man den Spannungswandler kleiner und kompakter ausbilden kann, als es bisher üblich war. Es ist ferner zu ersehen, dass man mit Hilfe der Er findung all die Nachteile überwinden kann, die bei den bekannten Geräten auftraten.