Kapazitiver Spannungswandler mit einem kapazitiven Teiler und einem induktiven
Zwischenwandler
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Spannungswandler mit einem kapazitiven Teiler und einem induktiven Zwischenwandler, dessen Primärwicklung über eine Resonanzdrosselspule an dem niederspannungsseitigen Teilerkondensator angeschlossen ist.
Kapazitive Spannungswandler bestehen bekanntlich, wie das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild zeigt, aus einem kapazitiven Teiler Cz, C2 und einem induktiven Zwischenwandler Zw, dessen Primärwicklung über eine Resonanzdrosselspule Dr an den niederspannungsseitigen Teilerkondensator C2 angeschlossen ist. An der Sekundärwicklung des Zwischenwandlers liegt die Bürde B. Für die Resonanzdrosselspule gilt im Nennbetrieb bei Resonanzabstimmung
1 #L = #(C1+C2) Wird der Zwischenwandler Zw belastet, nämlich durch die Bürde B, so steigt die Spannung am Kondensator C2 an. An der Drossel Dr tritt ein Spannungsabfall auf, der proportional mit der Last ansteigt, falls nicht durch geeignete Massnahmen dieser Spannungsanstieg begrenzt wird.
Der Spannungsanstieg an der Drossel Dr hat den erwähnten Anstieg der Spannung am Kondensator C2 zur Folge.
Da die Spannung U1 zwischen dem Hochspannungsanschluss des kapazitiven Spannungswandlers und Erde fest ist, kann eine Spannungserhöhung am Kondensator C2 nur in Verbindung mit einer Phasendrehung dieser Spannung U02 gegenüber der Spannung Ul stattfinden.
Aus einem Vergleich der Fig. 2a und 2b ist dies ohne weiteres ersichtlich; in der Fig. 2a ist das Vektorschaubild für einen Betriebszustand des kapazitiven Spannungswandlers nahe Leerlauf dargestellt, während Fig. 2b das Vektorschaubild der Spannungen für den Fall eines sekundären Kurzshlusses des Wandlers zeigt.
Die Phasendrehung der Spannung Uc2 tritt auch dann ein, wenn Massnahmen zur Verhinderung eines zu gro ssen Spannungsanstieges an der Drossel Dr bzw. an dem Kondensator C2 getroffen sind, z. B. dadurch, dass der Eisenkern der Drossel Dr in Sättigung geht. Der Vektor Uc2 kann im Dauerzustand des Kurzschlusses je nach der Wirkung der den Spannungsanstieg begrenzenden Massnahmen grösser, gleich gross oder sogar kleiner sein als im Leerlaufzustand.
Die starke Drehung der Phase der Spannung U02 kommt dadurch zustande, dass bei sekundärem Kurz- schluss des Wandlers - in diesem Fall gilt das in Fig. 3 gezeichnete Ersatzschaltbild - wL infolge Sättigung des Eisenkernes der Drossel Dr wesentlich kleiner als im Normalbetrieb wird. Der Querstrom des Teilers fliesst im Normalbetrieb (Leerlauf) hauptsächlich über den Teilerkondensator C2, im Kurzschlussfall (siehe Fig. 3) dagegen zu einem wesentlichen Anteil über die Drossel Dr. Das bedeutet, dass die Spannung am Kondensator C2 von ihrer ursprünglichen kapazitiven Phasenlage um theoretisch maximal 1800 ins Induktive gedreht wird.
In der Praxis ergibt sich eine Phasendrehung um etwa 1200, da die ohmschen Widerstände im Kreis die volle Phasendrehung verhindern.
Wird ein kapazitiver Spannungswandler sekundärseitig plötzlich kurzgeschlossen, so tritt die beschriebene Phasendrehung plötzlich auf. In dem dadurch bedingten Obergangszustand, der praktisch innerhalb einer Periode abgeschlossen ist, kann an dem Kondensator C2 eine Überspannung auftreten, die wesentlich höher ist als die während des Dauerzustandes des Kurzschlusses am Kondensator C2 liegende Spannung. Diese Überspannung ist jedoch durch die Dämpfung im Kurzschlusskreis begrenzt; dämpfend wirken hier alle ohmschen Widerstände im Kurzschlusskreis, d. h. der ohmsche Widerstand der Drossel Dr, der ohmsche Widerstand der Primärwicklung des Zwischenwandlers Zw und der transformatorisch auf die Primärseite des Zwischenwandlers übersetzte ohmsche Widerstand seiner Sekundärseite.
Wesentlich kritischer ist jedoch der Phasensprung, der dann auftritt, wenn der Kurzschluss plötzlich weggeschaltet (aufgehoben) wird; denn dann tritt nach dem Phasensprung Leerlauf auf. Der Phasensprung nach Aufreissen des Kurzschlusses ist aus zwei Gründen gefährlich:
Erfolgt die Auftrennung des Kurzschlusses im Stromnulldurchgang, so ist der Kondensator C2 auf den Scheitelwert der Spannung aufgeladen. Springt dann plötzlich die Phase des Ladestromes um (theoretisch)
1800, wird der Kondensator nicht (wie sonst bei Wechselspannung) auf die Spannung Null entladen und in der nächsten Halbwelle in umgekehrter Polarität aufgeladen, sondern er wird trotz Nulldurchganges der Spannung U1, in der gleichen Richtung weitergeladen.
Da die Spannung Uc,, wie Fig. 2b zeigt, grösser als die Spannung U1 ist und auch aus der Drossel Dr Energie nachgeliefert wird, kann die Spannung am Kondensator C2 bei diesem Phasen sprung so erheblich ansteigen, dass die Gefahr einer Beschädigung oder gar Zerstörung des Wandlers besteht.
Ferner kann bei dem Auftreten so hoher Spannungen der Zwischenwandler Zw in Sättigung kommen und hierdurch am Kondensator C2 erneut ein Phasen sprung - jetzt wieder ins Induktive - angeregt werden, so dass stabile Unterschwingungen entstehen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem kapazitiven Spannungswandler mit einem kapazitiven Teiler und einem induktiven Zwischenwandler, dessen Primärwicklung über eine Resonanzdrosselspule an den niederspannungsseitigen Teilerkondensator angeschlossen ist, den vorstehend geschilderten Phasensprung der Spannung am niederspannungsseitigen Teilerkondensator mit seinen gefährlichen Folgen zu verhindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in den die Resonanzdrosselspule oder einen Teil von ihr und den Zwischenwandler enthaltenden Stromkreis beim Ansteigen der an der Resonanzdrosselspule bzw. an dem betreffenden Teil von ihr auftretenden.
Spannung über einen bestimmten Wert ein Kondensator eingekoppelt wird, der so bemessen ist, dass er die bei Sättigung der Drosselspule verbleibende Induktivität kompensiert und die Phasenlage des Stromes in dem die Drosselspule enthaltenden Stromkreis ins Kapazitive dreht. Durch das Zuschalten des Kondensators wird also die Phasenlage des Stromes in dem die Drosselspule und den Zwischenwandler enthaltenden Kreis von ihrer durch die Induktivitäten und ohmschen Innenwiderstände bestimmten Lage ins Kapazitive gedreht, bezogen auf die Phasenlage, die sich ohne Zuschaltung des Kondensators ergeben würde. Gleichzeitig wird auch der Innenwiderstand der Anordnung erhöht und somit der Kurzschlussstrom begrenzt.
Die Zuschaltung des Kondensators kann durch-an sich bekannte Mittel erfolgen, die beim Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes an der Resonanzdrosselspule bzw. an einem Teil von ihr ansprechen.
Besonders einfach ist es, wenn als Schaltmittel für das Zuschalten des Kondensators eine Sättigungsdrossel vorgesehen ist, die in Reihe mit dem Kondensator der Resonanzdrosselspule bzw. dem betreffenden Teil von ihr parallel geschaltet ist und beim Ansteigen der Spannung an der Drosselspule bzw. dem betreffenden Teil von ihr über einen bestimmten Wert steil in Sättigung geht.
Ein Ausführungsbeispiel für einen kapazitiven Spannungswandler gemäss der Erfindung ist in Form eines Prinzipschaltbildes in Fig. 4 dargestellt. Wie in Fig. 1 sind auch hier wieder der kapazitive Teiler mit Ci, C, der induktive Zwischenwandler mit Zw, die Resonanzdrosselspule mit Dr und die Bürde mit B bezeichnet.
Parallel zu einem Teil der Drosselspule Dr, deren Ei'sehr kern in bekannter Weise mit einem Luftspalt versehen sein kann, liegt nun in Reihe mit einer Sättigungsdrossel SD ein Kondensator K. Wird der kapazitive Spannungswandler auf seiner Sekundärseite kurzgeschlossen, so steigt die Spannung an der Drosselspule Dr derart an, dass bei einem bestimmten Wert dieser Spannung die Sättigungsdrossel SD steil in Sättigung -geht. Dadurch wird der Kapazitätswert des Kondensators K transformatorisch in den die Resonanzdrossel Dr und den Zwischenwandler Zw enthaltenden. Kreis eingekoppelt.
Wie schon beschrieben, wird auf diese Weise der Phasensprung der Spannung am Teilerkondensator C2 und damit die erwähnten gefährlichen Folgeerslcheinnllnlgen beim Aufreissen des Kurzschlusses verhindert.
Wohl ist es schon bekannt gewesen, parallel zu der Resonanzdrosselspule eines kapazitiven Spannungswandlers oder einem Teil von ihr eine .Sättigungsdrosselspule zu legen, die bei einem an der Resonanzdrosselspule auftretenden Überstrom in Sättigung gelangt (siehe deutsche Patentschrift Nr 1 026 421). Diese bekannte Massnahme dient lediglich dazu, unzulässig hohe Spannungen an der Resonanzdrosselspule und damit auch am niederspannungsseitigen Teilerkondensator während der Dauer eines Kurzschlusses des Messkreises zu verhindern. Der gefährliche Phasensprung der Spannung am niederspannungsseitigen Teilerkondensator lässt sich mit dieser bekannten Massnahme jedoch nicht verhindern.
Ferner ist es auch schon bekannt gewesen, parallel zu der Resonanzdrosselspule einen Kondensator und ausserdem eine aus einer Drosselspule und einem Kondensator bestehende Reihenschaltung zu legen (siehe deutsche Patentschriften Nrn. 913 322 und 914 655).
Durch die Parallelschaltung des Kondensators soll erreicht werden, dass die Spannungsverteilung im Messkreis bei allen Frequenzen und beim Auftreffen von Stoss- und Wanderweellen stets der betitiebskequenten Spannungsverteilung entspricht. Durch die Parallelschaltung des Kondensators in Reihe mit einer Drosselspule soll bei der bekannten Anordnung ein Saugkreis geschaffen werden, der auf die Resonanzfrequenz des Drosselkreises abgestimmt ist und für diese Frequenz einen Kurzschluss darstellt. Diese frequenzabhängige Vermeidung von Überspannungen an der Resonanzdrossel kann jedoch weder das Auftreten von Überspannungen an der Drossel als Folge von sekundären Kurzschlüssen noch den gefährlichen Phasensprung der Spannung am niederspannungsseitigen Teilerkondensator verhindern.