CH620788A5 - Konstantstrom-transformator fuer gasentladungsroehren - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE mierung der magnetischen Verhältnisse zu entnehmen.

1. Konstantstrom-Transformator für Gasentladungsröhren Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, mit Reihenresonanzkondensator im sekundären Belastungs- einen Konstantstrom-Transformator der eingangs erläuterten stromkreis und mit Eisenkern aus kornorientierten Magnet- Art dahingehend auszubilden, dass beim Betrieb von Gasentla-blechmaterial mit galvanisch getrennter Primär- und Sekun- 5 dungsröhren bzw. Gasentladungslampen die Leistungsdichte därwicklung sowie mit Streujochen, wobei die aktiven Eisen- vergrössert wird, wobei die Verluste, insbesondere zur Erhö-und Kupferwicklungsteile in einem vorwiegend der Verlust- hung der Lebensdauer, gering gehalten werden sollen, wärmeabfuhr dienenden, aus Metallwerkstoff bestehenden Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, •Becher voll elektrisch isoliert, jedoch dicht am Becher anlie- dass im Hauptmagnetkreis, der eine mittlere Eisenweglänge lm gend eingebracht sind und wobei ferner der fertig montierte io aufweist, eintiurchgehender nichtmagnetischer Spalt mit einer Transformator unter Verwendung eines Epoxid-Giessharzes solchen Gesamtlänge 8 angeordnet ist, dass Ö/lm grösser als imprägniert und vergossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass 0,002 ist, wodurch sich bei Nenn-Netzspannung an der Primär-im Hauptmagnetkreis, der eine mittlere Eisenweglänge lm auf- wicklung eine maximal magnetische Induktion Bmax von minde-weist, ein durchgehender nichtmagnetischer Spalt (5) mit einer stens 1,7 Tesla eingestellt, dass die nichtmagnetischen Zwi-solchen Gesamtlänge ô angeordnet ist, dass 8/lm grösser als 15 schenlagen in den Spalten durch die Imprägnierung fixiert sind 0,002 ist, wodurch sich bei Nenn-Netzspannung an der Primär- und dass die Oberfläche des Bechers mindestens 40% grösser wicklung (2) eine maximale magnetische Induktion Bmax von ist als die Oberfläche der Transformatorteile.

mindestens 1,7 Tesla einstellt, dass die nichtmagnetischen Zwi- Durch die Erfindung wird erreicht, dass der erforderliche schenlagen in den Spalten (5) durch die Imprägnierung fixiert lineare Zusammenhang zwischen der magnetischen Induktion sind und dass die Oberfläche des Bechers (7) mindestens 40% 20 B und der Feldstärke H durch ausreichend grosse eisenfreie grösser ist als die Oberfläche der Transformatorteile (1,2,3,4). Spalte bis Bmax = 2 Tesla erzwungen wird, ohne dass die Typen-

2. Konstantstrom-T ransformator nach Anspruch 1, dadurch Ieistung des gewählten Schnittbandkernes reduziert wird, gekennzeichnet, dass ein magnetisches Streufeld zwischen Pri- Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es mär- (2) und Sekundärwicklung (3) durch stirnseitig auf den vorteilhaft, dass ein magnetisches Streufeld zwischen Primär-Schnittbandkern (1) aufgelegte Magnetblechpakete (4) aus vor- 25 und Sekundärwicklung durch stirnseitig auf den Schnittband-zugsweise kornorientierte Material erzeugt wird, dass der kern aufgelegte Magnetblechpakete aus vorzugsweise korngesamte effektive Eisenquerschnitt beider Streujoche (4) orientierten Material erzeugt wird, dass der gesamte effektive zusammen grösser als etwa 30% des effektiven Eisenquer- Eisenquerschnitt beider Streufeldjoche zusammen grösser als schnittes des Hauptmagnetkreises ist, und dass die in den Streu- etwa 30% des effektiven Eisenquerschnittes des Hauptmagnetjochen (4) herrschende magnetische Induktion durch nicht- jo kreises ist, und dass die in den Streujochen herrschende magne-magnetischen Zwischenlagen (6) zwischen Streujochen (4) und tische Induktion durch nichtmagnetische Zwischenlagen zwi-den Stirnseiten des Schnittbandkernes ( 1 ) auf Bmax zwischen 1,3 sehen den Streujochen und den Stirnseiten des Schnittband-und 1,4 Tesla eingestellt ist. kerns auf Bmax zwischen 1,3 und 1,4 Tesla eingestellt ist.

3. Konstantstrom-Transformator nach Anspruch 1 und 2 Durch die Anwendung einer Hochdruck-Imprägnier-dadurch gekennzeichnet, dass der Reihenresonanzkondensator 35 schleudertechnik mit Epoxid-Harz wird erreicht, dass durch (8) im freien Raum des Bechers (7) untergebracht und zusam- das Epoxid-Harz die Auswirkungen der sehr hohen magneto-men mit den Transformatorteilen (1,2,3,4) feuchtigkeitsdicht striktiven Kräfte, die an den Schnittbandkern-Hälften bei dem eingeschlossen ist. grossen Wert von Bmax und durch die Spalte bedingt auftreten,

gedämpft werden. Bei dem erfindungsgemäss ausgebildeten 40 Konstantstrom-Transformator bleibt zwischen Primär- und Sekundärwicklung noch genügend Raum, um zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Streufeldes auf beiden Seiten des Schnittbandkernes je ein lamelliertes Streujoch aufzulegen, Die Erfindung betrifft einen Konstantstrom-Transformator vorzugsweise aus kornorientierten Magnetblechen, für Gasentladungsröhren mit Reihenresonanzkondensator im « Die bei einem erfindungsgemäss aufgebauten Konstantsekundären Belastungsstromkreis und mit Eisenkern aus korn- strom-Transformator erreichbare Leistungsdichte von minde-orientierten Magnetblechmaterial mit galvanisch getrennter Pri- stens 110 VA/10N aktiven Eisen-und Kupfermaterial bei ca. mär- und Sekundärwicklung sowie mit Streujochen, wobei die 90 VA Typennennleistung ermöglicht ungewöhnlich kleine Einaktiven Eisen- und Kupferwicklungsteile in einem vorwiegend baumasse, die den praktischen Einsatz sowie seine Fertigmon-der Verlustwärmeabfuhr dienenden, aus Metallwerkstoff beste- » tage bei der Herstellung von Beleuchtungsanlagen stark henden Becher voll elektrisch isoliert, jedoch dicht am Becher erleichtern.

anliegend eingebracht sind und wobei ferner der fertig mon- Durch die Anordnung in einem aus Metailwerkstoff, wie tierte Transformator unter Verwendung eines Epoxid-Giess- Aluminium oder dergleichen bestehenden Becher wird harzes imprägniert und vergossen ist. erreicht, dass die Abführung der Verlustwärme des relativ klei-

Ein derartiger Konstantstrom-Transformator ist aus dem 55 nen Transformators sichergestellt wird, obwohl die Oberfläche DE-GM 7 048 179 bekannt. des Transformators bezogen auf seine Nennleistung spezifisch

Aus der GB-PS 1 015 044 ist ein Streufeld-Transformator klein ist. Dadurch, dass die aktiven Eisen- und Kupferwicklungs-bekannt, bei dem nicht durchgehende, sondern überlappende aussenflächen unter Einhaltung üblicher Isolationsvorschriften Schlitze vorgesehen sind sowie gestanzte Bleche, jedoch kein mit den Metallflächen des Aluminiumbechers in guten Wärme-Schnittbandkern. Bei einem derartigen Transformator sind die t-,o kontakt gebracht sind, wird die Dauer-Betriebstemperatur bekannten Vorteile kornorientierter Bleche nicht voll ausnütz- unterhalb der zulässigen Grenze gehalten (maximale Übertem-bar. Nach dieser GB-PS 1 015 044 ist der Schnitt der gestanzten peratur 75°). Die maximale Übertemperatur At der Transfor-Bleche derart gewählt, dass kein Abfall entsteht. Die Überlap- matorwicklungen kann hierdurch bei Nenndauerlast auf unge-pung dient zur Einstellung des Luftspaltes. fähr 45 °C gehalten werden. Der durch technische Vorschriften

Bei einem Streufeldtransformator nach US-PS 3 128 443 ist- b5 festgelegte Grenzwert für die maximale Wicklungsübertempe-zwar ein Schnittbandkern verwendet, jedoch kein durchgehen- ratur beträgt 75 °C bei Lackdraht Klasse F.

der Luftspalt. Für die Streufelderzeugnis wird ein Joch vorgese- Nach noch weiterer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn hen, jedoch ist der US-PS 3 128 443 kein Hinweis auf die Opti- der Reihenresonanzkondensator im freien Raum des Bechers

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untergebracht und zusammen mit den Transformatorteilen feuchtigkeitsdicht eingeschlossen ist. Auf diese Weise ergibt sich auch für das Gesamtgerät einschliesslich des Reihenresonanz-Kondensators und einschliesslich der Imprägnierungs- und Vergussmasse eine Leistungsdichte von ca. 70 VA/kp bei einem Gerät mit ca. 90 VA Dauerleistung, d.h. für 90 VA ein Gewicht von ca. 1,3 kp.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt: i

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Konstant-Transformators in Schrägansicht,

Fig. 2 einen vollständig montierten Transformator mit Resonanzkapazität,

Fig. 3 ein Kennlinienfeld, i

Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles,

Fig. 5 eine Kennlinie zur Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Sparschaltung,

Fig. 7 eine Kennlinie zu Fig. 6,

Fig. 8 eine weitere Sparschaltung, und Fig. 9 eine Kennlinie zur Schaltung nach Fig. 8.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemässer Konstantstrom-Transformator für 90 VA, mit ca. 90 mA Vollaststrom und 990 V Leerlaufspannung dargestellt. Dabei ist ein Schnittbandkern 1 aus zwei Schleifen des Typs SU 39b aufgebaut,

wobei das Gewicht 2 • 0,254 = 0,508 kp, der effektive Eisenquerschnitt qFe = 4,48 cm2, die mittlere Eisenweglänge lFe = 14,8 cm beträgt. Die Wicklungen 2 und 3 bestehen aus Kupferlackdraht Klasse F oder H, und zwar die Primärwicklung 2 aus einem Draht mit einem Durchmesser di = 0,38 mm mit einem Kupfer-

+ Pv2 + PvFe und

-S" ' °

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20

25

Pv = Pv.

Pvi = Ji2-Ri = 0,462,25,5 = 5,4 W.

Pv2 = Ja2 - Rz = 0,0902- 720 0 5,9 W PvFe«* 1 W; somit ist

Pv = 12,3'Wund P, = 102,3 W~UN-J, = 220-0,465.

Bei Vollast ist der cos 1 (Resonanz mit der Kapazität 8). Somit ist der Wirkungsgrad des Transformators bei Vollast

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■'7 Max = Vis' i 2

Für den Schnittbandkern wird ein Matrial verwendet mit einem maximalen Verlust von 2,2 /kp bei einer Induktion Bmax = 1.7 Tesla. Zwischen Primär- und Sekundärwicklung 2 und 3 ist, zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Streufeldes auf beiden Seiten des Schnittbandkernes 1 je ein lamelliertes Streujoch 4 aufgelegt. Ein Spalt 6 zwischen Streujoch 4 und Stirnseiten des Schnittbandkernes 1 ist zwischen 0,5 und 1,5 mm insgesamt gewählt. Transformatorwicklungen und Kerne mit Jochen sind in einem Aluminiumbecher 7 eingeschoben, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Die Aussenabmessungen des Aluminiumbechers 7 betrugen bei einem Ausführungsbeispiel 45 x 70 x 125 mm. Der Innenraum im Aluminiumbecher 7, der bei dieser Dimensionierung der Bechergrösse vorwiegend für Wärmeabfuhrzwecke verfügbar ist, reicht aus, um den Kondensator 8, mit dem durch Nennstrom und Spannung bedingten Volumen mit aufzunehmen.

Eine ausgeführte Schaltung in Verbindung mit Leuchtstoffröhren 10 ist in Fig. 4 dargestellt. Primär- und Sekundärwicklung 2 und 3 des in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten erfindungsgemässen Transformators sind galvanisch getrennt querschnitt qcui = 0,1135 mm2, mit einer mittleren Windungslänge und gegeneinander, sowie gegen den Schnittbandkern 1 und

1) = 14,8 cm und einer Windungszahl W] = 1230. Der ohmsche Widerstand Rj ist dann gleich 26,5 Ohm. Für die Sekundärwicklung 3 ist ein Draht mit einem Drahtdurchmesser d2 = 0,16 mm verwendet, wobei der Kupferquerschnitt qCu2= 0,0201 mm2 beträgt, die mittlere Windungslänge 12 = Ii 0 14,8 cm und die Windungszahl W2 = 6300. Bei der Sekundärwicklung beträgt der ohmsche Widerstand R2 760 Ohm. Die vorgesehene Reihenresonanzkapazität C ist zu 0,21 bis 0,23 |iF gewählt. Die Betriebsspannung Uc = 1100 Veff. Die elektromagnetischen Eigenschaften des erfindungsgemässen Transformators sind dabei folgende:

Für den Effektiv wert der Wechselspannung von Transfór-matorwicklungen gilt die bekannte Transformatoren-Formel

Ueff = 4,44 • fr • w • ®„

10"8V

mit fr = Netzfrequenz = 50 Hz, w = Windungszahl, magnetischer Fluss d> = qFe • Bmax; Bmax = Maximalwert der Induktion. Bei Anlegen der Netzspannung Uuetf = 220 V an die Primärwicklung 2 tritt im Eisenkern 1 eine Induktion Bmax = 1,8 Tesla auf. Die dazu nötige Erregung beträgt nach Fig. 3, Kurve 1, ca. 28,0 Ampere-Windungen pro cm (AW/cm = H). Für lFe = 14,8 cm ist der Leerlaufstrom Ii0 = 0,335 A.

das Aluminiumgehäuse 7 vorschriftsgemäss voll isoliert. Die Leuchtstoffröhren 10 sind im sekundären Belastungskreis des Transformators angeordnet. Die J2 Toleranz zwischen Vollast und Kurzschluss beträgt ca. ± 5 %. Die maximal nutzbare Betriebsspannung U2B mit Nennkonstantstrom J2 beträgt normalerweise etwa 0,8 U20. Wegen der Stromkonstanz ist eine Parallelschaltung von Geräten auf der Sekundärseite zwecks Vervielfachung des Sekundärstromes möglich, ebenso eine Reihenschaltung zur Vervielfachung der Sekundärspannung. Dadurch kann mit Hilfe eines einzigen Gerätetyps ein Baukastensystem für beliebige Anwendungsfälle aufgebaut werden.

Eine weitere Sparschaltung ist in Fig. 6 dargestellt, wobei die Kennlinie U2 (J2) in Fig. 7 gezeigt ist. Bei dieser Schaltung sind, ohne Änderungen des inneren Aufbaus des Transformators, der Konstantstrom J2 und die Nennleistung um ca. 20 % höher. Die maximale Übertemperatur der Wicklungen steigt dabei um ca. 10 °C auf ca. A t 55 °C. Diese Sparschaltung verbessert auch die Zündsicherheit der Leuchtstoffröhren, vor allem bei Kälte.

Ein Maximum der Leistungsdichte VA/kp wird mit dem gleichen aktiven Eisen- und Kupferaufwand des beispielsweise beschriebenen Konstantstrom-Transformators erzielt, wenn die Sekundärwicklung 3 mit der gleichen Windungszahl und

Der nach der Erfindung zu erzielende praktisch lineare Ver- 55 der gleichen Cu-Drahtstärke ausgeführt wird (w2 = W) = 1230

lauf von Bmax (Hmax) ist mit dem Messergebnis gemäss Tabelle 1 und mit der Kurve 2, Figur 3, nachgewiesen. Kurve 1 gilt für einen Ringkern aus gleichem kornorientiertem Material,

jedoch ohne den Spalt 5 (Fig. 1). Der Spalt 5 im erfindungsgemäss zusammengesetzten Schnittbandkern SU 39b beträgt ca. 2 x 0,25 mm = 0,5 mm. Er wird hergestellt und justiert durch eine nichtmagnetische, elektrisch nichtleitende Zwischenlage, z.B. aus Pressspan. Dabei ergibt sich der geforderte Zusammenhang Bmax (Hmax) nach Kurve 2, Fig. 3.

Der Primärstrom Jj bei Vollast J2 = 0,090 A, U2 = 990 V, (Verbraucherleistung P2«90 VA) wurde mit 0,46 A gemessen. Die Leistungsaufnahme aus dem Netz ist dann Pi = P2 + Pv. Dabei ist Pv die Summe aus Kupfer- und Eisenverlusten. Es ist

Windungen, d2 = di = 0,38 mm) und in Sparschaltung nach Fig. 8 betrieben wird. Als Leerlaufspannung auf der Sekundärseite ergibt sich dann Ui + U2 420 V und mit einer Reihenresonanzkapazität 8 von 3 bis 4 n.F ein Konstantstrom von ca. 0,4 bis bo 0,5 A. Nach der zugehörigen Kennlinie Uj + U2 = f(J2) gemäss Fig. 9, können Gasentladungsröhrensysteme (Leuchtstofflam-pem) mit einem Brennspannungsbedarf zwischen ca. 350 und 300 V betrieben werden, entsprechend einer Leistungsabgabe P2 0,43 • 350 = 0,50 • 300~ 150 VA. Es können somit beispiels-r.5 weise drei Leuchtstofflampen in Reihenschaltung, mit Standard* Abmessungen (Länge 1,2 m, Rohrdurchmesser D = 37 mm), oder zwei Leuchtstofflampen in Reihenschaltung mit Standard-Abmessungen (Länge 1,8 mm, Rohrdurchmesser

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D = 37 mm) stromstabil brennen, wie aus Fig. 9 ersichtlich. Die Zündung erfolgt durch einen Spannungsinduktionsstoss, der durch eine Streu-Magnetflussänderung im Transformator beim Öffnen eines Kurzschluss-Ruhe-Kontaktes 11 nach Fig. 8 parallel zur Röhre entsteht. Die Kontaktöffnung kann in an sich bekannter Weise elektromechanisch (mit einem Relais), mit einem Glimmzünder oder elektronisch mit einem Thyristor erfolgen, vorzugsweise im Maximum der Stromhalbwellen. Die Übertemperatur der Transformatorwicklungen erreicht bei dieser Betriebsart Werte von AW2 °C, die somit dem Grenzwert At = 75 °C nahekommen.

Die Resonanzkapazität C von 3 bis 4 jj.F wird in diesem Fall-zweckmässig ausserhalb des Aluminiumbechers 7 angeordnet.

Tabelle 1

Uio(V) 100 140 180 200 220 230 240 250

"J,o(Äj ÖT25 (TÎ95 0265 0300 0335 0.352 0.370 0.390

Bmax(G) 6700 10420 14150 16100 18 000 18 900 20000 21000

Hmax(AW)/cm 10.4 16.2 22.0 25.0 28.0 29.4 31.0 32.6

G

2 Blatt Zeichnungen