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Gleichstromwandler Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromwandler
mit einer Primärwicklung, einem von dieser periodisch in einen vorbestimmten Magnetisierungszustand
gesteuerten weichmagnetischem Kern und mit einer gegebenenfalls aus mehreren Teilen
bestehenden, von einer Stromquelle wechselnder Polarität erregten Sekundärwicklung.
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Die durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufene Verzerrung des den
Primärstrom abbildenden Sekundärstromes solcher Gleichstromwandler ist nur dann
vernachlässigbar klein, wenn der weichmagnetische Kern nicht im Sättigungsgebiet
betrieben wird. Dieses ist bei einem Kern mit primärer Gleichstromdurchflutung und
von einer Wechselspannungsquelle ohne Gleichspannungsanteil erregter Sekundärwicklung
nicht zu erreichen. Ein solcher Kern wird von derjenigen Wechselspannungshalbwelle,
die eine mit der Gleichstromdurchflutung gleichsinnige Durchflutung erzeugt, bis
zur Sättigung magnetisiert, von der anderen Halbwelle bei geeigneter Auslegung dagegen
nicht. Der von ersterer Halbwelle hervorgerufene Magnetisierungsstrom ist mit dem
Primärstrom gleichsinnig und subtrahiert sich von dem diesen kompensierenden und
daher gegensinnigen und proportionalen Sekundärstrom, so daß der resultierende Sekundärstrom
bei Eintritt der Sättigung sein Vorzeichen umkehrt und zwei gegensinnige Stromhalbwellen
entstehen. Es ist bekannt, diese beiden Halbwellen durch Gleichrichter zu trennen
und nur den bei nicht gesättigtem Kern fließenden, demPrimärstrom annäherndproportionalen
Strom als Meßstrom zu verwenden. In der deutschen Patentschrift 907673 ist eine
dieses bezweckende Anordnung beschrieben, in der die während der Sättigung im Meßstrom
entstehenden Lücken durch eine Drossel teilweise beseitigt werden. Es ist auch bekannt,
die Stromumkehr in der Sekundärwicklung während der Sättigung durch einen Gleichrichter
zu unterbinden. Eine Anordnung von zwei vom gleichen Primärstrom durchfluteten Übertragern,
deren Sekundärwicklungen in Reihe mit einem Gleichrichter liegen und antiparallel
geschaltet sind, ist als Transduktorschaltung für die Gleichstromwandlung bekannt.
Die den primären Strom abbildenden sekundären Stromhalbwellen der beiden Wandlerkerne
fügen sich annähernd lückenlos, jedoch mit verschiedenen Vorzeichen, aneinander
und ergeben gleichgerichtet ein verhältnismäßig gutes Abbild des primären Gleichstromes.
In einer durch die deutsche Patentschrift 961557 bekannten Anordnung sind die Sekundärwicklungen
zweier vom gleichen Primärstrom durchfluteter Übertrager gegensinnig in Reihe geschaltet,
so daß beide Stromhalbwellen durch den jeweils nicht gesättigten Wandlerkern bestimmt
werden und folglich nach Gleichrichtung den Primärstrom abbilden.
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Allen bekannten Gleichstromwandlern mit vom Primärstrom durchfluteten
und über eine Sekundärwicklung von einer Wechselspannung erregten Kernen ist gemeinsam,
daß der Übertragerkern während einer gewissen Dauer im Sättigungsbereich betrieben
wird und dann in der Sekundärwicklung der Primärstrom nicht abgebildet werden kann.
Daher sind zu einer lückenlosen Abbildung des Primärstromes mindestens zwei Kerne
erforderlich, die gegensinnige und daher gleichzurichtende Stromhalbwellen liefern.
Infolge der Gleichrichtung ist die Verzerrung des abgebildeten Primärstromes durch
den Magnetisierungsstrom im arithmetischen Mittel nicht mehr annähernd Null, falls
die primäre Durchflutung geringer als diejenige des Magnetisierungsstromes ist.
Bei der primären Durchflutung Null fließt als sekundärer Strom der gleichgerichtete
Magnetisierungsstrom. Die Kennlinie der arithmetischen Mittelwerte von Sekundär-
und Primärstrom 12 = f (il) verläuft also im unteren Bereich nichtlinear
und nicht durch den Nullpunkt. Ein in der Primärwicklung induzierter Wechselstrom
wird auf die Sekundärwicklung übertragen und hat die gleiche Wirkung wie der Magnetisierungsstrom,
weshalb der Primärstromkreis verhältnismäßig hochohmig sein muß.
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Es wurden auch bereits Anordnungen zur Wandlung von Gleichstrom, insbesondere
von hohem Gleichstrom bekannt, bei denen ein vom Primärstrom durchfluteter Kern
nicht zeitweise im Sättigungsgebiet betrieben wird. Dieses wird durch eine sekundäre
Kompensation der Primärdurchflutung mittels einer regelbaren Gleichstromquelle erreicht.
Die zur Einregelung des Kompensationswertes erforderliche Fest-
Stellung
der resultierenden Durchflutung erfolgt durch eine Abtastwicklung. Derartige Anordnungen
können mit nur einem Kern ausgeführt werden, eignen sich dann jedoch nicht für die
bei laufenden Betriebsmessungen unumgängliche Selbstregelung der Kompensation, insbesondere
wenn eine höhere Genauigkeit gefordert ist oder der Primärstrom beide Richtungen
annehmen kann. In der Praxis haben sich daher Anordnungen mit selbstregelnder Kompensation
hauptsächlich in einer Magnetverstärkerschaltung mit zwei Kernen für die Wandlung
eines Primärstromes ohne Vorzeichenumkehr bzw. mit vier Kernen für die Wandlung
eines Primärstromes mit Vorzeichenumkehr eingeführt. Nachteilig ist, daß die Regelung
der Kompensation verzögert arbeitet und daher zur Wandlung eines Gleichstromes mit
überlagertem Wechselstrom ein zusätzlicher als Wechselstromwandler wirkender Übertrager
benötigt wird, wie dies an anderer Stelle bereits vorgeschlagen worden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom durch
nur einen von diesem durchfluteten Kern betragsrichtig, vorzeichenrichtig und unverzögert
abzubilden, sowie einen genauen Nullpunkt und eine gute Linearität der Kennlinie
i2 = f (i,) auch in der Nähe des Nullpunktes zu erreichen. Sie löst diese
Aufgabe dadurch, daß - ausgehend von einem Gleichstromwandler der eingangs bezogenen
Art - die Stromquelle bezüglich ihrer Polarität umsteuerbar eingerichtet ist, und
hierzu in Steuerverbindung mit einer den Magnetisierungszustand des Kernes erfassenden
Vorrichtung steht, und daß als Kriterium für die Umsteuerung der Polarität der Stromquelle
die Erreichung des vorbestimmten Magnetisierungszustandes des Kernes dient. In einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung dient als Stromquelle ein an sich bekannter
Kippgenerator, so daß die Umkehr der Polarität augenblicklich, also unverzögert
durch Auslösung einer Kippung herbeigeführt wird.
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Aus diese Weise ist durch den Erfindungsgedanken verhindert, daß der
Wandlerkern, außer gegebenenfalls während einer vernachlässigbar kurzen Zeit, im
Zustand der Sättigung betrieben wird, weshalb der Sekundärstrom den Primärstrom
praktisch lückenlos abbildet. Der Magnetisierungsstrom ist beim Primärstrom Null
im arithmetischen Mittel genau und sonst annähernd gleich Null, weshalb die Kennlinie
4 = f (i,) genau durch den Nullpunkt geht und eine gute Linearität auch in
der Nähe desselben besitzt. Ein in der Primärwicklung induzierter Wechselstrom beeinflußt
die Kennlinie nicht, da er im Sekundärstromkreis infolge fehlender Gleichrichtung
immer ebenfalls als Wechselstrom fließt.
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An Hand von Fig. 1 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert:
Ein weichmagnetischer Kern 1 trägt eine vom Primärstrom i, durchflossene Primärwicklung
2, eine in Reihe mit einer Meßanordnung 3, einem Kippgenerator 4, und einem
Widerstand 5
liegende Sekundärwicklung 6 und eine an einen Steuerteil 7 angeschlossene
Steuerwicklung B. Die Meßanordnung 3 kann z. B. aus einem den arithmetischen Mittelwert
anzeigenden Strommesser, oder einer Steuer-oder Regeleinrichtung bestehen. Der Widerstand
5 symbolisiert die Summe der Widerstände von Generator 4, Meßanordnung 3 und Sekundärwicklung
6, ein Widerstand 9 die Summe der Widerstände von Steuerteil 7 und Steuerwicklung
B. Die durch den Kippgenerator in der Steuerwicklung induzierte EMK zcs steuert
über den Steuerteil den Kippgenerator derart, daß er spätestens bei Beginn der Sättigung
gekippt wird, also sprunghaft die Polarität seiner Ausgangsspannung wechselt.
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Für die praktische Ausführung des erfindungsgemäßen Stromwandlers
kann zweckmäßig von einem an sich bekannten astabilen Multivibrator ausgegangen
werden.
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In einem Beispiel gemäß Fig. 2 ist ein solcher Multivibrator mit vier
Transistoren 10, 11, 12, 13 und zwei Steuerwicklungen 8a, 8b ausgeführt.
Die Polarität der Wicklungen ist an den durch Punkte gekennzeichneten Enden gleich.
Im Verlaufe einer Schwingungsperiode sind zunächst die Transistoren 10 und 13 und
anschließend die Transistoren 11 und 12 gleichzeitig ausgesteuert. Eine Kippung,
d. h. ein Polaritätswechsel an der Sekundärwicklung 6, findet jedesmal statt, wenn
infolge Sättigung des Kernes 1 die EMK der Steuerwicklungen so weit gesunken ist,
daß sie zur Aussteuerung der Transistoren nicht mehr ausreicht. Weil der Kern 1
in beiden Richtungen bis zur Sättigung magnetisiert wird, muß er zwecks Erreichung
einer hohen Wandlergenauigkeit wie bei bekannten Anordnungen zur Gleichstromwandlung
einen Kern mit rechteckförmiger Hystereseschleife besitzen.
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Die EMK u2 der Sekundärwicklung in Zuordnung zum Sekundärstrom i2
und der gesamten an Sekundärwicklung und Meßanordnung liegenden Spannung u ist in
Fig. 3 dargestellt, wobei zur Vereinfachung eine wechselspannungsfreie Speisespannung
U und ein konstanter Primärstrom angenommen sind. Der Sekundärstrom 12 besteht aus
dem auf die Sekundärwicklung transformierten Primärstrom i,', den Steuerströmen
i.. und isb und dem Magnetisierungsstrom i, Es sind dargestellt: ü'=f(t) durch Kurve
I, il' + Zsa + tsb = f (t) durch Kurve II und i2 = il -I-
IM -I- isb -I- 11 = f (t) durch Kurve III.
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Die Ströme i" und isQ -f- isb bewirken eine geringfügige Verzerrung
der Abbildung des Primärstromes. Sie sind in Fig. 3 mit Ausnahme der Sättigungsspitzen
des Magnetisierungsstromes jedoch übertrieben groß dargestellt. Ihr arithmetischer
Mittelwert ist annähernd Null, weshalb sie nur einen geringen Meßfehler verursachen.
Durch einen veränderbaren Widerstand 9a (Fig. 2) kann dieser Mittelwert für den
Primärstrom Null genau auf Null abgeglichen werden. Die Kennlinie der Mittelwerte
von Sekundär- und Primärstrom i2 = f (i,) verläuft also durch den Nullpunkt
und ist auch in der Nähe desselben gut linear.
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Abgesehen von der geringfügigen Verzerrung durch den Magnetisierungsstrom
und die Steuerströme wird der Primärstrom durch den Sekundärstrom betragsrichtig,
vorzeichenrichtig und unverzögert abgebildet.
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Der von der Hilfsspannungsquelle U gelieferte Hilfsstrom
ih ergibt sich aus dem Sekundärstrom 4 gemäß Fig. 3, wenn man das Vorzeichen
von i2 während des Zeitintervalles t, bis t2 umkehrt. Der Hilfsstrom wechselt demnach
außer bei sehr kleinen Primärströmen seine Richtung und fließt entweder über die
Emitter-Kollektor-Strecke des gerade ausgesteuerten Transistoren oder über die hierzu
parallel geschalteten Dioden 14 bis 17.
Falls der Primärstrom nur
positive Werte annimmt, können die Dioden 14 und 17 entfallen, da sie während der
gesamten Schwingungsperiode keinen Strom führen. Wird der Wandler immer mit mindestens
einem Primärstrom betrieben, der einen Nulldurchgang des Sekundärstromes gemäß Fig.3
außer während der negativen Sättigungsspitze verhindert, könnten auch die Transistoren
11 und 12 entfallen, weil der Strom über die Paralleldioden 15 und 16 fließt. Beim
Fehlen dieser Transistoren wird jedoch die vorstehende Sättigungsspitze, welche
für eine schnelle Kippung im Augenblick des Eintretens der Sättigung erforderlich
ist, unter der Nullinie abgeschnitten. Dadurch wird die Kippung verzögert und folglich
die verkürzte Sättigungsspitze wesentlich breiter, wodurch ein zusätzlicher Wandlungsfehler
entsteht. Ein Schutzwiderstand 18 verhindert bei einem primären Kurzschlußstrom
unzulässig hohe Kollektorströme der Transistoren.
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Der gleichgerichtete Hilfsstrom ih ist identisch mit dem Sekundärstrom
i2 gemäß Fig. 3, solange letzterer keinen Nulldurchgang aufweist. Derjenige infolge
der negativen Sättigungsspitze des Magnetisierungsstromes ist dabei vernachlässigt.
Eine Meßanordnung kann also auch vom gleichgerichteten Hilfsstrom betrieben werden,
wobei hinsichtlich der Kennlinie i2 = f(il) die gleichen Verhältnisse wie
bei der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 961557 vorliegen.
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Der Multivibrator gemäß Fig. 2 kann gemäß Fig. 4 abgeändert werden.
Die Sekundärwicklung ist hier in zwei gleiche Wicklungen 6a und 6b aufgeteilt. Die
Meßanordnung 3 besitzt drei Anschlüsse und erfaßt die Summe der Ströme 12a und i2b.
Sie kann gemäß Fig. 5 z. B. aus zwei gleichen Widerständen 19 und einem Meßinstrument
20 bestehen. In diesem Fall erübrigt sich der Schutzwiderstand 18 (Fig. 4), falls
die Widerstände 19 so bemessen sind, daß ein unzulässig hoher Kollektorstrom nicht
fließen kann.
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Ein sicheres Anschwingen des Multivibrators gemäß Fig. 2 und 4 kann
mit den für solche Schaltungen üblichen Mitteln erreicht werden. Ein solches Mittel
ist z. B. die Verbindung der Basis der p-n-p- bzw. n-p-n-Transistoren über hochohmige
Widerstände 9a, 9b, 9c bzw. 9d mit dem negativen bzw. positiven Pol der Hilfsspannung
U.
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Eine Möglichkeit zur weiteren Ausgestaltung der Schaltungen gemäß
Fig. 2 und 4 besteht in der Verwendung eines Steuerübertragers, der an Stelle des
Übertragers 1 die der Aussteuerung der Transistoren dienenden Steuerwicklungen trägt.
In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind der Übertrager 1 und ein Steuerübertrager
21 über ihre Wicklungen 8 und 22 miteinander gekoppelt. Die übrigen Wicklungen der
Übertrager sind nicht eingezeichnet. Ein Widerstand 23 symbolisiert die Summe der
Widerstände beider Wicklungen.
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Die Verwendung eines Steuerübertragers gestattet einen derartigen
Betrieb des Übertragers 1, daß dieser nicht oder nur wenig gesättigt wird. Zu diesem
Zweck ist der Steuerübertrager, der dann zweckmäßigerweise einen Kern mit rechteckförmiger
Hystereseschleife besitzt, so zu dimensionieren, daß er schneller als der Übertrager
1 gesättigt wird. Letzterer kann dann einen Kern ohne rechteckförmige Hystereseschleife
besitzen, weshalb die Verwendung eines billigeren Kernmaterials möglich ist.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in der Anwendbarkeit für die betragsrichtige,
vorzeichenrichtige und unverzögerte Abbildung des Primärstromes, in der Möglichkeit
der Stromwandlung mit nur einem Übertrager und in der guten Linearität der Kennlinie
der arithmetischen Mittelwerte von Sekundär- und Primärstrom i2 = f (il)
insbesondere auch im Nullpunkt. In manchen Fällen ist es auch von Vorteil, daß der
erfindungsgemäße Stromwandler zum Betrieb nur eine nicht stabilisierte Gleichspannungsquelle
U (Fig.2 und 4) an Stelle einer Wechselspannungsquelle benötigt, wie sie die Wandler
nach den obengenannten Patentschriften aufweisen.