DE1176750B - Selbsttaetiger Spannungsregler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 02 j

Deutsche KL: 21 d2-42/01

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag:
Auslegetag:

E 16945 Vinb/21 d2
30. Dezember 1958
27. August 1964

Die Erfindung betrifft einen selbsttätigen Spannungsregler, der zwei geschlossene Magnetkreise mit einem gemeinsamen Teil aufweist, wobei jeder der beiden Magnetkreise eine eigene Transformatorwicklung besitzt, deren Primärwicklungen an einer Versorgungswechselspannung liegen und einen magnetischen Fluß im Sättigungsbereich in jedem eigenen Teil der beiden Magnetkreise erzeugen und einen im wesentlichen verschwindenden magnetischen Fluß in dem gemeinsamen Teil der beiden Magnetkreise bewirken.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spannungsregler zu schaffen, der einfach und unkompliziert aufgebaut ist, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und wenig Energie in seinen Bauelementen speichert. Dabei ist zu fordern, daß der Spannungsregler kurzzeitige Schwankungen oder Änderungen der Netzspannung nicht auf seine Ausgangsspannung überträgt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Hilfswicklung um den gemeinsamen Teil der Magnetkreise, die an derselben Versorgungswechselspannung wie die Primärwicklungen liegt, gewickelt ist und eine an sich bekannte, mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Drossel und ein ebenfalls an sich bekannter, parallel zu dem Verbraucher an dem Ausgang der Sekundärwicklung angeordneter Kondensator vorgesehen sind.

Hierdurch wird erreicht, daß im Versorgungsnetz auftretende Spannungsschwankungen mittels der Hilfswicklung ausgeglichen werden. Dabei wird der durch die Hilfswicklung erzeugte magnetische Fluß eine Sättigung in einem oder dem anderen der zwei magnetischen Kreise entsprechend den wechselnden Halbperioden des Wechselstroms erzeugen. In dem magnetischen Kreis, dessen Kern ungesättigt ist, wird der durch die Hilfswicklung erzeugte magnetische Fluß dem durch die Primärwicklung erzeugten magnetischen Fluß entgegengesetzt gerichtet sein. Die Wirkung des erhöhten Stromes in der Hilfswicklung besteht darin, daß die erhöhte Spannung verringert wird, die ohne die Hilfswicklung am Ausgang der Transformatorwicklungen auftreten würde. Durch die selektive Sättigung zuerst des einen und dann des anderen der zwei magnetischen Kreise wird eine wirksame Spannungsregelung mit sehr kleiner Zeitkonstante erreicht, ohne daß eine Gleichrichtung und andere komplizierte Schaltanordnungen, die meist zur Spannungsregelung dieser Art verwendet werden, nötig sind. 5"

Es ist eine Anordnung zur Entnahme konstanter Spannungen aus einem Wechselstromnetz mit Selbsttätiger Spannungsregler

Anmelder:

Engelhard Industries, Inc., Newark, N. J.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Gaußstr. 6

Als Erfinder benannt:

Lester F. Bird, Newark, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 7. Januar 1958 (707 495)

schwankender Spannung bekannt, wobei in einem Transformator mit starker Primärstreuung von der Netzspannung selbst eine sich mit ihr ändernde Spannung erzeugt und diese Spannung der Netzspannung unmittelbar entgegengesetzt geschaltet wird, so daß sie mit der Netzspannung zusammen eine konstante Spannung ergibt.

Für diese Anordnung wird ein Transformator mit drei Kernen verwendet, der jedoch anders geschaltet ist als die erfindungsgemäßen Magnetkreise. Ein Kernteil ist nicht geschlossen. Darüber hinaus existiert kein parallel zur Sekundärseite geschalteter Kondensator und keine eingangsseitig in Reihe geschaltete Drosselspule. Schließlich fehlt auch die Hilfsspule. Das Prinzip, nach welchem diese bekannte Anordnung arbeitet, ist von dem, das der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegt, völlig verschieden. Die Wirkung der bekannten Anordnung ist nicht dieselbe.

Bei einem ebenfalls bekannten, selbsttätigen Spannungsregler für Wechselstrom ist der sekundärseitigen Transformatorwicklung ein Kondensator parallel geschaltet. Ebenfalls ist eine mit der Primärseite des Transformators in Reihe geschaltete Drossel vorhanden. Es fehlen bei dieser bekannten Anordnung zwei magnetische Kreise, die einen gemeinsamen Teil bilden, um den eine an die Versorgungswechselspannung, an der auch die Pirmärseite des Transformators liegt, angeschlossene Hilfsspule gewickelt ist. Mit einer Anordnung dieser Art kann der erfindungsgemäß erzielte Effekt nicht erreicht werden.

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Schließlich ist eine Anordnung bekannt, deren rechten Achsen +B und — B aufgetragen und die

Stabilisationskreis aus Kondensator und gesättigter Feldstärke längs der waagerechten Achsen + H

Drosselspule besteht und in der ein Reihenresonanz- und —H.

kreis mit Luftspalt parallel geschaltet ist. Diese Pa- Da die Spannung aus einer auf einen solchen rallelschaltung der zwei genannten Kreise bewirkt, 5 Kern aufgewickelten Wicklung eng den Verändedaß diese bekannte Vorrichtung nach einem ganz rungen im Magnetfluß durch diesen folgt, kann ananderen Prinzip der Spannungsregulierung arbeitet. genommen werden, daß die Spannung der maxima-Die wichtigsten Kennzeichen, zwei geschlossene len senkrechten Höhe der Hystereseschleife äquimagnetische Kreise, die einen gemeinsamen Teil valent ist. Jeder Faktor, der hereingebracht wird mit einer Hilfsquelle besitzen und die für den ge- 10 und die Höhe der Schleife ändert, führt zur selbstmeinsamen und unkomplizierten Aufbau der erfin- tätigen Veränderung der entwickelten Spannung, dungsgemäßen Schaltanordnung bestimmend sind. Eine Veränderung in der Eisenmenge im Kern ist weist die bekannte Anordnung nicht auf. ein solcher Faktor, und durch die Wegnahme eines

An Hand der Figuren wird die Erfindung bei- Teils des Eisens wird der Bereich der möglichen

spielsweise erläutert. 15 Flußveränderung verringert, was der Wegnahme des

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer erfindungs- Bereichs C der Hystereseschleife entspricht,

gemäßen Schaltanordnung; Da bestimmte Grenzen für den Magnetfluß be-

F i g. 2 zeigt eine Hystereseschleife für den Eisen- stehen, der durch das Eisen hindurchgeführt werden

kern; kann, wird durch einen zusätzlichen Magnetfluß, der

F i g. 3 zeigt im Diagramm einerseits die Abhän- 20 durch eine fremde Quelle verursacht wird, die für gigkeit der Lastspannung U., von der Netzspannung die reguläre Spannungsquelle zur Verfügung ste- U_x und andererseits die Abhängigkeit des Stroms / hende Magnetflußveränderung verringert und damit durch die Hilfsspule von der Netzspannung U₁. die mögliche Spannung an der Wicklung herabin F i g. 1 ist ein Regler gezeigt, dessen Eingangs- gesetzt. Der zusätzliche Magnetfluß hat die gleiche leitungen 1 und 2 an einer Quelle mit fester Fre- 25 Wirkung wie die Verringerung der Menge des quenz und sich verändernder Spannung liegen. Diese Eisenkerns. Es ist daher möglich, die Spannung an Eingangsleitungen sind mit der Primärwicklung eines der Wicklung durch einen additiven oder substrakdreischenkligen Spartransformators 3 verbunden, tiven Magnetfluß von einer fremden Quelle zu wobei in der Leitung 1 eine Drosselspule 4 liegt. steuern.

Der Transformator 3 besitzt eine geteilte Primär- 30 Die auf dem erfindungsgemäßen Transformatorwicklung 5 und 5' und eine geteilte Sekundärwick- kern befindliche Hilfswicklung ist eine solche unablung 6 und 6'. Die zwei Primärwicklungen 5 und 5' hängige Quelle für den Magnetfluß zum Transformasind mit der Wechselstromquelle und der Drossel- torkern und kann daher die Spannung der Wicklung spule in Reihe geschaltet und so gespult, daß bei steuern. Durch Rückkoppeln dieser Hilfswicklung normaler Belastung in jedem der zwei äußeren 35 zur Speisespannung wird erreicht, daß die Spannun-Schenkel des Magnetkernes ein Fluß im Sättigungs- gen der Transformatorwicklungen bis zu einem gebereich erzeugt wird. Um den Mittelschenkel des wissen Grade den Schwankungen in den Speise-Kerns, d. h. um den gemeinsamen Teil der Magnet- spannungen unterworfen sind,
kreise, ist eine Hilfsspule 8 gewickelt, die an der- Fig. 1 zeigt einen Kreis mit einer Speisespanseiben Wechselstromversorgungsquelle wie die Pri- 4.0 nungsquelle, einer Reihenschlußdrosselspule, einem märwicklungen 5 und 5' liegt. Die Hilfsspule ist so Transformator, einem Kondensator und einer Leidimensioniert, daß der Fluß, der durch sie indu- stung verbrauchenden Belastung. Der Transformaziert wird, bei normaler Belastung eine Kompensa- tor ist von normaler Art mit Ausnahme der Form tion des Flusses, der durch die Primärwicklungen des Kerns. Wenn der Transformator in seinen in dem gemeinsamen Teil der magnetischen Kreise 45 Eigenschaften als ideal angenommen wird, kann der erzeugt wird, bewirkt. Kreis als eine mit einem Kondensator in Reihe ge-

Die Wicklungen des Transformators 3 sind auf schaltete Drosselspule betrachtet werden. Die Paraleinen geschlossenen magnetischen Kern 7 aus ge- lelschaltung des Spartransformators und des Konschichtetem, dünnem Stahlblech aufgebracht. Parallel densators wirkt wie ein Kondensator mit einem einzu einem Teil der geteilten Sekundärwicklung ist 50 gestellten Wert.

ein Kondensator 9 geschaltet. Für die Zwecke der Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird der Darstellung sind die Ausgangs- oder Leistungs- Blindwiderstand einer Induktivität algebraisch als abgabeleitungen 10 und 11 mit einer Leistung ver- eine positive Größe betrachtet, während der Blindbrauchenden Belastung 12 verbunden gezeigt. Die widerstand eines Kondensators als negativ betrachtet Leistung kann vom Magnetkern dem Verbraucher 55 wird. Bei einem solchen Reihenkreis werden diese 12 entweder durch magnetisch induzierte Wicklun- Blindwiderstände algebraisch zur Bestimmung des gen oder über eine kapazitive oder andere Kopp- Gesamtblindwiderstandes des Kreises addiert. Wenn lung zugeführt werden. die algebraische Summe der Blindwiderstände eine

Die Drosselspule 4 kann eine Luft- oder Eisen- niedrige Zahl ist, besteht nur ein geringer Scheinkernspule sein und soll einen Blindwiderstand haben, 60 widerstand zur Begrenzung des Stromflusses. Dies der sich durch normale Stromschwankungen, die würde zur Folge haben, daß die Ströme sehr hoch während des Betriebs auftreten, nicht verändert. werden und die Spannungen an den Stromkreis-

Der Transformator muß ein Spartransformator elementen auf hohe Werte ansteigen,

sein, da die Eingangs- oder Leistungsaufnahmewick- Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung

lungen von den Sekundärwicklungen in an sich be- 65 ist der Kondensator durch die Wicklungen des

kannter Weise gesondert gewickelt werden können. Transformators geshuntet. Die möglichen Spannun-

F i g. 2 zeigt eine Hystereseschleife für den Eisen- gen, die durch den Kondensator entwickelt werden

kern. Die Augenblicksflußdichte ist längs der senk- können, sind durch die Beschränkungen begrenzt,

die in der Spannungsfestigkeit der Transformatorwicklung liegen.

Wenn die am Transformator zugeführte Spannung zunimmt, nehmen die Magnetisierungsströme zu, und wenn sich der Eisenkern einem Zustand der Sättigung annähert, nehmen diese Ströme mit zunehmender Spannung rasch zu.

Die Magnetisierungsströme haben eine den normalen kapazitiven Strömen im wesentlichen entgegengesetzte Phase und bewirken eine Herabsetzung des Effektivwertes des Kondensators.

Bei dem Reihenkreis bewirkt eine Verringerung des Wertes des Kondensators selbsttätig eine Zunahme des Blindwiderstandes des Stromkreises und eine Herabsetzung des Stroms. Im System wird ein Gleichgewichtszustand hergestellt, bei welchem die Ströme und die sich verändernden Blindwiderstände stabilisiert sind. Die Spannungen am Kondensator und an der Transformatorwicklung werden gleichzeitig mit nur einer geringen Veränderung in der zo Kondensatorspannung stabilisiert, die als Folge der Netzspannungsveränderungen bleibt. Die Kondensatorspannung nimmt mit zunehmender Netzspannung geringfügig weiter zu und fällt geringfügig mit abnehmenden Netzspannungen ab.

Wenn die Ausgangsspannung konstant und unabhängig von den Veränderungen in der Speisespannung bleiben soll, muß die Anordnung derart ergänzt werden, daß kleine Veränderungen in der Spannung am Kondensator ausgeschaltet werden. Dies geschieht mit einer Hilfswicklung um den gemeinsamen Teil der Magnetkreise, also um den Mittelschenkel des dreiteiligen Transformatorkernes.

Die Hilfswicklung ist zur Speisespannung rückgekoppelt, so daß ihre Ströme und ihre Spannung sich mit denjenigen des Netzes verändern. Die magnetischen Wirkungen der Wicklung treten im Magnetfluß des Kerns entgegengesetzt zum Hauptfluß auf. Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Kondensatorspannung normalerweise infolge der zunehmenden Netzspannung ansteigen würde, nehmen die Ströme in der Hilfswicklung zu und erhöht der resultierende Magnetfluß die Sättigung wechselweise zuerst in dem einen und dann in dem anderen der beiden äußeren Schenkel des Transformators. Hierdurch wird die erwartete Veränderung in der Kondensatorspannung ausgeschaltet. In gleicher Weise wird, wenn die Netzspannung abnimmt und dies eine Abnahme der Kondensatorspannung zur Folge hat, der Magnetfluß von der Hilfswicklung verringert und die erwartete Veränderung der Kondensatorspannung ausgeschaltet. Durch die Erfindung wird es daher ermöglicht, die Ausgangsspannung im wesentlichen konstant und durch die in den Netzspannungen eintretenden Veränderungen unbeeinflußt zu halten.

Wenn ein plötzlicher Stromstoß eine plötzliche Veränderung in der Netzspannung hervorruft, läßt der übliche magnetisch gesteuerte Spannungsregler einen Stromstoß zum Belastungskreis hindurchtreten. Die Stärke und die Dauer dieses Stromstoßes verändern sich mit dem Aufbau des Reglers, seine Dauer beträgt jedoch gewöhnlich zwischen 7 und 20 Perioden, bevor die Ausgangsspannung wieder gleichförmig wird. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist diese Zeitdauer wesentlich kürzer, und die Amplitude des Stromstoßes ist verringert. Der Grund für diese Leistung liegt in der Verwendung der mit dem Netz verbundenen Hilfswicklung. Der Stromstoß wird dem Kern des Transformators von beiden Richtungen gleichzeitig zugeführt, so daß er mit Bezug auf die Kondensatorspannung aufgehoben wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbsttätiger Spannungsregler, der zwei geschlossene Magnetkreise mit einem gemeinsamen Teil aufweist, wobei jeder der beiden Magnetkreise eine eigene Transformatorwicklung besitzt, deren Primärwicklungen an einer Versorgungswechselspannung liegen und einen magnetischen Fluß im Sättigungsbereich in jedem eigenen Teil der beiden Magnetkreise erzeugen und einen im wesentlichen verschwindenden magnetischen Fluß in dem gemeinsamen Teil der beiden Magnetkreise bewirken, gekennzeichnet durch eine Hilfswicklung um den gemeinsamen Teil der Magnetkreise, die an derselben Versorgungswechselspannung wie die Primärwicklungen liegt, eine an sich bekannte, mit der Primärwicklung in Reihe geschaltete Drossel und einen ebenfalls an sich bekannten, parallel zu dem Verbraucher an dem Ausgang der Sekundärwicklung angeordneten Kondensator.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklungen Spartransformatorwicklungen auf jedem der äußeren Schenkel sind, wobei die Primärwicklungen elektrisch miteinander verbunden sind.

3. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen so angeordnet sind, daß sie einen additiven Magnetfluß in den beiden äußeren Schenkeln des Kerns und im wesentlichen keinen resultierenden Magnetfluß im mittleren Schenkel des Kerns ergeben.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 307 821, 583 011,
853, 930 885;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 015 867;

Patentschrift Nr. 9630 des Amtes für Erfindungsund Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands;

ETZ-A (1953), S. 546;

Elektronik (1957), S. 267.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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