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Kapazitiver Spannungswandler mit einem induktiven Zwischenwandler
und einer Resonanzdrosselspule Kapazitive Spannungswandler bestehen bekanntlich,
wie das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild zeigt, aus einem kapazitiven Teiler
G1, 02 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 wi = 1 . Wird der Zwischenwandler Zw
# (C1+C2) belastet, nämlich durch die Bürde 3, so steigt die Spannung am Kondensator
C2 an. An der Drossel Dr tritt ein bpannungsabfall 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 G2 zur Folge.
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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 UC2 gegenüber der Spannung
U1 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
Spannung wandlers nahe Leerlauf dargestellt, während Fig. 2b das Vektorschaubild
der Spannungen für den Fall eines sekundären Kurzschlusses des Wandlers zeigt. Die
Phasendrehung der Spannung UC2 tritt auch dann ein, wenn Ma#nahmen zur Verhinderung
eines
zu großen Spannungsanstieges an der Drossel Dr bzw. an dem
Kondensator C2 getroffen sind, z*B. dadurch, daß der Eisenkern der Dorssel Dr in
Sättigung geht. Der Vektor UC2 kann im Dauerzustand des Kurzschlusses je nach der
Wirkung der den Spannungsanstieg begrenzenden Ma#nahmen größer, gleich groß oder
sogar kleiner sein als im Leerlaufzustand.
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Die starke Drehung der Phase der Spannung Uc2 kommt dadurch zustande,
daß bei sekundärem Kurzschluß des Wandlers - in diesem Fall gilt das in Fig. 3 gezeichnete
Ersatzschaltbild -#L infolge Sättigung des Zisenkernes der Drossel Dr wesentlich
kleiner als im Normalbetrieb wird er Querstrom des Teilers file#t im Normalbetrieb
(Leerlauf) @@@ptsächlich über den Teilerkondensator C2, im Kurzschlu#fall (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 180 0 ins Induktive gedreht wird. In der @@xis ergibt sich
eine Phasendrehung um etwa 120 °, da d @hmschen Widerstände im Kreis die volle Phasendrehung
verhindern.
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Wird ein kapazitiver Spannungswandler sekundärseitig plötzlich kurzgeschlossen,
so tritt die @escnrieb@ne Phasendrehung plötzlich auf. In dem dadurch bedingten
Übergangszustand, der praktisch innerhalb einer Periode abgeschlossen ist, kann
an dem Kondensator C2 eine Überspannung auftreten, die wesentlich höher ist als
die während dea Dauerzustandes des Kurzschlusses am Kondensator C2 liegende Spannung.
Diese Überspannung ist jedoch durch die Dämpfung im Kurzschlußkreis begrenzt; dämpfend
wirken hier alle ohmschen Widerstände iE Kurzschlu#kreis, d.h,
der
ohmsche Widerstand der Drossel Dr, der ohmsche liliderstand der Primärwicklung des
Zwischenwandlers Zw und der transformatorisch auf die Primärseite des Zwischenwandlers
übersetzte ohmsche Widerstand seiner Sekundärseite.
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Wesentlich kritischer ist jedoch der Phasensprung, der dann auftritt,
wenn der Kurzschluß plötzlicn 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) 180 °, wird der Kondensator
nicht (wie sonst bei Wechselspannung) auf die Spannung isull 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 UC1, wie
Fig.02b zeigt, größer als die spannung U1 ist und auch aus der Drossel Dr Energie
nachgeliefert wird, kann die Spannung am Kondensator C2 bei diesem Phasensprung
so erheblich ansteigen, daß die Gefahr einer jeschädigung oder gar Zerstörung des
Wandlers besteht.
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Ferner kann bei dem Auftreten so hoher Spannungen der Zwischenwandler
Zw in Sättigung kommen und hierdurch am Kondensator C2 erneut ein Phasensprung -
jetzt wieder ins Induktive -angeregt werden, so daß stabile Unterschwingungen entstehen
können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem kapazitiven Spannungswandler,
bestehend aus 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 an die Resonanzdrosselspule oder einen Teil
von ihr beim Ansteigen der an ihr bzw. an dem betreffenden Teil von ihr auftretenden
Spannung über einen bestimmten Wert ein Kondensator gelegt 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.
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Die Zuschaltung des Kondensators kann durch an sich bekannte Mittel
erfolgen, die beim Uberschreiten 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 parallelgeschaltet ist und beim Ansteigen der Spannung an der
Drosselspule
bzw. dem betreffenden Teil von ihr über einen bestimmten Wert steil in Sättigung
geht.
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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 C1, C2, der induktive Zwischenwandler
mit Zw, die Resonanzdrosselspule mit Dr und die Bürde mit B bezeichnet. Parallel
zu einem Teil der Drosselspule Dr, deren Eisenkern 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.
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Dadurch wird der Kapazitätswert des Kondensators K transSormatorisch
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 Folgeerscheinungen beim Aufreißen des Kurzschlusses
verhindert0 Wohl ist es schon bekannt gewesen, parallel zu. der Resonanzdrosselspule
eines kapazitiven Spannungswandler3 oder einem Teil von ihr eine Sättigungsdrosselspule
zu legen, die bei einem an der Resonanzdrosselspule auftretenden Überstrom in Sättigung
gelangt (siehe DBP 1 026 421). Diese bekannte Maßnahme dient lediglich dazu, unzulässig
hohe Spannungen an der Resonanzdrosselspule und damit auch am niederspannungsseiti
gen Teilerkondensator während der Dauer eines Kurzschlusses des Meßkreises zu verhindernO
Der gefährliche Phasensprung der Spa. anung am niederspannungsseitigen Teilerkondensator
läßt sich mit dieser bekannten Maßnahme jedoch nicht verhindern.
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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 DBP 93 322 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 Wanderwellen stets der betriebsfrequenten
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.
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Diese frequenzabhän£ige Vermeidung von Überspannungen an der Resonanzdrossel
kann jedoch weder aas Auftreten von Uberspannungen an der Drossel als Folge von
sezurldaren Kurzschlüssen noch den gefährlichen Phasensprung der Spannung am niederspannungsseitigen
Teilerkondensator verhindern.