DE1563166B2

DE1563166B2 - Magnetic voltage stabilizer with a single ferromagnetic core

Info

Publication number: DE1563166B2
Application number: DE1563166A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. 5791 Brilon-Gudenhagen Wedemeyer
Original assignee: CEAG DOMINIT AG 4600 DORTMUND
Current assignee: CEAG DOMINIT AG 4600 DORTMUND
Priority date: 1966-12-24
Filing date: 1966-12-24
Publication date: 1974-06-20
Also published as: NL152697B; GB1196780A; NL6712238A; US3548292A; BE708334A; DE1563166A1; CH483670A

Description

Konstanthaltern nach oben durch den zunehmenden Magnetisierungsstrom der Primärwicklung begrenzt. Der Primärstrom steigt dann so stark an, daß einmal die durch ihn erzeugte Wärme in der Wicklung unzu-^! lässige Werte erreicht und zum anderen die Schaltelemente (Halbleiter) des vorgeschalteten Wechselrichters gefährdet werden, falls sie nicht erheblich überdimensioniert sind. Andererseits sind die Regeleigenschaften des Konstanthalters in dem oberen Grenzbereich der angelegten Spannung außerordentlich gut. Eine Erhöhung der primären Windungszahl, d. h. eine Herabsetzung der magnetischen Induktion der Eingangswicklung würde zwar das Anwachsen des Magnetisierungsstromes im Überspannungsbereich vermindern, aber andererseits die Regeleigenschaften im Unterspannungsbereich so ungünstig beeinflussen, daß eine Erweiterung des gesamten Regelbereiches auf diesem Wege nicht erreichbar ist.Constant keepers limited upwards by the increasing magnetizing current of the primary winding. The primary current then rises so much that the heat generated by it in the winding becomes inadequate ^! permissible values are reached and, on the other hand, the switching elements (semiconductors) of the upstream inverter are endangered if they are not significantly oversized. On the other hand, the control properties of the stabilizer are extremely good in the upper limit range of the applied voltage. An increase in the primary number of turns, i.e. a decrease in the magnetic induction of the input winding would reduce the increase in the magnetization current in the overvoltage range, but on the other hand affect the control properties in the undervoltage range so unfavorably that an extension of the entire control range cannot be achieved in this way.

Eine weitere Eigenschaft der bekannten Konstanthalter, welche ihren Einsatz beispielsweise in Wechselrichtern erschwert und welche ebenfalls auf ihre hohe Primärinduktion zurückzuführen ist, ist der hohe Einschaltstromstoß (Rush), der beim Einschalten des Konstanthalters besonders im Null-Durchgang der angelegten Wechselspannung auftritt und der ebenfalls die vorgeschalteten Halbleiterelemente gefährdet.Another property of the well-known stabilizers, which is used, for example, in inverters difficult and which is also due to their high primary induction, is the high inrush current (Rush), which occurs when the stabilizer is switched on, especially in the zero passage of the applied alternating voltage occurs and which also endangers the upstream semiconductor elements.

Aus der Theorie des verlustarmen Transformators ist bekannt, daß der Fluß mindestens das Doppelte seines stationären Wertes erreichen muß, wenn er die erforderliche Gegenspannung beim Einschalten im Null-Durchgang der Netzspannung erzeugen soll. Ist kein Remanenzfluß vorhanden, wird dieser Fluß genau doppelt so groß wie der stationäre Fluß nach Abklingen des Einschaltvorganges.From the theory of the low loss transformer it is known that the flux is at least twice that must reach its steady-state value when it has the required counter voltage when switching on the Should generate zero crossing of the mains voltage. If there is no remanent flux, this flux will be accurate twice as large as the steady flow after the switch-on process has subsided.

Ist jedoch die Phasenlage eines eventuell vorhandenen Remanenzflusses ungünstig, kann der doppelte Wert des stationären Flusses noch um dessen Betrag überschritten werden. Wenn man berücksichtigt, daß die Induktion bekannter Konstanthalter zur Erzielung guter Regeleigenschaften bei Nennspannung etwa bei 16 kG liegt, muß man damit rechnen, daß der Einschaltstromstoß maximale Werte erreichen kann, die einer Induktion von etwa 35 kG entsprechen. Das bedeutet einen Stromstoß von mehr als dem 50fachen des Nennwertes. Zur Verminderung dieses Stromstoßes kann man zwar grundsätzlich über einen vorgeschalteten Widerstand bzw. eine Drossel schalten, welche im Schaltmoment einen hohen Prozentsatz der aufgedrückten Spannung aufnehmen. Nach Abklingen des Einschwingvorganges muß dann jedoch der Widerstand bzw. die Drossel z. B. mit einem Zeitschalter wieder kurzgeschlossen werden. Das bedeutet zusätzlichen Aufwand und hat beim Kurzschluß des Vorschaltgliedes gegebenenfalls einen zweiten Einschaltstoß zur Folge, der ebenfalls die vorgeschalteten Halbleiter gefährden kann.However, if the phase position of a possibly existing remanence flux is unfavorable, it can double The value of the steady flow can still be exceeded by its amount. Taking into account that the induction of known stabilizers to achieve good control properties at nominal voltage around 16 kG, one must reckon with the fact that the inrush current can reach maximum values that correspond to an induction of about 35 kG. That means a current surge of more than 50 times of face value. To reduce this current surge, you can basically use an upstream Switch a resistor or a throttle, which at the moment of switching a high percentage of the pressed Take up tension. After the transient process has subsided, however, the resistance must then or the throttle z. B. be short-circuited again with a timer. That means additional Effort and may have a second inrush in the event of a short circuit in the ballast result, which can also endanger the upstream semiconductors.

Die eben erwähnte hohe Schaltinduktion von etwa 35 kG bei ungünstiger Phasenlage des Remanenzflusses und beim Schalten im Null-Durchgang der Netzspannung übersteigt die Sättigungsinduktion des Konstanthalterbleches ganz erheblich.The above-mentioned high switching induction of around 35 kG with an unfavorable phase position of the remanence flux and when switching in the zero crossing of the mains voltage exceeds the saturation induction of the stabilizer plate quite considerably.

Aufgabe der Erfindung ist, einen magnetischen Konstanthalter für rechteckförmige Eingangsspannung und sinusförmige Ausgangsspannung zur Verwendung in einem Wechselrichter zu entwickeln, der es ermöglicht, auch bei einer Eingangsspannungsschwankung von —20 bis +25% die Ausgangsspannung auf einem Wert von etwa ±1,5% konstant zu halten. Weiterhin soll bei dem erfindungsgemäßen Konstanthalter der Einschaltstromstoß stark vermindert werden.The object of the invention is to provide a magnetic stabilizer for square-wave input voltage and sinusoidal output voltage for use in to develop an inverter that enables the input voltage to fluctuate by —20 to + 25% to keep the output voltage constant at a value of around ± 1.5%. Farther the inrush current is to be greatly reduced in the stabilizer according to the invention.

Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Spannungskonstanthalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention with a magnetic voltage stabilizer of the type mentioned at the beginning solved by the characterizing features of claim 1.

Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit für das Entstehen eines zusätzlichen Flusses geschaffen, der mit der Primärwicklung verkettet ist und dessen BetragAccording to the invention, a possibility for the creation of an additional flow is created, which is linked to the primary winding and its amount

ίο gleich der Differenz aus der erforderlichen Schaltinduktion, d. h. des beim Einschaltvorgang erreichten Maximalwertes der Induktion, und der Sättigungsinduktion des verwendeten Eisens ist. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Verringerung des Einschaltstromstoßes.ίο equal to the difference from the required switching induction, d. H. the maximum value of the induction reached during the switch-on process, and the saturation induction of the iron used. This results in a significant reduction in the inrush current.

Ein solcher zusätzlicher Fluß kann sowohl ein Luftfluß durch einen zusätzlichen Luftfluß-Querschnitt sein, er kann aber auch ein'Eisenfluß sein, wenn der zusätzliche Querschnitt mit einem magnetischen Werkstoff, vorzugsweise hoher Permeabilität, ausgefüllt wird. Der Amperewindungsbedarf dieses Zusatzflusses ist um so kleiner und damit seine Rush-mindernde Wirkung um so größer, je kleiner seine mittlere Kraftlinienlänge ist.
Versuche haben bestätigt, daß sowohl eine erhebliehe Verringerung des Einschaltstromstoßes, als auch eine wesentliche Verkleinerung des Magnetisierungsstromes im Bereich^: der oberen Netzspannungstoleranzen und damit eine Erweiterung des Regelbereiches beider Konstanthaltertypen erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen möglich ist:Such an additional flow can be an air flow through an additional air flow cross section, but it can also be an iron flow if the additional cross section is filled with a magnetic material, preferably a high permeability. The ampere-turn requirement of this additional flux is the smaller, and thus its rush-reducing effect, the greater, the smaller its mean line of force length is.
Tests have confirmed that both a considerable reduction in the inrush current and a substantial reduction in the magnetizing current in the area of ^: the upper line voltage tolerances and thus an expansion of the control range of both types of stabilizers is possible according to the invention by the following measures:

a) durch Schaffung eines zusätzlichen Querschnittes, in dem sich ein Zusatzfluß ausbilden kann, der mit der Primärwicklung verkettet ist und dessen Betrag den Überschuß der verlangten Schaltinduktion gegenüber der Sättigungsinduktion des verwendeten Eisens deckt,a) by creating an additional cross-section, in which an additional flux can develop which is linked to the primary winding and its amount the excess of the required switching induction compared to the saturation induction of the used Iron covers,

b) durch eine Verkürzung der mittleren Kraftlinienlänge dieses Zusatzflußes durch geeignete konstruktive Maßnahmen.b) by shortening the mean length of the lines of force of this additional flow by means of suitable constructive measures Measures.

Zu a) Eine Vergrößerung des durch den Zusatzfluß erforderlichen Querschnittes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht:To a) An enlargement of the cross section required by the additional flow is according to the invention thereby achieved:

l.daß die Kompensationswicklung 7 gemäßl.d that the compensation winding 7 according to

Fig. 2 nicht oberhalb sondern unterhalb der Primärwicklung 2 gewickelt wird. Da nur die Primärwicklung vom Einschaltstrom durchflossen wird, bietet das röhrenförmige VoIumen der dann zwischen Kern 1 und PrimärFig. 2 not above but below the Primary winding 2 is wound. Since the inrush current only flows through the primary winding is, the tubular volume offers between core 1 and primary

wicklung gelegenen Kompensationswicklung Raum für die Ausbildung eines zusätzlichen Luftflusses und vergrößert so den Luftfluß-Querschnitt. Der Kern 1 trägt außerdem die Sekundärwicklung 3 und die Neutralisations-winding located compensation winding space for the formation of an additional Air flow and thus increases the air flow cross-section. The core 1 also carries the Secondary winding 3 and the neutralization

wicklurig 8 (Fig. 2).winding 8 (Fig. 2).

2. kann der Luftfluß-Querschnitt dadurch noch weiter vergrößert werden, daß gemäß Fig. 1 der Spulenkörper 61 für die Wicklungen 2 und 7 länger ausgebildet wird, als der Schicht2. The air flow cross-section can be further enlarged in that, as shown in FIG the coil former 61 for the windings 2 and 7 is made longer than the layer

höhe des Kernes 1 entspricht. Man gewinnt dadurch beiderseits des Kernes einen Zusatzraum 63, der für die Ausbildung des beim Einschalten des Konstanthalters erforderliehen Luftflusses zur Verfügung steht. Inheight of the core 1 corresponds. This gives you additional space on both sides of the core 63, which is required for the training of the constant holder when switching on Air flow is available. In

Fig. 2 ist der Kraftlinienverlauf des Luftflusses schematisch dargestellt. Er bildet sich so aus, daß er auf dem kürzesten WegeFig. 2 shows the force line course of the air flow schematically. He educates in such a way that he takes the shortest route

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wieder in das Eisen eintritt, so daß seine Magnetisierungsstromspitze, die mindestens 5mal so mittlere Länge etwa durch die Kraftlinie 74 groß ist wie der Scheitelwert bei 20%iger Untergegeben ist. ■ spannung. . re-enters the iron, so that its magnetizing current peak, which is at least 5 times as The mean length approximately through the line of force 74 is large as the peak value is given at 20% below. ■ voltage. .

Der Einschaltstromstoß, der bei normalen Kon-The inrush current that occurs during normal con-

Zu b) Eine weitere Verkürzung der Kraftlinienlänge 5 stanthaltern bei Nennspannung mehr als das 50fache des Luftflusses wird erfindungsgemäß dadurch des stationären Wertes betragen kann (beim Schalten erzielt, daß man den Zusatzraum 63 in Fig. 1 im O-Durchgang der Netzspannung), ist durch die gemit ferromganetischen Beilagen 81 aus einem schilderten Maßnahmen unter sonst gleichen Bedin-Werkstoff hoher magnetischer Leitfähigkeit aus- gungen auf etwa das 2,5fache des stationären Wertes füllt, deren Länge genau der Spulenbreite 15 io herabgesetzt. Dieser geringfügige Rush kann beispielsder Primärwicklung in Fig. 2 entspricht. Die weise durch ein geeignetes Eingangsfilter des Wechselursprüngliche Kraftlinie 74 ist damit um den richters noch soweit verringert werden, daß eine Überdoppelten Betrag der Spulenbreite 15 verkürzt. bemessung der Halbleiterelemente überflüssig wird.Regarding b) A further shortening of the length of the line of force 5 stantholders at nominal voltage more than 50 times of the air flow according to the invention can thus be the steady-state value (when switching achieved that the additional space 63 in Fig. 1 in the O-passage of the mains voltage) is through the gemit ferromagnetic enclosures 81 from a described measures under otherwise the same conditions material high magnetic conductivity results at around 2.5 times the steady-state value fills, the length of which is reduced to exactly the coil width 15 io. This slight rush can be an example Primary winding in Fig. 2 corresponds. The way through a suitable input filter of the change-original line of force 74 is thus still reduced by the judge to such an extent that an over-doubled The amount of the coil width 15 is shortened. dimensioning of the semiconductor elements becomes superfluous.

Eine weitere Verkürzung der Luftflußlänge ist Es sei noch darauf hingewiesen, daß die sinusförmige erfindungsgemäß noch dadurch möglich, daß 15 Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Konstantman entsprechend Fig. 3 die Form des in den halters in dem erwähnten JBatteriespannungsbereich Zusatzraum 63 eingeschobenen magnetischen von +25 % bis —20 % bei Vollast auf einen Wert von Werkstoffes so gestaltet, daß möglichst alle ±2% der Nennspannung konstant gehalten wird. Kraftlinien des ursprünglichen Luftflußes von Dabei ist zu berücksichtigen, daß Spannungsihm aufgenommen werden und auf dem kürzest- 20 Schwankungen im KqnstanthaUereingang wegen der j möglichen Wege wieder in den Hauptkern des unvermeidlichen Spannungsabfälle in den Wechsel-Konstanthalters eintreten, d. h. der Übergang richter-Schaltelementen (Drosseln, Halbleiter) die an- C\ vom Zusatzfeld im Spulenbereich zum Eisen- gegebenen Spannungsschwankungen der Batterie noch kern ist bogenförmig mit ferromag'netischen wesentlich übertreffen.A further shortening of the air flow length is to be noted that the sinusoidal shape is still possible according to the invention by the fact that the output voltage of the Konstantman according to the invention according to FIG. 20% at full load to a value of material designed so that if possible all ± 2% of the nominal voltage is kept constant. Lines of force of the original air flow must be taken into account that voltage is absorbed and re-enter the main core of the unavoidable voltage drop in the change-over stabilizer, i.e. the transition from rectifier switching elements (chokes , semiconductors or core) the arrival C \ from the additional field in the coil region for iron given voltage fluctuation of the battery is surpass arcuately with ferromag'netischen essential.

Beilagen 81 ausgefüllt. 25 Am Netz zeigt derselbe Konstanthalter bei einerEnclosures 81 completed. 25 On the network, the same stabilizer shows one

Veränderung der Netzspannung von +25% bis aufChange in mains voltage from + 25% to

Die eben geschilderten Maßnahmen beeinträchtigen —20 % eine noch bessere Stabilität der Ausgangsspan-The measures just described affect —20% an even better stability of the initial voltage.

in keiner Weise das Regel- und Kurzschlußverhalten. nungen, nämlich' ±1%. Die geschilderten erfindungs-in no way the control and short circuit behavior. voltages, namely '± 1%. The described inventive

Sie dienen gleichzeitig sowohl einer Herabsetzung des gemäßen Maßnahmen besitzen nicht nur große Bedeu-At the same time they serve both to reduce the appropriate measures are not only of great importance

Einschaltstromstoßes als auch der Erweiterung des 3° tung für den Betrieb von Wechselrichtern sondern auchInrush current as well as the extension of the 3 ° direction for the operation of inverters but also

Regelbereiches in Richtung einer positiven Batterie- für netzbetriebene Konstanthalter. Ihr Einsatz istControl range in the direction of a positive battery - for mains operated stabilizers. Your stake is

Spannungstoleranz. Die Oszillogramme der Fig. 4 immer dann von Vorteil, wenn der Regelbereich nor-Voltage tolerance. The oscillograms of Fig. 4 are always advantageous when the control range is normal

mögen dies belegen. Beide Oszillogramme zeigen die maler Konstanthalter von ±15% der Netzspannungmay prove this. Both oscillograms show the constant holder of ± 15% of the mains voltage

Primärströme eines erfindungsgemäßen 250 VA Kon- nicht ausreicht. Auch die erfindungsgemäße Verringe-Primary currents of a 250 VA Kon according to the invention is not sufficient. The reduction according to the invention

stanthalters in Wechselrichterbetrieb und zwar wurde 35 rung des Rushes ist bei vielen Anwendungen einesconstant holder in inverter operation and in fact, the rush is one of many applications

die Kurve 91 bei einer Betteriespannung von V^enn netzbetriebenen Konstanthalters für seinen Einsatzthe curve 91 at a battery voltage of V ^ enn mains-operated stabilizer for its use

+25 %, die Kurve 92 bei V^tun —20 % aufgenommen. von ausschlaggebender Bedeutung.+ 25 %, curve 92 recorded at V ^ do -20%. of vital importance.

Die bei Überspannung deutlich sichtbaren Magneti- Dadurch daß das von der KompensationswicklungThe magnetism, which is clearly visible in the event of overvoltage, is caused by the compensation winding

sierungsspitzen überschreiten dabei nicht den Scheitel- eingenommene Volumen zusätzlich zur Ausbildungpeaks do not exceed the volume occupied by the apex in addition to the formation

wert des Konstanthalterstromes bei Unterspannung, 4° eines Zusatzflußes verwendet wird, kann bei gleichenvalue of the constant current at undervoltage, 4 ° of an additional flow is used, can with the same

was allein auf die Maßnahmen der vorliegenden Erfin- äußeren Abmessungen des Konstanthalters der für denwhat solely on the measures of the present invention external dimensions of the constant holder for the

dung zurückzuführen ist. Ein normaler Konstanthalter Zusatzfluß insgesamt zur Verfügung stehende Quer- :dung is due. A normal stabilizer additional flow total available transverse:

hat bei einer 25 %igen Überspannung eine stationäre schnitt vergrößert werden.a stationary section has to be enlarged at a 25% overvoltage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 den, at which the output reaches a maximum patent claims: value, d. H. the ratio W / kg should be as large as possible. According to this German usage

1. Magnetic voltage stabilizer with pattern, this is achieved in that the tongues of a single ferromagnetic core, which is a 5 wide of the wider section of the I-shaped central primary winding, one with the primary winding partly 7/4 the width of the narrower section of this coupled compensation winding and at least the middle part.

carries a secondary winding and the at least one constant holder according to this German law Stray field shunt that has between utility models is not for use in one Primary winding and secondary winding are arranged in the emergency power supply containing the inverter, and a device suitable for the secondary winding, since it is not the case with the emergency power supply capacitor is connected in parallel, thereby identifying the sinusoidal output voltage required by devices, that the compensation winding delivers, at least not without additional sounding (7) radially inside the primary winding (2). A lesson to reduce the and that radially within the compensation 15 rectangular input voltages are very large winding (7) ferromagnetic shims (81) inrush current is this German utility are. sample not to be taken.

2. Voltage stabilizer according to claim 1, furthermore from the USA. Patent 2,930,964 characterized in that the ferromagnetic is a transformer with a single ferromagneti-shims (81) the line of force curve 20 see core and a stray field shunt adapted to are. connection to a capacitive voltage divider known,

within the primary winding two secondary windings are arranged radially. Such a trans-

formator is not for use in inverters

25, especially since the inrush current that occurs with such a transformer

The invention relates to a magnetic switched semiconductor element at risk.

Voltage stabilizers according to the generic term are the following properties of a stabilizer

Claim 1. Such a voltage stabilizer for its economical use in inverters

is already known (U.S. Patent 2,694,177). 30 essential:

The purpose of the invention is to _{keep the control range independent of the} output voltage.

known Konstanthal «arrangements to expand ie; _{from fluctuations in the} input voltage and

the range within which the feed-in grid load change is to be kept constant,

voltage may fluctuate without the output _{2 its} short-circuit current behavior, which both the

voltage exceeds the usual tolerances. 35 _network . _{also limits the load current and}

Furthermore, when switching on the constant ₃ _ _{in the} case of the sine stabilizer, the ability to

current surges that occur when switching> _{my sinusoidal} output voltage,

Zero crossing of the mains voltage maximum values - _{even if the net voltage is ending}

reach, reduced to harmless values are _{not sinusoidal) but} rectangular.

the. 40 i

Magnetic voltage stabilizers consist of the control of the inverter in its original form from the combination of an output voltage and the current-limiting circuit, saturated air gap choke with a high-seeded element, which in the event of a short-circuit on the output side of the transformer, the semiconductor elements of a parallel-connected inverter, whose semiconductor elements are disrupted in this way is strongly magnetized that he 45 protect against interference. If, in addition, largely independent of the magnitude of the inverter, a sinusoidal output voltage supplied by the mains voltage emits the voltage that is sufficient, the filter that corresponds to the saturation induction of its core is saved. The angular inverter voltage is therefore converted into an approximately output voltage that is approximately constant sinusoidal output voltage,
On the other hand, the use of constant limits requires independence. On the other hand, the holders generated in this way, for example in inverters, have some more constant voltage because of the high iron saturation properties which the known constant holders with considerable odd harmonics do not have and which are the subject of this invention and thus have an approximately trapezoidal curve.

form, which, however, is suitable for subsequent rectification. 55 For example, the voltage of the alternating

ideally suited. self-driving battery within very wide limits

Will one more or fluctuate for other applications, namely “from the final discharge voltage requires less sinusoidal output voltage, up to the voltage that can be used during Stark this occurs through additional filters that charge the battery's harmonics; In the worst case reduce to the desired extent, are generated. 60 means a fluctuation range around the battery

From the German utility model 1 950 267 the nominal voltage is from -20% to + 25%, within

a constant voltage transformer is known which is the output voltage of the inverter

Has laminated core whose primary cross-section should be practically constant larger. It is therefore important to use the

is designed as the cross-section of the secondary control range of the known stabilizers through ge

winding receiving leg part. This invention to expand 65 suitable measures,

The task is based on the given range of primary fluctuations within

Main dimensions of the fully assembled constant - whose output voltage is within small limits

Voltage transformer that core shape remains too fin-constant, is known in the case of the described