DE1563166C - Magnetischer Spannungskonstanthalter mit einem einzigen ferromagnetischen Kern - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Spannungskonstanthalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Spannungskonstanthalter ist bereits bekannt (USA.-Patentschrift 2 694 177).

Magnetische Spannungskonstanthalter bestehen in ihrer ursprünglichen Form aus der Kombination einer ungesättigten Luftspaltdrossel mit einem hochgesättigten Transformator, der von einem parallel geschalteten Kondensator so stark magnetisiert wird, daß er weitgehend unabhängig von der Größe der eingespeisten Netzspannung diejenige Spannung abgibt, die der Sättigungsinduktion seines Kernes entspricht. Die abzugebende Spannung ist daher annähernd konstant und von der einspeisenden Netzspannung in weiten Grenzen unabhängig. Andererseits ist die so erzeugte konstante Spannung wegen der hohen Eisensättigung mit erheblichen ungradzahligen Oberwellen behaftet und hat damit eine annähernd trapezförmige Kurvenform, welche sich jedoch für nachfolgende Gleichrichtung hervorragend eignet.

Wird für andere Anwendungsfälle eine mehr oder weniger sinusförmige Ausgangsspannung verlangt, so kann diese durch zusätzliche Filter, die die Oberwellen in gewünschtem Maße reduzieren, erzeugt werden.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 950 267 ist ein Konstantspannungstransformator bekannt der ein Blechpaket besitzt, dessen primärer Querschnitt größer ausgelegt ist als der Querschnitt des die Sekundärwicklung aufnehmenden Schenkelteils. Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei vorgegebenen Hauptabmessungen des fertig montierten Konstantspannungstransformators diejenige Kernform zu finden, bei der die abgegebene Leistung einen Maximalwert erreicht, d. h. das Verhältnis W/kg soll möglichst groß werden. Gemäß diesem deutschen Gebrauchsmuster wird dies dadurch erreicht, daß die Zungenbreite des breiteren Abschnittes des I-förmigen Mittelteils 7/4 der Breite des schmaleren Abschnitts dieses Mittelteils beträgt.

Ein Konstanthalter gemäß diesem deutschen Gebrauchsmuster ist nicht zur Verwendung in einem einen Wechselrichter enthaltenden Notstromversorgungsgerät geeignet, da es nicht die bei Notstromversorgimgsgeräten geforderte sinusförmige Ausgangsspanniüng liefert, jedenfalls nicht ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand. Eine Lehre zur Verminderung des bei rechtcckförmigen Eingangsspannungen sehr großen Einschaltstromstoßes ist diesem deutschen Gebrauchsmuster nicht zu entnehmen.

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 930 964 ein Transformator mit einem einzigen ferromagnetischen Kern und einem Streufeldnebenschluß zum Anschluß an einen kapazitiven Spannungsteiler bekannt, innerhalb dessen Primärwicklung zwei Sekundärwicklungen radial angeordnet sind. Ein solcher Transformator ist nicht zur Verwendung in Wechselrichtern geeignet, insbesondere da der bei einem solchen Transformator auftretende Einschaltstromstoß die vorgesi halteten Halbleiterelemente gefährdet.

Folgende Eigenschaften eines Konstanthalters sind für dessen wirtschaftlichen Einsatz in Wechselrichtern unerläßlich:

1 Ihre Eigenschaft, die Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung und Laständerung konstant zu halten,

2 ihr Kurzschlußstromverhallen, welches sowohl den Netz- als auch den Laststrom begrenzt und

3 im Falle des Sinuskonstanthalters die Fähigkeil, eine sinusförmige Ausgangsspannung abzugeben, selbst dann, wenn die speisende Netzspannung nicht sinusförmig, sondern rechteckig ist.

Man spart dabei die Regelung der Wechselrichter-Ausgangsspannung und die strombegrenzenden Schaltelemente, die bei ausgangsseitigem Kurzschluß des Wechselrichters dessen Halbleiterelemente vor Zerstörung schützen. Wird darüberhinaus von dem Wechselrichter eine sinusförmige Ausgangsspannung verlangt, erspart man auch das Filter, welches die rechteckige Wechselrichterspannung in eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung verwandelt.

Andererseits erfordert der Einsatz von Konstanthaltern beispielsweise in Wechselrichtern einige weitere Eigenschaften, welche die bekannten Konstanthalter nicht besitzen und die Gegenstand dieser Erfindung sind.

So kann beispielsweise die Spannung der den Wechselrichter treibenden Batterie in sehr weiten Grenzen schwanken, nämlich von der Entladeschlußspannung bis zu derjenigen Spannung, die während der Starkladung der Batterie auftritt. Im ungünstigen Falle bedeutet das einen Schwankungsbereich um die Batterienennspannung von —20% bis +25%, innerhalb dessen die Ausgangsspannung des Wechselrichters praktisch konstant sein soll. Es ist daher wichtig, den Regelbereich der bekannten Konstanthalter durch geeignete Maßnahmen zu erweitern.

Der Bereich der Primärschwankungen, innerhalb dessen die Ausgangsspannung in geringen Grenzen konstant bleibt, wird bei den beschriebenen bekannten Konstanthaltern nach oben durch den zunehmenden Magnetisierungsstrotn der Primärwicklung begrenzt. Der Primärstrom steigt dann so stark an, daß einmal die durch ihn erzeugte Wärme in der Wicklung unzulässige 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 außerordent-

lieh gut. Eine Erhöhung der primären Windungszahl, d. h. eine Herabsetzung der magnetischen Induktion der Eingangswicklung würde zwar das Anwachsen des Magnetisierungsstromes im Überspannun^sbereich vermindern, aber andererseits die Rege'eigenschaften im L'nterspannungsbereich so ungünstig beeinflussen, daß eine Erweiterung des gesamten Regelbereiches auf diesem Wege nicht erreichbar ist.

Eine weitere Eigenschaft der bekannten Konstanthalter, welchi 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.

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. 1st kein Remanenzfluß vorhanden, wird dieser Fluß genau doppelt so groß wie der stationäre Fluß nach Abklingen des Einschaltvorganges.

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 SOfachen 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 Einschwingvoi ganges 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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Regelbereich bekannter Konstanthalteranordnungen zu erweitern, d. h. den Bereich innerhalb dessen die einspeisende Netzspannung schwanken darf, ohne daß die Ausgangsspannung die üblichen Toleranzen überschreitet.

Weiterhin sollen die beim Einschalten der Konstanthalter auftretenden Stromstöße, die beim Schalten im Nulldurchgang der Netzspannung maximale Werte erreichen, auf ungefährliche Werte herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Spannungskonstanthalter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit für das Entstehen eines zusätzlichen Flusses geschaffen, der mit der Primärwicklung verkettet ist und dessen Betrag 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.

Ein solcher zusätzlicher Fluß kann sowohl ein Luftfluß durch einen zusätzlichen Luftfluß-Querschnitt sein, er kann aber auch ein Eisenfiuß 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-mindemde Wirkung um so größer, je kleiner seine mittlere Kraftlinienlänge ist.

Versuche haben bestätigt, daß sowohl eine erhebliche 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:

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,

b) durch eine Verkürzung der mittleren Kraftlinienlänge dieses Zusatzflußes durch geeignete konstruktive Maßnahmen.

Zu a) Eine Vergrößerung des durch den Zusatzfluß erforderlichen Querschnittes wird erfindungsgemäß dadurch erreicht:

1. daß die Kompensationswicklung 7 gemäß Fig. 2 nicht oberhalb sondern unterhalb der Primärwicklung 2 gewickelt wird. Da nur die Primärwicklung vom Einschaltstrom durchflossen wird, bietet das röhrenförmige Volumen der dann zwischen Kern 1 und Primärwicklung 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 Neutralisationswicklung 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 Schichthöhe des Kernes 1 entspricht. Man gewinnt dadurch beiderseits des Kernes einen Zusatzraum 63, der für die Ausbildung des beim Einschalten des Konstanthalters erforderlichen Luftflusses zur Verfugung steht. In Fig. 2 ist der Kraftlinienverlauf des Luftflusses schematisch dargestellt. Er bildet sich so aus, daß er auf dem kürzesten Wege wieder in das Eisen eintritt, so daß seine mittlere Länge etwa durch die Kraftlinie 74 gegeben ist.

Zu b) Eine weitere Verkürzung der Kraftlinienlänge des Luftflusses wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß man den Zusatzraum 63 in Fig. mit ferromganetischen Beilagen 81 aus einem Werkstoff hoher magnetischer Leitfähigkeit aus-

füllt, deren Länge genau der Spulenbreitc 15 der Primärwicklung in Fig. 2 entspricht. Die ursprüngliche Kraftlinie 74 ist damit um den doppelten Betrag der Spulenbreite 15 verkürzt. Eine weitere Verkürzung der Luftflußlänge ist erfindungsgemäß noch dadurch möglich, daß man entsprechend Fig. 3 die Form des in den Zusatzraum 63 eingeschobenen magnetischen Werkstoffes so gestaltet, daß möglichst alle Kraftlinien des ursprünglichen Luftflußes von ihm aufgenommen werden und auf dem kürzestmöglichen Wege wieder in den Hauptkern des Konstanthalters eintreten, d. h. der Übergang vom Zusatzfeld im Spulenbereich zum Eisenkern ist bogenförmig mit ferromagnetischen Beilagen 81 ausgefüllt.

Die eben geschilderten Maßnahmen beeinträchtigen in keiner Weise das Regel- und Kurzschlußverhalten. Sie dienen gleichzeitig sowohl einer Herabsetzung des Einschaltstromstoßes als auch der Erweiterung des Regelbereiches in Richtung einer positiven Batteriespannungstoleranz. Die Oszillogramme der Fig. 4 mögen dies belegen. Beide Oszillogramme zeigen die Primärströme eines erfindungsgemäßen 250 VA Konstanthalters in Wechselrichterbetrieb und zwar wurde die Kurve 91 bei einer Betteriespannung von Vutnn +25 %, die Kurve 92 bei V_Ntnn --20% aufgenommen. Die bei Überspannung deutlich sichtbaren Magnetisierungsspitzen überschreiten dabei nicht den Scheitelwert des Konstanthalterstromes bei Unterspannung, was allein auf die Maßnahmen der vorliegenden Erfindung zurückzuführen ist. Ein normaler Konstanthalter hat bei einer 25 %igen Überspannung eine stationäre Magnetisierungsstromspitze, die mindestens 5mal so groß ist wie der Scheitelwert bei 20%iger Unterspannung.

Der Einschaltstromstoß, der bei normalen Konstanthaltern bei Nennspannung mehr als das 50fache des stationären Wertes beiragen kann (beim Schalten im O-Durchgang der Metzspannung), ist durch die geschilderten Maßnahmen unter sonst gleichen Bedingungen auf etwa das 2,5fa.che des stationären Wertes herabgesetzt. Dieser geringfügige Rush kann beispielsweise durch ein geeignetes Eingangsfilter des Wechselrichters noch soweit verringert werden, daß eine Überbemessung der Halbleiterelemente überflüssig wird.

ίο Es sei noch darauf hingewiesen, daß die sinusförmige Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Konstanthalters in dem erwähnten Batteriespannungsbereich von +25% bis —20% bei Vollast auf einen Wert von ±2% der Nennspannung konstant gehalten wird.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß Spannungsschwankungen im Konstanthaltereingang wegen der unvermeidlichen Spannungsabfälle in den Wechselrichter-Schaltelementen (Drosseln, Halbleiter) die angegebenen Spannungsschwankungen der Batterie noch wesentlich übertreffen.

Am Netz zeigt derselbe Konstanthalter bei einer Veränderung der Netzspannung von +25% bis auf —20·% eine noch bessere Stabilität der Ausgangsspannungen, nämlich -t 1 %. Die geschilderten erfindungs-

»5 gemäßen Maßnahmen besitzen nicht nur große Bedeutung für den Betrieb von V/echselrichtern sondern auch für netzbetriebene Konstanthalter. Ihr Einsatz ist immer dann von Vorteil, wenn der Regelbereich normaler Konstanthalter von ±15% der Netzspannung nicht ausreicht. Auch die erfindungsgemäße Verringerung des Rushes ist bei vielen Anwendungen eine? netzbetriebenen Konstanthalters für seinen Einsät? von ausschlaggebender Bedeutung.

Dadurch daß das von der Kompensationswicklung eingenommene Volumen zusätzlich zur Ausbildung eines Zusatzflußes verwendet wird, kann bei gleicher äußeren Abmessungen des Konstanthalters der für der Zusatzfluß insgesamt zur Verfugung stehende Quer schnitt vergrößert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ,1. Magnetischer Spannungskonstanthalter mit einem einzigen ferromagnetischen Kern, der eine Primärwicklung, eine mit der Primärwicklung gekoppelte Kompensationswicklung und mindestens eine Sekundärwicklung trägt und der mindestens einen Streufeldnebenschluß besitzt, der zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung angeordnet ist, und bei dem zur Sekundärwicklung ein Kondensator parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (7) radial innerhalb der Primärwicklung (2) liegt und daß radial innerhalb der Kompensationswicklung (7) ferromagnetische Beilagen (81) eingefügt sind.
2. 2. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Beilagen (81) dem Kraftlinienverlauf bogenförmig angepaßt sind.