DE1638318A1

DE1638318A1 - Magnetregler

Info

Publication number: DE1638318A1
Application number: DE19671638318
Authority: DE
Inventors: Fingerett Joseph A
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1966-02-28
Filing date: 1967-02-17
Publication date: 1970-06-11
Also published as: BE694734A; GB1178003A; NL6703128A; US3408554A

Description

Dipl.-Ing. Heinz Ciaessen Patentanwalt Stuttgart - W ' Rotebühlstraße 70

ISE-Reg. 3571

Case: J.A.Pingerβtt -3 International Standard Electric Corporation, New York. Magnetregler.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetregler, der mit einem Transformator zu einer Baueinheit Vereinigt ist.

Die bekannten Magnetregler enthalten üblicherweise einen Transformator, der das Eingangssignal auf einen nachgeschalteten Magnetreler überträgt. Das hat den Nachteil, daß zwei voneinander unabhänige magnetische Vorrichtungen, nämlich der Transformator und der Begier, benötigt werden, und dadurch der Raumbedarf, die Kosten und das Gewicht erhöht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Vereinigung des Magnetreglers mit dem Transformator mit größerem Wirkungsgrad und we niger Aufwand eine an eine Last gelieferte Spannung zu regeln. Die Last kann dabei konstant oder variabel sein.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei Transformatorkerne eine Anzahl gemeinsamer Wicklungen erhalten, so daß weniger Eisen benötigt vird als bei getrenntem Transformator und Magnetregler.

Die Erfindung soll anhand der Figuren näher erläutert werden. Fr/Li - 6.2.67 - 2 -

009824/0421

ISE-Reg. 3571

Figur 1 zeigt eine Schaltung für einen Regler gemäß der Erfindung,

Figur 2 zeigt den Spannungsverlauf an einigen Stellen der Schaltung von Figur 1.

Figur 3 zeigt eine Schaltung für einen Magnetregler gemäß der Erfindung mit Rückkoppelung.

Figur 4 zeigt den Aufbau des mit einem Transformator kombinierten Magnetregler gemäß der Erfindung.

Figur 5 zeigt eine Dreiphasenschaltung gemäß der Erfindung.

Figur 6 zeigt den Spannungsverlauf an verschiedenen Stellen der Schaltung von Figur 5.

Bei der Schaltungsanordnung von Figur 1 ist die Wechselstromquelle 1 an die Wicklung Wl angeschlossen, die über die beiden Transformatorkerne 2 und 3 gewickelt ist. Die Wicklungen W3A und W3B sind gegeneinander geschaltet und an die Gleichstromquelle Es für das Steuersignal angeschlossen. Die Wicklung W2 ist wieder, wie die Wicklung Wl, über beide Transformatorkerne gewickelt, so daß ein an den Enden der Wicklung auftretendes Signal dem Eingangswechselstrom entspricht, multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen Wl und W2. Die Wicklungen Wl und W2 wirken also in der gleichen Weise zusammen wie bei einem normalen Transformator und haben keinen Einfluß auf den Reglerteil der Schaltung. Die Enden der Wicklung W2 sind an die Last R. über die Diode CR2 und einen Vollweggleichrichter mit den Dioden CR3 und CR4 angeschlossen. Zwischen den Vollweggleichrichter und die Last ist ein Tiefpaßfilter mit der Drossel L und dem Kondensator

Fr/Li - 3Γ-

¹ 009824/042!

ISE-Reg. 3571

C geschaltet. Die Wicklungen W4A und W4B sind gegeneinander geschaltet und an die Last R- über die Diode CRl in solcher Weise angeschlossen, daß das dabei erzeugte Ausgangssignal zu dem Ausgangssignal, das in der Wicklung·W2 entsteht, addiert wird.

Die Wicklungen W4A und W4B, die mit den Wicklungen Wl, W3A und W3B auf der Primärseite des Transformators gekoppelt sind, arbeiten als Magnetregler, vie dies in der Technik bekannt und beispielweise in dem Buch "Magnetic-Amplifier Circuits" von treyger, 2» Auflage, auf den Seiten 264 - 268 beschrieben ist. Es soll daher hier keine weitere Erläuterung gegeben werden. Die Figuren 2A bis 2H zeigen den Verlauf der Spannung an verschiedenen Stellen des Magnetreglerteils von Figur 1 mit den Wicklungen Wl, W3A, W3B, W4A und W4B. Die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle e ist in Figur 2A in Form einer Rechteckspannung dargestellt, um die Analyse der Schaltung zu vereinfachen. Es können natürlich alle möglichen anderen Wechselstromsignale anstelle einer Rechteckwelle verwendet werden. Die Bezeichnungen e.. und e„ beziehen sich auf die Spannungen an den Wicklungen W3A und W3B. Ihre Summe ist gleich den Potential der Wechselstomquelle e . Bei der vorliegenden Ausführungsform

ft C

ist das Windungsverhältnis der Wicklungen W3A und W4A sowie der Wicklungen W3B und W4B 1:1. Deswegen stellen C₁ und e„ auch die Spannungen an den Wicklungen W4A und W4B dar. (found ^)₁ stellen den Fluß in den Wicklungen W4A und W4B dar.

Die Ausgangsspannung der Wicklung W2 wird einer Vollwellengleichrichtung mittels der Dioden CR3 und CR4 unterworfen und über die

Fr/Li 6.2.67 - 4 -

009824/0A21

ISE-Reg. 3571

Diode CR2 an die last R. gelegt.Für den Fall, daß Es=O ist die an der Last R_T liegende Spannung die gleichgerichtete Eingangswechselspannung. Die Ausgangsspannung für diesen Fall ist in Figur 2J dargestellt. Wenn ein Steuersignal Es von bestimmter Größe angelegt wird, werden an den Wicklungen W4A und W4B Ausgangsimpulse 21 in der gleichen Weise wie bei den bekannten Magnetreglern erzeugt. Diese Impulse 21 werden zur Ausgangsspannung des Vollweggleichrichters mittels der Dioden CRl und CR2 addiert, wodurch das in Figur 2K dargestellte Signal erhalten wird. Wenn Es wieder Null ist, wird an der Last R. wieder das gleichgerichtete Wechselstromsignal (Figur 2K) erhalten. Wenn Es einen Wert hat, der kleiner ist als der des Signals 20, werden Impulse 22 erhalten, die kürzer sind als die Impulse 21 und die ebenfalls zur Gleichrichterausgangsspannung addiert werden (vergl. Signal 23, Figur 2B^ind Impulse 22, Figur 2H und 2Κ). Es ist ersichtlich, daß in dem Falle, wo die Impulse an den Wicklungen V/4A und W4B langer dauern, die mittlere Gleichspannung an der Last ansteigt und umgekehrt.

Aus der obigen Beschreibung kann entnommen werden, daß die Schaltung nach Figur 1 als Stromversorgung mit variabler Ausgangsspannung betrieben werden kann. Die Änderung der Auegangsspannung wird durch Änderung der Größe des Gleichstromsteuersignals Es bewirkt* Aus Figur 2 geht hervor, daß bei verringertem Steuersignal Es (vergl. Signal 23 in Figur 2B) Impulse 22 von kürzerer Dauer an den Wicklungen W4A und W4B erhalten werden. Dies ergibt

Fr/Li 6.2.67 ■- 5 -

009824/0421

ISE-Reg. 3571

eine niedrigere mittlere Ausgangsgleichspannung , als bei den Impulsen 21, so daß also die Gleichspannung an der Last IL sinkt.

Figur 3 zeigt die Grundschaltung von Figur 1, jedoch mit zusätzlichen Mitteln zur Erzeugung einer Fehlerspannung Ee proportional zur Abweichung der Ausgangsspannung von einem gewünschten Wert. Die Fehlerspannung Ee wird erhalten durch die

Differenzierschaltung von Hl, R2, R3 und der Zenerdiode CR7. ™

Die aus dieser Differenzierschaltung gewonnene Gleichspannung ) Ee wird an die Wicklungen W3A und W3B in der gleichen Weise angelegt wie das Steuersignal Es in Figur 1. Die Wirkungsweise der Schaltung ist identisch mit der Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 1. Wenn die Spannung an R. ansteigt, fällt die Fehlerspannung Ee ab, wodurch die Dauer der Impulse, die zu der gleichgerichteten Spannung addiert werden, verkürzt wird. Dadurch wird die mittlere Spannung an der Last vermindert. Umge— kehrt, wenn die Spannung an R. sinkt, steigt Ee an und damit die Dauer der Impulse, die zur Gleichrichterausgangsspannung addiert werden. Die Schaltung von Figur 3 arbeitet auf diese Weise als Stromversorgung mit geregelter Ausgangsspannung. Bei der Schaltung nach Figur 3 wird ein Brückengleichrichter mit den Dioden ^ CR3 bis CR6 anstelle des Gleichrichters mit zwei Dioden nach Fi-? gur 1 verwendet. Dies hat jedoch keinen Einfluß auf die Wirkungsweise der Schaltung, sondern stellt nur ein Beispiel dar.

In Figur 4 iet eine Ausführung»form für die Kombination eines Transformators mit einem Regler gemäß der Erfindung dargestellt.

Fr/Li 6.2.67 - ⁶ *

009324/0421

ISE-Reg. 3571

Die Wicklungen Wl und W2 sind über beide Kerne 2 und 3 gewickelt, wodurch sich die Eingangs genannten Vorteile ergeben. Es würde schon erwähnt, daß die Erfindung darin besteht, daß die Wicklung W2 den bekannten Magnetreglern hinzugefügt wird und in der Art und Weise, wie die beiden Wicklungen Wl und W2 auf zwei Transformatorkernen gemeinsam angeordnet werden. Auf diese Weise wird die benötigte Menge an Kerneisen für eine bestimmte Ausgangsleistung gegenüber den bekannten Anordnungen mit getrenntem Regler und Transformator vermindert.

Figur 5 zeigt schematisch eine Dreiphasenschaltung gemäß der Erfindung. An den Primärwicklungen Pl bis P6 ist eine Stromquelle für Dreiphasenwechselstrom angeschlossen. Auf die Kernschenkel, welche die Primärwicklungen tragen, sind noch die Steuerwicklungen Cl bis C6 aufgebracht, an denen die Steuerspannung Es anliegt. Die Sekundärwicklungen Sl bis S6 sind an die Last R_T über die

Jj

Dioden Dl bis D4 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen Sl bis S6 sind ebenfalls an die Last R₁ über die Dioden D5 bis DlO ange-

Jj

schlossen, so daß die Ausgangsspannungen von den Wicklungen Sl bis S6 und Sl'bis SÖ'bei der Last addiert werden. Die Wicklungen mit den gleichen Anschlüssen sind auf den gleichen Kernen angeordnet. Diese Schaltung arbeitet in der gleichen Weise wie drei Einphasenschaltungen (beispielsweise nach Figur l), die zusammengeschaltet sind und auf eine gemeinsame Last arbeiten. Bei der Schaltung nach Figur 5 liefern die Sekundärwicklungen Sl' bis S6' ein Signal an die La-jt, das proportional dem Wechselstromeinganssignal ist. Deshalb enthält der Ausgang zur gemeinsamen Last R. die Spannungsimpulse, die vom Reglerteil der Schaltung erzeugt wurden (Wicklungen Sl bis S6) überlagert der gleichgerichteten Eingangsspannung die von den Wicklungen Sl'bie S6'geliefert wird.

Fr/Li 6.2.6? _Λ - 7 -

00982A/0421

ISE-Reg. 3571 _ 7 _

¥enn man eine Phase der Schaltung von Figur 5 betrachtet erkennt man, daß die Wicklungen Pl und P2, Sl und S2, Sl' und S2' und Cl und C2 jeweils den Wicklungen Wl, W4A und W4B, W2 und W3A und W3B der Schaltung von Figur 1 entsprechen. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß bei tier weiteren Beschreibung des Dreiphasensystems eine Wechselstromquelle angenommen wurde, die drei Phasen von Sinusform hat, wie dies in Figur 6A dargestellt ist, anstelle der Rechteckwellen von Figur 2A. Es kann

jedoch Dreiphasenstrom von beliebiger Wellenform verwendet wer- ύ

den. Die Sinuswellen stellen nur ein Beispiel dar. Die Schaltung von Figur 5 soll anhand der Spannungskurven von Figur 6 kurz beschrieben werden.

Es wird angenommen, daß die Wicklungen Sl' bis S6' nicht an die Schaltung angeschlossen sind und das einzige Ausgangssignal von den Wicklungen Sl bis S6 über die Dioden Dl bis D4 an die Last R. , gelangt.
Die Beziehungen:

(1) E₁ - 4.44 fN (_p j ^₁ (max)

(2)

(6) E₆ - 4.44 fN _(p χ J₆ (max) und ⁶

(12) _{6(t) (Pfi)}|

00982Λ/0Λ21

ISE-Reg. 3571

ergeben:

(13)

AB

BC

Ca

Dies bedeutet, daß die Summe der Flüsse Null sein muß. Dies folgt

aus

(14)

(15) (16)

_AB

-K

Die Gleichungen (14), (15) und (l6) ergeben sich aus der Tatsache, daß Pl und P2 in Reihe an E._ liegen usw. Während des Teiles von jedem Zyklus, bei dem beide Kernteile ungesättigt sind, kann eine zveite Bedingung aufgestellt verden (vgl. Figur 5):

(17) E₁-E₂- f(l_c)

Die Zeit, während der die Gleichung (17) gilt reicht vom Nulldurchgang der betreffenden Fliese der Speisespannung bis zur Sättigung eines Flußpfades des Kernpaares. Während dieser Zeit haben die Steuerwicklungen eine relativ hohe Eingangsimpedanz und der Stromfluß entspricht der differentiellen Impedanz von zwei ungesättigten Kernen, die bei verschiedenen Spannungsniveaus arbeiten.

In Figur 6 ist die Dreiphasen-Eingangswecheelspannung dargestellt mit den Typischen Wellenformen für E. und E„, E- und E,, E und E., die paarweise identisch sind, ausgenommen für die relative Phasenverschiebung der entsprechenden Stromquelle. Die Ausgangsspannung: des Systems ist dargestellt für die Sättigung des ersten Kernes eines jeden Paares bei 120°. Es ist möglich für die Sättigung jeden Phasenwinkel zwischen 90° und 180° vorzusehen. Das entsprechende Ausgangeniveau geht dabei vom Maximum zum Minimum. Dit minimale Ausgangsspannung der Schaltung ist Null.

Fr/Li

6.2.67

009824/0421

ISE-Reg. 3571

Die Schaltung von Figur 5 soll nun· diskutiert werden unter der Annahme, daß die Sekundärwicklungen Sl' bis S6' an die Schaltung, wie dargestellt, angeschlossen sind. Diese Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet wie die Primärwicklungen, so daß mittels der Dioden D5 his DlO in üblicher Weise ein gleichgerichteter Dreiphasenstrom erhalten wird. Da die Wicklungen Sl' und S2'in gleicher Weise wie die Wicklungen Pl und P2 miteinander gekoppelt sind, wird die Spannung an dieser Reihenschaltung * sich zur Primärspannung wie das Windungsverhältnis verhalten. Die Differentialspannung wird nicht an der Reihenschaltung auftreten.

Die Ausgangsspannung der Wicklungen Sl bis S6 (vgl. Figuren 5 und 6) ist der gleichgerichteten Ausgangsspannung der Wicklungen Sl' bis S6' überlagert. Dies entspricht der Eißpiiasenschaltung nach Figur 1 und 3.

Die Welligkeitsfrequenz des Dreiphasenreglers beträgt das Sechsfache der Eingangsfrequenz, obwohl nur drei Gleichrichter verwendet werden. Auch bei der Einphasenschaltung beträgt die Welligkeisfrquenz das Doppelte der Eingangsfrequenz.

In der gleichen Weise wie bei der Schaltung nach Figur 3 kann auch hier ein Fühlerkreis an die Last B₇ angeschlossen werden, um eine

L·

Steuerspannung Es hinzuzufügen, so daß eine geregelte Ausgangsspannung erhalten wird. Dies ist jedoch in der Zeichnung ä<as.-f sicbtlichkeit halber weggelassen,,

Die irfiüfeRg lsi jedoels fielst &w2 äio lüa&sb^LGSQEGa. wm äarg

/::l ί,ί-.,ττ: 0 Ö g) § 2 4 / 9'4 5

BAD ORIGINAL

Claims

ISE-Reg. 3571 jq

Patentansprüche:

Magnetregler, der mit einem Transformator kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Transformator vorgesehen ist, der eine erste und eine zweite Primärwicklung sowie eine erste und eine zweite Sekundärwicklung besitzt, daß ein zweiter Transformator vorgesehen ist, der eine dritte und vierte Sekundärwicklung hat,daß eine Wechselstromquelle an die erste und dritte Primärwicklung angeschlossen ist, daß der Ausgang-an die erste und dritte Sekundärwicklung angeschlossen ist, daß ein Steuersignal an die zweite und vierte Primärwicklung angelegt ist und daß die zweite und vierte Sekundärwicklung so an den Ausgang angeschlossen sind, so daß die Ausgangs spannung proportional zur Wechselstromeingangs spannung und zum'Steuersignal gehalten wird.
2.) Magnetregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Primärwicklung gleichsinnig in Reihe geschaltet sind, daß die erste und dritte Sekundärwicklung gleichsinnig in Reihe geschaltet sind, daß die zweite und vierte Primärwicklung gegensinnig in Reihe geschaltet sind und daß die zweite und vierte Sekundärwicklung gegensinnig in Reihe geschaltet sind.

Fr/Li 6,2,6? - 2 -

ο ü § s 2 Wrü s -;

ISE-Reg. 3571 ' -/f-
3.) Magnetregler' nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transformatoren voneinander unabhänige Kerne haben und die erste und dritte Primärwicklung zusammen eine einzige Wicklung bilden, daß die erste und dritte Sekundärwicklung zusammen eine einzige Wicklung bilden und daß die beiden Wicklungen über beide Kerne gewickelt sind.
4.) Magnetregler nach Anspruch 1 bis 3« dadurch gekennzeichnet, daß an die erste und dritte Sekundärwicklung ein Vollweggleichrichter, an diesen eine Diode, an diese ein Tiefpassfilter und an dieses ein Verbraucher angeschlossen ist. ^
5.) Magnetregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Diode vorgesehen ist, die einerseits an die zweite und vierte Sekundärwicklung, anderseits an die Verbindung zwischen der ersten Diode und dem Tiefpassfilter angeschlossen ist.
6.) Magnetregler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Steuersignals eine Fehlerspannung gebildet wird, die proportional der Abweichung der Ausgangsspannung von einem gewünschten Wert ist und daß die Fehlerspannung an die zweite und vierte Primärwicklung angelegt wird. . i
7.) Magnetregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerspannung durch einen Differntialspannungsdetektor gebildet wird, der an den Ausgang angeschlossen ist.

009824/0421

ISE-Reg. 3571
8.) Magnetregler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialdetektor einen ersten und zweiten Widerstand enthält, die in Reihe an den Ausgang angeschlossen sind, daß ein dritter Widerstand in Reihe mit einer Zenerdiode an den Ausgang angeschlossen ist und daß von den Verbindungsstellen zwischen dem ersten und zweiten Widerstand bzw. zwischen dem dritten Widerstand und der Zenerdiode die Fehlerspannung abgenommen wird.
9.) Abwandlung des Magnetreglers nach Anspruch 1 bis 8 für Dreiphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms an die erste und dritte Primärwicklung angelegt wird, daß ein dritter Transformator mit einer fünften und sechsten Primärwicklung und einer fünften und sechsten Sekundärwicklung vorgesehen ist, daß ein vierter Transformator mit einer siebenten und achten Primärwicklung und einer siebenten und achten Sekundärwicklung vorgesehen ist, daß die zweite Phase des Dreiphasenwechselstroms an die fünfte und siebente Primärwicklung gelegt ist, daß ein fünfter Transformator mit einer neunten und zehnten Primärwicklung und einer neunten und zehnten Sekundärwicklung vorgesehen ist, daß ein sechster Transformator mit einer elften und zwölften Primärwicklung und einer elften und zwölften Sekundärwicklung vorgesehen ist, daß die dritte Phase des Dreiphasenwechselstroms an die neunte und elfte Primärwicklung angeschlossen ist, daß ein Steuersignal an die zweite,.vierte, sechste, achte und zehnte und zwölfte Primärwicklung angelegt wird und daß der Ausgang an die Sekundärwicklungen angeschlossen ist.

Fr/Li - 6.2.67 - 4 -

0098 2"4/0421

ISE-Reg. 3571 -JC-
10.) Magnetregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den Primär- und Sekundärwicklungen jeweils die erste und dritte, fünfte und siebente, neunte und elfte Primär- bzw. Sekundärwicklung gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und daß jeweils die zweite und vierte, sechste und achte, zehnte und zwölfte Primär- bzw. Sekundärwicklung gegensinnig in Reihe geschaltet sind.
11.) Magnetregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, M

daß die erste, dritte, fünfte, siebente, neunte und elfte Primärwicklung in Dreiphasen-Dreieckschaltung geschaltet sind, daß die zweite, vierte, sechste, achte, zehnte und zwölfte Primärwicklung in Reihe geschaltet sind und an diese Reihenschaltung ein Gleichstromsteuersignal gelegt ist, daß die erste, dritte, fünfte, siebente, neunte und elfte Sekundärwicklung in Dreiphasen-Sternschaltung geschaltet sind und daß die zweite ,vierte, sechste, achte, zehnte und zwölfte Sekundärwicklung in Dreiphasen-Sternschaltung geschaltet sind.
12.) Magnetregler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Endpunkt und jeder Sternpunkt der Sternschal- ~

tungen über je eine Diode an den Ausgang angeschlossen ™

ist.