DE1638879A1 - Regelgeraet zur stufenlosen Regelung elektrischer Groessen mittels veraenderlicher Induktion - Google Patents

Description

s Patentanwälte Berlin, den 22. März 1967

DIpK-Ing. W. Meissner

DIp!.-lng. H. Tischer Pr/L

Berlin 53 (Grunewald)

H«rbertstr. 22 Tel. 8 87 72 37

REGELGERAT ZUH STUlEIiLOSSlT EESGELUJS ELEKTRISCHER GRÖSSEF MITTELS VERÄNDERLICHER INDUKTION

Die Erfindung betrifft ein Regelgerät zur stufenlosen Regelung elektrischer GröBen mittels veränderlicher Induktion.

Wie bekannt, werden zur Regelung der Stromstärke, stufenlos regelbare Geräte verwendet, bei welohen in der Bahn dös gestreuten Flusses ein magnetische:!? Nebenschluß vorgesehen ist, um Streuflüsse möglichst verlustfrei zn leiten. Bei der Regelung von Spannungen werden gegenseitig verschiebbare Eisenkerne verwendet, die mit Primärwicklungen baw, Sekundärwicklungen ^ersehen sind. Während der Aufbau der Strojnregel-•geräte wegen ihrer eingebauten magnetischen Nebenschlüsse

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umständlich wird, zeige» di* Spannungsregler Betriebslagen auf, in welchen die "Eisenkerne ©agnetie^ii nur »um Έ·*·! wirksam sind. Beide Arten von Geräten sind gleichwie raumbedürftig und gewichtig, wobei ihr Wirkungsgrad gering und ihre Handhabung schwerfällig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Unzulänglichkeiten zu beseitigen und ein Regelgerät der oben beschriebenen Art zu schaffen, das aber durch eine geeignete Regelkennlinie bei hohem Wirkungsgrad ausgezeichnet ist. Dabei soll das Gerät einfach aufgebaut sein und geringes Gewicht aufweisen, so daß eine leichte Handhabung und ein zuverlässiger Betrieb gesichert werden können. Die Erfindung geht von einer neuen Kombination von Eisenkernen und Irregerwicklungen aus, die gemäß Versuchsergebnissen geeignet ist, eine einfache und kontinuierliche Regelungsmöglichkeit bei hohem Wirkungsgrad zu bieten. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei Eisenkerne mit Säulen entlang ihrer Polflächen um eine gemeinsame Achse gegenseitig verschwenkbar mit ihren Säulen einander gegenüber angeordnet sind und die Eisenkerne mindestens je eine Erregerwicklung aufweisen, wobei der gegenseitige Abstand der äußersten Kanten der Eisenkerne höchstens um 15 % von ihrer größten Breite abweicht. Es wird ge-r zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die magnetischen Flüsse sich immer über Eisen schließen können, so daß der Aufbau auf magnetische Hebenschlüsse verzichten und auf diese Weise sehr einfach sein kann. Die Erregerwicklungen bieten durch ihre Anordnung gemäß der Erfindung die Möglichkeit der Änderung der Erregung zwischen weit entfernt liegenden Höchst- und

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die Eisenkerne in der Polflächenebene· bestimmten Fläche, die eine Schließung der Kraftlinien über Eisen immer gestattet, wird die Kennlinie der Regelung linear.

Es ist möglich, die Erregerwicklungen der beiden Eisenkerne voneinander galvanisch zu trennen und eine^röin induktive Kopplung vorzuziehen;. wenn dies z.B. aus Gründen der Konstruktion als geboten erscheint. Dann wird das Gerat als ein Transformator wirken.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen verschiedeie beispielsweise Ausf-ührungsformen des erfindungsgeiaäßen Begelgerätes dargestellt sind. Pig. 1 ist dabei ein Längssehnitt entlang der Linie I-I der Pig. 2 eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Stromregelung. Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie H-II der Fig. 1, Fig. 3 ist ein der Fig. 1 ähnlicher Längsschnitt, der aber eine andere Betriebslage des Ausführungsbeispiele darstellt* Fig. 4· und 5 sind Schaltbilder der Betriebslagen gemäß Fig. 1 bzw. 3.

Fig. 6 bzw. 7 sind den Fig. 4 bzw. 5 entsprechende Sehaltbilder eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Gleiche Bezugszeichen weisen in den Zeichnungen auf ähnliche Einzelheiten hin.

Mit 10 und 11 sind zwei ü-förmige Eisenkerne bezeichnet, die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen U-förmig ausgebildet und derart angeordnet sind, daß ihre Säulen 10a, 10b bzw. lla, 11b einander gegenüber liegen. Beide Eisenkerne 10 und 11 sind um eine Achse 12 gegenseitig ver-

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drehbar angeordnet, wobei die Achse 12 z\x den Polflächen der Eisenkerne IO und 11, d.h. beim dargestellten Ausführungsbeispiel zur durch die Schnittlinie II - II dargestellten Ebene senkrecht steht.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bestimmen die Eisenkerne

10 und 11 beim dargestellten Ausführungsbeispiel in der Ebene

11 - II ihrer Polfläohen eine im Wesen quadratische Fläohe, wobei die Umrißlinie der quadratisehen Flache mit strichpunktierten Linien 13 angedeutet ist. Unter einer im Wesen quadratisehen Fläche ist dabei eine rechteckige Fläche zu verstehen, deren irgend zwei benachbarte Seiten in der Länge nicht mehr als um 15 % voneinander abweichen. Mit anderen Worten, der Abstand 13a der äußersten Kanten der Eisenkerne weicht höchstens um 15 % von ihrer Breite 13b eb. Eine derartige Anordnung bürgt dafür, daß in beliebigen gegenseitig verdrehten Lagen der beiden Eisenkerne 10 und 11 die Polfläohen noch immer Teile haben werden, die gestatten, daß die Flußlinien sieh über Eisen schließen, was für die gewünschte Kennlinie des Regelgerätes gemäß der Erfindung unerläßlich ist, da erst hierdurch möglich wird, auf magnetische Nebenschlüsse verzichten und doch einen Weg über Eisen für die Streuflüsse sichern zu können,

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel trägt jede Säule 10a, 10b bzw. 11a, 11b eines jeden Eisenkernes 10 bsw, <Je eine Erregerwicklung 14, 15_f 16 bzw. 17. Die Erregerwicklungen je Eisenkern sind dabei gleichsinnig gewickelt und in Reihe geschaltet. So ist die Erregerwicklung 14 an Säule 10a des Eisenkernes 10 mit der Erregerwicklung 1$ an Säule 10b desselben

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Eisenkernes 10 in. Reih© s&schalt*t_t wotoel beide Brregerwicklungen 14 und 15 derart gewickelt sind, daß sie Felder derselben Richtung erregen, wie dies durch Pfeile 20a und 20b angedeutet ist. In gleicher Weise ist die Erregerwicklung 16 an Säule 11b des Eisenkernes 11 gleichsinnig mit der Erregerwicklung 17 an Säule 11a desselben Eisenkernes 11 in Reihe geschaltet. Die erregten Felder sind mit Pfeilen 21a bzw. 21b angedeutet. Die Reihenschaltung 14, 15 der Erregerwicklungen 14 und 15 des.Eisenkernes 10 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel wieder mit der Reihenschaltung 16, 17 der Erregerwicklungen 16 und 17 des Eisenkernes 11 in Reihe geschaltet, wie dies aus den Fig. 4 und 5 gleiohv/ie hervorgeht»und sith als zweokmäßig erwieden hat. Diese weitere Reihenschaltung 14, 15» 16, liegt zwischen zwei Zuleitungen 14a und 17a. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zuleitung 14a mit einer Klemme 22 und die Zuleitung 17a mit einer Klemme 23 verbunden. Dit Reihenschaltung der gruppenweise in Reihe geschalteten Irregerwicklungen 14, 15 bzw. 16, 17 ist duroh die Achse 12 bewerkstelligt, die mit den inneren Enden 15a bzw. 16a der zwischenlie^fanden Erregerwicklungen 15 bzw, verbunden ist.

Die Eisenkerne 10 und 11 mit ihren Erregerwicklungen 14, 15 bzw, 16, 17, den Zuleitungen 14a biw, 17a, den Klemmen 22 bzw. 2J> und mit dem unteren Teil der Achse 12 sind in zwei zylindrische Körper 25 bzw, 26 eingebettet, die aufl Kunstnarz bestehen und durch eine Schraubenmutter 27 in aneinander angrenzender Lage gehalten werde».

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Mit 28 ist ein Fuß des Gerätes bezeichnet,

Die Klemmen 22 "bzw. 2 3 sind durch Kabel 30 bzw. 31 mittels Steckkontakte 32 bzw. 33 an veränderliche SpasLauoßWi J^baw. χ Gjagfesehloss^n, TpodujroJa dl*- Jioihenscshal'tUiO-o 14·, 15» 16» 17 in ein nicht dargestelltes Starkstromnetz eingeschaltet, ist.

Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig, 1 bis 5 arbeitet wie folgt:

Wenn das Gerät seine in Fig. 1 dargestellte Lage einnimmt, sind die Amperewindungen des Eisenkernes 10 mit den Amdes Eisenkernes 11 gegensinnig in Heihe geschaltet, wie dies aus Fig. 4 wohl ersichtlich ist. Dies bedeutet, daß die resultierende Feldstärke Null wird, so daß ein durch das Kabel 30 aufließender Strom beim Durchfließen auf keine Reaktanz stößt. Im Kabel 31 wird demnach ein Strom maximaler Stärke fließen. Wenn nun der Teil 25 im Verhältnis zum Teil um die Achse 12 in seine in Fig. 3 dargestellte Lage verdreht wird, wo die be idea Teile 25 und 26 um einen Winkel von 180° im Verhältnis zu ihrer in Fig. 1 dargestellten Lage gegenseitig verschwenkt sind, liegen alle Amperewindungen des Systems in gleichsinniger Reihenschaltung, wie dies insbesondere aus Fig. 5 hervorgeht. Fun weist die Reaktanz des Gerätes ihren Höchstwert auf, so daß nur ein geringster Strom das Gerät durchfließen wird.

Zwischen diesen beiden äußersten Lagen liegt ein Regelbereich, in welchem die Stromstärke des durchfließenden Stromes von der gegenseitigen Winkellage der Teile 25 und 26 abhängt und einen entsprechenden Wert zwischen den erwähnten äußersten Werten aufnimmt. Es hat sieh gezeigt, daß diese Ab-

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.hängigkei* »rakfcie«*h linear Ist, was ohne Zweifel· eigenartige Wahl der Meiß^ihält*«-««⁸« in -*er 2fc>ene der PoI-flachen der Eisenkerne bedingt ist*

Aus Fig. 2 geht nämlich hervor, daß "bei zunehmender gegenseitiger Verdrehung der Teile 25 und 26 die Überdeckung der einander gegenüberliegenden Eisenkerne allmählich geringer wird. Gleichzeitig entsteht aber eine paarweise Überdeckung aller vier Säulen, Deshalb findet zunächst eine Sättigung der Eisenkerne statt, wonach ein zunehmender Nebenschluß für die Flüsse entsteht, so daß di» resultierend* Erregung des Gesamtsystems kontinuierlich abniiamt, bis die Teile 25 und 26 einen rechten Winkel miteinender einschließen. Von dieser Lage an treten die Amperewindungen beider Eisenkerne 10 und 11 in gleichsinnige Reihenschaltung, bis die Lage gemäß Pig, 3 erreicht wird, wo die !Reaktanz des Systems ihren Höchstwert beträgt.

Die Regelung im beschriebenen Regelbereich zeichnet sich auch durch hohe Wirtschaftlichkeit aus, was dem den magnetischen Flüssen gebotenen ständigen Eisenweg zuzuschreiben ist. Durch die hohe Wirtschaftlichkeit der Regelung in einem kontinuierlichen Regelbereich bei linearer Kennlinie wird das erfindungsgemäße Gerät besonders geeignet, als Schweißtransformator o.dgl. verwendet zu werden,

Es ist aber auch möglich, das Gerät gemäß der Erfindung unter gleichen Bedingungen zum Regeln von Spannungen zu verwenden.

Das Schaltbild eines derartigen Ausführungsbei- - 7 ~ 009835/0571

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spiele ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Wie ersichtlich, sind die Erregerwicklungen 15 und 16 einerseits miteinander unmittelbar verbunden und gehören anderseits je einem anderen Eisenkern an, indem die Erregerwicklung 15 am Eisenkern 10 und die Erregerwicklung 16 am Eisenkern 11 angeordnet ist. Die Anzapfung findet bei der galvanischen Verbindung 15a, 16a zwischen den bei den Erregerwicklungen 15 und 16 durch eine Zuführung 35 statt, die in einer Klemme V ausläuft. Die zugeordnete Klemme U ist durch eine Zuleitung 56 mit der Klemme v, verbunden, die somit auf "gleichem Potential liegen.

Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der Erfindung gemäß Mg, 6 und 7 arbeitet wie folgt j

Die Klemmen U und V werden an ein nicht dargestelltes Netz von z,B, 220 Volt Wechselspannung angeschlossen. In der in Fig. 6 dargestellten Lage des Gerätes, die der Lage gemäß Fig» 3 entspricht, nimmt die Feldstärke ihnen Höchstwert ein, se daß an den Klemmen u und ν der zweifache Wert der Speisespannung d*h. 440 Volt erscheint.

Wenn nun der Eisenkern 10 um einen Winkel von 180° verdreht wird, so daß seine Prregerwicklungen 14 und 15 ihre in Fig. 7 dargestellte Lage einnehmen, werden die erregten Felder 2Oa₁ 21a bzw, 20b, 21b einander entgegengesetzt. Dies hat zur Folge, daß an den Klemmen u und ν keine Spannung erseheint.

Versuche haben gezeigt, daß bei einer Regelung im Bereich zwischen diesen beiden Werten von Null bis 440 Volt durch gegenseitige Verschwenkung der Teile 25, 26 eine kontinuierliche Änderung der Spannung gemäß einer praktisch geraden Kennlinie und bei hoher Wirtschaftlichkeit stattfindet,

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Die dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Regelgerätes gehören, zur Art der Kerntrsaisf ormatoren, Äußerstem ,sind bei jedem Ausfuhituigsbeispiel en den Säulen der Eisenkerne Erregerwicklungen in gleicher Anzahl angebracht, die zur Drehachse 12 und zur Ebene H-II der Polflächen symmetrisch angeordnet sind, wo durch die Linearität der Kennlinie gefördert wird. Bs ist innerhin möglich, die Erregerwicklungen asymmetrisch anzuordnen, wenn dies wegen einer speziellen Gestaltung der Regelkennlinie erforderlich sein sollte. "

lerner ist es möglich, das erfindungsgemäße Gerät auch in der Art von Manteltransformatoren z.B. mit drei Säulen auszubilden, wobei dann die Erregerwicklungen sweekmäßig an der mittleren Säule angebracht werden.

Es ist dabei zu bemerken, daß der Regelbereich dieser Regelgeräte bereits durch eine gegenseitige Verschwenkung der Eisenkerne unter einem rechten Winkel erschöpft wird. Wo demnach eine steil verlaufende Regelbarkeit der Feineinstellmöglichkeit vorzuziehen ist, können Regelgeräte dieser ( Art mit Vorteil verwendet werden.

Die Erfindung ist im obigen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden, bei welchen die Erregerwicklungen der Eisenkerne zwischen zwei Zuleitungen in Reihe geschaltet waren. Dies ist zwar mit Rücksicht auf die elektrische Symmetrie vorteilhaft, es ist aber ebenso gut möglich, anstatt der galvanisch! ©ine rein induktive Kopplung vorzuziehen und dee 'Gerät? als einen !Drcmsformator zu benützen, wenn dies %-"&- aus Gründen der Konefctfuktion al© geboten

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Die Eisenkern «*

?m(>n "bestimmen in der Ebene der Polfläehen im Wesen einen quadratischen Querschnitt; 1$. Es ist aber leicht einzusehen, daß auch von der rechteckigen Form abweichende Querschnitte verwendet werden können. Es ist z,B, möglich, die Eisenkerne mit trapezförmigem Querschnitt auszubilden. Aber auch in diesen Fällen muß dafür gesorgt werden, daß die kontinuierliche Überdeckung von Eisen gesichert wird. Diese Bedingung wird im allgemeinen erfüllt, wenn die eingangs erwähnten Maßverhältnisse gewählt werden, bei welchen der größte gegenseitige Abstand 13a der äußersten Kanten der Eisenkerne im Wesen gleieh ihrer größten Breite 15b ist. Diese Maße können selbst bei Eisenkernen ermittelt werden, deren Säulen in der Ebene der Polflächen einen polygonalen oder sogar kreisförmigen Querschnitt aufweisen, oder deren Querschnitte zum Teil durch krumme oder mehrfach gebrochene Linien begrenzt sind.

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Claims (5)

PAiEBiREtIIBEBUOHB

1. Regelgerät zur stufenlosen Regelung elektrischer Größen ml-btels vexänÄerli^bttr- Induktion, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Eisenkocn*· fJLQy> 11) mit paajall«·· len Säulen (10a, 10b, 11a, lib) entlang iba?©r P«l£lä<»l>«B- um eine gemeinsame Achse (12) gegenseitig verschwenkbar mit ihren Säulen einander gegenüber angeordnet sind und die Jxeonkern© mindestens ^e eine Erregerwicklung (14, 15 bzw.

16, 17) aufweisen, wobei der gegenseitige Abstand (13a) ([

der äußersten Kanten der Eisenkerne höchstens um 15 % von ihrer größten Breite (15b) abweicht.

2. Regelgerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Erregerwicklungen (14, 15 bzw. 16, 17) zwischen zwei Zuführungen (14a, l?a) in Reihe geschaltet liegen.

3. Regelgerät naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß U-förmige Eisenkerne (10, 11) vorgesehen sind, wobei die Erregerwicklungen (14, 15 bzw. 16, 17) an den Säulen '(1Oa, 10b bzw. 11a, lib) der Eisenkerne angebracht und je Eisenkern gleichsinnig in Reihe geschaltet liegen (Fig. 4).

4. Regelgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (14, 15 bzw. 16, 17) zur Dsehachse (12) und zur Ebene (II - II) der PeIflachen symmetrisch angeordnet sind.

5. Regel gerät nach Anspruch 3 oder 4 zur Spannungsregelung, dadurch gekennzeichnet , daß »wischen galvanisch miteinander unmittjejbbar verbundenen, aber an $&

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•inem anderen Eisenkern (10 "bzw, 11) angeordneten Erregerwicklungen (15 baw. 16) eine AnzapjPnag voa?©esÄh»n. ist.

- ja -

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