DE1807288C - Kapazitiver Spannungswandler mit einem unerwünschte Schwingungen unterdruk kenden Dampfungswiderstand - Google Patents

Description

DIu l.;rniuluMg'bylri|]'l uiiiuii kapuzitiven Spannungswandler mil einem knpnziliveu Spannungsteiler uiul υϊπϋΐιι an tliescn ungcsclilossuncn, cine Primllrwick-I η ng sowie ciuu Sekundärwicklung zum Anschluß einer Bürde aiifweiseiulen ZwlsuhuusptuinungNwiuuI-lor, dem primiirseilig cine ilen kapazitiven WidcrsIiiikI des Spannungsteilers hei Betriebsfrequcnz kompensierende Iiiciiiktivitiit zugeordnet ist, sowie mit einem unerwiinsclite Schwingungen unterdrückenden Diimpfungswidorsluiid in einem Däinpl'uiigsstrom- i< > kreis, der Iraiisl'ormatoriscli sowohl von dem Zwischcuspanniingswaiullcr als auch von der. als Induktivität wiiksameii Anordnung gespeist wird.

F i g. I zeigt einen derartigen Wandler, wie er aus der deutschen Auslegcschril't I 070 73¹J in der Weise vorbekannl ist, daü sowohl die als selbständiges Bauelement vorhandene Resonanzdrossel Dr als auch der induktive Zwischenspannungswandler W als Transformatoren ausgebildet sind, Die Rusonanzdrossel Dr liegt in üblicher Weise mit ihrer Primär- s<> wicklung ebenso wie die Primärwicklung des Zwisclicnspaniuingswandlers W in dessen Primürstroinkreis in Reihe mil tier Ersatzkapazität C des in der Figur nicht dargestellten kapazitiven Spannungsteilers; dieser Anordnung wird die Spannung »,_v zugeführt. Die Sekundärwicklung sowohl des Zwischcnspanuungswandlers W als auch der als Transformator ausgebildeten Resonanzdrossel Dr liegen in dem Dämpl'imgsstromkreis, der ilen Dämpfungswiderstaiid R in Reihe mit einer Sättigungsdrossel S liegend enthält. Die übliche Sekundärwicklung des Zwischcnspanlumgswandlers W speist in bekannter Weise eine Bürde Ii, beispielsweise ein Meßinstrument.

in der genannten Aiislegeschrift wird von der Auffassung ausgegangen, dadurch, daß der Diimpfiingswiderstand R über die Sättigungsdrossel .V sowohl von der Spannung an der Resonanzdrossel Dr als auch von der Spannung an dem Zwischenspannungswandler W gespeist wird, erfolge eine Dämpfung unerwünschter Schwingungen und eine Begrenzung von KurzschluBströmen. Würde man nämlich nur die Spannung an der Resonanzdrossel zur Speisung des Dämpfungsstromkreiscs heranziehen, so würde zwar eine gute Strombegrenzung bei Kurzschlüssen im Meßkreis erzielt werden, jedoch träten Schwierigkeiten bei der Dämpfung von durch Schalthandlungen auf der Primär- oder Sekuntlärspannungsseite hervorgerufenen Schwingungen niedriger Frequenz auf. Derartige Schwingungen verursachten nämlich nur kleine Spnnnungsfülle an der Resonanzdrossel.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, verhält sich eine derartige Anordnung mit »doppelter« Einspeisung in den Dämpfungsstromkreis aber auch bezüglich der Unterdrückung unterfrequcnter oder betriebsfrequenter Schwingungen, wie sie bei Schalthandlungen leicht auftreten, günstiger als cine Bedämpfung nur des Zwischenspannungsvvandlers. Zur Erläuterung mögen die Oszillogramme nach Fig. 2 dienen, in denen der zeitliche Verlauf der dem Zwischenspannungskreis primiirseilig zugeführten Spannung u_N, der Spannung z/_(; an der Eirsatzkapazität C, der Spannung u_l)r an der Rcsouanzdrosscl, tier Primärspannung n_r des Zwisclienspannungswandlers und schließlich des Stromes/ im unbelasteten Zustand des Wandlers angegeben ist. Rs handelt sich dabei um den Uniladestrom der Ersatzkapazität C. Wie die Diagramme erkennen lassen, hat, ausgehend vom Zeitpunkt I, die Umladung der Brsalzkapii/.iliil einun großen Strom / zur Folge, du der Eisenkern des Zwisclicnspaiiiuingswandlers infolge der großen DiHOrenzspiinnung Un~"<: bereits im Zeitpunkt ! in die Sättigung gebracht ist. Demgemäß ist der Spannuugsfall (//j au der Primärwicklung dos Zwiselienspiiniuingswandlcrs in dem Bereich. I /„ zwischen den Zeitpunkten I und 2 sehr klein, während die Spannung iii,_r großen Änderungen unterwarfen ist.

Im Zeilpunkt 2 isl die Umladung der Ersatzkupaziliit C praktisch beendet, und die Resonanzdrossel Dr wird lediglieh von dem kleinen Magnetisicrungsstrom des Zwischenspauiuingswandlcrs W durchflossen, so daß infolge der kleinen Induktivität der Resonanzdrossel der Spauuungsfall in ihr sehr klein ist. Dagegen liegt nun eine relativ hohe Spannung U₁, an dein Zwischenspannungswandler.

Man erkennt, daß es weder durch Abgriff einer Spannung an tier Resonanzdrossel noch durch Abnahme einer Spannung am Zwischenspannungswandler möglich ist, während der gesamten Periode eine wirksame Dämpfung der unerwünschten Schwingungen vorzunehmen. Auch aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, den Dämpfungsstromkreis sowohl von der als Resonanzinduktivilät wirksamen Anordnung als auch vom Zwischenspannungswandler her zu speisen.

Die F.rfindung geht von einem derartigen kapazitiven Spannungswandler aus und gibt ein Konstruktionsprinzip an, das es gestattet, ihn mit möglichst geringem Aufwand an Material und Platz herzustellen.

Die erfmdungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die als Induktivität wirksame Anordnung einen zusätzlich zu einem geschlossenen Wandlerkern des Zwischenspannungswandlers vorhandenen Kern mit unterbrochenem Eisenweg (Streukern) enthält und ein Schenkel des Streukernes gemeinsam mit einem Schenkel ties Wandlerkernes sowohl von der Primärwicklung als auch von einer Wicklung zur Speisung des Dämpfungsstromkreises (Dämpfungswicklung) umschlungen ist, während weitere Schenkel dieser Kerne außerhalb der Primärwicklung verlaufen.

Es ist zwar bereits ein Stromwandler mit mindestens zwei magnetischen Zweigen bekannt (schweizerische Patentschrift 412 097), wobei einer dieser Zweige Luftspalte aufweist, jedoch ist bei diesem bekannten Stromwandler zur Bildung eines Sättigungsstromwandlers die Primärwicklung nur mit eiern luftspaltlosen Zweig und die Sekundärwicklung mit beiden Zweigen verkettet. Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungswandler hingegen ist ein Schenkel eines zusätzlich zu dem geschlossenen Eisenkern des Zwischenspannungswandlers vorhandenen Streukernes und ein Schenkel des geschlossenen Eisenkernes gemeinsam von tier Primärwicklung und der Dämpfungswicklung umschlungen, während die Sekundärwicklung des Zwischenspannungswandlers nur mit dem geschlossenen Eisenkern verkettet ist.

Bei der Erfindung ist ·- nicht erforderlich, ein als Induktivität zur Resonanzabstimmurig auf Nennfrequenz wirksames selbständiges Bauelement vorzusehen, sondern die bei bekannten Schaltungen dieser Art verwendete Resonanzdrosselsptile wird durch einen Luftspalt in seinem Eisenweg aufweisenden Kern in Verbindung mit einer derartigen Anord·

mints uihI Ausbildung dor Primärwicklung des Zwischcnspaunungswaiidlers ersotzi, daß diese einen Schenkel des Stroukernes umschlingt. Weiterhin erübrigt sich das Vorsehen von zwei getrennten Sekundärwicklungen im Dlimpfungsstromkreis zur Speisung desselben, du die eine vorhandene Dämpfungswicklung infolge der Tatsache, daß die Primärwicklung des Zwischenspannungswandlcrs zugleich die Primlirwieklung der bei der bekannten Lüsiing als Transformator ausgebildeten Resonnnzdrossel darstellt, durch die Spannungen«,,, und u_P erzeugte Ströme führt. Die Erfindung gewährleistet also durch Ausnutzung von Wicklungen zur Lösung mehrerer Auf-Hüben den geringstmöglichen Aufwand an Schaltungselemente!) und Bauteilen.

Durch die gewühlte Anordnung wird ferner sichergestellt, daß die Resonanzdrossel nicht durch eine irgendwo im Zwischenspannungskreis auftretende Strcuindiiktivitiit ersetzt wird, sondern lediglich durch eine primärseitige Streuinduktivität, so daß unerwünschte Meßfehler durch eine Vergrößerung der sekundärseitigen Streuinduktivität des Zwischenspaniiiingswandlers vermieden sind.

Bei der bevorzugten Aiisführungsform sind zwecks Erzielung einer engen Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Dämpfungswicklung sowie zwecks Vermeidung eines Einflusses der Streuinduktivität auf die Sekundärseite des Zwischenspannungswatidlers die Primärwicklung und die Dämpfungswicklung konzentrisch angeordnet, vorzugsweise so, daß die Dämpfungswicklung von der Primärwicklung umgeben ist.

Auch die Herstellung der verschiedenen Wicklungen ist bei dem erfindungsgemäßen Wandler vereinfacht, da man die Dämpfungswicklung und die Primärwicklung auf denselben Spulenkörper aufbringen kann.

Verständlicherweise ist es auch möglich, diese beiden Wicklungen nicht konzentrisch, sondern koaxial hintereinander liegend anzuordnen.

Die Sekundärwicklung des Zwischenspannungswandlers, die zum Anschluß der Bürde dient, wird man auf dem von der Primärwicklung umschlungenen Schenkel des Wandlerkeirnes anordnen, so daß alle drei bisher beschriebenen Wicklungen ineinander gesteckt sind.

Häufig ist es wünschenswert, eine Möglichkeit zum Resonanzabgleich im Zwischenspannungskreis zu haben. Dies kann durch Vorsehen einer Resonanzabgleichwicklung geschehen, die mehrere Anzapfungen aufsveist und elektrisch mit dem niederspannungsseitigen Ende, also in der Regel mit dem erdseitigen Ende, der Primärwicklung verbunden ist. In diesem Falle ist eine dadurch gekennzeichnete Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig, daß die Resonanzabgleichwicklung auf dem von der Primärwicklung umschlungenen Schenke! des Streukernes angeordnet ist. Man hat dann eine besondere kompakte Wicklungsanordnung, da sowohl die Resonanzabgleichwicklnng als auch die Sekundärwicklung des Zwischenspannungswandlers innerhalb des von der Primärwicklung und gegebenenfalls der Dämpfungswicklung umschlossenen Raumes liegen.

Bildet man den Streukern so aus, daß er in seinem von der Primärwicklung umschlossenen Bereich einen den Eisenweg unterbrechenden Spalt aufweist, so wirkt sich diese Maßnahme ebenfalls günstig hinsichtlich der Vermeidung einer Vergrößerung der sekundären Strciiindukiiviliil des Zwisclieiispaniuingswaudlcrs aus,

EiIn Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß man Iu der Wahl der Kerniormen vollkommene Freiheit hat. Sind der Wandlerkern und der Streukern Schenkelkcrne, so wird man sie so anordnen, daß ihre Kernebeiien eine gemeinsame Ebene bilden. Dadurch werden Streullüsse zwischen den außerhalb der Primärwicklung liegenden Bereichen der beiden

ίο Kerne vermieden.

Es ist aber auch möglich, beide Kerne als Mantelkerne auszubilden; dann wird man ihre beiden Mittelschenkel innerhalb der Primärwicklung anordnen und die beiden Kerne vorzugsweise parallel zueinander ausrichten, Man kann auch einen Schenkel- und einen Mantelkern verwenden, deren Kernebenen dann zweckmäßigerweise nicht parallel verlaufen.
Aus Phitzgriinden sowie zwecks Begrenzung der

au Streuung ist es zweckmäßig, der Primärwicklung eine in Richtung der Aufeinanderfolge der beiden Kerne längliehe Querschnittsform zu geben. Gegebenenfalls kann man den Wicklungen auf den von der Primärwicklung umschlungenen Kernschenkeln solche

Qucrschnittsformer. geben, daß sie den Raum innerhalb der Primärwicklung vollständig ausfüllen.

Im Hinblick darauf, daß der Dämpfungsstromkieis von mehreren Stellen des Zwischenwandlerkreises her gespeist wird, kann es vorteilhaft sein, im Dänipl'iings-

Stromkreis mehrere Dämpfungswitlerstände mit Mitteln zu ihrer frequenzselektiven Einschaltung vorzusehen. Dann ist es möglich, beim Auftreten verschiedener unerwünschter Schwingungen verschiedene Auslösewerte für den Einsatz der Dämpfung atiszuwählen. Außerdem können die Dämpfungsvviderstände unterschiedlich bemessen werden, so daß demgemäß für die einzelnen Schwingungszustände die jeweils günstigsten Dämpfungswiderstände eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungswandlers ist darin zu sehen, daß Kompensationswandler, die den Einfluß des Dämpfungswiderstandes auf die normale Messung im störungsfreien Betrieb kompensieren sollen, überflüssig sind.

In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn die Wicklungsanordnung so getroffen ist, daß die Übersetzungsverhältnisse der durch eine Streuinduktivität nachgebildeten Resonanzdrossel und des Zvvischen-Spannungswandlers bezüglich des Dämpfungsstromkreises übereinstimmen.

Die Fig. 3 und 4, 5 bis 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die beiden einander zugekehrten Schenkel der als Schenkelkerne ausgeführten beiden Kerne 1 und 2, von denen der Kern 1 mit Luftspalten 3 versehen als Streukern ausgebildet ist und der Kern 2 den durchgehenden Kern des Zwischenspannungswandlers darstellt, sind gemeinsam von der Primärwicklung 4 des Zwischenspannungswandlers und der Dämpfungswicklung S umschlungen. Diese liegt im Dämpfungsstromkrcis und speist demgemäß den in F i g. 1 mit R bezeichneten Dämpfungswiderstand.

Die beiden von der Primärwicklung 4 umschlungenen Kcrnschcnkel tragen einerseits die Resonanzabgleichwicklung 6 und andererseits die Sekundärwicklung 7 des Zwischenspannungswandlers. Die Resonanzabgleichwicklung 6 ist mit dem erdseitigen

Ende der Primärwicklung 4 verbunden und dient mit ihren — in den F.i g. 3 und 4 nicht dargestellten — Abgrillcn zur Feineinstellung der Resonanzfrequenz des durch die Ersatzkapazität des kapazitiven Spannungslcilcrs und die verschiedenen Induktivitäten gebildeten Kreises.

Dadurch, daß einer der Luftspalte, an deren Stelle auch Spalte mit einer Ausfüllung aus magnetisch nichtleitendem Material treten können, innerhalb der Resonanzabgleichwicklung 6 angeordnet ist, wird die Streuung auf die Sekundärwicklung 7 verringert. Diese Wirkung wird unterstützt durch Ausbildung des Slreukernes 1 als Ringbandkern und gleichzeitige Verwendung eines in einer Ebene senkrecht dazu geschichteten Kernes 2 für den Zwischenspannungswandler.

Wie insbesondere aus der Aufsicht der Fig. 4 ersichtlich, sind die beiden Schenkelkerne 1 und 2 so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Kernebenc bilden.

Das Ausfülirungsbeispiel nach den Fig. 5 bis 7, die jeweils um 90° gegeneinander versetzte Schnitte bzw. Ansichten wiedergeben, unterscheidet sich von der beschriebenen Lösungsvariante durch die Verwendung von zwei Mantelkernen 10 und 11, von denen wiedcnm der erstgenannte den Streukern mit Luflspalten 12 darstellt. Jeweils die mittleren Schenkel dieser beiden Kerne sind von der Primärwicklung 13 sowie der Dämpfungswicklung 14 umschlungen; jeder der Kernschenkel für sich trägt die Resonanzabglcichwicklung 15 bzw. die Sekundärwicklung 16 des Zwischenspannungswandlers.

Wie F i g. 6 erkennen läßt, ist der Streukern 10 aus zwei Schnittbandkernen 17 und 18 zusammengesetzt, von denen jeweils ein Schenkel an einen Schenkel des jeweils anderen Schnittbandkernes anstößt.

Hier wie auch bei dem Ausfülirungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 besitzt die Primärwicklung und auch die Dämpfungswicklung einen in Richtung der Aufeinanderfolge der Kerne länglichen Querschnitt. Zwecks besserer Raumausnutzung und Verringerung der Streuung kann es zweckmäßig sein, die Querschnitte der Rcsonanzabgleichwicklung und der Sekundärwicklung so auszubilden, daß sie möglichst gut den Zwischenraum zwischen der Primärwicklung bzw. der Dämpfungswicklung einerseits und den umschlossenen Kernschcnkeln andererseits ausfüllen. Man könnte also beispielsweise daran denken, die Resonanzabgleichwicklung und die Sekundärwicklung im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Umfangsflächen flach auszubilden.

Fig. 8 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Anschluß der Bürde und der eigentlichen Dämpfungsmittel an die verschiedenen Wicklungen dargestellt ist. Die Primärwicklung 20 des Zwischenspannungswandlers ist über zwei Kerne mit zwei Sekundärwicklungen 21 und 22 gekoppelt, von denen die Sekundärwicklung 21 zum Anschluß der Bürde 23 und die Sekundärwicklung 22 zur Speisung des Dämpfungsstromkreises dient. Demgemäß ist der in F i μ. 8 obere Kern 24 ein geschlossener Kern ohne Spalte, während der in der Figur untere Kern 25 als SlriHikcrn ausgebildet ist. Die Primärwicklung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Abgriffen 26 zum Wiiulungsnbplcich sowie mit weiteren Abgriflcn 27 versehen, die einen als Rcsonnnzabglcichwicklung dienenden Teil der PiiinHrwirklung20 definieren.

Im Dämpfungsstromkreis liegen zwei Dämpfungswiderstände 28 und 29, von denen der erstgenannte durch einen auf Nennfrequenz, also üblicherweise Hz. abgestimmten Sperrkreis 30 dann eingeschaltet wird, wenn Schwingungen auftreten, deren Frequenz unterhalb der Nennfrequenz liegt. Dagegen läßt die Sättigungsdrossel 31 den zweiten Dämpfungswiderstand 29 beim Auftreten von Schwingungen mit Nennfrequenz wirksam werden. Dadurch ist es möglieh, die Dämpfungswiderstände so zu dimensionieren, daß die bestmögliche Dämpfungswirkung bei den verschiedenen Schwingungen sichergestellt ist.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Spannungswandler mit einem kapazitiven Spannungsteiler und einem an diesen angeschlossenen, eine Primärwicklung sowie eine Sekundärwicklung zum Anschluß einer Bürde aufweisenden Zwischenspannungswandler, dem primärseitig eine den kapazitiven Widerstand des Spannungsteilers bei Betriebsfrequenz kompensierende Induktivität zugeordnet ist, sowie mit einem unerwünschte Schwingungen unterdrückenden Dämpfungswiderstand in einem Dämpfungs-

Stromkreis, der transformatorisch sowohl von dem Zwischenspannungswandler als auch von der als Induktivität wirksamen Anordnung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die als Induktivität wirksame Anordnung einen zusätz-

lieh zu einem geschlossenen Wandlcrkern (F i g. 3, 2) des Zwischenspannungswandlers vorhandenen Kern mit unterbrochenem Eisenweg (Slreukern 1) enthält und ein Schenkel des Slreukernes (1) gemeinsam mit einem Schenkel des Wandlerkernes (2) sowohl von der Primärwicklung (4) als auch von einer Wicklung zur Speisung des Dämpfungsstromkreises (Dämpfungswicklung 5) umschlungen ist, während weitere Schenkel dieser Kerne (1, 2) außerhalb der

Primärwicklung verlaufen.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (4) und die Dämpfungswicklung (5) konzentrisch angeordnet sind.

3. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungswicklung (5) von der Primärwicklung (4) konzentrisch umgeben ist.

4. Spannungswandler nach einem der Anspräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

Sekundärwicklung (7) auf dem von der Primärwicklung (4) umschlungenen Schenkel des Wandlerkernes (2) angeordnet ist.

5. Spannungswandler nach einem der Anspräche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine

mit dem niederspannungsseitigen Ende der Primärwicklung (4) elektrisch verbundene Resonanzabgleichwicklung (6) auf dem von· der Primärwicklung (4) umschlungenen Schenkel des Streukernes (1) angeordnet ist.

6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukern (1) in seinem von der Primärwicklung^) umschlossenen Bereich einen den

Eiscnwcg unterbrechenden Spalt (3) aufweist.

7. Spannungswandler nach einem dot Ansprüche 1 bis fi, dadurch gekennzeichnet, dnlJ der Wnndlerkcrn (2) und der Streukern (1)

Schenkelkerne mit eine gemeinsame Ebene bildenden Kernebenen sind (F i g. 3).
. 8. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkern und der Streukern Mantelkerne (10, 11) sind, deren Mitlelschenkel gemeinsam von der Primärwicklung (13) umschlungen sind (Fig. 5).

9. Spannungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Mantelkerne (10, 11) parallel zueinander angeordnet sind.

10. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (4; 13) eine in Richtung der Aufeinanderfolge der Kerne (1, 2; 10, 11) längliche Querschnittsform besitzt (F i g. 4 und 7).

11. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen auf den von der Primärwicklung umschlungenen .Kernschenkeln solche Querschnittsformen besitzen, daß sie den Raum innerhalb der Primärwicklung vollständig ausfüllen.

12. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Dämpfungsstromkreis mehrere Dämpfungs*- widerstände (28, 29) mit Mitteln (30, 31) zu ihrer frequenzselektiven Einschaltung liegen (F i g. 8).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen