DE2161558A1 - Konstantstrom-Transformator - Google Patents

Konstantstrom-Transformator

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DE2161558A1
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DE
Germany
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constant current
leg
transformer
voltage
winding
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Application number
DE19712161558
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English (en)
Inventor
William Wolf Los Angeles Calif. Buchman (V.St.A.)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/08High-leakage transformers or inductances
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/04Regulating voltage or current wherein the variable is ac
    • G05F3/06Regulating voltage or current wherein the variable is ac using combinations of saturated and unsaturated inductive devices, e.g. combined with resonant circuit

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Description

  • Konstantstrom-Transformator.
  • Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 100 227 vom 21. Dezember 1970 in Anspruch genommen.
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der zur Umwandlung von Konstantspannungen in Konstantströme dienenden elektrischen Schaltungen und insbesondere auf einen derartige Eigenschaften aufweisenden und insbesondere zur Aufladung von Kondensatoren auf hohe Spannungen geeigneten Konstantstrom- oder Regeltransformator.
  • Bekannte Kondensator-Ladestromschaltungen, die zur Speicherung hoher Spannungen in Kondensatorblöcken eingesetzt werden, weisen einen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Aufwärts transformator und eine mit der Sekundärseite des Transformators verbundene Gleichrichterschaltung auf.
  • Zur Erzielung des bestmöglichen Wirkungsgrades sollte der Primärstrom mit zunehmender Aufladung des Kondensators gleichphasig mit der Primärspannung zunehmen. Somit ergibt sich bei Gleichphasigkeit von Primärspannung und -strom der Leistungsfaktor eins, so daß Leitungen von kleinerem Querschnitt verwendet werden können. Bei bekannten Aufladeverfahren wird ein induktiver Ballast verwendet, der zu einem niedrigen Leistungsfaktor führt, oder es werden auch Phasensteuerschaltunget einge8etzt, die keine nennenswer*e Yerb¢ß6er9% zur Folge haben. Bei verschiedenen anderen Verfahren wie z.B.
  • der Resonanzaufladung werden zusätzliche Schaltungselemente benötigt, und es werden nicht immer gute Wirkungsgrade erzielt.
  • Bekanntlich lassen sich auch bestimmte Ausführungen von Schaltungen mit reaktiven Elementen zur Impedanztransformation verwenden. Auf diese Weise läßt sich z.B. eine Konstantspannungsquelle (mit der Impedanz null) in eine Konstantstromquelle (mit-unendlich hoher Impedanz) transformieren. Eine Schaltung dieses Typs ist das monozyklische Quadrat nach Steinmetz. Andere Schaltungen bestehen wiederum aus T-Schaltungen mit drei Elementen und einem gegenüber den in Reihe liegenden Zweigen unterschiedlichen Nebenschlußzweig. Diese Schaltungen werden mit der Ausgangsseite eines Aufwärtstransformators verbunden und liefern eine ziemlich hohe Spannung verhältnismäßig konstanter Stromstärke, die gleichgerichtet und zur Aufladung eines Kondensators verwendet werden kann.
  • Durch die Erfindung soll nunmehr eine Konstantstromquelle für höhere Spannungen geschaffen werden, die insbesondere zur Aufladung von Kondensatorblöcken mit einem Leistungsfaktor von im wesentlichen gleich eins geeignet ist.
  • Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Transformator in der Weise auszubilden, daß die Merkmale der monozyklischen Schaltung im Aufbau des Transformators selbst bereits enthalten sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Konstantstromquelle mit einem sehr hohen und nahezu dem Wert eins entsprechenden Leistungsfaktor für eine aufwärtstransformierte Spannung vermittels einer lediglich aus einem Transformator bestehenden Schaltung zu schaffen, so daß es nicht erforderlich ist, außer dem Transformator eine zusätzliche monozyklische Schaltung vorzusehen.
  • Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Transformator enthäit das Äquivalent von induktiven Reaktanzen, bewirkt gleichzeitig eine Aufwärtstransformierung der Spannung und ist entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gekennzeichnet durch einen dreischenkligen Transformatorkern mit einer auf dem ersten Schenkel angeordneten und mit der Spannungsquelle verbindbaren Primärwicklung, einer auf dem zweiten Schenkel angeordneten und mit der Last verbindbaren Sekundärwicklung und einer auf dem dritten Schenkel angeordneten und an ihren Enden mit einer Impedanz vorgegebener Größe verbundenen dritten Wicklung und durch zur Vorgabe eines vorbestimmten magnetischen Widerstandes dienende Luftspalte vorgegebener Größe, wobei die Induktivitäten der drei Wicklungen -und die Impedanz vorgegebener Größe derart ausgelegt sind, daß durch die Konstantstromquelle bei der Frequenz der Wechselspannungsquelle ein konstanter Strom mit einem Leistungsfaktor von angenähert gleich eins abgebbar ist. Dabei läßt sich der magnetische Widerstand des Magnetkreises durch Verstellen der Luftspalte verändern, wodurch der Wert der äquivalenten induktiven Reaktanzen entsprechend verändert wird. Dadurch daß die an die Wicklung des dritten Schenkels angelegte Impedanz aus einer Kapazität besteht, lassen sich die für die Konstantspannungs-Konstantstrom-Transformation gestellten Bedingungen erfüllen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen alle drei Schenkel des Transformatorkerns jeweils einen Luftspalt auf, und gemäß einer anderen Ausführungsform sind nur der erste und der zweite Schenkel jeweils mit einem Luftspalt versehen. Bei der letztgenannten Ausführung kann die zur Erzielung der gewünschten Konstantspannungs-Konstantstrom-Transformation an die dritte Wicklung angelegte vorgegebene Kapazität nur halb so groß wie die bei der erstgenannten Ausführung benötigte Kapazität bemessen sein.
  • Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert, in welcher Fig. 1 eine bekannte Schaltung typischer Ausführung zur Abgabe eines Konstantstroms hoher Spannung an eine Last, ausgehend von einer angelegten niedrigen Wechselspannung, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines dreischenkligen Transformators als Konstantstrom-Ladekreis für einen Kondensatorenblock, Fig. 3 das Ersatzschaltbild des in Fig. 2 dargestellten Transformators, und Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transformators ist.
  • In Fig. 1 ist eine Schaltung bekannter Ausführung dargestellt, die zur Abgabe eines konstanten Stroms bei hoher Spannung an eine Last verwendet werden kann. Bei dieser Schaltung ist eine eine konstante Spannung führende Wechselspannungseingangsleitung 10 mit der Primärwicklung eines Transformators 11 verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit den Verbindungspunkten J1 und J2 eines monozyklischen Quadrats 12 (monocyclic square) nach Steinmetz verbunden, wobei sich jedoch auch andere Schaltungen verwenden lassen. Diese Quadrat- oder Brückenschaltung weist in sich gegenüberliegenden Zweigen jeweils Kondensatoren C bzw.
  • Induktivitäten L auf. Die beiden anderen, sich diagonal gegenüberliegenden Verbindungspunkte J3 und J4 sind mit einer Last 13 verbunden.
  • Vermittels der Kapazitäten und Induktivitäten der in Fig. 1 dargestellten Schaltung lassen sich Schwing- oder Resonanzkreise und Entkopplungskreise bilden, vorausgesetzt, daß die Bedingung <i>2 2 = 1 erfüllt ist, in welcher w das LC 2s-fache der Frequenz der Wechselspannungsquelle ist. Wie ohne weiteres zu ersehen ist, wird der Last 13 unabhängig von ihrer Beschaffenheit ein konstanter Strom zugeführt. Wenn sich beispielsweise die Impedanz der last dem Wert null nähert wie es beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses auftreten könnte, bilden die Kapazitäten und Induktivitäten im wesentlichen parallele, abgestimmte Kreise mit einer gegen Unendlich gehenden Impedanz zwischen Quelle und Anschlußpunkten. Daher kann die Stromzufuhr zur Last konstant gehalten werden. Wenn jedoch die Last einen offenen Stromkreis bildet oder einen nahezu unendlichen Impedanzwert annimmt, bilden die in Reihe geschalteten abgestimmten Kreise aus den Kondensatoren und Induktivitäten zwischen Quelle und Verbindungspunkten eine Impedanz von im wesentlichen dem Wert null, so daß der Höchststrom abgegeben wird. Zwischen diesen beiden Extremwerten wird der Last stets ein konstanter Strom zugeführt.
  • In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäß abgeänderter Transformator mit zugeordneter Impedanz entsprechend der Erfindung dargestellt, welcher die Aufgabe des Transformators und der von diesem getrennten monozyklischen Schaltung der Fig. 1 mit einem höheren Leistungsfaktor erfüllt. Der Transformator weist entsprechend der schematischen Darstellung einen dreischenkligen-Transformatorkern 14 auf, dessen Schenkel jeweils einen Luftspalt 15, 16 bzw. 17 aufweisen. Die Primärwicklung des Transformators ist bei 18 dargestellt, umgibt einen ersten Wicklungsschenkel und ist unmittelbar mit der eingangsseitigen Konstantwechselspannungsquelle verbunden. Auf dem in der Mitte dargestellten dritten Schenkel befindet sich eine Wicklung 19, die mit einer vorgegebenen Impedanz Z2 verbunden ist. Auf dem zweiten Wicklungsschenkel befindet sich eine sekundäre Wicklung 20, die mit der Last verbunden ist und im Falle der Fig. 2 aus einem Gleichrichter 21 und einem Speicherkondensator 22 besteht.
  • Zur Analyse der Schaltung von Fig. 2 sei angenommen, daß V1, V2 und V3 die Spannungen jeweils an den Wicklungen 18, 19 bzw. 20, und I1, I2 und I3 jeweils den Strom in den betreffenden Wicklungen darstellen.
  • Da die Summe des Gesamtflusses den Wert null ergeben muß, addieren sich die zeitlichen Ableitungen (d.h. die Spannungen) zu null wie folgt: V1 + V2 + V3 = 0 (1) Da außerdem die magnetomotorische Kraft an jedem Schenkel gleich groß sein muß, ergeben sich die folgenden Beziehungen: I1 - R1¢1 = I2 - R2¢2 = I3 - R3s3 (2) wobei die Werte R einen der Reluktanz,d.h. dem magnetischen Widerstand in jedem Zweig proportionalen Parameter darstellen.
  • Für die Kreisfrequenz w ergibt sich j 11 - R1V1 = ju I2 - R2V2 = jx I3 - R3V3 (3) Wenn die Impedanz Z2 mit der Wicklung auf dem dritten Schenkel verbunden wird, ergibt sich V2 = - I2 Z2 (4) Aus den vorstehenden Gleichungen läßt sich das Ersatzschaltbild für den Transformatorkern und dessen Wicklungen in bezug auf die Primär- und die Sekundärwicklung herleiten.
  • Dieses Ersatzschaltbild ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Induktivitäten jeweils gleich sind den Kehrwerten der entsprechenden Reluktanzen.
  • Wenn als Impedanz Z2 ein Kondensator verwendet wird, lassen sich die für die Konstantspannungs-Konstantstrom-Transformation erforderlichen Bedingungen erfüllen. Wenn insbesondere sämtliche Schenkel und Luftspalte gleich bemessen sind und jede Indukt-ivität den Wert L aufweist, ergibt sich der für die Kapazität erforderliche Wert zu C= 2 2 2 L Die vorstehende Bedingung muß zur Erzielung von Parallelresonanz erfüllt sein. Der an die Last abgegebene Konstantstrom I wird vorgegeben durch die folgende Gleichung in welcher V die konstante Eingangsspannung ist.
  • Somit ergeben sich die Werte für die Komponenten L und C zu L -CUC und C Wenngleich sich ein einfacherer Transformator-aufbau ergibt, wenn sämtliche Luftspalte gleiche Größe aufweisen und jeder Schenkel mit einem solchen Luftspalt versehen ist, ergeben sich für die Größe des Kondensators C (Z2) wirtschaftlichere Werte, wenn nur in dem ersten und dem zweiten Schenkel jeweils ein Luftspalt vorhanden ist.
  • In Fig. 4 ist daher ein Transformatorkern 23 dargestellt, der nur im ersten und zweiten Schenkel jeweils einen Luftspalt 24 bzw. 25 aufweist. Die Induktivitäten der Wicklungen sind mit L1, L2' bzw. L3 bezeichnet. Ohne Luftspalt in dem dritten Schenkel 26 nimmt L2' einen nahezu unendlich hohen Wert an.
  • Unter diesen Bedingungen ergeben sich folgende Beziehungen: : 21L und I = juCV 2 und die Werte für die Komponenten L und C lassen sich bestimmen aus L = A und C = Für die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist daher im Vergleich zur Schaltung der Fig. 2 nur eine Kapazität von halber Größe erforderlich.
  • Bei beiden dreischenkligen Transformatorkernen, die in den Figuren 2 und 4 dargestellt sind, wird der Eisenquerschnitt des zweiten Schenkels so bemessen, daß Sättigung auftritt, wenn die sekundäre Ausgangsspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Die Arbeitsweise der in den Figuren 2 und 4 dargestellten Transformatorschaltungen ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung. Wenn ein Kondensator wie z.B. 22 über den Gleichrichter 21 aufgeladen wird, fließt der sekundäre Grundnennstrom, wohingegen der Primärstrom zu Beginn der Aufladung niedrig ist. Mit zunehmender Aufladung nimmt der Primärstrom gleichphasig mit der Primärspannung zu. Somit ergibt sich ein Leistungsfaktor von angenähert gleich eins.
  • Das herausragende Merkmal, welches darin besteht, daß ein Leistungsfaktor von im wesentlichen gleich eins erhalten wird, bleibt auch dann erhalten, wenn die Schaltung für einen anderen Zweck als zum Aufladen eines Kondensators verwendet wird, bei dem eine Quelle hoher Impedanz benötigt wird. Aus diesem Grunde ist der erfindungsgemäß ausgebildete Konstantstrom-Transformator nicht nur auf das hier dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • - Patentansprüche: -

Claims (5)

  1. Patentansprche : fm Konstantstrom-Transformator zur Umwandlung einer eine konstante Wechselspannung führenden Spannungsquelle in eine einer Last einen konstanten Strom mit angenähert einem Leistungsfaktor eins zuführende Stromquelle, gekennzeichnet durch einen dreischenkligen Transformatorkern (14, 23) mit einer auf dem ersten Schenkel angeordneten und mit der Spannungsquelle (10) verbindbaren Primärwicklung (18), einer auf dem zweiten Schenkel angeordneten und mit der Last (21, 22) verbindbaren Sekundärwicklung (20) und einer auf den dritten Schenkel angeordneten und an ihren Enden mit einer Impedanz (Z2) vorgegebener Größe verbundenen dritten Wicklung (19) und durch zur Vorgabe eines vorbestimmten magnetischen Widerstandes dienende Luftspalte (15, 16, 17) vorgegebener Größe, wobei die Induktivitäten (L1, L2, L3) der drei Wicklungen und die Impedanz (Z2) vorgegebener Größe derart ausgelegt sind, daß durch die Konstantstromquelle bei der Frequenz der Wechselspannungsquelle ein konstanter Strom mit einem Leistungsfaktor von angenähert gleich eins abgebbar ist.
  2. 2. Konstantstrom-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten und dem zweiten Schenkel des Transformatorkerns (23) jeweils ein Luftspalt (24, 25) ausgebildet ist, der dritte Schenkel (26) des Kerns keinen Luftspalt aufweist, die Induktivitäten (Ll, L3) des ersten und des zweiten Schenkels gleich groß sind und die Impedanz (Z21) vorgegebener Größe aus einem Kondensator besteht, dessen Kapazität einem durch die Formel C = 2 vor-L gegebenen Wert entspricht, worin C die Kapazität der ersten bzw. der zweiten Wicklung und U das 2s-fache der Frequenz ist.
  3. 3. Konstantstrom-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten und dem zweiten Schenkel des Transformatorkerns (14) jeweils ein Luftspalt (15, 17) ausgebildet ist, der dritte Schenkel des Transformatorkerns ebenfalls mit einem Luftspalt (16) versehen ist, die Induktivitäten gleiche Werte aufweisen und die Impedanz (Z2) vorgegebener Größe aus einem Kondensator besteht, dessen Kapazität einem durch die Formel C = 2 w2L Wert entspricht, worin C die Kapazität, L die Induktivität jeder Wicklung und X das 2ir-fache der Frequenz ist.
  4. 4. Konstantstrom-Transformator nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einer Gleichrichterschaltung (21) und einem mit dieser verbundenen Speicherkondensator (22) bestehende Last mit der Sekundärwicklung (20) verbunden ist, vermittels des Transformators eine aufwärtstransformierte Spannung erzeugbar und der Speicherkondensator mit im wesentlichen konstantem Ladestrom auf eine wesentlich höhere Spannung als die der Spannungsquelle (10) aufladbar ist.
  5. 5. Konstantstrom-Transformator nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenquerschnitt des zweiten Schenkels so bemessen ist, daß Sättigung auftritt, wenn die sekundäre Ausgangsspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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