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Konstantstrom-Transformator.
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Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.
Anmeldung Serial No. 100 227 vom 21. Dezember 1970 in Anspruch genommen.
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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.
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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.
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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.
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der Resonanzaufladung werden zusätzliche Schaltungselemente benötigt,
und es werden nicht immer gute Wirkungsgrade erzielt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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Induktivitäten L auf. Die beiden anderen, sich diagonal gegenüberliegenden
Verbindungspunkte J3 und J4 sind mit einer Last 13 verbunden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dieses Ersatzschaltbild ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Induktivitäten
jeweils gleich sind den Kehrwerten der entsprechenden Reluktanzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- Patentansprüche: -