DE2425614A1

DE2425614A1 - Spannungskonstanthalter fuer wechselstrom

Info

Publication number: DE2425614A1
Application number: DE19742425614
Authority: DE
Inventors: Alfred Max Hase
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-28
Filing date: 1974-05-27
Publication date: 1975-01-02
Also published as: SE398929B; AU501449B2; CH590521A5; FR2231999B1; AU6873074A; CA958462A; ATA433774A; BE815594A; GB1457693A; AT331927B; FR2231999A1

Description

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ALFRED MAX HASE, SCARBOROUGH, ONTARIO (KANADA)

Spannungskonstanthalter für Wechselstrom

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungskonstanthalter für Wechselstrom mit einem ferroresonänten Schwingkreis, bestehend aus einem Transformator mit Eisenkern und einem parallel zum Transformator liegenden Kondensator sowie einer im Eingang liegenden, in Reihe geschalteten Drossel mit Luftspalt,

Bekannte ferroresonante Spannungskonstanthalter bestehen

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einem Transformator mit Eisenkern, der normalerweise ein Aiitotransformator ist, und einer Drossel mit oder ohne Eisenkern sowie ferner einem Kondensator, der zumindest einen Teil der Wicklung des Transformators mit Bisenkern überbrückt. Die genannten Schaltelemente bilden einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz im Bereich der Netzfrequenz liegt. In der US-PS 3 611 116 wird beispielsweise ein Kreis beschrieben, der aus einem Transformator ohne Eisenkern und einem solchen mit Eisenkern, einem Au-fco transformator, besteht, wobei der Transformator ohne Eisenkern in Reihe mit einer der Wicklungen des Autotransformatörs liegt. Bei diesem bekannten Kreis ist der Kondensator in Reihe mit der Sekxmdärwicklung geschaltet und bildet so einen ferroresonanten Schwingkreis.

In der US-PS 3 662 254 wird ein weiterer ferroresonanter Kreis beschrieben, in dem der Transformator mit Eisenkern in Reihe mit einer Drossel liegt, bei dem aber die Kompensationswicklung in Reihe mit dem Ausgangskreis und dem Kondensator liegt« Eine zusätzliche Kompensationswicklung liegt in Reihe mit dem Kondensator, um SpannungsänderungeJi aufzuheben. Obwohl der Ausgang dieses Kreises gut stabilisiert ist, weist aber die Ausgangsspannung eine ungünstige Welligkeit auf und müsste normalerweise durch eine Gleichrichterschaltung geglättet werden.

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Dementsprechend weisen ferroresonante Kreise in Wechselspannunas-Konstanthaltern Nachteile auf? sie schließen auch die Tatsache ein, daß der ferroresonante Kreis eine ungünstige Welligkeit im Ausaana erbrinat und daher nicht vollständig befriedigt. Weitere Nachteile von ferroresonanten Kreisen liegen darin, daß Frecruenz- und SOannungsänderungen, die sich durch Laständerunaen und Änderungen in der Umaebungstemperatur einstellen, nicht kompensiert werden können. Da ferroresonante Kreise ferner im Bereich magnetischer Sättigung der Wicklungen arbeiten, ist die Anwendung solcher Kreisen normalerweise auf niedrige elektrische Leistungen beschränkt, da zusätzliche Wärmeverluste in den Transformatoren mit Eisenkern und in den anderen Schaltelementen des Kreises auftreten.

Andererseits treten bei Verwendxing ferroresonanter Kreise in Soannungskonstanthaltern für Wechselstrom auch Vorteile auf, die darin bestehen, daß sich ein auter Regelfaktor eraibt, und sich Reaelbereiche von plus oder minus 3.5% bezogen auf die Netzspannuna ohne weiteres realisieren lassen. Ferroresonante Kreise weisen eine große Regelgeschwindia-1< eit auf, die in der Größenordnung von weniger als einer Periode der Netzfrequenz liegen: und normalerweise tritt ein sehr aerinaes TJberschwinaen bzw. Unterschwinaen auf. Ferroresonante Kreise haben eine gute Strombearenzung und weisen einen rrroßen Wirkungsar ad auf_o

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Die bekannten Spannungskonstanthalter für Wechselstrom arbeiten im Bereich der magnetischen Sättigung, d.h. im oberen, gesättigten Bereich der Hysteresis, und der für die Transformatoren verwendete Stahl muß ausgesucht, d.h. möglichst in ein und derselben Richtung gewalzt sein. Da die Transformatoren mit magnetischem Kern im gesättigten Teil der Hysteresis arbeiten, sind sie allgemein auf relativ kleine elektrische Leistungen begrenzt, da relativ große Wärmeverluste auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die geschilderten Nachteile bekannter Konstanthalter zu vermeiden und einen Spannungskonstanthalter für Wechselstrom zu schaffen, der zwar einen ferroresonanten Kreis enthält, der jedoch auch für größere Leistungen verwendbar und in einfacher Weise mit vertretbaren Kosten zu erstellen ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Synchronschalter vorgesehen ist, der mindestens einen Teil der Wicklung des Transformators überbrückt und eine Steuerwicklung aufweist, die, sobald sie leitend wird, auch den Synchronschalter leitend macht, daß ferner am Ausgang des Spannungskonstanthalters eine spannungsabhängige Schaltung mit einer dreipoligen Halbleiterschaltung liegt, die bei unbelastetem Ausgang des Spannungskonstanthalters niederohmig ist, und daß schließlich eine eigene Stromversorgung für die

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Halbleiterschaltung und weitere Schaltelemente vorgesehen sind, und die Steuerwicklung in Reihe zu der Halbleiterschaltung gelegt ist.

Der erfindungsgemäße Spannungskonstanthalter kann auch bei hohen elektrischen Leistungen angewendet werden, dabei liegt am Ausgang der Regelschaltung eine sinusförmige Spannung mit relativ sehr kleiner Verzerrung. Da der Transformator immer im linearen Bereich der Hysteresis arbeitet, ist die Regelschaltung sehr gut als Wechselstromfilter und bei Invertern anwendbar. Da die Ausgangsspannung über einen relativ großen Bereich konstant gehalten werden kann, eignet sich die Schaltung zusammen mit entsprechenden Gleichrichtern sehr gut für die Aufladung von Akkumulatoren.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mittels einer Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Stromlauf des Spannungskonstanthalters,

Fig. 2 den Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Last.

An der elektrischen Schaltung (Fig. 1) liegt eine Eingangsspannung E, an, die Schaltung gibt eine Ausgangsspannung E₀ ab. Der Spannungskonstanthalter enthält einen ferroresonanten Schwingkreis, der auf der Basis der Frequenz der

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Ausgangsspannung E_Q arbeitet. Der ferroresonante Schwingkreis besteht im wesentlichen aus einem Transformator 12 mit einem Eisenkern, einem Kondensator 14, der den Transformator 12 parallel liegt und einer Drossel 16, die einen Luftspalt aufweist und in Reihe mit der Eingangsspannung E. liegt. Der Transformator 12, der ein Eisenkerntransformator ist, hat eine Eingangsseite 18 und eine Ausgangsseite 20. Er ist als " Autotransformator¹* ausgeführt, es kann aber auch ein Transformator mit getrennter Primär- und Sekundärwicklung verwendet werden. In jedem Fall ist der Kondensator 14 über den Transformator 12 so gelegt, daß er entweder der Eingangsseite 18 oder der Ausgangsseite 20 des Transformators 12 parallel liegt. Wenn der Transformator 12 als Autotransformator ausgeführt ist, liegt entsprechend der verwendeten Netzspannung die Drossel 16 an einer entsprechenden Anzapfung. Demgegenüber überbrückt der Kondensator 14 den gesamten Transformator 12. Die Anzapfung auf der Ausgangsseite 20 des Transformators 12 ist so gewählt, daß die Ausgangsspannung E₀ erreichbar ist«

Wenn der Transformator 12 als Transformator mit getrennten Wicklungen ausgeführt wird, dann liegt in an sich bekannter Weise die Eingangsspannung E, an der Primärwicklung des Transformators, die Ausgangsspannung E_n entsteht dann an seiner SekundärSeite. Die Drossel 16 kann mit der Eingangsspannung E₁ in Reihe liegen, und zwar an der Primärwicklung

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oder der Sekundärwicklung des Transformators 12J der Kondensator 14 kann entweder die Primär- oder die Sekundärwicklung des Transformators überbrücken,. In jedem Fall ist die Konfiguration aus Kondensator 14 und Drossel 16 mit dem entsprechenden Transformator so zu wählen, daß ein ferroresonanter Kreis entsteht, dessen Frequenz sich an derjenigen der Ausgangsspannung E_Q orientiert.

Der Transformator 12 weist eine Anzahl grober Anzapfungen 22 sowie eine Anzahl feiner Anzapfungen 24 auf. Die groben und feinen Anzapfungen können als primäre oder als sekundäre Wicklungen, oder auch beides, bei einem Transformator mit getrennten Wicklungen ausgeführt sein· oder sie können an einem Autotransformator wie aus Fig. 1 ersichtlich angeordnet sein. Die Drossel 16 kann ebenfalls mit Anzapfungen versehen sein. Sie ist ferner mit einem Luftspalt ausgestattet, der eine Strombegrenzung erlaubt. Zusätzlich kann man auch einen Kondensator 28 verwenden, der am Eingang des gesamten Kreises liegt und der Korrektur des Blindwiderstandes dient? ferner kann eine zusätzliche Drossel 30 auf der Ausgangsseite des Transformators 12 verwendet werden» Ebenfalls bekannt ist es, bei einem solchen Transformator 12 eine Wicklung zu verwenden, die einen optimalen Abgleich des ferroresonanten Kreises erlaubt und die über die Wicklung gelegt ist, an die der Kondensator 14 angeschlossen ist.

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Mindestens einem Teil der Wicklung des Transformators 12 ist ein ^MSynchronschalter" 32 parallel gelegt, der den Strom in der Wicklung beeinflussen kann, wie beispielsweise eine Eisendrossel oder ein magnetischer Verstärkerτ man könnte hierzu auch einen Gleichrichter oder Triacs verwenden, um zum gleichen Ergebnis zu kommen. Der Synchronschalter 32 weist eine Steuerwicklung 34 auf, die den Synchronschalter 32 niederohmig macht, sobald Strom durch die Steuerwicklung 34 fließt.

Es wurde schon erwähnt, daß der Synchronschalter 32 mindestens einem Teil der Wicklung des Transformators 12 parallel liegt. Wenn der Transformator 12 als Autotransformator ausgeführt ist, dann liegt der Synchronschalter 32 so, wie es die Fig. 1 zeigt? wenn der Transformator 12 aber ein solcher mit getrennten Wicklungen ist, dann wird der Synchronschalter 32 mindestens über einen Teil der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung gelegt. Der Zweck des Synchronschalters ist es, die Last des Kernes des Transformators 12 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung E_Q bei jeder beliebigen Last zu regeln, so daß der Transformator 12 im linearen Bereich seiner Hysterese arbeitet«, Dementsprechend ist die Verzerrung der Ausgangsspannung E_Q sehr klein. Der Synchronschalter 32 arbeitet als Grundlast für den Transformator 12.

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Durch Verwendung des Synchronschalters als Grundlast bzw. als Drossel parallel zu einem Teil der entsprechenden Wicklung des Transformators wird die Regelzeit des Kreises sehr klein gehalten. Dies kommt dadurch, daß die Grundlast ständig an einer konstanten Spannung liegt, da die konstante Spannung die Kreisspannung ist, so daß nur derjenige Strom geändert werden muß, der in der Grundlast-Drossel oder dem Synchronschalter als Laststrom fließt. Auf diese Weise beträgt die Regelzeit jeweils weniger als eine Netzperiode bzw. eine Periode der Ausgangsspannung.

Der Spannungskonstanthalter umfaßt ferner eine spannungsabhängige Schaltung, die über die Ausgangsklemmen liegt, einen Spannungsregler, eine Gleichstrombrücke, erforderliche geeignete Verstärker und einen Referenzkreis, der mit der spannungsabhängigen Schaltung gekoppelt ist und mit einer dreipoligen Halbleiterschaltung zusammenarbeitet? ferner ist eine Stromversorgung für die Halbleiterschaltung vorhanden. Ein Gleichrichter 36 (Fig. 1) liegt über den Ausgang des Spannungskonstanthalters. Ein Verstärker 38 wird von dem Gleichrichter 36 gesteuert. Eine Drossel 40 und ein Kondensator 42 liegen zwischen dem Gleichrichter 36 und dem Verstärker 38.

Ein Transformator 44 und ein Brückengleichrichter 46 bilden eine Stromversorgung? die Halbleiterschaltung 48 ist mit

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der Gleichstrom-Stromversorgung verbunden, die Halbleiterschaltung 48 besteht zweckmäßigerweise aus einem Transistor, wobei eine Leitung 50 an der Basis des Transistors liegt? oder die Halbleiterschaltung 48 kann ein SCR (Thyristor) sein, wobei dann die Leitung 50 zum Verstärker 38 vom Gate des SCR ausgeht. Die verbleibende elektrische Verbindung der Halbleiterschaltung zu dem Verstärker 38 geschieht über entsprechende abgeblockte Kreise, wie sie allgemein bekannt sind.

Die dreipolige Halbleiterschaltung 48 ist mit der Steuerwicklung 34 des Synchronschalters 32 so verbunden, daß die Steuerwicklung 34 mit der Halbleiterschaltung 48 in Reihe liegt. Der spannungsabhängige Verstärker 38 ist so ausgelegt, daß die Halbleiterschaltung 48 leitend ist, wenn keine Last am Ausgang des Spannungskonstanthalters liegt, und daß die Steuerwicklung 34 des Synchronschalters 32 ebenfalls leitend ist. Wenn keine Last am Spannungskonstanthalter liegt, ist der Synchronschalter 32 daher leitend und eine Grundlast liegt im ferroresonanten Kreis mit dem Transformator 12 und der Drossel 16. Der Transformator 12 muß daher im linearen Bereich seiner Hysterese arbeiten? wenn die Last des Spannungsregelkreises ansteigt, erfolgt eine Rückwirkung auf den Synchronschalter 32 über seine Steuerwicklung 34, die ihrerseits von der Halbleiterschaltung 48 beeinflußtwird. Schnelle Regelzeit bei Laständerung kann erreicht

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werden, eine sinusförmige Ausgangsspannung kann über den gesamten Lastbereich gehalten werden.

Wenn der Verstärker 38 über die Drossel 40 und den Kondensator 42 mit dem Gleichrichter 36 verbunden ist, dann wirkt der gesamte Kreis in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung E_. In diesem Fall kann der Synchronschalter 32 über seine Steuerwicklung -34 ähnlich einem Mittelwertgleichrichter mehr als ähnlich einem Spxtzenwertgleichrichter reguliert werden. Dementsprechend kann eine bessere Kurvenform der Ausgangsspannung und eine bessere Spannungsregelung erfolgen, dabei kann man eine größere Stabilität erreichen als bei einem reinen ferroresonanten Kreis.

Eine exakte Spannungskonstanthaltung wird dadurch erreicht, daß der Synchronschalter 32 über seine Steuerwicklung 34 gewissermaßen eine Rückkopplung darstellt. Da von den Ausgangsklemmen aus die Spannung genau reguliert wird, geschieht dies unabhängig von der Ausgangsspannung des eigentlichen ferroresonanten Kreises, da dessen Ausgangsklemmen nicht mit den Ausgangsklemmen des Spannungskonstanthalters identisch sind.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung nutzt ferner eine Rückkupplung, mit der erreicht wird, daß die Ausgangsspannung E₀ konstant gehalten wird unabhängig von Frequenzände-

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rungen der Eingangsspannung E₁·

Wenn der Synchronschalter 32 in Abhängigkeit von der an den Ausgangsklemmen liegenden Last gesteuert wird, dann wird der ferroresonante Kreis ebenfalls in Abhängigkeit davon be- oder entlastet, so daß eine konstante Ausgangsspannung E₀ mit einem günstigen Spitzenspannung^Effektivspannungs-Verhältnis.

Bei ferroresonanten Kreisen wird eine sinusförmige, geregelte Ausgangsspannung abgegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Spannungskonstanthalter kann an dessen Eingangsklemmen jede beliebige Kurvenform, von Rechteckform bis Sinusform, angelegt werden, an dessen Ausgang wird immer eine sinusförmige Spannung erscheinen.

Anhand der Pig. 2 wird der Spannungsverlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der angelegten Last verdeutlicht. Innerhalb eines Bereiches, für den der Spannungskonstanthalter ausgelegt ist, wird bis zu einer Stelle die Ausgangsspannung E_Q konstantgehalten. Sobald die Last weiter ansteigt, beginnt die Ausgangsspannung im Bereich 54 abzufallen, da dann in der Drossel 16 mit ihrem Luftspalt eine Strombegrenzung stattfindet, bis die Ausgangsspannung E₀ gegen Null zurückgeht. Dementsprechend ist der Spannungskonstanthalter gemäß Fig. 1 mit einer Überlastungssicherung

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ausgestattet. Sobald die Strombegrenzung arbeitet, wird der Eingangsstrom durch die Drossel 16 bestimmt und ist induktiv. Durch Verwendung des beschriebenen Kondensators 28 parallel zu den Eingangsklemmen (oder wenn der Kreis als Ausgangsregelkreis für Inverter verwendet wird und Rückkopplungsdioden enthält) dann kann der resultierende Eingangsstrom auf weniger als 20% des Vollast-Stromes reduziert werden. Bei voller Belastung des Ausganges geht die Ausgangsspannung E_Q auf Null zurück.

Wenn die Halbleiterschaltung 48 einen Fehler aufweist, dann wird die Steuerwicklung 34 kurzgeschlossen, weil ein Fehler in der Halbleiterschaltung einen Kurzschluß und nicht ein Auftrennen der Halbleiterschaltung 48 zur Folge hätte. Dementsprechend würde der Synchronschalter 32 in seine maximale Belastung für den ferroresonanten Kreis gesteuert, wodurch der Ausgang des Spannungskonstanthalters heruntergeregelt würde.

Die Halbleiterschaltung 48 kann auch parallel zu der Steuerwicklung 34 liegen, ähnlich einem parallelen Regelkreis für magnetische Verstärker, wie er beispielsweise in der CA-PS 882 798 beschrieben ist. Bei diesem Beispiel würde allerdings der parallele Kurzschlußkreis in der geschlossenen Rückkopplungsschleife liegen.

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Wenn andere Anzapfungen an der Drossel 16 verwendet wurden, so daß die an der Drossel 16 liegende Spannung größer wird, so findet eine größere Strombegrenzung statt.

Weil der ferroresonante Kreis durch eine Grundlast von dem Synchronschalter 32 belastet ist, wird der Magnetisierungsstrom reduziert und auf diese Weise werden auch die Wärmeverluste, die von dem Magnetisierungsstrom hervorgerufen werden, kleiner. Daher ist es möglich, eine höhere elektrische Leistung mit dem Spannungskonstanthalter zu verarbeiten, als dies bei bekannten Einrichtungen möglich ist. Außerdem kann man Kühleinrichtungen zusätzlich einsetzen, um große elektrische Leistungen verarbeiten zu können. Die Kosten für den erfindungsgemäßen Spannungskonstanthalter sind daher niedriger als bei bekannten Einrichtungen.

Es können zusätzlich Bauteile zu den Kreisen hinzugefügt werden, so wie z.B. der bereits erwähnte Kondensator 28 zur Korrektur des Formfaktors sowie eine zusätzliche Drossel 30 zur Verbesserung des Schwingverhaltens des gesamten Kreises. Der Synchronschalter 32 besteht normalerweise aus Spulen mit Eisenkernen oder aus einer anderen, phasenschiebenden Einrichtung, beispielsweise einem magnetischen Verstärker mit einer Steuerwicklungτ der Synchronschalter kann auch durch eine entsprechende Gleichrichterschalteng realisiert werden. Der Halbleiterschalter 48 schließlich kann

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aus einem Transistor oder aus einem Halbleitergleichrichter bestehen? in jedem Fall ist die Halbleiterschaltung aber in Reihe mit der Steuerwicklung 34 gelegt und bildet somit eine geschlossene Rückkopplungsschleife. Durch die Hinzufügung der Drossel 40 und des Kondensators 42 in die spannungsabhängigen Kreise wird der ferroresonante Kreis abhängig vom Mittelwert der Spannung und nicht abhängig von deren Spitzenwert.

Wenn man drei Schaltungen nach Fig. 1 verwendet, kann man ein Dreiphasensystem entsprechend regeln.

Die beschriebene Schaltung kann insbesondere für Gleichstromversorgungsgeräte Anwendung finden, die Eingangsspannung muß aber immer Wechselspannung sein, um den ferroresonanten Kreis betreiben zu können.

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Claims

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1. } Spannungskonstanthalter für Wechselstrom mit einem

ferroresonanten Schwingungskreis, bestehend aus einem Transformator mit Eisenkern und einem parallel zum Transformator liegenden Kondensator sowie einer im Eingang liegenden, in Reihe geschalteten Drossel mit Luftspalt, dadurch gekennzeichnet , daß ein Synchronschalter (32) vorgesehen ist, der mindestens einen Teil der Wicklung des Transformators (12) überbrückt und eine Steuerwicklung (34) aufweist, die, sobald sie leitend wird, auch den Synchronschalter leitend macht, daß ferner am Ausgang des Spannungskonstanthalters eine spannungsabhängige Schaltung (36, 38, 48, 46) mit einer dreipoligen Halbleiterschaltung (48) liegt, die bei unbelastetem Ausgang des Spannungskonstanthalters niederohmig ist, und daß schließlich eine eigene Stromversorgung für die Halbleiterschaltung (48) und weitere Schaltelemente vorgesehen, und die Steuerwicklung (34) in Reihe zu der Halbleiterschaltung (48) gelegt ist.

2. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Synchronschalter (32) aus einer oder mehreren Spulen mit Eisenkern besteht. 409881/0343

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3. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß die Halbleiterschaltung (48) ein Transistor ist.

4. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß die Halbleiterschaltung (48) ein Halbleitergleichrichter ist.

5. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transformator (12) ein Autotransformator ist.

6. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transformator (12) getrennte Primär- und Sekundärwicklung aufweist.

7. Spannungskonstanthalter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß eine Drossel ((40) zwischen dem Gleichrichter (36) und dem Verstärker (38) vorgesehen ist, und ein Kondensator (42) parallel zu dem Verstärker (38) liegt.

8. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß über dessen Eingang ein Kondensator (28) parallel liegt, und eine Drossel (16) mit Luftspalt in Reihe mit dem Transformator (12) und

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in dessen Eingangsleitung liegt.

9. Spannungskonstanthalter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß der Synchronschalter (32) von dessen Steuerwicklung (34) und diese von der Halbleiterschaltung (48) beeinflußt werden.

10. Spannungskonstanthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (14)
am Ausgang des Transformators (12) liegt.

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