-
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben
werden, die beispielsweise Ausführungsformen von Stelltransformatoren mit elektronischer
Anschnittsteuerung zeigen sowie mittels dieser Transformatoren vorgebbare Anschnittverläufe
von Sinuswellen, wie sie sekundärseitig erzeugt werden können. Es bedeutet: F i
g. 1 einen Schenkelquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stelltransformator
mit einer Mehrzahl von Primärwicklungen, die von einer Sekundärwicklung umschlossen
sind,
F i g. 2 das Grundschaltbild der Phasenanschnittsteuerung
des Stelltransformators von F i g. 1 unter Verwendung von Diac- und Triac-Schaltbausteinen,
F i g. 3 einen Schenkelquerschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Stelltransformators
in Abänderungzu F i g 1, F i g. 4a eine Diagrammdarstellung des Verlaufs der Sekundärspannung
für Phasenerstanschnittwinkel von 1500, 1200,900,600,300 und jeweils 10° Zündzeitpunktverschiebung
des Stelltransformators nach F i g. 1, wobei zur Vereinfachung die dadurch entstehenden
Spannungszeitflächen innerhalb ein und derselben Sinushalbwelle gezeichnet wurden,
F i g. 4b eine gegenphasige Darstellung eines Feinstufenanschnitts gemäß F i g.
4a, F i g. 4c den Verlauf der Erstanschnittkurven für einen Feinstufenanschnitt
eines Stelltransformators gemäß F i g. 1, entsprechend der Darstellung von F i g.
4a, wobei diese auf einen Grobstufenspannungsverlauf gleicher Frequenz und Amplitude
aufaddiert ist, F i g. 4d den Verlauf bei einer gegenphasigen Addition auf eine
Grobstufe bzw. bei Substraktion von zwei Grobstufen, F i g. 4e eine Diagrammdarstellung
gemäß den vorhergehenden, nach der eine Addition der Feinstufensummierung auf zwei
Grobstufen von untereinander gleicher Phase und Amplitude verdeutlicht ist, und
F i g. 4f eine graphische Darstellung entsprechend F i g. 4d bei Substraktion der
Feinstufen von drei Grobstufen.
-
Der in F i g. 1 im Schenkelquerschnitt schematisch gezeichnete Stelltransformator
setzt sich aus neun Eisenkernen Kl bis K9 mit zugehörigen Primärwicklungen P1 bis
P9 zusammen, die gemeinsam von einer einzigen Sekundärwicklung S umschlossen sind.
Die einzelnen Primärwicklungen sind mit ihren Kernen hierbei so angeordnet, daß
sich die von ihnen erzeugbaren Magnetfelder addieren, wofür sie im dichten Abstand
parallel zueinander liegen, so daß der einen Sekundärwicklung S die Summe der Einzelmagnetflüsse
praktisch nur mit den üblichen geringen Streuverlusten zufließen Ein Transformator
dieses Aufbaus addiert in Analogie der Summation von Teilströmen einzelner parallelgeschalteter
Stromkreise zu einem Gesamtstrom die einzelnen Magnetflüsse, die durch die an die
Primärwicklungen Pi bis P9 angelegten Wechselströme erzeugt werden, zu einem Gesamtmagnetfluß,
so daß in der Sekundärwicklung S eine Spannung induziert wird, die abhängig ist
von der Summe der Einzelmagnetflüsse, für die es dann unwesentlich ist, in wieviel
Einzelkerne die Primärspulenanordnung letztlich aufgeteilt ist Unwesentlich ist
bei dieser Anordnung insbesondere auch, ob bei einer beliebigen Anzahl an Einzelkernen
K 1 bis K 9 mit zugehörigen Primärwicklungen P1 bis P9 diese untereinander gleich
ausgelegt sind oder ob -wie F i g. 3 zeigt - Primärwicklungsanordnungen verwendet
werden, die sich aus Einzelkernen unterschiedlicher Größe und verschiedener Flußliniendichte
zusammensetzen. Nach dem Prinzip von F i g. 1 läßt sich vielmehr ein Stelltransformator
herstellen, bei dem um beliebig viele mit jeweils einer Primärwicklung versehene
Eisenkerne beliebigen Querschnitts und beliebiger Form eine Sekundärwicklung gelegt
ist Fig.2 zeigt die Verdrahtung der Kerne K 1 bis K9 unter Verwendung einer Phasenanschnittsteuerung
für jeden einzelnen Kern. Als elektronische Schalter werden hierbei Triac-Bauelemente
eingesetzt, also
Antiparallelschaltungen von zwei Thyristoren mit gemeinsamer Steuerelektrode.
Die zu steuernde Wechselspannung wird an die beiden Anoden des Triac gelegt, so
daß im Ruhezustand der Triac in beiden Richtungen sperrt Die Verdrahtung der einzelnen
Kerne K 1 bis K9 bzw. ihrer zugehörigen Primärspulen ist so getroffen, daß jeweils
das eine Ende der Spule mit dem einen Netzpol verbunden ist, während das zweite
Ende über je einen Triac Tl bis T9 mit dem zweiten Netzpol in Verbindung steht Parallel
zu jedem Triac T 1 bis T9 liegt ein RC-Glied R 1, C1 bis R 9, C9. Der Widerstand
der RC-Glieder nimmt somit vom Kern K 1 bis zum Kern K9 um jeweils einen Schritt
zu, wobei es sich um konstante Beträge, also eine linerare Stufenzunahme, handelt,
die nach einer anderen beliebigen Funktion vorgewählt sind. Die Steuerelektrode
jedes Triac T1 bis T9 ist in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise jeweils zwischen
Kondensator Cl bis C9 und Widerstand R 1 bis R 9 geschaltet Da die in der Sekundärwicklung
S des Transformators nach F i g. 1 induzierte Spannung proportional der Änderung
des Gesamtmagnetflusses nach der Zeit ist und der Gesamtmagnetfluß sich aus der
Addition der Teilflüsse zusammensetzt, entspricht auch die induzierte Spannung in
jedem Augenblick und damit der Spannungsverlauf der Summe aller Momentanwerte der
Teilflüsse, die nunmehr aber infolge der elektronischen Ansteuerung jedes Einzelkerns
gemäß Fig.2 beliebig regelbar sind. Entsprechend dem Phasenanschnitt der Sinuswelle,
der für jeden einzelnen Kern K 1 bis K9 zufolge der unterschiedlich ausgelegten
RC-Glieder zu verschiedenen Zeiten erfolgt, ändert sich auch der Gesamtmagnetfluß
in entsprechender Weise, so daß sich für jeden Phasenanschnitt eine stufenweise
Veränderung der Sekundärspannung in der Sekundärwicklung S ergibt Mit steigender
Anzahl an Eisenkernen K1 bis K 9 und der damit wachsenden Anzahl an Anschnittpunkten
innerhalb einer Halbwelle der Sinusnetzspannung bei gleichzeitiger Aufteilung der
Anschnittschaltleistung und damit der Anschnitthöhe wird die aufgezeigte stufenförmige
Beeinflussung der Sinusform immer geringer, so daß sich theoretisch bei der Verwendung
einer sehr großen Zahl von Eisenkernen nur noch unendlich kleine Aänderungen für
die Zuschaltung jedes neuen Kerns ergeben, also ein praktisch reiner Sinusverlauf
der Sekundärspannung, die dann jedoch beliebig steuerbar ist Je größer also die
Zahl der Anschnittmöglichkeiten, desto kleiner ist die Stufung in der Sinuswellenform
und um so geringer ist der Störgrad, der die Abweichung von der Idealform repräsentiert
Die eingangs erwähnten, störenden Einflüsse, die mit der Phasenanschnittsteuerung
auf das Netz zurückwirken und zu denen auch erhebliche hochfrequente Funkstörspannungen
gehören können, haben dazu geführt, daß seitens des VDE Grenzwerte definiert wurden,
die als Grob-, Normal- und Kleinstörgrad bezeichnet werden und entsprechend die
Abkürzung »G«, »G«, »N« und »K« tragen. Mit einem Transformatoraufbau, wie unter
Bezugnahme auf F i g. 1 und 2 beschrieben, aber auch wie in F i g. 3 dargestellt,
lassen sich nun verschiedene Kernquerschnittgrößen herstellen, die auf die genormten
Grobstör- und Feinstörgrade abgestimmt sind, und die sich in der jeweils gewünschten
Weise überlagern lassen, wobei der Phasenanschnitt jedes Eisenkerns, der der Grobstufung
zugeordnet wird, im Nullpunkt erfolgen kann, während der Anschnitt von Phasenwinkeln,
die sich nicht durch einen Nulldurchgang
der Sinuswelle kennzeichnen,
so vorgenommen werden kann, daß er im Bereich der Feinstufung liegt.
-
Wesentlich ist hierbei, daß die Anschnittpunkte der Feinstufung derart
in ihren zeitlichen Abständen gleich gewählt werden, daß sich eine Restwelligkeit
der entstehenden Quasi-Sinuskurve ergibt, die mit einer konstanten Frequenz eine
Amplitude aufweist, die die durch die Feinstufung vorgegebene Störgrad-Normierung
nicht überschreitet F i g. 3 soll ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel für eine
Eisenkernaufteilung wiedergeben, bei dem Grobstufungen von Feinstufungen überlagert
werden können, wie das nachfolgend an Hand der F i g. 4c bis 4f noch näher erläutert
werden wird. Danach setzt sich der Stelltransformator aus zwei Kernen Kg 1 und Kg
1 für die Grobstufung und im Ausführungsbeispiel insgesamt sieben Kernen Kf 1 bis
Kf 1 für die Feinstufung zusammen, die gemeinsam wiederum von einer Sekundärspule
S' umschlossen sind. Die Lage und Anzahl der einzelnen Kerne und ihrer zugehörigen
Primärwicklungen ist selbstverständlich beliebig variierbar und den jeweiligen Anforderungen
entsprechend anpaßbar.
-
Die oben beschriebene Phasenanschnittsteuerung eines Stelltransformators
ces Aufbaus nach F i g. 1 mit der Triac-Schaltung nach F i g. 2 führt zu Kurvenverläufen,
wie sie in übereinandergelagerter Zusammenstellung in den F i g. 4a und 4b wiedergegeben
sind. Obwohl nach der Schaltung gemäß F i g. 2 jeder Widerstand des jedem Triac
zugeordneten RC-Gliedes eine Zündpunktverschiebung von 10° der Sinushalbwelle ergibt,
sind in Fig. 4a und 4b nur jeweils die Kurven bei 1500, 1200, 90", 600, usw., eingezeichnet;
und zwar in F i g. 4a für die positive Sinushalbwelle und in F i g. 4b für die gegenphasige
Halbwelle. In zeitlicher Aufeinanderfolge sieht das so aus, daß zufolge des Durchschaltens
der Triac Tl bis T9 mit den gestaffelten Anschnittzeiten erst sehr kleine Spannungszeitflächen
entstehen, die mit jeder weiteren Durchschaltung des nächsten Triac immer größer
werden bis zum vollen Sinuswellenverlauf der Netzspannung, was entsprechend auch
für die erzeugten Magnetflüsse und damit für die in der Sekundärspule induzierte
Spannung gilt, wobei der erste Zündzeitpunkt nach Fig.4a bei 1500, der zweite bei
1200, der dritte bei 90", der nächste bei 60° und so weiter, zeichnerisch dargestellt
ist und sich damit die entsprechenden Stufenkurven, die bei Mittelung der Stufen
jedoch immer einen annähernden Sinusverlauf zeigen, ergeben.
-
Die so erhaltenen, zeitlich aufeinanderfolgend zunehmenden Anteile
der phasenanschnittgesteuerten Wechselspannung gelten in der Schaltung nach F i
g. 2 jedoch nur für einen bestimmten Wert des sich aus dem Widerstand R8 und dem
Kondensator C, zusammensetzenden RC-Gliedes. Bei Veränderung des Stellwiderstandes
Ra läßt sich damit der angedeutete Kurvenverlauf etwa bei 1800 der Halbwelle mit
dem Kern 1 beginnend dermaßen allmählich rückwärts nach 0° verschieben, daß ein
kontinuierlicher Übergang zwischen den einzelnen Anschnittwerten möglich wird; zuerst
schaltet jeweils der zum Kern t gehörende Triac durch bis schließlich zuletzt auch
der Triac T9 des Kern K 9 durchgeschaltet hat, wodurch sich dann die Gesamtheit
der magnetischen Einzelflüsse aller neun Eisenkerne voll addiert. Es versteht sich
in diesem Zusammenhang von selbst, daß neben der beispielsweise angegebenen Triac-Steuerung
die Phasenanschnittsteuerung der Sinuswelle auch durch jede andere hierfür
geeignete
Triggerschaltung verwirklicht werden kann.
-
F i g. 4c zeigt die Addition von durch Phasenanschnitt vorgebbaren
Summen-Maguetflüssen, entsprechend dem Verlauf der hierdurch induzierbaren Sekundärspannung,
gleichfalls für Erstanschnittwinkel von 1500, 1200,900,600 usw, gemäß F i g. 4a
mit dem Unterschied, daß hier die Feinstufensteuerung mittels insgesamt neun Eisenkernen
bzw. Primärwicklungen einem Eisenkern zuaddiert wird, der als Grobstufenkern eine
Spannung gleicher Amplitude und Phase zu induzieren vermag, dk, daß dieser Grobstufenkern
einen Magnetfluß hervorbringt, der der Summe der Gesamtheit der Feinstufenkerne
entspricht Eine Ausführungsform, die sich zweier Grobstufen bedient, deren Magnetflüsse
überlagert werden, und auf die nochmals eine Feinstufung entsprechender Feinstufenkerne
aufsummiert wird, wie sie dem Ausführungsbeispiel eines Transformators nach F i
g. 3 entspricht, ergibt dann einen Steuerkurvenverlauf, der sich aus F i g. 4e entnehmen
läßt Grobstufen können in der Eisenkernanordnung ein und desselben Transformators
gemäß F i g. 3 enthalten sein, sie können jedoch auch getrennt einem oder mehreren
Vortransformatoren entnommen werden.
-
Die graphischen Darstellungen gemäß F i g. 4a bis 4f kommen, wie
oben beschrieben, durch die Überlagerung einer Vielzahl von Feinstufen und/oder
Grobstufen zustande, wobei die Summe der Feinstufen jeweils einer Grobstufe entspricht
und diese untereinander von gleicher Phase sind. Die Summierung des Magnetflusses
der einzelnen Kerne ergibt sich durch die Überlagerung der Magnetfelder, was in
der graphischen Darstellung durch die Addition der Amplituden der einzelnen Kerne
1 bis 9 veranschaulicht wird. Das Zuschalten der Einzelmagnetflüsse durch die elektronischen
Schalter bei bestimmten festen Winkeln ermöglicht somit immer nur das Hinzuaddieren
des durch den Anschnitt der Sinuskurve verbleibenden Restes für den betreffenden
Kernfluß. Für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ergibt sich im Einzelfall für
den Summenverlauf der Sinuskurve der sich aus neun Einzelkurven zusammensetzende
Gesamtverlauf.
-
Aus der graphischen Darstellung gemäß F i g. 4e läßt sich entnehmen,
daß hier die größte Anschnitthöhe nur noch bei etwa 3,5% der Gesamtspannung liegt,
so daß die reine Sinusform des Spannungsverlaufes bzw.
-
entsprechend des Magnetflusses nur noch unwesentlich verändert wird,
wobei die Stufungen durch die Vorgabe einer größeren Zahl von Kernen oder Grubstufen,
falls gewünscht, noch geringer gewählt werden kann.
-
Eine besonders vorteilhafte Glättung bzw. Annäherung an den Sinusverlauf
läßt sich noch damit erreichen, daß gemäß F i g. 4b die Feinstufen gewissermaßen
gegenphasig addiert werden, oder daß entsprechend der F i g. 4d und 4f eine Subtraktion
der Feinstufen von zwei Grobstufen im erstgenannten Falle bzw. drei Grobstufen im
letzteren Falle erfolgt Die hierbei auftretende negative Anschnittsteilheit verbessert
den Sinusverlauf noch wesentlich. Dieser Gesichtspunkt ist besonders dann vorteilhaft,
wenn ein Verbraucher einen Eingang mit zu magnetisierendem Eisenkern besitzt, in
dem bei Abbruch der Änderung des Magnetflusses nach der Zeit infolge Gegenmagnetisierung
und Remanenzverhaltens dieses Kerns ein steiler negativ wirkender Abschnitt auftritt,
der sich dann kaum auswirkt Für diese und andere Fälle ist es vorteilhaft, auf eine
oder mehrere Grobstufen nicht eine Mehrzahl von Feinstufen gemäß F i g. 4a bzw.
4c und 4d zu addieren, sondern vielmehr
unter Verwendung einer weiteren
zusätzlichen Grobstufe von dieser die Feinstufen gegenphasig zu subtrahieren.
-
Je größer die Anzahl der Anschnitte und je kleiner ihre Höhe, um
so niedriger ist ihr Störgrad und um so leichter ist es, möglichen Forderungen nach
zusätzlicher Filterung nachzukommen. Wesentlich ist, daß die Anschnittpunkte der
Feinsteuerung so gleiche Abstände haben, daß eine Restwelligkeit entsteht, die einer
festen Frequenz kleiner Amplituden entspricht Nur dann ist es möglich, je nach Störgrad
die Kosten zu vieler Kerne mit den Kosten eines Saug- oder Sperrkreises in ein wirtschaftliches
Verhältnis zu bringen.