DE2640901C2 - Impulstransformator hoher Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulstransformator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Impulstransformatoren, die mit Leistungsmodulatoren beispielsweise von Radargeräten zusammenarbeiten, sollen eine sehr große Bandbreite besitzen, um die Impulse hoher Leistung ohne wesentliche Verformung hindurch zu lassen. Bei hohen Frequenzen hat jedoch die Vorderflanke des Impulses in Folge der Streuinduktivität und der parasitären Kapazität der Wicklungen die Neigung, an Anstiegssteilheit einzubüßen und sich von der Flankenform des idealen Impulses zu entfernen; hingegen werden die niedrigen Frequenzen innerhalb des Frequenzbandes wegen der nicht unendlich großen magnetischen Induktivität kurzgeschlossen, da die Impedanz der Induktivität mit der Frequenz abnimmt.

Man ist bestrebt, den Einfluß der die Streuinduktivität und die Störkapazität verursachenden Elemente soweit als möglich zu verringern, vor allem im Fall von Transformatoren, die an eine Stromquelle niedriger Impedanz angeschlossen sind, da dann die Streuinduktivität das bedeutendste Störelement bildet. In diesem Fall kommt jedoch ein weiteres Störelement hinzu, das auf die Länge der äußeren Verbindungen zwischen dem Impulsgenerator und der Primärwicklung des Transformators zurückzuführen ist. Es handelt sich um die Leitungs oder Verbindungsinduktivität, die im Ersatzschaltbild des Transformators in Serie mit der Streuinduktivität liegt. In ihrer Wirkung ist sie jedoch unabhängig von der Streuinduktivität, wiewohl sie ebenfalls die Vorderflanke des Impulses beeinflußt.

Aus der FR-PS 14 09 052 ist ein gattungsgemäßer Impulstransformator hoher Leistung bekannt, dessen einlagige Primärwicklung aus einem Drahtstab mit RechtecKquerschnitt besteht und zur Verringerung der Streuinduktivität eng mit der Sekundärwicklung gekoppelt ist Insbesondere dann, wenn die Primärwicklung nur wenige Windungen entsprechend einer kleinen Impedanz haben soll oder haben muß, führt dieser Aufbau der Wicklung dann aber zu einer im Verhältnis großen

ίο Verbindungsinduktivität, da der Wicklungsanfang und das Wicklungsende der Primärwicklung sich an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Spule befinden.

Aus der DE-OS 18 16 411 ist ein Stromwandler mit geringer Windungszahl der Sekundärwicklung bekannt, be> dem diese Sekundärwicklung zur Vermeidung einer unsymmetrischen Verkettung mit den Primärwicklungen über deren Streufelder aus zwei gegeneinander geschalteten Wicklungen unterschiedlich großer Windungszahl aufgebaut ist. Dieses Problem der unsymmetrischen Verkettung, das bei Stromwandlern für Fehlerstromschutzschalter eine Rolle spielt, weil dadurch Fehlauslösungen verursacht werden können, stellt sich jedoch bei Impulstransformatoren nicht.

Aus der DE-AS 10 91 655 ist eine Niederspannungswick'un£ für Transformatoren mit Hochspannungssteuerung, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge, bekannt, die derart aus einem Metallzylinder herausgeschnitten ist, daß alle Windungen parallel zueinander liegen und senkrecht zur Wickelachse stehende Ringe bilden, die an ihren Enden durch Überstiegstücke miteinander verbunden sind, wobei zur Erzielung unterschiedlicher Sekundärspannungen die Wicklungsanschlüsse der letzten und der vorletzten Windung auf der

3) Stirnseile des Wicklungszylinders einander benachbart liegend und in Richtung des Wicklungszylinders weisend dadurch erhalten werden, daß das Anschlußstück der vorletzten Windung als Verlängerung des Überstiegstückes dieser Windung zur letzten Windung ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Impulstransformator der einleitend genannten Gattung unter Beibehaltung der eine geringe Streuinduktivität aufweisenden, primären Lagenwicklung, den nachteiligen Einfluß der Verbindungsinduktivität so gering wie möglich zu halten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erreicht wird durch diese Lösung, daß trotz der grundsätzlich bekannten Ausführung der Primärwicklung mit einer geringen Windungszahl zur Anpassung an die Speisestromquelle niedriger impedanz die Verbindungsinduktivität niedrig gehalten werden kann, ohne daß dies zu Lasten einer Erhöhung der Streuinduktivität geht.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Impulstransformators nach der Erfindung angegeben.

bo Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispicle in schematischer Vereinfachung /eigenden Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig.] das auf die Primärseiu: bezogene Ersatzschaltbild eines Inipulstransformators,

hi F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Anzahl von parallel an der Primärwicklung des Transformators liegenden Modulator-Moduln,

F i g. 3 eine Primärwicklung des Impulstransforma-

F i g. 4 eine auseinandergezogene Darstellung einer vollständigen Primärwicklung des Transformators, bestehend aus zwei getrennten, in Serie geschalteten Teilwicklungen,

F i g. 5 eine Ansicht der vollständigen Primärwicklung, wobei hier und in F i g. 4 entgegen der Darstellung der Wickelsinn einer der beiden Teilwicklungen umzukehren ist,

F i g. 6 eine Gesamtansicht eines mit den Primärwicklungen nach der Erfindung versehenen Transformators.

Einleitend wurden bereits die bei Leistungs-Impulstransformatoren niedriger Impedanz vorhandenen Störelemente genannt, die Verzerrungen der Form der gelieferten Impulse verursachen und zu einem schlechten Wirkungsgrad des Modulators führen. Solche Störungen sind insbesondere anhand ihrer nachteiligen A'.iswirkungen in den Leistungsmodulatoren von Radargeräten erkennbar.

Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines sehr breitbandigen Leistungstransformators, in das die Störelemente eingezeichnet sind. Dieses Ersatzschaltbild ist auf die Primärseite des Transformators bezogen.

Das Ersatzschaltbild umfaßt einen Impulsgenerator C der eine hier durch den Widerstand Ru versinnbildlichte Last speist. Ristellt den Innenwiderstand des Generators G dar, Lf \sl die Streuinduktivität der Transformatorwicklungen und L 1 ist die Verbindungsinduktivität, erzeugt durch die Länge der von dem Transformator zu der Last gehenden Verbindungsieitungen, welche jo Länge nicht vernachlässigbar klein gehalten weiden kann. Parallel liegen die magnetisierende Quer- oder Wicklungsinduktivität Lp und die Streu- oder Störkapazität Cp zwischen den Wicklungen. Einige dieser Elemente wirken sich nachteilig auf die von dem Generator C gelieferten, theoretisch idealen Impulse aus.

Die Streuinduktivität i/und die Störkapazität Cp bedampfen die hohen Frequenzen merklich und flachen dadurch die Vorderflanke des Impulses ab. Da die magnetisierende Querinduktivität einen endlichen Wert besitzt, werden die niedrigen Frequenzen mehr oder weniger kurzgeschlossen, weil die Impedanz der Induktivität abnimmt.

Hinzu kommt der Energieverlust im Kern, versinnbildlicht durch einen Widerstand Rf parallel zu der Querinduktivität Lp. Außerdem läßt sich noch ein Widerstand Rs in Serie mit der Streuinduktivität Ll angeben, der die ohrr sehen Verluste in den Wicklungen versinnbildlicht. Dieser Widerstand ist jedoch häufig vernachlässigbar klein.

Bekanntlich ist der Einfluß der Streuinduktivität Lf umso größer, je niedriger die innere Impedanz oder Eigenimpedanz des äquivalenten Generator? ist. Nun führt allerdings die Verwendung von Thyristoren in den Modulatoren zu einer niedrigen Innenimpedanz des äquivalenten Generators, da die Thyristoren mit hohem Strom und niedriger Spannung arbeiten.

Solche Thyristormodulatoren sind Stand der Technik und werden daher hier nicht beschrieben. Sie besitzen den Vorzug, Module MO 1 bis MOn zu bilden, in denen die Modulatiorisenergie gespeichert ist. wobei die Energie aller Module, die parallel auf die Primärwicklung EP des Ausgangstransformators Γ geschaltet sind, sich im Mument der Entladung der zugeordneten Verzögerungsleitungen summiert. F i g. 2 zeigt eine solche An- tn Ordnung, die eine beträchtliche Ausgangsleistung an die Sekundärwicklung ES zu liefern vermag. Allerdings ergibt sich bei diesem Typ von Modulatoren ein Problem mit dem Ausgangstransformator. Wenn nämlich die Primärimpedanz des Transformators für alle parallel geschalteten Modulatoren relativ klein ist und etwa bei 1 bis 2 Ohm für etwa zehn bis zwanzig parallel geschaltete Module liegt, wobei jeder Modul eine Impedanz von etwa 25 Ohm hat, ist es in noch höherem Maße erforderlich, den Wert der vorstehend definierten Störelemente herabzusetzen, was zur Wahl einer sehr geringen Windungszahl für die Primärwicklung führt, nämlich etwa zwei bis drei Windungen für kurze Impulse. Dies wiederum stellt ein relativ schwierig lösbares technologisches Problem dar.

Weiterhin speist die Sekundärwicklung Es dieses Transformators im allgemeinen eine durch Ru symbolisierte Höchstfrequenzröhre, an der Spannungen beträchtlicher Höhe anliegen, was zu einem Transformator mit sehr großen Abmessungen führt, die noch weiter durch die Isolierung vergrößert werden, die zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung erforderlich ist.

Die Primärwicklung des Transformators ist eine in das Material eines Kupferrohres rechteckigen Querschnitts eingefräste Wicklung.

Fig. 3 zeigt eine derartige Primärwicklung. Das verwendete Kupferblech 1 wird derart gebogen und ausgestanzt, daß im dargestellten Fall zwei mit 2 und 3 bezeichnete Windungen entstehen. Die Windungen sind voneinander durch einen Schlitz 4 getrennt, dessen Brei- ;e so bemessen ist, daß die Windungsspannung nicht zu Durchschlägen führt. Den Winkel, den dieser Schlitz gegenüber der Horizontalen bildet, hängt von der Geometrie der Spule ab.

Es wurde bereits gesagt, daß die Primärwicklung des Transformators mit den jeweiligen Ausgängen einer Anzahl von Modulator-Moduln, die parallel geschaltet sind, verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt über angepaßte Koaxialkabel. Hierdurch entsteht keine Streuinduktivität. da die Leiterinduktivität in den Koaxialaufbau integriert ist. Jedoch erfordert die Entfernung /zwischen den beiden Enden 5 und 6 der Primärwicklung die Herstellung einer Verbindung, die wiederum den Nachteil hat, einen beträchtlichen Impedanzsprung zu verursachen und eine außerhalb des Transformators befindliche Induktivität zu bilden, nämlich die Verbindungsinduktivität L 1. die zu einer Beeinträchtigung der Vorderflanke des erhaltenen Leistuiigsimpulses führt.

Diese Verbindungsinduktivität wird dadurch unterdrückt, daß der untere Punkt 5 und der obere Punkt 6 der in F i g. 3 dargestellten Primärwicklung nebeneinander zu liegen gebracht werden.

Statt nämlich die Primärwicklung mit der benötigten kleinen Windungszahl unmittelbar herzustellen, betrachtet man diese Windungszahl als die Differenz einer bestimmten Anzahl von Windungen von zwei Wicklungen, die in Serie geschaltet sind, jedoch so angeordnet sind, daß die von ihnen in dem Kern erzeugten, magnetischen Flüsse einander entgegengerichtet sind.

F i g. 4 zeigt in schematischer Form in auseinandergezogener Darstellung, wie diese Primärwicklung mit Hilfe einer Anordnung verwirklicht ist, die aus einer ersten Teilwicklung EP 1 und einer zweiten Teilwicklung EP2 besteht, jede dieser Wicklungen ist in der gleichen Weise hergestellt, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschi leben wurde. Die Teilwicklung EPi umfaßt drei Windungen 7, 8, 9 während die Teilwicklung EP2 fünf Windungen 10, 11, 12, 13 und 14 umfaßt. Diese zwei Teilwicklungen sind über Schweiß- oder Lötstellen 15 und 16 in Serie geschaltet. Bei 17, 18 sind die Verbindungsstäbe der Wicklungen mit den koaxialen Verbin-

dungskabeln, die zu den parallel geschalteten Modulator-Moduln MO 1 bis MOn führen, dargestellt.

Fig. 5 zeigt in schematischer Form die vollständige Primärwicklung EP des Transformators, bei der die Teilwicklung EPX im Inneren der Teilwicklung EP2 angeordnet ist und die zwei Wicklungen über Lot- oder Schweißpunkte 15, 16 in Serie geschaltet sind. Der Leiterstab 17 verbindet die Teilwicklung EP1 beispielsweise mil dem Außenleiter 19 eines Koaxialkabels 20, während der Leiterstab 18 dann die Teilwicklung EP2 zu fünf Windungen mit dem Mittelleiter 21 dieses Koaxialkabels 20 verbindet. Eine Isolierschicht ist mit 22 bezeichnet. Aus dieser Figur ist erkennbar, daß die zwei Wicklungen EPX und EP2 in Serie geschaltet sind, daß jedoch die von ihnen induzierten Magnetflüsse entgegengerichtet sind. Insgesamt entspricht eine solche Anordnung derjenigen mit einer einzigen Wicklung mit zwei Windungen. Der Vorzug dieser Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß die sogenannte Verbindungsinduktivität entfällt, da die mit 5 und 6 in Fig. 3 bezeichneten Punkte (Anfang und Ende) der Wicklung an dieselbe Stelle, nämlich unten bei den Wicklungen gemäß Fig. 5, verlegt sind. Weiterhin ist festzustellen, daß die örtliche Nähe des Anfangs und des Endes der Gesamt-Primärwicklung den Impedanzsprung erheblieh mindert, der daher rührt, daß an dieser Stelle von der Koaxiaianordnung auf eine Anordnung anderen Leilungstyps übergegangen wird, was zu Störreflexionen führt.

Fig. 6 zeigt eine vollständige Darstellung einer Aus- jo führungsform eines Impulstransformators nach der Erfindung. Man erkennt auf dem linken Schenkel des Transformators die Teil wicklungen EPX und EP 2 wie sie in Fig.4 wiedergegeben sind. Auf dem rechten Schenkel des Transformators, der im Schnitt dargestellt ist, sind noch deutlicher die um den Kern 23 angeordneten Wicklungen EP 1 und EP2 mit ihren jeweiligen, die in Fi g. 5 bezeichneten drei und fünf Windungen zu sehen. Weiterhin besitzt in der Ausführungsform nach F i g. 6 die Sekundärwicklung 24 die Form eines Trapezes, so daß die Primärwicklung und die Sekundärwicklung im unteren Teil des Schenkels des Transformators einen geringeren gegenseitigen Abstand besitzen als im oberen Teil. Diese Anordnung hat im Fall der Ausgangsbedingungen der Erfindung, wo die Eingangsimpedanz des Transformators gering ist, den Vorzug einer ganz beträchtlich verringerten Streuinduktivität. Zwar erhöht sich dadurch etwas die parasitäre Kapazität, was jedoch unter den hier geschilderten Ausgangsvoraussetzungen sich nicht störend auswirkt. Diese Anordnung ist deshalb möglich, weil am unteren Teil des Schenkeis des Transformators, wo die Primärwicklung und die Sekundärwicklung nahe beinander liegen, ein praktisch spannungsloser Zustand herrscht, während die Spannung im oberen Teil des Schenkels, dort, wo die Wicklungen einen größeren gegenseitigen Abstand haben, ihr Maximum erreicht.

Außerdem sind in F i g. 6 auch die Leiterstäbe 17 und 18 zu erkennen, an die die von den verschiedenen Modulator-Moduln kommenden Koaxialkabel angeschlossen sind. Mit 25 ist der Transformatorfuß bezeichnet und mit 26 ein Koronaschutzring.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Impulstransformator hoher Leistung, dessen Primärwicklung als eine einen Kern umschließende Lagenwicklung geringer Windungszahl ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (EP) aus zwei konzentrischen, jeweils in das Material eines Metallrohres eingefräsien Teilwicklungen (EPX, EP2) mit unterschiedlicher Windungszahl besteht, die in Serie geschaltet sind und einen solchen Wicklungssinn aufweisen, daß ihre jeweils in den Kern induzierten Magnetflüsse gegeneinander gerichtet sind, und die derart angeordnet sind, daß der Anfang und da;. Ende der Gesamtprimärwicklung (EP) und die in der Serienschaltung zusammengeschalteten Enden der Teilwicklungen (EP 1, EP2) jeweils nebeneinander liegen.

2. Transformator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklung mit der größeren Windungszahl (EPT) die Teilwicklung mit der geringeren Windungszahl (EP 1) umschließt.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Teilwicklung (EP T) fünf Windungen, die andere Teilwicklung (EP 1) drei Windungen hai.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (EP) mit einer Anzahl parallel geschalteter Thyristormodulatoren-Moduln über Koaxialleitungen verbunden ist, von denen beispielsweise die Außenleiter mit einem Leiierstab (18) der einen Teilwicklung (EPT) und die Innenlcitcr mit einem Leiterstab (17) der anderen Teilwicklung (EP I) verbunden sind.