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Anordnung zur Spannunossteuerung
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Spannunssteuerung mit einem
eine wechseistromfünrende Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung aufweisenden Transduktor
und einem Transformator.
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Das Prinzip eines Transduktors ist seit langem bekannt, jedoch erst
die zunehmende Automatisierung in letzter Zeit verhalf ihm zu immer größerer Bedeutung.
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Der Hauptbestandteil eines Transduktors ist eine Drossel, bestehend
aus einem geschlossenen Eisenkern ohne Luftspalt mit einer oder mehreren Wicklungen.
Wie später noch näher erlhutert, werden zumeist mehrere Drosseln paarweise zusammengeschaltet.
Als weitere Bestandteile kommen noch Gleichrichter hinzu.
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Charakteristisch für einen Transduktor sind seine hohe Betriebssicherheit,
seine große Lebensdauer sowie die hohe Verstärkungsziffer. Dem steht jedoch sein
verhältnismäßig großes Gewicht, seine Trägheit in der Steuerung und der relativ
hohe Preis für das magnetische Kernmaterial gegenüber.
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Die Ausgangsspannung des Transduktors muß in den meisten Fällen der
Eingangsspannung der zu speisenden Einheit angepaßt sein. Dies erfolgt bekannterweise
durch einen zusätzlichen Transforrator. Nun weist aber auch der Transformator seinerseits
eip verhältnismäßig großes Gewicht auf; hinzu kommt der relativ hohe Preis für das
Kernmaterial.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Spannungssteuerung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegenüber der aus einem Transduktor
und einem Transformator bestehenden bekannten Anordnung ein sehr viel geringeres
Gewicht aufweist, preisgünstiger ist und ein verbessertes elektrisches Verhalten
insbesondere im Hinblick auf die Steuerdynamik und den Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Transduktor
und der Transformator auf einem gemeinsamen Kern zu einer Baueinheit zusammengefaßt
sind.
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Dies wird gemäß der Erfindung speziell dadurch vorgenommen, daß der
Kern zwei nebeneinanderliegende, gleiche schmale und zwei nebeneinanderliegende
breite Schenkel aufweist und daR auf den beiden schmalen Schenkeln die Steuerwicklung,
auf dem außen liegenden, breiten Schenkel eine gleichsinnig gewickelte, wechselstromführende
sekundäre Wicklung und auf dem dazwischenliegenden breiten Schenkel eine gegensinnig
gewickelte, wechselstromführende primäre Wicklung angeordnet sind.
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Hiermit ist eine Anordnung mit einem einfachen Aufbau geschaffen,
die in einer magnetischen Einheit sowohl einen Transduktor als auch einen Transformator
umfaßt.
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Die Anordnung weist insgesamt ein Volumen auf, das nur geringfügig
größer ist als das eines einzigen Transformators. Infolge der geringeren Volumina
an Eisen und Kupfer ergeben sich entsprechend geringere Verluste;
es
wird ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt. Die Anordnung läßt sich sehr viel preisgünstiger
herstellen und sie weist ein sehr viel geringeres Gewicht auf als die bekannte.
Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäße Anordnung ein erheblich verbessertes dynamisches
Steuerverhalten: Eine nur geringfügige änderung des steuernden Stromes verursacht
eine unverzügliche änderung des mit der sekundären Wicklung verketteten Kraftflusses
und damit eine unverzügliche änderung der zu steuernden Ausnangsspannun9.
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Weitere Merkmale und Ausgestaltunoen der Erfindung sind durch die
Unteransprüche gekennzeichnet.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in
der Zeichnung näher erläutert; es zeigen in schematischer Darstellung Figur 1 das
elektrische Schaltbild einer bekannten Anordnung mit einem Transduktor und einem
Transformator; Figur 2 einen Kern der erfindunosgemäßen Anordnung; Figur 3 die erfindunosgemäße
'Anordnung mit einer Steuerwicklung; Figur 4 die erfindungsgemäße Anordnung mit
zwei gleichen Steuerwi ckl ungen.
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Gemäß der Figur 1 ist mit T1 ein Transduktor bezeichnet, dem ein Transformator
T2 zur Spannungsanpassung an die zu speisende Einheit nachgeschaltet ist. Der Transduktor
T1
ist aus zwei Drosseln D1 und D2 mit je einer Arbeitswicklung
1 und W2 und je einer Steuerwicklung W3 und W4 sowie Gleichrichtern 1 und 2 aufgebaut.
Die Ausgangsseite des Transduktors T1 liegt mit dem in Reihe liegenden Lastwiderstand
an einer sinusförmigen Netzwechsel spannung, die an Klemmen 3 und 4 angelegt ist.
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Der Transforrtator T2 zur Spannungsanpassung weist eine Primärwicklung
W5 und eine Sekundärwicklung W6 auf, wobei die Primärwicklung WS als Lastwiderstand
für den Transduktor T1 geschaltet ist. Jede der Drosseln D1 und D2 ist so ausgelegt,
daß sie eine Halbwelle der Netzwechselspannung voll aufnehmen kann.
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Mittels eines an Klemmen 5 und 6 angelegten steuernden Gleichstromes
kann die Kernsättigung verändert werden; der steuernde Gleichstrom legt den Arbeitspunkt
auf der Magnetisierungskennlinie bzw. Hrtereseschleife fest.
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Der Transduktor T1 ist durch den steuernden Gleichstrom auf einen
definierten Punkt in der Sstereseschleife vormagnetisiert. Bei Beginn der ersten
Halbwelle der sinusförminen fletzwechselspannung fließt zunächst ein Strom, der
noch keine Ummagnetisierung hervorruft, die Drossel D1 nimmt daher noch keine Spannung
auf. Dann steigt der Magnetisierungsstrom an und die Drossel D1 wird ummagnetisiert.
Ist die Sättigung erreicht, so kann die Drossel D1 keine Spannung mehr aufnehmen.
Dann fließt durch die Arbeitswicklung Wl bzw. W2 ein Strom, der sich aus der Größe
der Netzwechselspannung und aus dem Lastwiderstand WS Ergibt.
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Der Strom durch die Drossel:91 folgt nun der Sinuslinie der Netzwechselspannung,
bis die linke obere Ecke der Hystereseschleife erreicht ist. Dann erfolgt die Rückmagnetisierung
der Drossel D1 und gleichzeitig die Ummagnetisierung der Drossel D2, die im definierten
Ausgangspunkt in der Hystereseschleife die Sättigung erreicht hat.
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Aus der Zusammensetzung der Drossel ströme ergibt sich der in der
Primärwicklung W5 des Transformators T2 fließende Strom Die an Klemmen 7 und 8 anliegende
Ausgangsspannung des Transformators T2 an der-Sekundärwicklung h'6 kann also durch
die Größe des an den Klemmen 5 und 6 angelegten Gleichstromes gesteuert werden.
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Gemäß der Figur 2 ist mit 9 ein Transformatorkern bezeichnet. Der
Transformatorkern 9 weist zwei nebeneinanderliegende, gleichartig ausgebildete,
schmale Schenkel 101 und 102 und zwei nebeneinanderliegende breite Schenkel 11 und
12 auf. Vorzugsweise ist der Transformatorkern 9 aus einem üblichen Dreiphasen-Transforrnatorkern
mit drei oleichen Schenkeln 10, 11 und 12 ausgebildet, dessen einer äußerer Schenkel,
im Beispiel der Schenkel 10, in zwei gleiche schmale Schenkel 101 und 102 aufgeteilt
ist.
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Gemäß der Figur 3 ist auf dem mittleren Schenkel 11 des Transformatorkerns
9 eine primäre Wicklung W7 und auf den äußeren Schenkel 12 eine gegensinnig zur
primären Wicklung gewickelte sekundäre Wicklung W8 aufgebracht. Auf die Schenkel
101 und 1Ö2 ist eine ebenfalls gegensinnig zur primären Wicklung W7 gewickelte
Steuerwicklung
l'9 aufgebracht. Die Steuerwickluno W9 ist in Form einer Acht um die Schenkel 101
und 102 gewickelt, wie dies in der Figur 3 durch die gezeichneten Windungen symbolisch
dargestellt ist. An die Steuerwicklung W9 ist über Klemmen 15 und 16 ein Gleichstrom
anlegbar. An die primäre Wicklung 7 ist über Klemmen 17 und 18 die Netzwechselspannung
anlegbar. Ober Klemmen 19 und 20 ist an der sekundären Wicklung W8 die an die zu
speisende Einheit angepaßte Ausgangsspannung abnehmbar. Die gemäß der Figur 1 vorgesehenen
Gleichrichter entfallen.
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Zahlenbeispiel: Verwendet sei ein handelsüblicher Drei phasen-Transformatorkern
mit 190 mm Länge und 190 mm Höhe. Die drei Schenkel 10, 11 und 12 sind jeweils 38
mm breit und in einem Abstand von jeweils 38 mm zueinander angeordnet.
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Die Jochbreite beträgt jeweils 38 mm; d.h. die Schenkellänge beträgt
114 mm. Der Schenkel 10 ist in zwei gleiche Schenkel 101 und 102 mit einer jeweiligen
Breite von 7 mm aufgeteilt. Die Steuerwicklung W9 weist ca. 500 Windungen auf, die
primäre Wicklung W7 weist ca. 480 Windungen auf, die sekundäre Wicklung W8 weist
ca. 60 Windungen auf.
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An der primären Wicklung W7 liegt die Netzwechselspannung mit 220
V an, die Ausgangsspannung beträgt ca. 15 V.
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Ein Pfeil 21 im Schenkel 11 symbolisiert die Richtung des magnetischen
Kraftflusses, der durch den Stromfluß in der primären Wicklung W7 hervorgerufen
wird, in der folgenden Betrachtung als primärer Kraftfluß 0 PR bezeichnet, während
der positiven Netzspannungshalbwelle.
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Des weiteren symbolisiert ein Pfeil 22 im Schenkel 12 die Richtung
des magnetischen Kraftflusses, der durch den Stromfluß in der sekundären Wicklung
W8 hervorgerufen wird, in der folgenden Betrachtung als sekundärer Kraftfluß # SE
bezeichnet, während der positiven Netzspannungshalbwelle.
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Wenn kein Gleichstrom durch die Steuerwicklung W9 fließt, so verteilt
sich bei Vernachlässigung der Streuung der primäre Kraftfluß auf dem geschlossenen
Eisenweg in # PR = # SE + # ST, wobei der Kraftfluß # ST als Kraftfluß in den Schenkeln
101 und 102 mit jeweils gleicher Richtung und gleicher Stärke definiert sei (Pfeile
23 und 24). Durch den die sekundäre Wicklung W7 durchsetzenden Kraftfluß g SE wird
die sekundäre Spannung USE induziert, die proportional ist d SE ; d.h. für eine
gegebene Periode kann die induzierte sekundäre Spannung USE proportional dem Kraftfluß
# SE angesetzt sein. Die induzierten Spannungen in der Steuerwicklung W9 heben sich
infolge deren spezieller Wicklungsform auf.
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Wenn nun ein Gleichstrom durch die Steuerwicklung W9 fließt, so entsteht
infolge der Gleichstromvormagnetisierung ein statischer Flußzustand, wie er durch
die strichpunktierte Linie 25 in der Figur 3 dargestellt ist.
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Während einer positiven Netzwechselspannungshalbwelle irken dann im
Schenkel 102 der Kraftfluß ST (Pfeil 24) und der statische Fluß in gleicher Richtung
und im Schenkel 101 der Kraftfluß0ST und der statische Fluß in entgegengesetzter
Richtung, so daß der magnetische Widerstand im Schenkel 102 größer ist als der im
Schenkel 101. Durch dieses Unoleichgevçicht der magnetischen Widerstände in den
Schenkeln 101 und 102 wird in der Steuerwicklung 9 eine Wechsel spannungshalbwelle
positiver Polarität induziert, die am Wicklungseingang anliegt. Infolge des größeren
magnetischen Widerstandes des Schenkels 102 verteilt sich auch der primäre Kraftfluß
# PR derart, daß der sekundäre Kraftfluß g SE ansteigt und der Kraftfluß # ST abnimmt.
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Steigt aber der Kraftfluß SE an, so steigt auch unverzüglich die sekundäre
Spannung USE am Ausgang an.
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In der negativen Netzwechselspannungshalbwelle wechseln die Wirkrichtungen
der Kraftflüsse. Dies bedeutet, daß dann entsprechend der magnetische Widerstand
im Schenkel 101 gröber ist als der im Schenkel 102. Die in der Steuerwicklung 9
induzierte Wechselspannungshalbwelle hat demzufolge die gleiche Polarität wie in
der positiven Halbwelle der Netwechselspannung. Dies vereinfacht den schaltungstechnischen
Aufwand im Steuerkreis beträchtlich. Darüber hinaus kann bei einem definierten Steuerspannungswert
der Gleichspannungspegel entsprechend geringer vorgesehen sein, weil in jeder Halbwelle
die Steuergleichspannung der Steuerwicklung 9 c,it Spannungshalbwellen positiver
Polarität beaufschlagt wird.
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Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung in beiden Halbwellen der
ttetzeingangsspannung gesteuert werden.
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Um die über die Klemmen 15 und 16 in die Gleichstromquelle rückgekoppelte
Spannungwelligkeit zu reduzieren, kann in der Gleichstromzuleitung eine kleine Spule
L1 (Figur 3) vorgesehen sein.
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Die Steuerung in der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber der
in der bekannten unordnung gemäß der Figur 1 genauer und spricht sehr viel schneller
an: Eine nur geringe änderung des die Steuerwicklung W9 durchfließenden Gleichstromes
verursacht eine unverzügliche Xnderung des sekundären Kraftflusses # SE, der mit
den Windungen der sekundären Wicklung W8 verkettet ist, und damit eine unverzügliche
änderung der Ausgangsspannung.
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Die Anordnung gemäß der Figur 4 unterscheidet sich von der gemäß der
Figur 3 hinsichtlich der Anordnung der Steuerwicklung: Die Steuerwicklung W9 ist
in zwei gleiche Wicklungen W10 und >111 aufgeteiltJund jeder der schmalen Schenkel
101 bzw. 102 ist mit einer Stuerwicklung W10 bzw. EJ11 versehen. Die Steuerwicklungen
W10 und W11 sind wiederum gegensinnig zur primären Wicklung 7 bzw. gleichsinnig
zur sekundären Wicklung W8 gewickelt. Die Steuerwicklungen/ W10, W11 sind entweder
parallel oder, wie dies in der Figur 4 dargestellt ist, in Serie geschaltet. Der
Stromfluß durch die Steuerwicklungen W10, Wil ist lurch einen Widerstand 26 veränderbar.
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Da die maanetischen ege für die Steuerwicklungen W10, W11 parallel
zu den der sekundären Wicklung W8 angeordnet und damit gleich lang sind, muß auch
die magnetische Spannung, - das ist der Anteil der nesamten Ampere-Windungen,der
auf dem betrachteten magnetischen Weg liegtdie zur Erzeuoung eines Kraftflusses
in den Schenkeln 101 und 102 benötigt wird, gleich sein der magnetischen Spannung,
die zur Erzeugung eines Kraftflusses im Schenkel 12 benötigt wird, wenn die Jochlängen
im Hinblick auf die Schenkellängen als klein angesehen werden können, wie dies im
Beispiel der Fall ist. Wenn an die primäre Wicklung 117 über die Klemmen 17 und
18 eine Netzwechselspannuna angelegt wird, so wird in den Steueniicklungen W10 und
1.11 jeweils eine Spannung induziert. Der StromfluD durch die Steuerwicklungen W1O
und W11 ist durch den Widerstand 26 veränderbar. Wenn beispielsweise der Strom durch
die Steuerwicklungen W10 und l!11 mittels des veränderbaren Widerstandes 26 erhöht
wird, so steigt auch der in der primären Wicklung li7 fließende Strom an und damit
auch die maanetische Spannung im Schenkel 11.
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Daraufhin steigt unverzüglich die magnetische Spannung im Schenkel
12 und damit der Strom durch die sekundäre Wicklung W8 bzw. die an den Klemmen 19
und 20 anliegende Ausgangsspannung. Damit kann der Wert der usgangsspannung durch
den mittels des Widerstandes 26 eingestellten Wert des Stromes gesteuert werden.