DE2734292B2 - Anordnung zur Spannungssteuerung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Spannungssteuerung mit einem eine wechselstromführende Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung aufweisenden Transduktor und einem Transformator, bei welcher der Transduktor und der Transformator auf einem gemeinsamen Kern zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

Das Prinzip eines Transduktors ist seit langem bekannt, jedoch erst die zunehmende Automatisierung in letzter Zeit verhalf ihm zu immer größerer eo Bedeutung.

Der Hauptbestandteil eines Transduktors ist eine Drossel, bestehend aus einem geschlossenen Eisenkern ohne Luftspalt mit einer oder mehreren Wicklungen. Wie später noch näher erläutert, werden zumeist mehrere Dossein paarweise zusammengeschaltet. Als weitere Bestandteile kommen noch Gleichrichter hinzu.

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.

Die Ausgangsspannung des Transduktors muß in den meisten Fällen der Eingangsspannung der zu speisenden Einheit angepaßt sein. Dies erfolgt bekannterweise durch einen zusätzlichen Transformator. Nun weist aber auch der Transformator seinerseits ein verhältnismäßig großes Gewicht auf; hinzu kommt der relativ hohe Preis für das Kernmaterial.

Aus der DE-AS 23 43 815 ist es bekannt, bei einer Transduktor-Schaltungsanordnung, die aus zwei Transduktordrosseln mit je einer Arbeits- und Steuerwicklung, deren verbraucherseitiger Ausgang von einer Wechselspannungsquelle am Eingang der Transduktor-Schaltungsanordn'jng galvanisch getrennt ist, gebildet ist, die Transduktoren und den Ausgangsübertrager in einer Transduktor-Transformator-Einheit zu vereinigen. Gegenüber einer aus den einzelnen Bauelementen gebildeten Anordnung zur Spannungssteuerung hat eine solche Baueinheit ein sehr viel geringeres Gewicht und ein Volumen, das nur geringfügig größer ist als das eines einzelnen Transformators. Sie weist jedoch einen relativ komplizierten Aufbau auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Spannungssteuerung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sehr einfach und unkompliziert aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kern zwei nebeneinanderliegende, gleiche schmale und zwei nebeneinanderliegende breite Schenkel aufweist, und daß 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.

Hiermit ist eine Anordnung mit einem einfachen Aufbau geschaffen, die in einer magnetischen Einheit sowohl innen Transduktor als auch einen Transformator umfaßt. Infolge der geringen Volumina an Eisen und Kupfer ergeben sich entsprechend geringere Verluste. Die erfindungsgemäße Anordnung zeigt 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 Ausgangsspannung.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert; es zeigen in schematischer Darstellung

F i g. 1 das elektrisiche Schaltbild einer bekannten Anordnung mit einem Transduktor und einem Transformator;

F i g. 2 einen Kern der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig.3 die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Steuerwicklung;

Fig. 4 die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei gleichen Steuerwicklungen.

Gemäß der Fig. 1 ist mit Ti ein Transduktor bezeichnet, dem ein Transformator T2 zur Spannungs-

anpassung an die zu speisende Einheit nachgeschaltet ist. Der Transduktor Ti ist aus zwei Drosseln D1 und D 2 mit je einer Arbeitswicklung W1 und VV 2 und je einer Steuerwicklung W3 und WA sowie Gleichrichtern 1 und 2 aufgebaut. Die Ausgangsseite des Transduktor Π liegt mit dem in Reihe liegenden Lastwiderstand an einer sinusförmigen Netzwechselspannung, die an Klemmen 3 und 4 angelegt ist Der Transformator TI zur Spannungsanpassung weist eine Primärwicklung W 5 und eine Sekundärwicklung W 6 ic auf, wobei die Primärwicklung WS als lastwiderstand für den Transduktor TX geschaltet ist Jede der Drosseln Di und D 2 ist so ausgelegt, daß sie eine Halbwelle der Netzwechselspannung voll aufnehmen kann. 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. Hystereseschleife fest

Der Transduktor Ti ist durch den steuernden Gleichstrom auf einen definierten Punkt in der Hystereseschleife vormagnetisiert Bei Beginn der ersten Halbwelle der sinusförmigen Netzwechselspannung fließt zunächst ein Strom, der noch keine Ummagnetisierung hervorruft, die Drossel Di nimmt daher noch keine Spannung auf. Dann steigt der Magnetisierungsstrom an und die Drossel Di wird ummagnetisiert Ist die Sättigung erreicht, so kann die Drossel Di 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 W5 ergibt

Der Strom durch die Drossel Di folgt nun der Sinuslinie der Netzwechselspannung, bis die linke obere Ecke der Hystereseschleife erreicht ist Dann erfolgt die Rückmagnetisierung der Drossel Di und gleichzeitig die Ummagnetisierung der Drossel D 2, die im definierten Ausgangspunkt in der Hystereseschleife die Sättigung erreicht hat

Aus der Zusammensetzung der Drosselströme ergibt sich der in der Primärwicklung WS des Transformators T2 fließende Strom. Die an Klemmen 7 und 8 anliegende Ausgangsspannung des Transformators T2 an der Sekundärwicklung W6 kann also durch die Größe des an den Klemmen 5 und 6 angelegten Gleichstromes gesteuert werden.

Gemäß der F i g. 2 ist mit 9 ein Transformatorkern bezeichnet Der Transformatorkern 9 weist zwei nebeneinandei liegende, 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-Transformatorkern mit drei gleichen 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

Gemäß der F i g. 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 102 ist eine ebenfa!' geg unsinnig zur p"imären Wicklung W7 gewickelte Steuerwicklung W9 aufgebracht. Die Steuerwicklung W9 ist in Form einer Acht um die Schenkel 101 und 102 gewickelt, wie dies in der F i g. 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 W7 ist über Klemmen 17 und 18 die Netzwechselspannung anlegbar. Über Klemmen 19 und 20 ist an der sekundären Wicklung WS die an die zu speisende Einheit angepaßte Ausgangsspannung abnehmbar. Die gemäß der F i g. 1 vorgesehenen Gleichrichter entfallen.

Zahlenbeispiel

Verwendet sei ein handelsüblicher Dreiphasen-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 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 WS weist ca. 60 Windungen auf.

An der primären Wicklung Wl liegt die Netzwechselspannung mit 220 V an, die Ausgangsspannung beträgt ca. 15 V.

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 Φ PR bezeichnet, während der positiven Netzspannungshalbwelle. Des weiteren symbolisiert ein Pfeil 22 im Schenkel 12 die Richtung des magnetischen Kraftflusses, der durch den Stromfluß in der sekundären Wicklung W% hervorgerufen wird, in der folgenden Betrachtung als sekundärer Kraftfluß Φ SE bezeichnet während der positiven Netzspannungshalbwelle.

Wenn kein Gleichstrom durch die Steuerwicklung W9 fließt, so verteilt sich bei Vernachlässigung der Streuung der primäre Kraftfluß auf dem geschlossenen Eisenweg in

Φ PR = Φ SE +

wobei der Kraftfluß Φ STa\s 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 W 7 durchsetzenden Kraftfluß Φ SE wird die sekundäre Spannung USE induziert, die proportional ist

dt

d. h. für eine gegebene Periode kann die induzierte sekundäre Spannung USE proportional dem Kraftfluß Φ SE angesetzt sein. Die induzierten Spannungen in der Steuerwicklung W9 heben sich infolge deren spezieller Wicklungsform auf.

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 F i g. 3 dargestellt ist

Während einer positiven Netzwechselspannungshalbwelle wirken dann im Schenkel 102 der Kraftfluß Φ S7"(Pfeil 24) und der statische Fluß in gleicher Richtung und im Schenkel 101 der Kraftfluß Φ ST und der s;atische Fluß in entgegengesetzter Richtung, so daß der magnetische Widerstand im Schenkel 102 größer ist als der im Schenkel 101. Durch dieses Ungleichgewicht der magnetischen Widerstände in den Schenkeln 101 und 102 wird in der Steuerwicklung W9 eine Wechselspan-

nungshalbwelle positiver Polarität induziert, die am Wicklungseingang anliegt. Infolge des größeren magnetischen Widerstandes des Schenkels 102 verteilt sich auch der pirimäre Kraftfluß Φ PR derart, daß der sekundäre Kraftfluß Φ SE ansteigt und der Kraftfluß Φ STabnimmt. Steigt aber der Kraftfluß Φ SE an, so steigt auch unverzüglich die sekundäre Spannung USE am Ausgang an.

In der negativen Netzwechselspannungshalbwelle wechseln die Wirkrichtungen der Kraftflüsse. Dies bedeutet, daß dann entsprechend der magnetische Widerstand im Schenkel 101 größer ist als der im Schenkel 102. Die in der Steuerwicklung W9 induzierte Wechselspannungshalbwelle hat demzufolge die gleiche Polarität wie in der positiven Halbwelle der Netzwechselspannung. 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 W9 mit Spannungshalbwellen positiver Polarität beaufschlagt wird.

Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung in beiden Halbwellen der Netzeingangsspannung gesteuert werden.

Um die über die Klemmen 15 und 16 in die Gleichstromquelle rückgekoppelte Spannungswelligkeit zu reduzieren, kann in der Gleichstromzuleitung eine kleine Spule L 1 (F i g. 3) vorgesehen sein.

Die Steuerung in der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber der in der bekannten Anordnung gemäß der Fig. 1 genauer und spricht sehr viel schneller an: Eine nur geringe Änderung des die Steuerwicklung W 9 durchfließenden Gleichstromes verursacht eine unverzügliche Änderung des sekundären Kraftflusses Φ SE, der mit den Windungen der sekundären Wicklung WS verkettet ist, und damit eine unverzügliche Änderung der Ausgangsspannung.

Die Anordnung gemäß der F i g. 4 unterscheidet sich von der gemäß der F i g. 3 hinsichtlich der Anordnung der Steuerwicklung: Die Steuerwicklung W9 ist in zwei gleiche Wicklungen W10 und IV11 aufgeteilt, und jeder der schmalen Schenkel 101 bzw. 102 ist mit einer Steuerwicklung IVlO bzw. W U versehen. Die Steuerwicklungen WlO und WH sind wiederum gegensinnig zur primären Wicklung Wl bzw. gleichsinnig zur sekundären Wicklung WS gewickelt. Die Steuerwicklungen IVlO, IVH sind entweder parallel oder, wie dies in der Fig.4 dargestellt ist, in Serie geschaltet. Der Stromfluß durch die Steuerwicklungen VVlO, IVIl ist durch einen Widerstand 26 veränderbar.

Da die magnetischen Wege für die Steuerwicklungen WlO, WIl parallel zu den der sekundären Wicklung WS angeordnet und damit gleich lang sind, muß auch die magnetische Spannung — das ist der Anteil der gesamten Ampere-Windungen, der auf dem betrachteten magnetischen Weg liegt —, die zur Erzeugung eines Kiraftflusses 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 Wl über die Klemmen 17 und 18 eine Netzwechselspannung angelegt wird, so wird in den Steuerwicklungen WlO und WIl jeweils eine Spannung induziert. Der Stromfluß durch die Steuerwicklungen WlO und WIl ist durch den Widerstand 26 veränderbar. Wenn beispielsweise der Strom durch die Steuerwicklungen WlO und WIl mittels des veränderbaren Widerstandes 26 erhöht wird, so steigt auch der in der primären Wicklung Wl fließende Strom an und damit auch die magnetische Spannung im Schenkel 11. Daraufhin steigt unverzüglich die magnetische Spannung im Schenkel 12 und damit der Strom durch die sekundäre Wicklung WS bzw. die an den Klemmen 19 und 20 anliegende Ausgangsspannung. Damit kann der Wert der Ausgangsspannung durch den mittels des Widerstandes 26 eingestellten Wert des Stroms gesteuert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Spannungssteuerung mit einem eine wechselstromführende Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung aufweisenden Transduktor und einem Transformator, bei welcher der Transduktor und der Transformator auf einem gemeinsamen Kern zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zwei nebeneinanderliegende, gleiche schmale und zwei nebeneinanderliegende breite Schenkel aufweist, und daß auf den beiden schmalen Schenkeln die Steuerwicklung, auf dem außenliegenden breiten Schenkel eine gleichsinnig gewickelte, wechselstromführende sekundäre Wicklung und auf dem dazwischenliegenden breiten Schenkel eine gegensinnig gewickelte, wechselstromführende primäre Wicklung angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekewnzeichnet, daß der Kern als Dreiphasen-Transforaiatorkern mit drei gleichen Schenkeln ausgebildet ist, dessen einer äußerer Schenkel in zwei gleiche schmale Schenkel aufgeteilt ist

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Windungen der Steuerwicklung in Form einer Acht um die beiden schmalen Schenkel gewickelt sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung in zwei gleiche Wicklungen aufgeteilt und jede Wicklung jeweils gleichsinnig zur sekundären Wicklung um einen schmalen Schenkel gewickeh ist, und daß die zwei gleichen Wicklungen zueinander in Reihe geschaltet sind und parallel dazu ein stromstellendes Glied angeordnet ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung in zwei gleiche Wicklungen aufgeteilt und j.sde Wicklung jeweils gleichsinnig zur sekundären Wicklung um einen schmalen Schenkel gewickelt ist, und daß die zwei gleichen Wicklungen zueinander und mit einem stromstellenden Glied parallel geschaltet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stromstellende Glied als veränderbarer Widerstand ausgebildet ist.