DE2831597A1

DE2831597A1 - Regeltransformator

Info

Publication number: DE2831597A1
Application number: DE19782831597
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Brueckner; Charles Arthur Farel; Johnnie Francis Irsik
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-08-04
Filing date: 1978-07-19
Publication date: 1979-02-08
Also published as: GB1598727A; FR2399723B1; AR215314A1; IT1112673B; FR2399723A1; BR7804993A; IT7822575A0; JPS5427922A; US4177418A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, NY. 10504

■' heb-om

j Regeltransformator

j Die Erfindung betrifft einen Regeltransformator und insbesondere einen flußgesteuerten, nebenschlußgeregelten, d. h. spannungsgeregelten Transformator.

Beschreibung des Standes der Technik

Das Prinzip der Regelung der Spannung eines Transformators durch Steuerung des Streuflusses ist allgemein bekannt. Beispielsweise wird gemäß der US-Patentschrift 2 245 192 die Ausgangsspannung eines ! Transformators dadurch verändert oder gesteuert, daß man den magneti- ; sehen Widerstand des Hauptflußpfades und des Streuflußpfades verändert. Für diese Steuerung werden im Hauptkern des Transformators parallele i magnetische Flußpfade vorgesehen. Grundsätzlich weist der Transformator einen nicht gleichförmigen Aufbau auf. Primär- und Sekundärwicklungen sitzen auf dem Hauptkern, während die Sättigungswicklungen auf den zum Hauptkern parallelen Flußpfaden angebracht sind. Ein Hilfskern, der die Sättigungswicklungen trägt, ist im Nebenschluß zum Hauptkern angeordnet, und wird durch den Hauptkern umfaßt. Diese Patentschrift offenbart jedoch nicht, wie der Hilfskern innerhalb des Hauptkerns gehalten wird. Man könnte sich jedoch vorstellen, daß irgendeine Art von Befestigungsvorrichtung für den Hilfskern notwendig ist, da dieser Hilfskern mit dem Hauptkern nicht in Berührung steht. Ferner ist auch die Einstellung eines Spaltes und/oder von Spalten zwischen dem Hauptkern und dem Hilfskern nicht offenbart. Wegen des hohen magnetischen Widerstandes für den magnetischen Fluß in Luft ist jedoch dann die Auswirkung eines Hilfskernes auf den Hauptkern im wesentlichen vernachlässigbar, wenn der Luftspalt und/oder die Spalte nicht bestimmten Bedingungen genügen. Tatsächlich ist es so, daß bei einer zu weiten Einstellung des Luftspaltes und/oder der Luftspalte die Konstruktion nicht mehr als Spannungsregler arbeiten kann, da der für die Spannungsregelung erforderliche Streufluß sich so konzentriert, daß er im Hauptkern fließt und nicht im Nebenschluß nach dem Hilfskern umgeleitet wird.

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In einem Versuch, diesen Verlust an Regelungsfähigkeit abzuwenden, wird der Hauptkern mit parallelen Flußpfaden hergestellt. Verwendet man jedoch parallele Flußpfade für den magnetischen Fluß, dann wird der ,

Aufbau des Transformators ziemlich kompliziert. Wegen der Komplexität i des magnetischen Kreises und der Notwendigkeit einer kritischen Ein- '

stellung des Luftspaltes und/oder der Luftspalte nehmen die Gesamtkosten ' des Transformators zu.

Eine weitere offensichtliche Beschränkung besteht darin, daß ein solcher j Transformator nicht leicht in einer kompakten Maschine unterzubringen ist, wo der zur Verfügung stehende Raum begrenzt ist.

Im Stand der Technik sind verschiedene Versuche unternommen worden, kräftige, widerstandsfähige und kompakte Regeltransformatoren für die Spannungsregelung zu bauen. Die US-Patentschrift 1 614 254 offenbart einen Regeltransformator, der die über einem Fernsprechapparat liegende Spannung regelt. Der Transformator besteht aus einer in der Mitte liegenden Permalloy-PIatte mit zwei Kernabschnitten, die räumlich voneinander getrennt sind, jedoch an dieser Platte anstoßen. Die Steuerwicklungen sind auf jedem Kernabschnitt untergebracht. Die magnetische Kennlinie der Platte ist derart, daß dann, wenn die über dem Fernsprechapparat liegende Spannung innerhalb ihres vorbestimmten Bereiches liegt, der magnetische Widerstand der Platte am kleinsten ist. Wenn man die auf den Kernen angeordnete Wicklung in Reihe schaltet, dann ist der magnetische Widerstand des Transformators derart, daß die Nebenschlußverluste am kleinsten sind. Wenn jedoch die über den Fernsprechleitungen liegende Spannung ansteigt, dann nimmt auch der Magnetfluß durch den Transformator zu. Dadurch erhöht sich auch die Permeabilität der Platte, bis ein Höchstwert erreicht ist. 1st die Permeabilität des Kerns kleiner als der Maximalwert, dann folgt der Magnetfluß zwangsläufig den einzelnen Kernen. Da jedoch die Wicklungen gegensinnig in Reihe geschaltet sind, hat der durch den in einer Wicklung fließenden Strom erzeugte Magnetfluß eine neutralisierende Wirkung auf den durch den in der anderen Wicklung fließenden Strom erzeugten Magnetfluß. Das hat zur Folge, daß ein höherer Strom von der Fernsprechleitung in den Transformator fließt. Dadurch wird aber der magnetische Widerstand der Permalloy-

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! Platte höher. Dies setzt sich solange fort, bis ein Punkt erreicht ist, ' über den hinaus die über den Klemmen des Fernsprechapparates liegende i

; Spannung nicht erhöht werden kann. '

I I

¹ Die Beschränkung dieser bekannten Anordnung liegt darin, daß der j

Grad der Spannungsregelung beschränkt, d.h. sehr klein ist. Diese Beschränkung ergibt sich aus der Tatsache, daß die Spannungsregelung j von einer festen Veränderlichen (d. h. den magnetischen Eigenschaften I der vorbehandelten Permalloy-Platte) abhängt. Diese Anordnung eignet sich jedoch nicht für den Fall, wo der Spannungsregelbereich variabel und/oder dynamisch sein soll.

ι Zusammenfassung der Erfindung

Um die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu über-. winden, wird durch die Erfindung ein nebenschluß-geregelter Transj formator geschaffen, der sich für rauhen Betrieb eignet und einfach aufgebaut ist. Dadurch werden auch die Kosten für den Trans-ί formator niedrig und er benötigt wenig Raum zum Einbau und weist außerdem einen größeren Regelbereich auf. Der nebenschluß-geregelte Transformator gemäß der Erfindung enthält einen rechteckigen Hauptkern, der aus U-I-Schnitten besteht. Auf dem Hauptkern sind eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung angeordnet. Das Blechpaket des Hauptkerns hängt natürlich unter anderem von der Leistungskennlinie des Transformators ab. Zwei Stapel I-förmig geschnittener Bleche sind mit dem Hauptkern verbunden. Die Stapel wirken als "Flußlinse" und leiten den magnetischen Fluß von dem Hauptkern ab. Diese Stapel werden daher Engpässe genannt. Ein Nebenschlußkern mit darauf angebrachten gesteuerten Wicklungen und einer ähnlichen Konstruktion wie der Hauptkern, ist zur Herstellung eines einheitlichen Aufbaus an den Engpässen angeschlossen

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die auf dem Nebenschlußkern liegende Wicklung so angeordnet, daß sie aus zwei Wicklungen auf mindestens zwei Schenkeln des Nebenschlußkernes besteht. Die Anzahl

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der Windungen jeder Wicklung ist für beide Wicklungen im wesentlichen ! äquivalent.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Engpaß aus Ferrit-MateriaI. Wenn ein Ferrit für die Verbindung zwischen dem Hauptkern und dem Nebenschlußkern verwendet wird, dann läßt sich damit der Bereich vergrößern und verbessern, über den die Spannung geregelt werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Rückkopplungsschleife vorgesehen, die eine Steuerschaltung mit Umschaltung enthält, die die auf dem Nebenschlußkern befindlichen Wicklungen mit den Sekundärwicklungen des Hauptkerns verbindet. Durch Abfühlen der Ausgangsspannung und entsprechender Regelung des durch die Nebenschlußwicklungen fließenden Stroms kann dann die Ausgangsspannung innerhalb sehr enger Grenzen aufrechterhalten werden.

Ausgangsseitig ist an diesem Transformator dann eine Gleichrichterschaltung angeschlossen, die die Ausgangswechsel spannung des Transformators in Gleichspannung umsetzt. An dieser Gleichrichterschaltung ist eine Filterschaltung angeschlossen, die die Welligkeit der Ausgangsgleichspannung herabsetzt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen gemäß der Erfindung aufgebauten flußgeregelten

Transformator,

Fig. 2 die verschiedenen Blechschnitte zur Darstellung des Aufbaus des Transformators,

Fig. 3 die äquivalente Schaltung des in Fig. 1 gezeigten Transformators,

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Fig. H eine B-H-Kennlinie, die dem Verständnis der Betriebseigenschaften des Transformators dient.

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen der

Transformator-Ausgangsspannung (V-), dem Steuerstrom (I . ) und dem Transformator-Ausgangsstrom (IJ . Dieses Diagramm dient der besseren Verständlichkeit der verbesserten Spannungs-Regeleigenschaften des Transformators,

Fig. 6 eine Steuerschaltung, die in der Rückkopplungsschleife des

Transformators angeordnet ist,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der in Fig. 6 gezeigten

Schaltung und

Fig. 8 ein vollständiges Schaltbild des Transformators mit seiner

Steuerschaltung. Hier wird dem Transformator eine Wechselspannung zugeführt, und der Transformator regelt die Spannung und liefert nach Gleichrichtung und Siebung eine Gleichspannung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Da die Theorie von Transformatoren und anderen magnetischen Stromkreisen dem Fachmann allgemein bekannt ist, soll die nachfolgende Beschreibung von elementarer magnetischer Theorie nicht als Versuch angesehen werden, hier allgemein bekannte Prinzipien noch einmal zu wieder holen. Durch einen besonderen Hinweis auf allgemeine theoretische Grundlagen, die für die vorliegende Erfindung wesentlich sind, wird es jedoch leichter, den Erfindungsgedanken zu erkennen und zu würdigen.

Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung eines Transformators ist nach dem Faraday'sehen Gesetz

e = d λ/dt Gleichung 1,

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wobei λ die gesamte Flußverknüpfung einer Sekundärwicklung ist, die durch Summenbildung über alle Windungen erhalten wird, wobei der ! Fluß (φ) jede Windung verkoppelt. Im Hinblick auf Gleichung 1 folgt:

in

λ = Σ φ (t), wobei φ der die n-te Windung verkoppelnde

ι ■ '■ n=l .

Fluß ist und η die Gesamtanzahl der Windungen darstellt. Die Sekundärspannung kann daher in der Weise gesteuert werden, daß man den Fluß, der mit der Sekundärwicklung koppelt, steuert.

Die Erfindung erreicht diese Steuerung, d. h. die Steuerung der Sekundärspannung, mit einer Konstruktion, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, mit einem Nebenschlußpfad von veränderbarem magnetischen Widerstand. Vor einer Besprechung des in Fig. 1 dargestellten Transformators soll zunächst Fig. 3 betrachtet werden. Fig. 3 ist die magnetische äquivalente Schaltung für den in Fig. 1 gezeigten Transformator. Ohne die Einzelheiten der Fig. 3 im einzelnen zu beschreiben, die später erläutert werden, sei hier zunächst angegeben, daß der Gesamtfluß oder Primärfluß (φ ), der durch die Windungen N der Primärwicklung 10 erzeugt wird, sich auf drei Hauptpfade aufteilt. Der erste Pfad ist der Luftstreupfad, über den der Luftstreufluß (φ, _ft ..) läuft. Der zweite Pfad ist der Nebenschlußpfad, in dem der Nebenschlußfluß (Φ_{Νΐ3 n}j _ß) auftritt. Der dritte Pfad ist der Lastpfad, in dem der Sekundärfluß (φ ) fließt. Aus Fig. 3 erkennt man, daß nur der Fluß, der im Lastpfad fließt, die Sekundärspannung erzeugt. Die Größe des im Lastpfad fließenden Magnetflusses wird durch Veränderung des im Nebenschlußpfad fließenden Magnetflusses gesteuert. Unter der Annahme, daß der Gesamtfluß relativ stabil und konstant ist, läßt sich dies wie folgt ausdrucken:

¹^LaSt ⁼ Gesamt " ^φ Luftspalt " ^φ Nebenschluß

Die Größe des im Nebenschlußpfad fließenden magnetischen Flusses wird durch Veränderung des magnetischen Widerstandes des Nebenschlußpfades gesteuert. Der magnetische Widerstand (R) eines magnetischen Materials ist

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wobei I die magnetische Länge und A der Querschnitt des magnetischen Pfades sind, wobei beide als konstant angesehen werden. Das veränderliche

I Element ist die Permeabilität, die als μ = B/H ausgedrückt werden kann.

j Fig. 4 zeigt eine B/H-Kennlinie, die zeigt, wie der magnetische Wideri stand des Nebenschlußpfades verändert werden kann. Der magnetische i Widerstand des Nebenschlußpfades ist veränderbar und hängt vom Arbeitsi punkt längs der B/H-Kennlinie ab. Man erhält beispielsweise den am stärki sten veränderbaren magnetischen Nebenschlußwiderstand, wenn der Ar-I beitspunkt im gekrümmten Teil, dem Knie der B/H-Kennlinie liegt. Der Arbeitspunkt wird durch die magneto-motorische Kraft (F= ni) des Neben-

j schlußpfades ausgewählt und gesteuert.

Die zur Veränderung der magneto-motorischen Kraft und damit des magnetischen Widerstandes des Nebenschlußpfades erforderlichen Schaltmittel sind in den Fign. 6, 7 und 8 gezeigt und erläutert. Diese Steuerschaltungen werden im einzelnen noch beschrieben. Durch Einführen eines Luftspaltes (Fig. 3) im Nebenschlußpfad läßt sich eine Grobregelung des im Nebenschlußpfad auftretenden Magnetflusses erzielen. Die dynamische Feinregelung wird dann über die magneto-motorische Kraft erzielt, die durch die vorgenannten Steuerschaltungen erzeugt wird.

In Fig. 1 ist ein solcher Regeltransformator 12 gezeigt. Die einzelnen Teile, die zusammen den in Fig. 1 gezeigten Transformator ergeben, zeigen Fig. 1 und 2 zusammen. Wenn man den Transformator gemäß der Lehre der Erfindung aufbaut, so erhält man eine zusammenhängende Konstruktion die praktisch und wirtschaftlich sowohl für einfache als auch für mehrere Ausgänge ausgebaut werden kann. Der Transformator enthält dabei einen Hauptkern 14, einen Nebenschlußkern 16 und Verbindungstücke 18A und 18B. Diese Verbindungsstücke, die im folgenden als magnetische Engpässe bezeichnet werden sollen, verbinden den Hauptkern mit dem Nebenschlußkern. Deren Funktion ist ähnlich der einer Linse in einer optischen Vorrichtung, da diese Engpässe den magnetischen Fluß vom Hauptkern nach dem Nebenschlußkern konzentrieren und leiten.

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Gemäß Fig. 1 und 2 ist der Hauptkern rechteckig und weist in seiner Mitte eine Öffnung auf. Diese Öffnung dient der Aufnahme der Wicklungen, von denen nur eine gezeigt ist, wie sie auf dem Hauptkern angeordnet ist. Der Hauptkern 14 besteht aus einem Stapel Transformatorblechen mit U-I-Schnitten. j Die Höhe 20 des Stapels hängt von der geforderten Leistung des Transforma- j tors ab. _:

In Fig. 2 sind einzelne dieser Transformatorbleche, die aus U- und I-Schnitten bestehen, gezeigt. Jedes des Transformatorbleche wird aus Weicheisen mit einer vorbestimmten Dicke hergestellt. Die Bohrungen 24 und 26 werden im unteren Ende des U-förmigen Schnittes angebracht. Diese Bohrungen dienen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln, wie zum Beispiel Schrauben, mit denen der Transformator zusammengehalten wird. Die !-Schnitte 28 werden ebenfalls aus Weicheisen mit einer den U-Schnitten entsprechenden Stärke hergestellt. Die Bohrungen 32 und 34 werden an den äußeren Enden der I-Schnitte angebracht. Auch diese Bohrungen dienen der Aufnahme von Schrauben beim Zusammenbau des Kerns.

Die Primärwicklung 36 ist auf einem Schenkel des Hauptkerns angeordnet. Diese Primärwicklung wird nach üblichen Wickelverfahren hergestellt. Selbstverständlich hängt die Anzahl der Windungen und der Drahtdurchmesser für die auf dem Hauptkern sitzende Primärwicklung von der erforderlichen Leistung des Transformators ab. Auf dem gegenüberliegenden Schenkel des Transformators liegt eine (nicht gezeigte) Sekundärwicklung. Mit der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sind einige Anschlußdrähte (nicht gezeigt) verbunden. Die Eingangsspannung wird dabei der Primärwicklung in üblicher Weise zugeführt. In gleicher Weise wird die geregelte Ausgangsspannung von den Anschlußleitungen der Sekundärwicklung abgenommen.

In Fig. 1 sind die beiden magnetischen Engpässe 18A, 18B am Hauptkern befestigt. Diese magnetischen Engpässe haben eine doppelte Funktion. Zunächst geben sie dem Transformator eine entsprechende mechanische Festigkeit. Andererseits verbinden sie den Hauptkern mit dem Nebenschlußkern und führen den Magnetfluß vom Hauptkern weg nach dem Nebenschlußkern. Wie aus Fig. 1 zu sehen, sind die beiden Engpässe 18A und 18B

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ι aus einem Stapel von I-Schnitten, ähnlich den !-Schnitten für den Hauptkern, !hergestellt. Die I-Schnitte der Engpässe sind so angeordnet, daß sie parallel zur Kante 38 der U-Schnitte des Hauptkerns und des Nebenschluß-, kerns verlaufen. Durch Anordnung der Bleche der Engpässe auf diese I Weise fließt ein vom Hauptkern abgeleiteter Fluß im rechten Winkel zum ; Blechstapel. Obgleich der Blechstapel für den hindurchfließenden Magnetifluß eng zusammengehalten wird, wird doch durch den Blechstapel der Engipasse und zum Teil auch durch die Stapel von Haupt- und Nebenschlußkernen ^!ein äquivalenter Luftspalt gebildet. (Fig. 3). Die Höhe HO der Engpässe ¹ ist so gewählt, daß ein genügender Freiraum für die auf dem Hauptkern und dem Nebenschlußkern angebrachten Wicklungen besteht. Das Material und die Abmessungen der Nebenschlüsse sind so gewählt, daß man eine Grobregelung über den maximalen Fluß von und nach dem Nebenschlußkern er- : hält.

j Wie bereits erläutert, wird durch die Verwendung von Blechstapeln bei der !Herstellung der Engpässe ein äquivalenter Luftspalt erzeugt. Mit einem 'Luftspalt im Streuflußpfad wird der Fluß, der an die Wicklungen HH und 16 abgegeben werden kann, begrenzt. Wegen der Wirbelstromverluste in und ! in der Nähe der Engpässe des Transformators wird außerdem Leistung ver-• braucht. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird diese Begrenzung des Flusses verringert und/oder zu einem Minimum gemacht, wenn die Engpässe 18A bzw. 18B auf Ferritblöcken hergestellt sind. Wegen seines hohen spezifischen Widerstandes werden durch Ferritblöcke der Luftspalt in den Engpässen und die Wirbelstromverluste verkleinert.

Außerdem kann ein solcher Engpaß aus einem magnetischen Material mit hohem spezifischen Widerstand hergestellt werden.

Der Ausdruck Engpaß wird dabei aus der Tatsache abgeleitet, daß dadurch der vom Hauptkern nach dem Nebenschlußkern fließende Magnetfluß begrenzt wird. Der maximal durch den Nebenflußkern fließende Magnetfluß wird durch den hohen magnetischen Widerstand des Luftspaltes bei einem aus einem I-Schnitt-Blechpaket bestehenden Engpaß erzeugt oder durch die verringerte maximale Flußdichte des Ferrits, wenn als Engpaß ein Ferrit-

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■ - j

block benutzt wird. In jedem Fall wird der maximale Magnetfluß nach j

und von dem Nebenflußkern zunächst und hauptsächlich durch die restriktiven Eigenschaften des Engpasses bestimmt.

In Fig. 1 ist der Nebenschlußkern fest mit den Engpässen verbunden. Der j

Nebenschlußkern besteht aus einem Stapel von U-I-Schnitten, ähnlich denen ! des Hauptkerns. Die Höhe des Stapels 42 kann jedoch von der Höhe 20 des Hauptkerns verschieden sein und ist so ausgelegt, daß der maximal durch j

die Engpässe hindurchtretende Magnetfluß aufgenommen werden kann. |

Steuerwicklungen 44 und 46 sind auf gegenüberliegenden Schenkeln des i

Nebenflußkerns angeordnet. Diese Steuerwicklungen weisen entsprechende (nicht gezeigt) Anschlußdrähte auf. An diesen Anschlußdrähten ist dann I

die Steuerschaltung angeschlossen, die die für die Steuerung oder Regelung j der Ausgangsspannung erforderliche magneto-motorische Kraft erzeugt. j

Die Kennwerte, wie z. B. das Windungsverhältnis, der Drahtdurchmesser !

usw. der Nebenschlußwicklungen 44 und 46 wird durch die magnetomotorische Kraft bestimmt, die zur Regelung der Ausgangsspannung erzeugt werden muß. Im folgenden soll nunmehr ein Herstellungsverfahren für den Transformator beschrieben werden.

Herstellung des Transformators

Obgleich der in Fig. 1 gezeigte Transformator mit herkömmlichen Mitteln und Verfahren hergestellt werden kann, von denen einige automatisch und/oder von Hand durchgeführt werden, so ist doch ein beim Zusammenbau des Transformators verwendetes Verfahren das folgende:

Wie aus Fig. 2 zu erkennen, werden die U- und I-Schnitte abwechselnd von der einen bzw. von der anderen Seite durch die Öffnungen der Primär- bzw. Sekundärwicklung in der Weise hindurchgeschoben, daß jeweils ein Schenkel, beispielsweise der Schenkel 52 des U-Schnittes 48, die Primärwicklung 36 durchsetzt, während der Schenkel 50 des U-Schnittes 48 die nicht gezeigte Sekundärwicklung durchsetzt. In gleicher Weise werden dann abwechselnd auf beiden Seiten die zugehörigen I-Schnitte 60 bzw. 28 an die entsprechenden U-Schnitte anstoßend, nämlich U-Schnitt 48 und U-Schnitt 38, aufgelegt, derart, daß die der Befestigung dienenden Bohrungen 24, 26, 32 und 34

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j miteinander ausgerichtet sind. Dies wird solange fortgesetzt, bis alle für diese j Primär- und Sekundärwicklungen vorgesehenen U-Schnitte wechselseitig

eingeschoben sind und die zugehörigen I-Schnitte auf die darunterliegenden ι U-Schnitte jeweils aufgelegt sind.
j

' Diese Art der wechselseitigen Lage der U-I-Schnitte wird bevorzugt. i

i Auf dem Hauptkern werden anschließend die Engpässe 18A und 18B aus jeweils einem Stapel von I-Schnitten hergestellt, deren Bohrungen 32 und 34 j
[ jeweils mit den Bohrungen 24 und 26, bzw. 32 und 34 des Hauptkerns ausge-

j richtet sind. Diese Blechstapel aus I-Schnitten liegen also parallel zu den Querstegen bzw. I-Schnitten der U-I-Kernbleche. Der Nebenschlußkern wird dann in genau der gleichen Weise hergestellt, d.h. die U-I-Schnitte werden in genau der gleichen Weise wie beim Hauptkern abwechselnd von beiden Seiten durch die beiden Nebenschlußwicklungen 44 und 46 hindurchgesteckt, während die dazugehörigen I-Schnitte an die entsprechenden U-Schnitte anschließend auf der anderen Seite aufgelegt werden. Dieser so hergestellte Nebenschlußkern wird dann auf die Engpässe 18A, 18B aufgesetzt und durch Einführen von Schrauben oder Bolzen 62, 64, 66 und 68 durch die ausgerichteten Bohrungen zusammengehalten. Diese Schrauben können in üblicher Weise dann mit Muttern versehen und festgeschraubt werden. Durch entsprechendes Anziehen der Schraubenmuttern wird der Transformator dicht gepackt. Selbstverständlich lassen sich auch andere Befestigungsmittel verwenden.

Außerdem werden an dem Transformator noch vier Befestigungsbügel 70, 72, 74 bzw. 76 angeschraubt. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die dan Transformator zusammenhaltenden Schrauben 62, 64, 66 und 68 auch zur Befestigung der Befestigungsbügel benutzt.

Wie bereits erläutert, sind auf dem Nebenschlußkern 16 die Nebenschlußwicklungen 44 und 46 angeordnet. Diese Wicklungen sind durch Leitungen 78, 80, 82 bzw. 84 miteinander verbunden. Die Steuerschaltung 86, die im einzelnen in den Fig. 6 und 8 gezeigt und anschließend noch beschrieben wird, erzeugt ein Steuersignal, das den magnetischen Widerstand des

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Nebenschlußkernes für die Regelung der über den Klemmen 88 bzw. 90 abgenommenen Ausgangsspannung steuert. Für eine optimale Steuerung der Ausgangsspannung, die über den Klemmen 88 und 90 abgenommen wird, ist es notwendig, daß der Gleichstromfluß und die letztendlich durch die Wicklung 44 bzw. 46 erzeugte elektro-motorische Kraft nicht im Hauptkern fließt. In gleicher Weise darf der im Hauptkern auftretende Wechselfluß keine Änderung der Gleichspannung der Steuerschaltung verursachen. Es ist ferner notwendig, daß beiden Schenkeln des Nebenschlußkerns eine gleich große magneto-motorische Kraft angeboten wird. Diese Eigenschaft wird dadurch erreicht, daß die Wicklungen 44 und 46 gegensinnig gewickelt sind. Wenn beispielsweise die Wicklung 44 rechts herum gewickelt ist, dann ist die Wicklung 46 links herum gewickelt und umgekehrt. Obgleich eine angezapfte Wicklung, d.h. eine mit einer Mittelanzapfung 92 versehene Wicklung an den Ausgangsklemmen 88 und 90 gezeigt ist, so kann doch ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken auch auf diese Mittelanzapfung verzichtet werden. Ferner können auch eine Anzahl von Sekundärwicklungen auf dem Hauptkern angebracht sein.

In Fig. 8 ist eine Schaltung zur Erläuterung des mit Flußregelung arbeitenden Transformators einschließlich seiner Verbindungen mit einer äußeren geregelten Schaltung gezeigt. Der Transformator enthält eine Primärwicklung mit einer vorbestimmten Anzahl von Windungen N . Die Primärwicklung 10 ist an einer Eingangswechsel spannung über Klemmen 94 und 96 angeschlossen, wobei es sich bei der Eingangswechselspannung um die Netzspannung handeln kann.

Auf dem gleichen Kern wie die Primärwicklung sitzt die Sekundärwicklung Die Sekundärwicklung weist eine vorbestimmte Anzahl von Windungen N auf und ist ausgangsseitig an einem Gleichrichter und einer Filterschaltung angeschlossen, die zusammen mit 100 bezeichnet sind. Jede in der Sekundärwicklung erzeugte Wechselspannung wird in der Ausgangsgleichrichter- und Filterschaltung 100 gleichgerichtet und gesiebt. Diese Gleichspannung wird dann an die Ausgangsklemmen 126, 128 abgegeben.

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Die Nebenschlußwicklungen 44 bzw. 46, jede mit einer vorbestimmten Anzahl von Windungen, liegen auf dem Nebenschlußkern. Die Nebenschlußwick-I lungen sind an der Steuerschaltung 86 angeschlossen. Die Rückkopplungs- ! schleife 102 verbindet den Ausgang des Transformators mit der Steuerschaltung. Durch Abfühlen der Ausgangsspannung regelt die Steuerschaltung den magnetischen Widerstand des Nebenschlußkernes, so daß die Ausgangsspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches bleibt. Zur Stromversorgung für die Steuerschaltung 86 ist auf der Hauptwicklung eine zweite Sekundärwicklung 104 angebracht. Die Vorspannungswicklung und das Filter wandeln die in der Sekundärwicklung erzeugte Wechselspannung in die Versorgungsgleichspannung um. Selbstverständlich könnte auch eine äußere Gleichspannungsquelle für die Erzeugung der Versorgungsspannung für die Steuerschaltung benutzt werden.

Die Steuerschaltung 86 enthält eine Regler schaltung mit einer Anzahl von Eingangs- und Ausgangsklemmen. Diese Reglerschaltung ist ein üblicher Operationsverstärker, der handelsüblich beschafft werden kann. Dieser Operationsverstärker weist eine innere Bezugsspannung V , auf, die dann erzeugt wird, wenn die Klemmen 108, 110 und 112 an einer eine vorbestimmte Vorspannung liefernden Schaltung 114 angeschlossen sind. Mit dieser Schaltung wird, wenn beispielsweise eine an der Ausgangsklemme 88 auftretende Ausgangsspannung der Eingangsklemme 116 zugeführt wird, imme dann an der Ausgangsklemme 118 ein Ausgangsimpuls abgegeben, wenn die Eingangsspannung außerhalb des angegebenen Bereichs in bezug auf die Bezugsspannung liegt. Dieser Impuls erzwingt das Leiten des Transistors Q₁ und regelt damit den Betrag des durch die Nebenschlußwicklungen fließenden Stroms. Zur Ableitung des Nebenschlußstroms von dem Transistor ist eine Diode D₁ über den Nebenschlußwicklungen angeschlossen und mit ihr ein Kollektor an der Kollektorelektrode des Transistors angeschlossen.

Fign. 6, 7A bis 7D dienen dem Verständnis der Transistor-Diodenkombination, die den Stromfluß durch die Nebenschlußwicklungen steuert. Fig. 6 zeigt die Diode D₁, die über den Wicklungen 44 und 46 angeschlossen ist und mit ihrem Kollektor an der Kollektorelektrode des Transistors Q₁ angeschlossen

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ist, während der Ausgang des Reglers an der Basis des Transistors Q₁ angeschlossen ist. Die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe sind in Fign. 7A bis 7D gezeigt. Im Betrieb fühlt der Regler die Ausgangsspannung an der Klemme 88 ab und vergleicht sie mit der internen Bezugsspannung. ' Wenn die Welligkeit der Ausgangsspannung (Fig. 7A) unter die Bezugs- '

spannung abfällt, dann schaltet der Regler den Transistor Q₁ ein, so daß der Strom I (Fig. 7C) durch die Steuerwicklungen fließt. Wenn die Wellig-

CG

keit die Bezugsspannung überschreitet, dann schaltet der Abfühlverstärker Q₁ ab. Ist Q₁ abgeschaltet, dann beginnt die Diode D₁ zu leiten und liefert eine Ableitung für den gedämpft abnehmenden oder induzierten Strom der Steuerwicklungen, bis der Zyklus sich wiederholt. Wie sich aus Fig. 7B ergibt, ist die Dauer der über Transistor Q₁ liegenden Spannung V

I CG

relativ kurz, verglichen mit einem ganzen Zyklus. Andererseits ist auch der Transistor Q₁ nur für eine relativ kurze Dauer innerhalb des gesamten Zyklus eingeschlatet. Da Transistor Q₁ nur für relativ kurze Dauer innerhalb eines gesamten Zyklus leitend ist, wird die insgesamt innerhalb eines Gesamtzyklus erzeugte Wärme in annehmbaren Grenzen gehalten. Der Nebenschlußstrom (I .) , der in dem Nebenschlußkern und/oder den Nebenschlußwicklungen fließt, ist in Fig. 7D gezeigt.

Der Vorteil dieser Regelschaltung besteht darin, daß der Transistor Q₁ den Beginn eines Steuerstromflusses einleitet, während er in der Sättigung ist. Der verbleibende Teil des Steuerstroms wird dann durch die Diode D₁ gesteuert, die ebenfalls eine niedrige Durchlaßspannung aufweist. Das hat zur Folge, daß in einem typischen Fall weniger als 1%der gesamten Ausgangsleistung in den Halbleiterbauelementen verbraucht wird, und sich damit auch die Menge der erzeugten Wärme in Grenzen hält.

Fig. 5 zeigt als Diagramm die Ausgangskennlinien des flußgeregelten Transformators. Dieses Diagramm dient dem Verständnis des Bereichs, über den die Ausgangsspannung des Transformators, wenn er erfindungsgemäß aufgebaut ist, geregelt werden kann. In diesem Diagramm stellt die senkrechte Achse die Ausgangsgleichspannung (V_Q) und die waagerechte Achse den Ausgangsgleichstrom (I _Q) dar. Die Kurven A, B und C stellen dabei jeweils eine Ausgangsgleichspannung bei verschiedenen Stufen der Sättigung

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des Nebenschlußkernes und bei verschiedenen Werten der eingangsseitigen Wechselspannung dar. Die Sättigung des Nebenschlußkernes wird durch den in der Nebenschlußwicklung fließenden Strom (I₅.) gesteuert. Beispielsweise wird der Verlauf der Kurve A bei einer Eingangsspannung von 181 Volt und einem die Nebenschlußwicklung durchfließenden Strom von 1.5 Ampere erreicht, wodurch der Nebenschlußkern in die Sättigung gesteuert wird. Es sei darauf hingewiesen, daß bei diesem Anwendungsbeispiel die Kurve A die Obergrenze für die Regelung darstellt. Die Kurve B gilt für eine Eingangsspannung von 224 Volt, wenn der die Nebenschlußwicklung durchfließende Strom (I .) 0 Ampere beträgt. Die Kurve B stellt also die Untergrenze für die Regelung dar. Wie aus Fig. 5 zu erkennen, liegt für eine gegebene Ausgangsspannung von beispielsweise 5 Volt der Regelbereich zwischen Punkt 120 (Kurve B) und Punkt 122 (Kurve A) . Eines der wesentlichsten Merkmale der Erfindung besteht darin, daß der Regelbereich relativ breit ist. Das bedeutet aber, daß für eine gegebene Ausgangsgleichspannung von beispielsweise 5 Volt eine Mehrzahl von Ausgangsstrombereichen (I_Q) möglich ist.

Wie bereits erläutert, spielt das für die Engpässe verwendete Material für den Regelbereich eine ganz wichtige Rolle. Dieser Gesichtspunkt wird durch die in Fig. 5 gezeigten Kurven noch deutlicher gemacht. Die Kurve A und Kurve B werden dadurch erzielt, daß man für die Engpässe Blechstapel verwendet. Im Gegensatz dazu erhält man die Kurve C, wenn man für die Engpässe Ferritblöcke nimmt. Die Eingangsspannung und der Nebenschlußstrom zur Erzeugung der Kurve C sind praktisch die gleichen wie bei der Erzeugung der Kurve B. Wie man aus Fig. 5 erkennt, nimmt bei Verwendung von Ferrit als Material für die Engpässe der Umfang des Regelbereiches zu. Der Regelbereich für Ferritblöcke liegt im wesentlichen zwischen Punkt 122 und Punkt 12t.

Arbeitsweise

Wie bereits erläutert, betrifft die Erfindung einen flußgeregelten Transformator, dem eingangsseitig eine Wechselspannung zugeführt wird, und der ausgangsseitig nach Gleichrichtung eine geregelte Gleichspannung liefert.

BO 976 086

809886/0791

Im Betrieb wird die Eingangswechselspannung dem Transformator an den Eingangsklemmen 94 und 96 in Fig. 8 zugeführt. In der Sekundärwicklung wird eine Sekundärspannung induziert. Die induzierte Wechselspannung wird dann im Ausgangsgleichrichter und Filter 100 gleichgerichtet und an den Ausgangsklemmen 88 und 90 wird eine geregelte Gleichspannung abgegeben .

Die an den Ausgangsklemmen 88 und 90 auftretende Ausgangsspannung wird abgefühlt und nach dem Regler rückgekoppelt. Diese abgefühlte Spannung wird mit einer Bezugsspannung verglichen und dabei wird festgestellt, ob die abgefühlte Spannung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Ist die Rückkopplungsspannung nicht im wesentlichen der Bezugsspannung äquivalent, dann liefert der Regler einen Steuerimpuls, der den Transistor Q- einschaltet und einen Stromfluß durch die Nebenschlußwicklungen erzwingt. Durch Hervorrufen eines die Nebenschlußwicklungen durchfließenden Stromes ändert sich der magnetische Widerstand des Nebenschlußkernes, wodurch wiederum der Magnetfluß im Hauptkern geregelt wird. Dies wird solange fortgesetzt, bis die an den Ausgangsklemmen 88 und 90 auftretende Ausgangsspannung innerhalb der vorbestimmten Grenzen liegt.

Die Reglerschaltung wird über eine Vorspannungswicklung 104 und ein Filter 106 mit Spannung versorgt. Anstelle einer Vorspannungswicklung kann auch eine Gleichspannungsquelle für die erforderliche Spannungsversorgung verwendet werden.

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Claims

"7 B Left

PATENTANSPRÜCHE

Regeltransformator mit einem die Primärwicklung und die Sekundärwicklung tragenden Hauptkern und einem eine Nebenschlußwicklung tragenden Nebenschlußkern, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschlußkern (16) mit Abstand mit dem die Primär- und die Sekundärwicklung tragenden Hauptkern ausgerichtet angeordnet ist, und mindestens eine steuerbare Nebenschlußwicklung (44, 46) trägt, daß der Hauptkern und der Nebenschlußkern über den Magnetfluß leitende Mittel (18A, 18B) magnetisch gekoppelt und mechanisch miteinander fest verbunden sind, und

daß eine an der Nebenschlußwicklung angeschlossene Steuerschaltung vorgesehen ist, durch die der den Nebenschlußkern durchsetzende magnetische Fluß begrenzbar ist.

Regeltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch leitenden Mittel aus einem als Engpaß für den Magnetfluß wirkenden Blechpaket bestehen.

Regeltransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die magnetisch leitenden Mittel (18A, 18B) aus einem als Engpaß für den Magnetfluß wirkenden Ferritblock bestehen.

Regeltransformator für ein Netzteil nach Anspruch 1 mit einem aus einem Blechpaket bestehenden Hauptkern und auf dem Kern angebrachter Primär- und Sekundärwicklung und einem an der Sekundärwicklung angeschlossenen Gleichrichter mit Siebmitteln, dadurch gekennzeichnet,

daß ein aus einem Blechpaket aufgebauter Nebenschlußkern mit Abstand und mit dem Hauptkern ausgerichtet angeordnet und über Magnetfluß-Engpässe (18A, 18B) mit dem Hauptkern fest verbunden und gekoppelt ist,

BO 976 086

609 88 6/0791

ORlGiNAL WSPECTED

daß dabei die Engpässe ebenfalls aus Blechpaketen bestehen, die in

gleicher Richtung ausgerichtet sind , wie die sich daran anschließenden j

Teile der Blechpakete des Hauptkerns und des Nebenschlußkerns, '

der mindestens eine steuerbare Nebenschlußwicklung (44, 46) trägt, ι

und daß der Ausgang der Sekundärwicklung über eine Rückkopplungs- \

Wirkverbindung (86) mit der Nebenschlußwicklung (44, 46) verbunden j

ist, wodurch zur Regelung der Ausgangsspannung der die Neben- j

schlußwicklung durchfließende Strom steuerbar ist. j

j 5. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

j daß der Nebenschlußkern eine geringere Dicke aufweist, als der

j Hauptkern.

ι 6. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, j

! daß mindestens zwei Nebenschlußwicklungen vorgesehen sind, die auf

! je einem Schenkel des Nebenschlußkerns angeordnet und gegensinnig

ι gewickelt sind, so daß sich die in den beiden Wicklungen induzierten

Spannungen gegenseitig aufheben.

Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Engpässe (18A, 18B) aus einem Material mit relativ niedrigem magnetischen Widerstand bestehen.

I. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechpakete des Hauptkerns und des Nebenschlußkerns aus U-I-Schnitten bestehen.

ι. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechpakete der Engpässe aus !-Schnitten bestehen.

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10. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, | daß zwei Sekundärwicklungen vorgesehen sind, deren eine die ge- j regelte Ausgangsspannung und deren andere die für die in der j Rückkopplungsschleife enthaltene Regelschaltung liefert. '

11. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, j

daß die Engpässe (18A, 18B) aus Ferritmaterial bestehen. |

12. Regeltransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ι daß die Engpässe aus einem Material hohen spezifischen Widerstandes ; bestehen. i

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