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Beschreibung
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zur Patentanmeldung Anordnung zur Umwandlung und Stabilisierung von
elektrischen Wechsel spannungen.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung,die es ermöglicht, eine elektrische
Wechselspannung mit beliebiger Kurvenform deren Effektivwert in gewissen Grenzen
schwanken kann auf elektromagnetische Weise mit höchstem Wirkungsgrad in eine sinusförmige
Wechselspannung mit konstanter Ampli -tude umzuwandeln.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt,bei denen durch Reihenschaltung
einer ungesättigten Drossel und eines elektromagnetisch hoch gesättigten Bauteils
mit einer oder mehreren Wicklungen, zu dessen einer Wicklung ein Kondensator parallel
geschaltet ist, eine in gewissen Grenzen veränder -liche Wechselspannung stabilisiert
wird.
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Da das magnetisch hoch gesättigte Bauteil in den meisten Fällen mehrere
Wicklungen hat,wird es in den weiteren Ausführungen grundsätzlich Uber -trager genannt.
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Auch Wechselrichter,die aus Gleichspannung eine periodische Wechselspannung
erzeugen, werden nach diesem System gebaut.Dabei wird sowohl die ungesättigte Drossel
als auch der gesättigte Ubertrager mit einer symetri -schen Gegentakt Eingangswicklung
versehen, deren gegenphasige Wicklung enden alternierend über Schaltelemente, meistens
Transistoren oder Thy -ristoren, an die Gleichspannung geschaltet werden.
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In beiden Anwendungsfällen entsteht jedoch an dem Ubertrager eine
stark verzerrte Kurve mit hohem Oberwellenanteil.
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Dieser Nachteil kann nur dadurch zum Teil kompensiert werden, daß
ein Reihenresonanzkreis für die dritte Oberwelle parallel zum Ubertrager geschaltet
wird.Ein unvermeidbarer Nachteil bleibt dann jedoch der Ein -satz einer großen und
schweren Resonanzdrossel bzw.die Verwendung von teuren und kompliziert zu montierenden
speziellen Dynamoblechen bei denen die Drossel in den Ubertrager integriert ist.
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Ein weiterer noch schwerwiegenderer technischer Nachteil besteht darin,
daß der Ubertrager um seine Stabilisierungsfunktion ausüben zu können in einem Magnetisierungsbereich
betrieben werden muß, in dem bereits geringe Spannungsänderungen an einer Wicklung
eine große Veränderung seines induktiven Widerstandes bewirken. Dies ist nur möglich,wenn
der Ubertrager hoch in der magnetischen Sättigung arbeitet , was zwangsweise zur
Folge hat,daß große Ummagnetisierungsverluste entstehen und der Eisenkern sich stark
erwärmt.
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Dementsprechend ist auch der Wirkungsgrad eines nach dieser Art aufge
-bauten Wechselrichters oder Spannungskonstanthalters sehr schlecht.
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Ein weiterer Nachteil dieses Systems besteht darin, daß bei kapazitiver
oder induktiver Belastung des Ausgangs die Spannungsverhältnisse stark verschoben
werden, sich also auch die Ausgangs spannung stark ändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu entwickeln,
die es ermöglicht, Spannungskonstanthalter und Wechselrichter aufzubauen, welche
die beschriebenen Nachteile nicht aufweisen.
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Darüberhinaus soll die neue Anordnung die Eigenschaft besitzen, daß
kurz -zeitige Unterbrechungen der primären Energiezufuhr am Ausgang nicht in Erscheinung
treten.
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Beschreibung zur Patentanmeldung Die Aufgabe wurde auf folgende Weise
technisch gelöst: Für den Ubertrager wird als Eisenkern ein Schnittbandkern aus
korn -orientiertem verlustarmem Dynamoblech gewählt.Die Hälften des Schnittbandkernes
werden nicht wie üblich ohne Luftspalt verbunden, sondern zwischen die Schnittflächen
wird bevor die Hälften mit Spann -bändern verbunden werden eine isolierende Zwischenlage
eingebracht, so daß ein wirksamer Luftspalt von 0,27o der Länge der magnetischen
Feldlinien im Eisen entsteht.
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Aufgebaut wurde zunächst ein Wechselrichter für 24 Volt Eingangsspannung,
der eine Ausgangsspannung von 220 Volt und 50 Hz erzeugt und eine Leistung von 750
Watt übertragen kann.
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Als Ubertrager wurde ein Kern SE 150a gewählt,dessen Hälften mit Zwischenlagen
von je 0,3 mm zusammengespannt wurden,so daß ins -gesamt ein wirksamer Luftspalt
von 0,6 mm entsteht.
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Als ungesättigte Reihendrossel wurde ein Kern EI 130b mit einem Luft
-spalt von 3 mm Dicke eingesetzt, Durch den Luftspalt zwischen den Hälften des Schnittbandkerns
verändert sich dessen Magnetisierungskennlinie,die normalerweise fast rechteckig
verläuft in einer solchen Weise, daß bei Parallelschaltung eines geeignet dimensionierten
Kondensators zu einer Wicklung des Ubertragers folgender Effekt auftritt: Beim Anlegen
einer rein rechteckigen Wechselspannung an die Anordnung entsteht am Ubertrager
eine sinusförmige Wechselspannung mit sehr geringem Oberwellenanteil.
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Dabei ist es ohne Bedeutung ob die Unterbrechung im Eisenkern ein
echter Luftspalt ist oder ob zur leichteren Montage Zwischenlagen aus isolierendem
Material gewählt werden.
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Der Kondensator wird wesentlich energiereicher dimensioniert als bei
einem Ubertrager ohne Luftspalt;d.h. an eine Wicklung mit gleicher Spannung wird
ein Kondensator mit höherer Kapazität geschaltet.
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Dies bewirkt einen wesentlich höheren Blindstrom,der durch den Kon
-densator und die Wicklung des Ubertragers fließt,Da jedoch bedingt durch den Luft
spalt des Schnittbandkernes im Ubertrager die Ampere -windungszahl für eine bestimmte
Eisensättigung sehr stark wächst,ist der Schnittbandkern trotz des höheren Stroms
in der Wicklung bei weitem nicht so hoch magnetisch gesättigt wie dies bei Verwendung
eines Uber -tragers ohne Luftspalt in Verbindung mit einer geringeren Kapazität
der Fall ist.
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Die Folge ist,daß kaum noch Ummagnetisierungsverluste im Eisenkern
des Ubertragers entstehen.
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Durch die Krümmung der Magnetisierungskennlinie bedingt ist dennoch
eine sehr gute Stabilisierung der Ausgangsspannung gegen schwankende Eingangsspannungen
erreichbar.
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Der Wirkungsgrad dieser Anordnung wird im wesentlichen nur noch durch
die ohmschen Widerstände der auf der Drossel und dem Ubertrager aufgebrachten Wicklungen
bestimmt.
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Bei den verwendeten Kerntypen EI 130b und SE 150a ist der Wickelraum
im Verhältnis zum Eisenquerschnitt groß, so daß sehr niederohmige Wicklungen ermöglicht
werden.
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Der Gesamtwirkungsgrad der vorstehend beschriebenen Anordnung bei
der Umwandlung von nicht stabiler Rechteckwechselspannung in stabili -sierte Sinuswechselspannung
beträgt 90%.
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Die herkömmlichen Anordnungen mit hochgesättigtem geschlossenem Eisenkern
erreichen höchstens einen Wirkungsgrad von 65 %.
Beschreibung zur
Patentanmeldung Die beschriebene Anordnung hat noch weitere Vorteile gegenüber den
herkömmlichen Systemen.
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Neben dem viel höheren Energiegehalt des Kondensators ist auch im
Ubertragerkern eine mehrfach höhere Energie periodisch gespeichert.
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Ermöglicht wird dies ebenfalls durch den Luftspalt,der durch den höheren
magnetischen Widerstand im Feldlinienweg bewirkt, daß trotz weit gerin -gerer Eisensättigung
eine vielfach höhere Energie im Kern magnetisch gespeichert werden kann.
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Der Ubertrager bildet also mit dem parallel geschalteten Kondensator
einen verlustarmen Parallelresonanzkreis, der mit einer im Verhältnis zur maximalen
Ausgangsleistung sehr hohen Blindleistung schwingt.
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Das hat zur Folge,daß selbst große kapazitive und induktive Belastungen
am Ausgang des Wechselrichters den Schwingkreis nicht nennenswert verstimmen können
und die Ausgangsspannung somit kaum beeinflußt wird.
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Die geringen Anteile von Oberwellen, die noch in der Ausgangsspannung
enthalten sind, können mit einer sehr kleinen Drossel in Reihe zum Schwingkondensator
ausgefiltert werden. im vorstehenden Beispiel wurde ein Kern von der Größe M 42
verwendet.
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Durch den sehr großen Energiegehalt des Schwingkreises ist die Ausgangskurvenform
unabhängig von der Form der Eingangsspannung.Außerdem können dem Ausgang hohe Impulsleistungen
aus dem Schwingkreis zuge -führt werden, während dem Eingang der Anordnung lediglich
die durch -schnittlich benötigte Leistung eingespeist wird.
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Bei mit Halbleitern geschalteten Wechselrichtern ist dies ein großer
Vorteil.
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Beim Betrieb der Anordnung als Spannungskonstanthalter bewirkt der
hohe Energiegehalt des Kreises,daß eingangsseitige Unterbrechungen bis zu mehreren
Halbwellen am Ausgang keine Spannungsunterbrechung her -vor ruf en.
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Ähnlich günstige Ergebnisse können auch erzielt werden, wenn im ttber
-trager der Anordnung statt eines Schnittbandkerns hochwertige Dynamo -bleche in
Verbindung mit einem definierten Luftspalt verwendet werden und wenn der Kern statt
mit einer Unterbrechung mit einer starken Querschnittsverengung versehen wird.
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Wird eine der beschriebenen Anordnungen mit Einweggleichrichtung der
Ausgangsspannung betrieben, so wirkt die unsymetrische Belastung wie eine Vormagnetisierung
des Ubertragers durch Gleichstrom und kann eine Verschiebung des magnetischen Arbeitspunktes
und damit eine Un -symetrie der Ausgangsspannung verursachen.
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Das kann dadurch kompensiert werden,daß die periodisch unbelastete
Halbwelle der Eingangsspannung,die dadurch effektiv höher wirkt,gegen -über der
periodisch belasteten Halbwelle am Eingang der Anordnung in ihrem Effektivwert entsprechend
verringert wird.
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Dies geschieht bei mit Transistoren angesteuerten Wechselrichtern
am einfachsten, indem der zugehörige Transistor entsprechend weniger weit durchgesteuert
wird. Bei mit Thyristoren geschalteten Wechselrichtern wird zweckmäßigerweise die
Einschaltzeit des zugehörigen Thyristors entsprechend verringert.
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So können mit der beschriebenen Anordnung bei jeder möglichen Ausgangsbelastung
symetrische und sinusförmige Wechselspannungen erzeugt werden.