-
Streufeldspartransformator
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Streufeldspartransformator in
Mantelbauweise und mit in Transformatorlängsrichtung geschichtetem Kernpaket, insbesondere
zur Verwendung als Vorschaltgerät für Gasentladungslampen, mit auf einem gemeinsamen
Magnetkern angeordneter Primär- und Sekundärwicklung und einem magnetischen Nebenschlußpfad
über Streufeldpakete zwischen den beiden Wicklungen, wobei der Querschnitt des Transformators
im Vergleich zu seiner Länge klein ist.
-
Ein derart aufqebauter Streufeldtransformator ist beispielsweise aus
der DE-OS 28 14 933 bekannt. Als Kernformen kommen dabei in bekannterweise in abfalloser
oder abfallarmer Stanzweise gestanzte Formen EI, EE und UT zur Anwendung.
-
Die Kernquerschnittsformen von Vorschaltgeräten für Gasentladungslampen
sind genormt, und zwar entweder quadratisch oder mit einem Höhen/Breitenverhältnis
3/4 in Flachbauweise.
-
Die Flachbauweise ermöglicht insbesondere gedrungene Bauformen der
Leuchten. Im Vergleich zu Drosselspulen als Vorschaltgeräte mit vergleichbaren technischen
Eigenschaften bezüglich Eigenverlusten, Wicklungserwärmung und Einhaltung
der
maximalen Kurzschlußströme bzw. Vorheizströme ist der Materialaufwand bekannter
Streufeldtransforinatoren etwa doppelt so groß wie bei den Drosselspulen. Bezüglich
einer optimalen Bemessung von Streufeldtransformatoren in Sparschaltung ist dem
bekannten Stand der Technik keine Anregung zu entnehmen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Streufeldspartransformatoren
der eingangs beschriebenen Art optimal für den geringstmöglichen Materialaufwand
bei gleichbleibenden technischen Eigenschaften zu bemessen und weiter eine Kernform
für derartige Streufeldspartransformatoren zu schaffen, welche eine rationelle Serienfertigung
ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis
der Windungszahl der Primärwicklung zur Windungszahl der Sekundärwicklung etwa 0,8
bis 1,2 beträgt und daß die Breite der Streufeldpakete etwa gleich 0,9 bis 1,0 mal
der Breite des die Primär- und die Sekundärwicklung tragenden Magnetkerns ist. Durch
diese Bemessung ist für den ungünstigsten Betriebsfall, nämlich den Kurzschlußbetrieb
bzw. bei Leuchtstofflampen mit vorzuheizenden Elektroden den Vorheizbetrieb die
spezifische Materialbeanspruchung des magnetischen Hauptkreises sowohl der Primärwicklung
und der Sekundärwicklung sowie des magnetischen Nebenschlußpfades gleich groß.
-
Durch die erfindungsgemäße Bemessung des magnetischen Nebenflußpfades
ergeben sich etwa gleich große Wickelfenster für die Primär- und die Sekundärwicklung
als größtmögliche Flächen zur Erzielung der den magnetischen Fluß treibenden Windungszahlen
bei gegebener Stromdichte. Bei breiterer Bemessung des Nebenschlußpfades würde der
Wickelraum reduziert, wobei umgekehrt proportional zur Verkleinerung der Wickelbreite
die Schichtungshöhe des Kernpakets vergrößert werden müßte, was zu einer Zunahme
an Aktivmaterial sowohl
des Kernes als auch der Wicklungen führen
würde. Bei schmälerer Bemessung des Nebenschlußpfades tritt bei gleicher Hauptflußgröße
im Kern eine tibersättigung des Nebenschlußpfades ein, wodurch die Kurzschlußkennlinie
stark gescherrt wird und der Kurzschlußstrom bzw. Vorheizstrom überproportional
ansteigt. Mit der erfindungsgemäßen Bemessung kann die magnetische Induktion auf
den größtmöglichen Wert für den magnetischen Hauptkreis festgelegt werden und die
Schichtungshöhe des Streufeldspartransformators bei gegebener Fläche proportional
der Induktion verringert werden, wodurch sich bei gleich angesetzter spezifischer
Materialbeanspruchung der Wicklungen sowohl die Verluste im magnetischen Kreis entsprechend
dem Gewicht als auch in den Wicklungen etwa proportional verringern. Um nun die
gleichen Eigenschaften und Verluste zu erzielen, kann bei dieser im Hinblick auf
die Kurzschlußkennlinie des Streufeldspartransformators optimale Festlegung der
Induktion die spezifische Materialbeanspruchung der Wicklungen erhöht werden, beispielsweise
der Drahtdurchmesser bei Runddraht verkleinert werden, was wiederum zu einer Unterbringungsmöglichkeit
von mehr Windungen in der gegebenen Wickelfläche bei Beibehaltung gleicher Induktion
und damit zu einer weiteren Verkürzungsmöglichkeit des Kernpakets führt. Hierdurch
wiederum werden sowohl Kerngewicht als auch Wicklungsgewicht weiter verringert.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Streufeldspartransformators
können das Aktivmaterial im magnetischen Kreis und in den Wicklungen um etwa 30%
reduziert und die Verluste etwa halbiert werden, wobei sich trotz der verringerten
kühlenden Oberfläche 15 bis 20 K geringere Wicklungsübertemperaturen ergeben.
-
Die Leerlaufspannung des Streufeldspartransformators ist für die notwendige
Versorgungsspannung der Lampe bzw., falls erforderlich,auf die Größe der Startspannung
ausgelegt.
-
Falls diese Leerlaufspannung des Streufeldspartransformators zur Primärspannung
nicht etwa im Verhältnis 2:1 stcht, weist die Primärwicklung bei größerer tibersetzung
eine Zwischenanzapfung auf. Bei kleinerer Übersetzung ist zweckmäßig ein zusätzlicher,
an den Verbindungspunkt zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung angeschlossener
Primärwicklungsteil auf dem Magnetkern angeordnet.
-
Bei etwa quadratischem Kernpaketquerschnitt sind die Wikkelflächen
der Primärwicklung und der Sekundärwicklung vorteilhaft ebenfalls etwa quadratisch.
Derartige Wickelflächen sind insbesondere für Aluminiumwicklungen geeignet, wenn
als Entwurfsvoraussetzung ein geringstmöglicher Materialaufwand gegeben ist. Bei
Forderung nach kleinstmöglicher Baulänge bei gleicher Querschnittsform ist diese
Auslegung der Wickelflächen auch für Kupferwicklungen geeignet.
-
Bei einem Aufbau des Kernpakets in Flachbauweise, d.h. wenn der Kernpaketquerschnitt
breiter als hoch rechteckig ist, ist die Wickelflächenhöhe der Primärwicklung und
der Sekundärwicklung vorteilhaft kleiner als die Wickelflächenbreite.
-
Diese Auslegung ist insbesondere für Kupferwicklungen geeignet.
-
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der
Magnetkern als Kreuzkern ausgebildet, dessen Querschenkel die Streufeldpakete bilden,
wobei der Kreuzkern in einem Kernmantel aus zwei U-förmigen Rückschlußschenkeln
angeordnet ist. Diese Ausbildung des erfindungsgemäßen Streufeldspartransformators
erlaubt eine besonders rationelle Fertigung, da die Primärwicklung und die Sekundärwicklung
selbst bei voneinander abweichenden Windunaszahlen infolge der gleichen Wickelflächen
für beide auf dem gleichen Automaten hergestellt und durch einfaches Aufsetzen auf
die Querschenkel des symetrischen Kreuzkerns auf diesem angeordnet werden können.
Durch
die beiden U-förmigen Rückschluß schenkel wird über die Einstellung des Luftspaltes
im magnetischen Nebenschlußpfad die gewünschte Kurzschlußinduktivität erreicht.
Außerdem wird durch diese Anordnung der Wicklungen und den entsprechenden Montagevorgang
auf die Breite der Wicklungen eine Flächenpressung ausgeübt, so daß sich die beiden
Wicklungen formschlüssig in dem Wickelfenster anordnen lassen und aufgrund des gleichmäßigen
Anpreßdruckes an der gesamten Oberfläche der Wicklungen für eine gute Wärmeableitung
gesorgt ist.
-
Zweckmäßig sind zwischen den zwei Rückschlußschenkeln und/ oder zwischen
diesen und den Querschenkeln des Kreuzkerns feste Luftspalteinlagen angeordnet,
die vorteilhaft aus einem deformierbaren, metallischen, nicht ferromagnetischen
Werkstoff wie Kupfer oder Aluminium bestehen. Die Luftspalteinlagen können als Runddraht
ausgebildet und in entsprechenden Einkerbungen mittig in der magnetisch neutralen
Zone angeordnet sein.
-
Zur weiteren Montagevereinfachung sind zweckmäßig die beiden U-förmigen
Rückschlußschenkel von zwei U-förmigen Gehäuseteilen umschlossen, welche durch Schweißung,
insbesondere Punktschweißung, nach dem Einstellvorgang bei Erreichen der gewünschten
Kurzschlußinduktivität miteinander fest verbunden werden.
-
Um eine möglichst geringe Baubreite des Streufeldspartransformators
zu erzielen, ist ein Gehäuseteil vorteilhaft als U-förmige Bodenplatte ausgebildet,
deren Schenkel in Ausnehmungen etwa der Tiefe der Bodenplattendicke in den Rückschlußschcnkcln
angeordnet sind.
-
Schließlich ist der erfindungsgemäße Streufeldspartransformator zweckmäßig
derart aufgebaut, daß wenigstens ein U-förmiges Gehäuseteil das Kernpaket in Schichtungsrichtung
beid-
seitig etwa um die Wickelkopfausladungen der Wicklungen überragt.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand
der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine perspektivische
Ansicht eines erfindungsgemäßen Streufeldspartransformators in Flachbauweise, Fig.
2 einen Querschnitt durch den Streufeldspartransformator nach Fig. 1, Fig. 3 bis
8 verschiedene Ausführungsbeispiele von Kernformen zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen
Streufeldspartransformator, wobei Figuren 3 und 4 quadratische Kernpaketquerschnitte
unter Verwendung von EI bzw. UT-Blechschnitten zeigen und die Figuren 5 bis 8 Kernpaketquerschnitte
für Streufeldspartransformatoren in Flachbauweise mit EI- und EE-Blechschnitten
und Kempakete mit Kreuzkernen und U-förmigen Rückschlußschenkeln zeigen, Fig. 9
und 10 eine schematische Darstellung des Flußverlaufs im Leerlauf und bei Kurzschluß-
bzw.
-
Belastungsbetrieb Fig. 11 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen
Streufeldspartransformators mit angeschlossener Gasentladungslampe ohne vorzuheizende
Elektroden,
Fig. 12 Stromspannungskennlinien des erfindungsgemäßen
Streufeldspartransformators, und Fig. 13 bis 15 Zeigerdiagramme bei Leerlauf-, Kurzschluß-und
Belastungsbetrieb des erfindungsgemä-Ben Streufeldspartransformators.
-
In den Figuren 1 und 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Streufeldspartransformators in Mantelbauweise mit Kreuzkern in
perspektivischer Ansicht und in Schnittansicht dargestellt. Der Streufeldspartransformator
weist eine auf einem gemeinsamen Magnetkern M sitzende Primärwicklung W1 mit der
Windungszahl w1 und eine Sekundärwicklung W2 mit der Windungszahl w2 auf. Zwischen
den beiden Wicklungen W1 und W2, die in Reihe geschaltet sind, ist ein magnetischer
Nebenschlußpfad in Form von Streufeldpaketen S, welche die Querschenkel des Kreuzkerns
zu dem Magnetkern M sind, vorgesehen. Der Kreuzkern ist in einem Kernmantel aus
zwei U-förmigen Rückschlußschenkeln R angeordnet.
-
Die beiden U-förmigen Rückschlußschenkel R sind von einer U-förmigen
Bodenplatte P und einem U-förmigen'Gehäuseteil G umschlossen. Das U-förmige Gehäuseteil
G überragt das Kernpaket in Schichtungsrichtung beidseitig wenigstens um die Wickelkopfausladungen
der Wicklungen W1 und W2.
-
In Luftspalten zwischen den Streupaketen S und den Rückschlußschenkeln
R und/oder in Luftspalten zwischen den Rück-,schlußschenkeln R selbst - die Luftspalte
sind in den Fig.
-
7 und 8 mit A bezeichnet - können in der Zeichnung nicht dargestellte
Luftspalteinlagen zur Erzielung der gewünschten Streuinduktivität angeordnet sein.
Diese Luftspalteinlagen bestehen zweckmäßig aus einem deformierbaren, metallischen,
nicht ferromagnetischen Werkstoff wie Kupfer oder Aluminium und sind vorzugsweise
als Runddrähte ausgebildet,
die in entsprechenden, ebenfalls nicht
dargestellten Einkerbungen mittig in der magnetisch neutralen Zone angeordnet sind.
-
Die Schenkel der U-förmigen Bodenplatte P sind in Ausnehmungen etwa
der Tiefe der Bodenplattendicke s in den RückschluD-schenkeln R angeordnet. Hierdurch
läßt sich eine geringstmögliche Breite des Streufeldspartransformators erzielen.
-
Die U-förmige Bodenplatte P und das U-förmige Gehäuseteil G sind nach
dem Einstellen der gewünschten Kurzschlußinduktivität durch Schweißung, wie PunktschweiBung,
beständig miteinander verbunden.
-
Das Verhältnis der Windungszahl w1 der Primärwicklung W1 zur Windungszahl
w2 der Sekundärwicklung W2 beträgt etwa 0,8 bis 1,2, und die Breite b5 der Streufeldpakete
S ist etwa gleich 0,9 bis 1,0 mal der Breite hK des die Primär-und die Sekundärwicklung
W1, W2 tragenden Magnetkerns M.
-
Durch diese Bemessung wird erreicht, daß das Aktivmaterial im magnetischen
Kreis und in den Wicklungen um 30% gegenüber bekannten Streufeldspartransformatoren
reduziert ist, daß die Verluste etwa halbiert sind und daß sich trotz verringerter
kühlender Oberfläche 25 bis 20 K kleinere Wicklungstemperaturen ergeben. Die Ausgestaltung
des Kernpakets mit dem Kreuzkern M, S und den beiden U-förmigen Rückschlußschenkeln
R stellt eine rationelle Fertigung des erfindungsgemäßen Streufeldspartransformators
sicher.
-
Bei quadratischer Ausführung des Kernpaketquerschnitts,beispielsweise
42 x 42 mm gemäß DIN 49865, wie er beispielsweise in den Figuren 3 und 4 gezeigt
ist, sind zweckmäßig auch die Wickelflächen der Primärwicklung W1 und der Sekundärwicklung
W2 etwa quadratisch. Diese Ausführungsform ist besonders für die Verwendung von
Aluminiumwicklungen geeignet, wenn als Entwurfsvoraussetzung geringstmöglicher Material-
aufwand
gegeben ist. Die vergleichsweise große Wicklungsfläche ist jedoch auch für Kupferwicklungen
bei der Forderung nach kleinstmöglicher Baulänge bei gleicher Querschnittsform geeignet.
-
Bei Ausführung des Streufeldspartransformators in Flachbauweise, wie
es in den Figuren 1, 2 und 5 bis 8 gezeigt ist, ist der Kernpaketquerschnitt breiter
als hoch rechteckig und die Wickelflächenhöhe hw der Primärwicklung W1 wie auch
der Sekundärwicklung W2 kleiner als die Wickelflächenbreite bw. Diese Ausführung
ist besonders für Kupferwicklungen geeignet.
-
Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei Kernformen bei quadratischem Kernpaketquerschnitt,
und die Figuren 5 bis 8 verschiedene Kernpaketquerschnittsformen bei Aufbau des
Streufeldspartransformators in Flachbauweise. Hierbei bedeuten B die Breite des
Kernpakets und H die Höhe des Kernpakets.
-
Im übrigen sind die Abmessungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele
für die Kernpaketquerschnitte unmittelbar den Figuren 3 bis 8 zu entnehmen.
-
Figur 9 zeigt schematisch die räumliche Flußaufteilung im Leerlauf.
Der magnetische Fluß a1 durchsetzt sowohl die Primärwicklung W1 als auch die Sekundärwicklung
W2. Der für die Magnetisierung erforderliche Magnetisierungsstrom I10 ist unter
Vernachlässigkeit der geringen Eisenverluste in Phase mit dem magnetischen Fluß
>1,wie es auch in dem Zeigtrdiaqrainm in Figur 13 dargestellt ist.
-
Figur 10. zeigt die räumliche Flußaufteilung im Kurzschlußbetrieb
bzw. im Belastungsbetrieb mit Lampe. Sowohl der Primärfluß 1 als auch der die Spannung
U2 erzeugende Sekundärfluß <2 bewirken den Streufluß 4s über den zwischen der
Primärwicklung W1 und der Sekundärwicklung W2 vorgesehenen magnetischen Nebenschlußpfad.
-
Im Kurzschlußbetrieb, der praktisch stets beim Start von Hochdrucklampen
im Anlaufvorgang vorliegt, sowie bei vorzuheizenden Leuchtstofflampen mit Starterbetrieb
im Falle des kurzschließenden Startes im Vorheizbetrieb dürfen die Kurzschluß- bzw.
Vorheizströme bestimmte Werte nicht übersteigen, um die Lampe nicht zu beschädigen.
Außerdem dürfen aber auch in diesem Betrieb die Wicklungsübertemperaturen die zulässigen
Werte nicht überschreiten, so daß die Kurzschlußwerte auf kleinstmögliche Werte
zu limitieren sind.
-
Figur 11 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Streufeldspartransformators,
angeschlossen an eine Gasentladungslampe E ohne vorzuheizende Elektroden, wie dies
beispielsweise bei Quecksilberdampf-Hochdrucklampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen
und Natriumdampf-Niederdrucklampen der Fall ist. Bei Belastung des Streufeldspartransformators
durch die Lampe RL liegt an dieser im bestimmungsgemäßen Lampenbetrieb die Spannung
UL. Die Leerlaufspannung des Streufeldspartransformators U1 + U2 ist für die notwendige
Versorgungsspannung der Lampe oder, falls erforderlich, auf die Größe der Startspannung
ausgelegt. Die Leerlauf spannung U20 gleich U1 + U2 ergibt sich, wie auch aus dem
Zeigerdiagramm Figur 13 ersichtlich, aus der Summe der Primärspannung U1 und der
Sekundärspannung U2. Steht die erforderliche Leerlaufspannung U20 nicht etwa im
Verhältnis 2:1 zur Primärspannung U1, so wird an dem Verbindungspunkt v zwischen
Primärwicklung W1 und Sekundärwicklung W2 entweder ein zusätzlicher Primärwicklungsteil
W1' angeschlossen und die Primärspannung U1 zwischen dem freien Anschluß der Primärwicklung
W1 und dem freien Anschluß des zusätzlichen Primärwicklungsteils W1' angelegt (Verkleinerung
der Leerlaufspannung U20),oder es wird eine Zwischenanzapfung z an der Primärwicklung
W1 vorgesehen, an welche die Primärspannung U1 angelegt wird (Vergrdßerung der l.eerlaufspannung
U20).
-
figur 12 zeigt die Spannungs/Stromkennlinien eines erfindungsgemäßen
Streufeldspartransformators. In diesem Diagramm ist aus der Leerlaufkennlinie zu
erkennen, daß der Streufeldspartransformator bei Nennspannung UN bereits im Sättigungsbereich
liegt, ohne daß die Kurzschlußströme eine unzulässige Scherrung erfahren. Aus Figur
12 ist auch zu erkennen, daß bei gleichgewählter Induktion für den Primärkreis der
Wert des Magnetisierungsstroms I10 bereits um ein Vielfaches vergrößert ist, was
ein Zeichen dafür ist, daß dieser Magnetisierungsanteil ausschließlich für die Sättigung
des magnetischen Nebenschlußpfades aufgebracht werden muß, da im Leerlauf (vgl.
Fig. 9) der magnetische Nebenschlußpfad vom magnetischen Fluß praktisch überhaupt
nicht belastet ist.
-
In Figur 13 ist ein Zeigerdiagramm für Leerlauf und in Figur-14 ein
Zeigerdiagramm für Kurzschlußbetrieb dargestellt. Im Leerlauf ist die Sekundärspannung
U20 gleich U1 + U2 Im Kurzschlußbetrieb des Streufeldspartransformators ist die
Sekundärspannung U1 + U2 gleich 0, was bedeutet, daß die Spannung U2 in der Sekundärwicklung
W2 gleich groß und entgegengesetzt der Primärspannung U1 sein muß.
-
Damit müssen mit dem erfindungsgemäßen Windungszahlenverhältnis w1/w2
der Primär- und Sekundärwicklung W1, W2 die Flüsse und 2 etwa gleich groß, aber
entgegengesetzt gerichtet sein, wodurch von dem magnetischen Nebenschlußpfad praktisch
ein gegenüber dem Fluß im Hauptpfad doppelter Fluß aufgenommen werden muß.
-
Figur 15 schließlich zeigt ein Zeigerdiagramm beim Betrieb der Lampe.
Auch dieses Zeigerdiagramm ist für den Idealfall dargestellt, daß der magnetische
Kreis und die Wicklungen keine Verluste haben, und daß für Gasentladungslampen die
Grundschwingung der Nennfrequenz maßgebend ist. Figur 15 zeigt, daß bei gegebener
Primärspannung U1 die Spannung U2.
-
in der Sekundärwicklung sich in Abhängigkeit von der Belastungsspannung
UL
auf einem Halbkreis bewegt, wenn die Lampe als rein ohmscher Widerstand betrachtet
wird. Bezogen auf die sekundäre Leerlaufspannung bildet die Senkrechte zu der Spannung
UL gemäß der ohmschen Belastung den Wert der fiktiven Kurzschlußspannung UK.
-
Leerseite