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Stelltransformator mit elektronischer Steuerung
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Die Erfindung betrifft einen Stelltransformator mit einer um einen
oder mehreren Transformatorkernen angeordneten Primärwicklung (Festwicklung) und
magnetisch damit gekoppelten Sekundärwicklungen (Stellwicklungen) sowie mit einer
elektronischen Steuerung zur Erzielung einer wenigstens annähernd stufenlos einstellbaren
Sekundärspannung.
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Der erfindungsgemäße Stelltransformator mit elektronischer Steuerung
zählt zu den Induktionsstelltransformatoren, die im Gegensatz zu Windungsstelltransformatoren
ohne Stromabnahmekontakte, wie Gleit-, Roll-oder Sprungkontakte, zur Änderung des
Ubersetsungsverhältnisses während des Betriebes arbeiten. Die Spannungseinstellung
erfolgt durch Veränderung der induktiven Verkettung beider Wicklungen in dem Sinne,
daß mit der wicklungsmäßig nicht veränderlichen Primärwicklung, die vielfach auch
als Festwicklung bezeichnet wird, eine unterschiedlich große Zahl von Wicklungsgruppen
mit unterschiedlichen Windungszahlen der Sekundärwicklung, die vielfach auch als
Stellwicklung bezeichnet wird, induktiv gekoppelt wird. Der Hauptvorteil dieser
Art von
Induktionsstelltransformatoren gegenüber Windungsstelltransformatoren
besteht darin, daß keinerlei Gleit-, Roll- oder Sprungkontakte benötigt werden,
wie dies für Windungsstelltransformatoren mit kontinuierlich gewickelter Sekundärwicklung
typisch ist. Diese Eigenschaft macht diese Art von Stelltransformatoren insbesondere
für eine Auslegung für große Ströme und damit entsprechend große Leistungen geeignet.
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Stelltransformatoren mit elektronischer Steuerung sind durch die DE-AS
26 09 697 grundsätzlich bekannt. Dieser vorbekannte Stelltransformator mit elektronischer
Steuerung zur Vorgabe einer wenigstens annähernd stufenlos steuerbaren Sinus-Wechselspannung
ist so ausgebildet, daß die elektronische Leistungssteuerung als sogenannte Phasenanschnittssteuerung
erfolgt. Die hierbei erzeugte Sekundär-Wechselspannung weicht in der Regel erheblich
von dem gewünschten sinusförmigen Verlauf ab, wenn nicht ein besonderer, zusätzlicher
Aufwand betrieben wird.
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Die Erfindung geht demgegenüber von einem grundsätzlich anderen Bauprinzip
eines Stelltransformators mit elektronischer Steuerung aus> bei dem die Sekundärwicklung
nicht eine Mehrzahl von primär bewickelten Eisenkernen umgreift, sondern bei dem
eine einzige Primärwicklung über einen oder mehrere Eisenkerne mit einer Sekundärwicklung
magnetisch gekoppelt ist, wobei die Sekundärwicklung von galvanisch voneinander
getrennten Wicklungsgruppen gebildet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stelltransformator
mit elektronischer Steuerung
der vorstehend erläuterten Art so auszubilden,
daß bei Spannungssprüngen entsprechend einer oder höchstens einiger weniger Windungen
der Sekundärwicklung die Spannungsregelung so feinstufig ist, daß eine Schrittweite
von 1 % möglichst nicht überschritten, vorzugsweise.
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deutlich unterschritten wird. Unter Schrittweite soll -hier das Verhältnis
Nennspannung (UN = 100 ) : durch die Anzahl der Windungen aller hintereinandergeschalteter
Sekundärwicklungsgruppen bzw. durch die doppelte Anzahl der Windungen aller hintereinandergeschalteter
Sekundärwicklungsgruppen bei der vektoriellen Gegeneinanderschaltung von Sekundärwicklungsgruppen
- im folgenden auch Plus/Minus-Schaltung benannt - verstanden werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Sekundärwicklungen als
galvanisch voneinander getrennte Wicklungsgruppen mit Windungszahlen im Verhältnis
einer steigenden, unendlichen Zahlenfolge ausgebildet sind, wobei die in den Wicklungsgruppen
induzierten Einzel-.spannungen jeweils für sich gleich- oder gegensinnig so zusammenschaltbar
sind, daß mit der Spannung der Wicklungsgruppe mit der kleinsten Windungszahl als
Spannungs sprung jede beliebige Spannung vom Spannungswert Null bis zum Spannungsgrenzwert
bei der Hintereinanderschaltung aller Wicklungsgruppen einstellbar ist.
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Der Ausdruck "steigende, unendliche Zahlenfolge" ist nicht im abstrakten
mathematischen Sinne zu verstehen, sondern im Sinne der vorstehend skizzierten Aufgabenstellung,
d.h. also eine Zahlenfolge mit ausreichend vielen Gliedern, um die gewünschte Feinstufigkeit
der Spannungsregelung zu erhalten. Entsprechende Beispiele werden später noch im
einzelnen erläutert werden.
Charakteristisch für die vorliegende
Erfindung ist also, daß keine kontinuierlich gewickelte Sekundärwicklung vorliegt,
sondern, daß einzelne Wicklungsgruppen mit nicht wiederkehrenden unterschiedlichen
Windungszahlen vorhanden sind, die über die Verkettung in Volt pro Windung auch
unterschiedliche Wicklungsgruppen-Spannungen induzieren. Diese unterschiedlichen
Wicklungsgruppen-Spannungen können über die vorhandenen Halbleiterschalter gezielt
in beliebigen Reihenfolgen zusammengeschaltet werden. Neben der Addition von Einzelspannungen
ist durch Gegeneinanderschaltung auch die Subtraktion von Einzelspannungen möglich.
Die verwendeten Halbleiterschalter führen die Schaltvorgänge so schnell aus, daß
größere Überbrückungswiderstände, wie beispielsweise beim Janssen-Sprungschalter,
nicht notwendig sind.
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Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung stehen die Windungszahlen
der Wicklungsgruppen der Sekundärwicklungen im Verhältnis 1 : 2 : 5 : 17 : 51 :
153 usw.
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zueinander.
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Eine solche Ausgestaltung bietet den besonderen Vorteil, daß bei einem
kleinsten Spannungssprung entsprechend einer Windung alle weiteren Spannungen eingestellt
werden können, wobei alle weiteren Spannungssprünge nicht größer sind als der Spannung
der Wicklungsgruppe mit der kleinsten Windungszahl der Sekundärwicklung, nämlich
einer Windung, entspricht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erhält man auch
dann, wenn die Windungszahlen der Wicklungsgruppen
der Sekundärwicklungen
im Verhältnis 1 : 2 4 4 : 8 : 16 : 32 : 64 usw. (geometrische Zahlenfolge) stehen.
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Auch im vorstehenden Falle läßt sich die gleiche Feinstufigkeit der
Spannungsregelung erzielen, wie dies an Hand der zuerst abgehandelten Zahlenfolge
erläutert worden ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. la bis ld einen Stelltransformator
mit elektronischer Steuerung mit fünf sekundärseitigen Wicklungsgruppen mit der
Wicklungsgruppenzahlenfolge 1 : 2 : 5 : 17 : 51 in vier verschiedenen Schaltstellungen;
Fig. 2a und 2b einen Stelltransformator mit elektronischer Steuerung mit sechs sekundärseitigen
Wicklungsgruppen mit der Wicklungsgruppenzahlenfolge 1 : 2 : 4 : 8 16 : 32 in zwei
verschiedenen Schaltstellungen; Fig. 3 zeigt ein Vorschaltelement für die Plus/Minus-Schaltung
bzw. die vektorielle Gegeneinanderschaltung der Wicklungsgruppen gemäß Fig. 2a und
2b und Fig. 4a bis 4h zeigen einen Stelltransformator mit elektronischer Steuerung
mit drei Wicklungsgruppen mit der Wicklungsgruppenzahlenfolge 1 : 2 : 5 mit reduziertem
Aufwand für die elektronischen Schalter.
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Die bei den verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Stelltransformators notwendige Primär- bzw.
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Festwicklung 1 und der Eisenkern 2 zur magnetischen Kopplung der Primär-
bzw. Festwicklung 1 mit den galvanisch getrennten Sekundärwicklungsgruppen (Stellwicklungen)
sind der Ubersichtlichkeit der Darstellung wegen lediglich in Fig. 1a dargestellt.
In den Fig. ib bis 1d, 2a und 2b sowie 4a bis 4h muß man sich diese Aktivteile des
Stelltransformators mit hinzudenken.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a bis 1d besteht die Sekundär-
oder Stellwicklung 3 aus fünf Wicklungsgruppen 3a bis 3e mit Windungszahlen im Verhältnis
der steigenden Zahlenfolge 1 : 2 : 5 : 17 : 51. Die Wicklungsgruppen 3a bis 3e sind
als galvanisch voneinander getrennte Wicklungsgruppen ausgebildet, die miteinander
und mit den Hauptanschlußklemmen A, B über Halbleiterschalter in Form von Triac-Bauelementen,
das sind Antiparallelschaltungen von zwei Thyristoren mit einer gemeinsamen Steuerelektrode,
oder in Form von antiparallelgeschalteten Thyristoren elektrisch verbunden sind.
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Wie die Fig. 1a bis 1d zeigen, enthält jede der Wicklungsgruppen 3a
bis 3e je vier Halbleiterschalter 4 bis 7, 8 bis 11, 12 bis 15, 16 bis 19 und 20
bis 23 (Wicklungs-Halbleiterschalter), von denen die beiden mittleren 5/6, 9/10,
13/14, 17/18 und 21/22 jeweils über Kreuz geschaltet sind. Parallel zu den Wicklungsgruppen
3a bis 3e und den vorstehend erwähnten Wicklungs-Halbleiterschaltern sind weitere
Halbleiterschalter 24 bis 27 (Linien-Halbleiterschalter) in Serie geschaltet. Ferner
sind quer zu den Hauptanschlußklemmen A und B weitere Halbleiterschalter 28 bis
31 (Querverbindungs-Halbleiter-
schalter) parallel zueinander geschaltet,
um eine oder mehrere der Wicklungsgruppen 3a bis 3e zuzuschalten, abzuschalten oder
gegeneinander zu schalten.
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Die Fig. ia bis 1d verdeutlichen folgende Schaltstellungen: In der
Darstellung gemäß Fig. la sind über die jeweils äußeren Wicklungs-Halbleiterschalter
4/7, 8/11, 12/15, 16/19 und 20/23 sämtliche fünf Sekundärwicklungsgruppen 3a bis
3e hintereinandergeschaltet, so daß alle 76 Windungen der Sekundärwicklung 3 in
Serie liegen.
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In der Darstellung gemäß Fig. ib sind den Sekundärwicklungsgruppen
3a, 3e (1 und 51 Windungen) die Sekundärwicklungsgruppen 3b, 3c, 3d (2, 5 und 17
Windungen) über die mittleren Wicklungs-Halbleiterschalter 9/10, 13/14 und 17/18
entgegengeschaltet, so daß effektiv 28 Windungen eingeschaltet sind.
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In der Darstellung gemäß Fig. 1c ist die Wicklungsgruppe 3e komplett
abgeschaltet, während die Wicklungsgruppen 3a bis 3d über die äußeren Wicklungs-Halbleiterschalter
4/7, 8/11, 12/15 und 16/19 in Serie geschaltet sind, so daß insgesamt 25 Windungen
eingeschaltet sind.
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Bei der Darstellung gemäß Fig. 1d sind die Wicklungsgruppen 3b, 3d
und 3e mit insgesamt 70 Windungen abgeschaltet, während der Wicklungsgruppe 3c mit
fünf Windungen die Wicklungsgruppe 3a mit einer Windung über die Wicklungs-Halbleiterschalter
5/6 entgegengeschaltet ist. Damit erhält man bei dieser Schaltstellung effektiv
vier Windungen.
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Wie vorstehende Erläuterungen zeigen, lassen sich mit der Wicklungsgruppenunterteilung
im Verhältnis 1 : 2 5 : 17 : 51 und der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten elektronischen
Schaltung beliebige sekundärseitige Spannungen vom Spannungswert Null bis zum Spannungsgrenzwert
entsprechend den insgesamt 76 Windungen einstellen. Da auch die Möglichkeit der
vektoriellen Gegeneinanderschaltung einzelner oder mehrerer Wicklungsgruppen 3a
bis 3e gegeben ist, erhält man ohne Berücksichtigung der Plus/ Minus-Schaltung eine
Schrittweite von 1,32 % und mit Berücksichtigung der Plus/Minus-Schaltung oder vektoriellen
Gegeneinanderschaltung verschiedener Wicklungsgruppen eine Schrittweite von etwa
0,65 % im Sinne der eingangs gegebenen Definition.
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Falls anstelle der dargestellten fünf Wicklungsgruppen sechs Wicklungsgruppen
im Verhältnis 1 : 2 : 5 : 17 51 : 153 verwendet werden, erhält man unter Berücksichtigung
der Plus/Minus-Schaltung eine Schrittweite von etwa 0,22 %. Spannungsregelungen
mit derart geringen Schrittweiten sind so feinstufig, daß sie in dieser Qualität
vielfach gar nicht benötigt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a und 2b besteht die Sekundär-
oder Stellwicklung 32 aus sechs Wicklungsgruppen 32a bis 32f im Verhältnis einer
geometrischen Zahlenfolge, nämlich 1 : 2 : 4 : 8 : 16 : 32.
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In der Darstellung gemäß Fig. 2a sind über die am Ende einer jeden
Wicklungsgruppe 32a bis 32f angeordneten Wicklungs-Halbleiterschalter 33 bis 38
sämtliche Wicklungsgruppen 32a bis 32f in Serie geschaltet, so daß alle 63 Windungen
wirksam sind. Für die notwendigen Um-
schaltungen sind zu jeder
Wicklungsgruppe - Wicklungs-Halbleiterschalter-Kombination 32a/33, 32b/34, 32c/35,
32d/36, 32e/37 und 32f/38 je ein Linien-Halbleiterschalter 39 bis 44 parallel geschaltet.
Ferner sind die verschiedenen Wicklungs- und Linien-Halbleiterschalter durch je
einen Querverbindungs-Halbleiterschalter 45 bis 50 miteinander verbunden. Die zu
den Querverbindungs-Halbleiterschaltern 45 bis 50 parallel angeordneten Widerstände
51 bis 56 sind mit den Querverbindungs-Halbleiterschaltern 45 bis 50 vorzugsweise
integriert und dienen der Schutzbeschaltung.
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In der Darstellung gemäß Fig. 2b sind die Wicklungsgruppen 32a, 32c,
32d und 32f abgeschaltet, so daß lediglich die Wicklungsgruppen 32b und 32e mit
insgesamt 18 Windungen wirksam sind. Für die Serienschaltung der Wicklungsgruppen
32b und 32e sind im vorliegenden Falle die Linien-Halbleiterschalter 39, 41, 42
und 44 sowie die Querverbindungs-Halbleiterschalter 45, 46, 47, 49 und 50 maßgebend.
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Aus den beiden Darstellungen gemäß Fig. 2a und 2b läßt sich ohne weiteres
ableiten, daß aufgrund der dort dargestellten elektronischen Beschaltung auch alle
anderen Schaltstellungen möglich sind, um auch bei diesem Ausführungsbeispiel beliebige
Spannungen vom Spannungswert Null bis zum Spannungsgrenzwert bei der Hintereinanderschaltung
aller Wicklungsgruppen 32a bis 32f einzustellen, wobei als Spannungs sprung auch
im vorliegenden Falle die kleinste Wicklungsgruppe 32a mit der Windungszahl 1 maßgebend
ist. Ohne Berücksichtigung der auch hier möglichen Plus/Minus-Umschaltung läßt sich
bei Verwendung
von sechs Wicklungsgruppen - wie dargestellt - eine
Schrittweite von 1,58 % und unter Berücksichtigung der noch zu erläuternden Plus/Minus-Umschaltung
von 0,79 % erzielen. Im Falle der Erweiterung der Sekundärwicklung 32 auf sieben
Wicklungsgruppen im Verhältnis 1 : 2 : 4 8 : 16 : 32 : 64 würde man Schrittweiten
von 0,78 % bzw.
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unter Berücksichtigung der Plus/Minus-Umschaltung von 0,39 % erhalten.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a
und 2b die wiederum als Thyristoren oder Triacs ausgebildeten Halbleiterschalter
deren Schutzbeschaltungen gleich mit einschließen. Wie die Fig. 2a uns 2b zeigen,
bestehen diese Schutsbeschaltungen je Sekundärwicklungsgruppe 32a bis 32f aus Widerständen
51 bis 56, die zu den entsprechenden Querverbindungs-Halbleiterschaltern 45 bis
50 jeweils parallelgeschaltet sind. Die Widerstände 51 bis 56 stellen hochohmige
Widerstände im Megaohmbereich dar.
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Um die vektorielle Gegeneinanderschaltung oder die Plus/Minus-Schaltung
auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a und 2b ohne erhöhten Aufwand an elektronischen
Schaltern zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn vor den Hauptklemmen A, B der
Sekundärwicklung 32 bzw. Sekundärwicklungsgruppen 32a bis 32f vier zusätzliche Halbleiterschalter
57 bis 60 vorgesehen sind, von denen die beiden äußeren Halbleiterschalter 57, 60
an den Hauptklemmen A, B und an den Anschlüssen der rein schematisch dargestellten
Stellwicklung 32 liegen, während die beiden inneren Halbleiterschalter 58, 59 zu
den Hauptklemmen A, B über Kreuz geschaltet sind.
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Damit ist mit den vier zusätzlichen Halbleiterschaltern 57 bis 60
auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a und 2b eine doppelte Ausnutzung des
Stellbereiches zwischen einem positiven und einem negativen Spannungshöchstwert
möglich.
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Um den Aufwand an elektronischen Schaltern für die Zu-, Ab- oder Gegeneinanderschaltung
der Sekundärwicklungs gruppen zu verringern, ist eine Schaltungsanordnung gemäß
den Fig. 4a bis 4h vorteilhaft, die lediglich je Sekundärwicklungsgruppe 61a bis
61c vier Wicklungshalbleiterschalter 62 bis 65, 66 bis 69 und 70 bis 73 unter völligem
Verzicht auf Linien- und Querverbindungs-Halbleiterschaltern aufweist. Bei diesem
Ausfißlrungsbeispiel übernehmen die über Kreuz geschalteten mittleren Halbleiterschalter
63/64, 67/68 und 71/72 zusätzlich die Funktion der Abschaltung und der Gegeneinanderschaltung
der Sekundärwicklungsgruppen 61a bis 61c, wie dies beim Ausführungsbeispiel gemäß
den Fig. ia bis 1d von den Linien- und Querverbindungs-Halbleiterschaltern übernommen
worden ist.
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Die Fig. 4a bis 4h verdeutlichen folgende mögliche Schaltstellungen
der Sekundärwicklungsgruppen 61a bis 61c: Fig. 4a zeigt die Schaltstellung mit der
Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppe 61a mit einer einzigen Sekundärwindung.
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Fig. 4b zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppe
61b mit zwei Sekundärwindungen.
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Fig. 4c zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppe
61c mit fünf Windungen, der die Sekundärwicklungsgruppe 61b mit zwei Windungen entgegengeschaltet
ist, so daß insgesamt drei Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Fig. 4d zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppe
61c mit fünf Windungen, der die Sekundärwicklungsgruppe 61a mit einer Windung entgegengeschaltet
ist, so daß insgesamt vier Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Fig. 4e zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwidklungsgruppe
61c unter Abschaltung der Sekundärwicklungsgruppen 61a und 61b, so daß insgesamt
fünf Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Fig. 4f zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppen
61a und 61c unter Abschaltung der Sekundärwicklungsgruppe 61b, so daß insgesamt
sechs Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Fig. 4g zeigt die Schaltstellung mit der Einschaltung der Sekundärwicklungsgruppen
61b und 61c unter Abschaltung der Sekundärwicklungsgruppe 61a, so daß insgesamt
sieben Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Fig. 4h zeigt die Schaltstellung mit der Serienschaltung aller Sekundärwicklungsgruppen
61a bis 61c, so daß insgesamt acht Sekundärwindungen eingeschaltet sind.
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Die Fig. 4a bis 4h verdeutlichen also, daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel
mit verringertem Aufwand an elektronischen Schaltern als Spannungssprung die Sekundärwicklungsgruppe
mit der Windungszahl 1 maßgebend ist, so daß man auch in diesem Falle eine sehr
feinstufige Spannungsregelung erhält, insbesondere wenn eine ausreichende Anzahl
von Sekundärwicklungsgruppen vorhanden ist, wie dies an Hand der Fig. 1a bis 1d
verdeutlicht worden ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sich
mit elektronischen Mitteln, nämlich elektronischen Schaltern, wie Triacs oder Thyristoren,
Sekundärwicklungsgruppen des Stelltransformators beliebig zu-, ab- und gegeneinanderschalten
lassen. Es wird also bewußt auf das Schalten von Windung zu Windung, wie bei den
vielfach verwendeten Windungs-Stelltransformatoren, verzichtet.
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Da sich sekundärseitig alle Windungszahlen von 1 bis zur Summe der
Windungen aller Sekundärwicklungsgruppen bei deren Serienschaltung elektronisch
zuschalten lassen, entspricht der Spannungssprung bei diesem Regelfall der Ausführung
des erfindungsgemäßen Stelltransformators lediglich dieser einen Windung der Sekundärwicklung,
so daß sich bei ausreichend vielen Sekundärwicklungsgruppen Schrittweiten und damit
sehr feinstufige Regelungen von weit unter 1 % erzielen lassen.
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Auch wenn grundsätzlich die Möglichkeit besteht, zur Kopplung der
Primärwicklung mit den Sekundärwicklungsgruppen
mehrere Eisenkerne
vorzusehen, so wird in der Regel die Verwendung eines einzigen gemeinsamen Eisenkernes
zwischen Festwicklung und Stellwicklungen ausreichend sein. Grundsätzlich ist es
auch möglich, die Stellwicklungen mit der elektronischen Steuerung primärseitig
anzubringen und die Sekundärwicklung als Festwicklung auszubilden.
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