DE3221744C2 - Steuerbarer Transformator - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein ein- oder mehrphasiger Transformator mit steuerbarer Ausgangsspannung, bei dem die Primär- und die Sekundärwicklung oder ein Teil der Primär- oder der Sekundärwicklung so nebeneinander angeordnet sind, daß dazwischen, am Kern des Transformators, beidseitig symmetrisch je ein geschlossener magnetischer Kreis angeordnet ist. Jeder dieser magnetischen Kreise trägt eine Wicklung, deren Polung so getroffen wird, daß ihre induzierten Spannungen sich gegenseitig aufheben.

Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Transformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten Transformator dieser Art (US-PS 36 22 868) ist der Transformatorkern aus E-Kernen oder C-Kernen zusammengesetzt. Zwischen die beiden Kerne ist der Steuerkern in Form eines geraden Stegs so eingesetzt, daß er mit den Seiten des Transformatorkerns im wesentlichen bündig abschließt. Bei dieser Anordnung bildet der Steuerkern nur einen Teil des geschlossenen, magnetischen Steuerkreises, welcher zum anderen Teil vom Transformatorkern selbst gebildet wird. Das Dedeutet, daß der von den Steuerwicklungen herrührende volle Steuerfluß durch den Transformatorkern geht und diese entsprechend vormagnetisiert. Da diese Vormagnetisierung des Transformatorkerns umso größer ist, je mehr Leistung der Transformator übertragen soll, wirkt sie sich besonders ungünstig aus.

Die DE-OS 28 11 205 offenbart einen steuerbaren Transformater mit einem geschlossenen magnetischen Hauptkreis und einem geschlossenen magnetischen Steuerkreis, der zwei symmetrische magnetische Nebenflüsse zum magnetischen Hauptkreis bildet. Auf den beiden äußeren Schenkeln eines Ε-Kerns sind zwei Steuerwicklungen angeordnet und derart in Reihe geschaltet, daß sich die in ihnen induzierten Spannungen gegenseitig aufheben. An den mittleren Schenke! des Ε-Kerns stößt der eine Schenkel eines £/-Kerns an, wobei der L/-Kern senkrecht auf dem Ε-Kern steht. Ein erster /-Kern liegt auf den drei Schenkeln des E-Kerns, und ein zweiter /-Kern liegt auf den beiden Schenkeln des L/-Kerns. Die Primärwicklung des Transformators ist um den mittleren Schenkel des E-Kerns und den angrenzenden Schenkel des U- Kerns gewickelt, während die Sekundärwicklung auf dem anderen Schenkel

ίο des £/-Kerns angeordnet ist Bei dieser Anordnung bilden die beiden äußeren Schenkel des E-Kerns das sie verbindende Joch und der zugehörige /-Kern den geschlossenen magnetischen Steuerkreis. Der mittlere Schenkel des E-Kerns ist nicht Teil des magnetischen Steuerkreises. Der magnetische Hauptkreis umfaßt den mittleren Schenkel des E-Kerns, den U- Kern und den zugehörigen /-Kern. Die beiden magnetischen Nebenschlüsse zum magnetischen Hauptkreis werden von dem Ε-Kern insgesamt in Verbindung mit dem zugehörigen /-Kern gebildet

Durch den Steuerfluß im Steuerkreis kann bei dem letztgenannten Transformator der magnetische Widerstand der magnetischen Nebenschlüsse und damit der Kopplungsgrad zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung bestimmt werden. Nachteilig an dem bekannten Transformator ist daß sämtliche Wicklungen auf außenliegenden Schenkeln der Kernteile angeordnet sind, das heißt erhandelt sich um einen Transformator in einer sogenannten Kernbauweise. Ein Charakteristikum dieser Kernbauweise sind starke Streuflüsse, die Ursache einer sehr stark abfallenden Lastkennlinie solcher Transformatoren sind. Diese stark fallende Lastkennlinie schränkt den möglichen Regelbereich ganz erheblich ein. Bei Transformatoren in Mantelbauweise wie bei dem eingangs erwähnten der US-OS 36 22 868 ist jede Wicklung von einem geschlossenen Eisenkreis umgeben. Die bei dieser Mantelbauweise auftretenden Streuflüsse sind sehr viel geringer als die der Kernbauweise, was eine entsprechend flache Lastkennlinie zur Folge hat, die für Regelungszwecke sehr viel besser geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen steuerbaren Transformator, das heißt einen Transformator mit steuerbarer Ausgangsspannung, in Mantelbauweise zu schaffen, bei dem der Steuerkreis einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf den Hauptkreis hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Transformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Lösui.g bildet der Steuerkreis selbst den geschlossenen, magnetischen Steuerkreis, zu dem der Transformatorkern allenfalls einen Nebenschluß darstellt. Auf diese Weise geht ein sehr viel geringerer Teil des Steuerflusses durch den Transformatorkern, was zu einer überraschenden Verbesserung der Eigenschaften des in Frage stehenden Transformators geführt hat. An Hand von

A b b. 1 soll im Prinzip der Erfindungsgegenstand an Hand von Ferrit-E-Kernen gezeigt werden. Die beiden E-Kerne 1 und 2 bilden den Transformatorkern, wobei dazwischen die beiden Steuerstege 3 und 4 eingeschoben sind. An Hand von

A b b. 2 soll die Wirkungsweise des steuerbaren Transformators erläutert, bzw. gezeigt werden.

Auf dem Kern 2 befindet sich die Primärwicklung 5 und die zweite Kernhälfte 1, die Sekundärwicklung 6. Zwischen diesen beiden E-Kernen 1 und 2 wurde ein weiterer schmaler E-Kern 3 von der einen Seite und ein

zweiter Ε-Kern 4 von der anderen Seite eingeschoben, so daß dieselben sich in der Trafomitte treffen, bzw. schließen.

Jeder dieser beiden eingeschobenen E- Kerne besitzt im mittleren Steg eine Wicklung 7 und 8, welche z. B. in Reihe geschaltet werden und derart gepolt sind, daß sich ihre induzierten Spannungen gegenseitig aufheben. Bei eingeschalteter, bzw. gespeister Primärwicklung 5 und stromlosen Steuerwicklungen 7 und 8 ergibt sich in der Sekundärwicklung 6 des Transformators praktisch auch keine Spannung, weil der primäre magnetische Fluß sich ungehindert über die beiden seitlich eingeschobenen E-Kerne 3 und 4 ausbreiten, bzw. sehließen kann. In den Steuerwicklungen 7 und 8 bleibt dabei die resultierende Gesamtspannung, infolge der bestimmten Polung praktisch Null.

Schickt man nun einen bestimmten Steuerstrom, z. B. Gleichstrom durch diese in Reihe geschalteten Steuerwicklungen 7 und 8, so verändert sich der magnetische Flußverlauf zu Gunsten der Sekundärwicklung des Transformators. Durch eine entsprechende Einstellung des Steuergieichstromes kann somit jede gewünschte Spannung oder Leistung eingestellt werden.

A b b. 2 zeigt die Abhängigkeit der Sekundär- bzw. Ausgangsleistung zum Steuergleichstrom, wobei der Ferrittransformator z. B. Bestandteil eines Transistorwechselrichters ist, welcher aus einer Batterie gespeist wird. Die Betriebsfrequenz beträgt dabei etwa 25 kHz wobei die übertragene Leistung verlustarm eingestellt werden kann. Der vorliegende Transistorwechseirichter war für eine maximale Leistung von 100 Watt ausgelegt, die notwendige Steuerleistung beträgt dabei etwa 1 bis 2% der übertragenen Gesamtleistung. Mit Hilfe bekannter elektronischer Schaltmittel kann nun die Ausgangsspannung oder Leistung beliebig beeinflußt, bzw. gesteuert werden. Durch Eingabe entsprechender niederfrequenter, sinusförmiger Steuerimpulse in den Steuerkreis des Transformators konnte z. B. bei einem Wechselrichter schwingend mit 25 kHz eine Ausgangsfrequenz von 50 Hz bei Mitverwendung entsprechender Schaltmitte! erzeugt werden, wobei die Kurvenform nahezu sinusförmig ist

Die beiden magnetischen Steuerkreise sind im vorliegenden Beispiel im Bereich zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung angeordnet, so daß der Trafokern zweckmäßigerweise in diesem Fall in der Mitte getrennt ist. ist jedoch nur eine sehr begrenzter Steuerbereich erforderlich, so wird man vorteilhafterweise einen Teii der Primär- oder Sekundärwicklung, z. B. 80—90% festkoppeln, während die restlichen 10—20% der Primär- oder Sekundärwicklung durch den magnetischen, steuerbaren Kreis getrennt sind. Beim 3-Phasentransformator ist sinngemäß diese magnetische Steueranrodnung 3fach am Transformatorkern angeordnet. Entsprechend läßt sich diese gefundene Konstruktion und Schaltweise auch bei Spartransformatoren mit großem Vorteil anwenden.

Die gefundene Transformatorkonstruktion und seine Schaltweise ist für beliebige Leistungsgrößen und Betriebsfrequenzen anwendbar. Bei entsprechend hoher Betriebsfrequenz läßt sich die Erfindung auch als Verstärker verwenden. Für Transformatoren mit Schnittbandkernen, bzw. kornorientierten Blechen, ist darauf zu achten, daß die beiden seitlich eingeschobenen Eisenpakete aus Materialien bestehen, welche keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung aufweisen.

Nachdem das gefundene Schaltprinzip vollkommen galvanisch getrennt vom ia steuernden Leistungskreis arbeitet und dabei mit verhältnismäßig kleiner Gleichstromleistung eine beliebig exakte Regelung der Ausgangsspannung, bzw. Ausgangsleistung gegeben ist, so ist die Anwendung dieses Regelprinzips von besonders großer Bedeutung im Hochspannungs- und Bahnbetrieb.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Steuerbarer Transformator mit einem geschlossenen magnetischen Hauptkreis, der von einem Transformatorkern (1, 2) gebildet wird, welcher auf dem mittleren Steg eines ersten E-Kerns (2) einen ersten Teil (5) einer Wicklungsanordnung (5, 6) und auf dem mittleren Steg eines zweiten E-Kerns (1) den zweiten Teil (6) der Wicklungsanordnung trägt, und

einem geschlossenen magnetischen Steuerkreis, umfassend einen Steuerkern (3, 4), der zwischen den beiden Ε-Kernen des Transformatorkerns (1) angeordnet ist

geringeren Querschnitt als diese besitzt und zwei symmetrische magnetische Nebenschlösse zum magnetischen Hauptkreis bildet, welche je mittels einer auf dem Steuerkern (3,4) angeordneten Steuerwicklung (7, 8) steuerbar sind, wobei die beiden Steuerwicklunger (7,8) derart in Reihe geschaltet sind, daß sich die in äinen induzierten Spannungen gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerkern (3, 4) zwei E-Steuerkerne umfaßt, die je auf ihrem mittleren Steg eine der Steuerwicklungen (7, 8) tragen und von denen zur Bildung des geschlossenen magnetischen Steuerkreises der eine von der einen Seite unvi der andere von der anderen Seite des Transformatorkerns (1, 2) gegeneinander zwischen dessen Kernteile geschoben sind.

2. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern (1,2) uhd der S;euerkern (3,4) Ferritkerne sind.