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Die Erfindung betrifft eine Transformatorschaltung
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gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Derartige Transformatorschaltungen finden überall dort Verwendung,
wo eine von einer Spannungsquelle abgegebene Versorgungsspannung einer Last zumindest
zeitweise nicht unverändert, sondern nur mit veränderter Amplitude zugeführt werden
kann.
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Eine derartige Transformatorschaltung ist beispielsweise aus der DE-OS
25 00 065 bekannt. Diese Schaltung umfaßt eine einzige Stelleinheit mit einem Transformator,
dessen Primärwicklung von der von der Spannungsquelle abgegebenen Versorgungsspannung
gespeist wird. An der Sekundärwicklung sind mehrere Abgriffe vorgesehen, die mit
Hilfe von selbsttätig steuerbaren Schaltern wahlweise mit den zur Last führenden
Leitungen verbunden werden können. Hierdurch wird sichergestellt, daß der Last auch
dann immer die gleiche Wechselspannungsamplitude zugeführt wird, wenn die Schaltung
an Spannungsquellen angeschlossen wird, die hinsichtlich der Amplitude unterschiedliche
Wechselspannungen abgeben.
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Diese bekannte Anordnung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
So muß die gesamte der Last zugeführte Leistung über das Magnetfeld des Transformators
weitergegeben werden. Die Dimensionierung des Transformators muß daher an diese
Gesamtleistung angepaßt werden und es
ergeben sich entsprechend
hohe Verluste. Nimmt die Last sehr hohe Leistungen auf, so muß also der Transformator
sehr groß ausgelegt und überdies gekühlt werden, was zu erheblichen Herstellungs-
und Betriebskosten führt.
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Darüber hinaus ist die bekannte Schaltung nicht geeignet, häufig und
schnell umzuschalten, um trotz entsprechender Änderungen der Amplitude der Versorgungsspannung
die Lastspannung zumindest annähernd konstant zu halten.
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Würde man die bekannte Anordnung in dieser Weise betreiben, so würden
sich erhebliche Probleme auch aus der Tatsache ergeben, daß die gesamte der Last
zugeführte Leistung über die Umschalter fließt. Diese Schalter müßten einerseits
unter Last betätigt werden und es müßten andererseits besondere Maßnahmen ergriffen
werden, um zu verhindern, daß es während des Umschaltens zu Unterbrechungen der
Energiezufuhr zur Last kommt.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Transformatorschaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe die Amplitude der von der
Spannungsquelle abgegebenen Versorgungsspannung auf einfache und schnelle Weise
und unter außerordentlich geringen Energieverlusten verändert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten
Merkmale vor.
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Diesen Maßnahmen liegt die Überlegung zugrunde, daß in vielen Anwendungsfällen
die erforderliche Änderung der Amplitude der von der Spannungsquelle abgegebenen
Versorgungsspannung nur einen vergleichsweise kleinen Prozentsatz, beispielsweise
von + 25% der Amplitude ausmacht. Daher wird erfindungsgemäß der Hauptteil der Leistung
der Last über die erste Wicklung des Transformators auf galvanischem Wege zugeführt,
wobei wegen der geringen Windungszahl dieser Wicklung und der
niederen
Frequenzen, mit denen hohe Leistungen an Lasten abgegeben werden, die Induktivität
dieser ersten Wicklung nur einen sehr geringen Spannungsabfall mit entsprechend
kleinen Verlusten erzeugt, die bei den herkömmlichen Transformatorschaltungen überdies
in erhöhter Weise auftreten.
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Gemäß der Erfindung kann die wenigstens eine Stelleinheit der Transformatorschaltung
in wenigstens einen Schaltzustand gebracht werden, in welchem in der ersten Wicklung
des Transformators eine Spannung # U1 induziert wird, die sich je nach dem Windungssinn
der weiteren Wicklung bezüglich der ersten Wicklung zur Eingangsspannung addiert
oder von dieser subtrahiert, so daß für die gegenüber der Eingangs spannung veränderte
Ausgangsspannung UA gilt: UA = UE + A U1 (1) Dabei ist die relative Größe von #
U1 bezüglich der Steuerspannung tJS durch das Windungsverhältnis w1/ww der ersten
Wicklung des Transformators zur weiteren Wicklung gegeben: w1 #U1 = # US (2) ww
Das Windungsverhältnis w1/w@ ist hier wesentlich klei-1 ner als 1 und liegt vorzugsweise
im Bereich von 1:7 bis 1:200. Außerdem ist der Strom, der im ersten Schaltzustand
durch die weitere Wicklung fließt, auf den Nenn-Laststrom, der durch die erste Wicklung
des Transformators fließt, so abzustimmen, daß bei gegebenem Windungsverhältnis
die Durchflutungen beider Wicklungen dem Betrag nach in etwa gleich groß sind und
eine solche Winkelverschiebunq qegeneinander aufweisen,
daß der
Magnetfluß, der hierdurch im Transformatorkern resultiert, zum gewünschten induzierten
additiven oder subtraktiven Spannungsabfall U1 U1 an der ersten Wicklung des Tranformators
führt. Es zeigt sich, daß unter diesen Voraussetzungen der induzierte Spannungabfall
dU vom Laststrom weitgehend unabhängig ist, so daß auch dann, wenn der Laststrom
gegenüber seinem Nennwert schwankt, ein gleichbleibender Unterschied zwischen Eingangs-
und Ausgangs spannung der Stelleinheit aufrechterhalten werden kann.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist, daß über die magnetische
Kopplung des Transformators lediglich der geringe Teil der Leistung geht, der für
die induzierte Amplitudenänderung erforderlich ist. Damit werden die Energieverluste,
die durch die -induktive Energieübertragung von einer Transformatorwicklung auf
die andere entstehen, in ganz erheblichem Ausmaß verringert. Somit kann der Transformator
entsprechend kleiner dimensioniert und der für die Kühlung des Transformators erforderliche
Aufwand reduziert werden.
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Auch über die Schalter, mit deren Hilfe an die weitere Wicklung des
Transformators die Steuerspannung anlegbar ist, geht nur ein geringer Teil der Gesamtleistung,
so daß die Schalter auch bei häufigen Schaltspielen weit weniger belastet werden.
Überdies können auch bei sehr großen Lasten Halbleiterschalter, z.B. Triacs verwendet
werden, die ein erheblich schnelleres Schalten ermöglichen, als die in solchen Fällen
nach dem Stand der Technik verwendeten mechanischen Schalter. Eine völlige Unterbrechung
der Energiezufuhr zur Last beim Schalten kann grundsätzlich nicht auftreten, da
die galvanische Verbindung zwischen Last und Spannungsquelle über die erste Wicklung
des Transformators ständig aufrechterhalten bleibt.
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Legt man dann, wenn sich die Steuereinheit nicht im oben definierten
ersten Schaltzustand befindet, keine Steuer spannung an die weitere Wicklung des
Transformators an, so wird, wenn nicht weitere Maßnahmen ergriffen werden, die gesamte
Magnetisierung des Transformatorkerns von der Durchflutung der ersten Wicklung bewirkt.
Dies führt zum Auftreten eines von der Größe dieser Durchflutung und damit von der
Größe des Laststroms abhängigen Spannungsabfalls über der ersten Wicklung. Dieser,
bei abgeschalteter weiterer Wicklung, auftretende Spannungsabfall läßt sich nur
in solchen Anwendungsfällen als konstante Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangswechselspannung
der Stelleinheit gezielt einsetzen, in denen der Laststrom konstant ist. Ansonsten
kann diese Drosselwirkung der ersten Wicklung dazu verwendet werden, beim Auftreten
eines Kurzschlusses an oder in der Last den dann fließenden Last-Kurzschlußstrom
auf ein unkritisches Maß zu begrenzen.
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Für eine universelle Verwendbarkeit einer solchen Stelleinheit ist
es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß auch in den Zeiträumen, in denen sich die Stelleinheit
nicht im ersten Schaltzustand befindet, die Magnetisierung des Transformatorkerns
nicht im wesentlichen durch die Durchflutung der ersten Wicklung allein bewirkt
wird. Dies kann z.B. durch eine Hilfswicklung erfolgen, die in den Zeiträumen, in
denen die weitere Wicklung nicht an einer Steuerspannung liegt, mit Hilfe von Schaltern
z.B. kurzgeschlossen wird.
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Durch entsprechende Dimensionierung der Windungszahl und des Stromes,
der dann durch die Hilfswicklung fließt, kann die Durchflutung dieser Hilfswicklung
so eingestellt werden, daß an der ersten Wicklung kein nennenswerter induzierter
Spannungsabfall auftritt.
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In den Zeiträumen, in denen die Hilfswicklung kurzgeschlossen ist,
ist somit die Ausgangsspannung der Stelleinheit in etwa gleich der Eingangsspannung.
Allerdings kann diese Gleichheit nur näherungsweise erreicht werden und der hierfür
erforderliche apparative Aufwand ist vergleichsweise groß.
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Es wird daher erfindungsgemäß bevorzugt, für die Stelleinheit wenigstens
einen weiteren Schaltzustand zu definieren, in dem mit Hilfe einer weiteren Wicklung,
die an eine zweite Steuerspannung gelegt wird, unter den gleichen Voraussetzungen
wie oben ein definierter, vom Laststrom weitgehend unabhängiger zweiter Spannungsabfall
AU2 an der ersten Wicklung induziert wird.
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In diesem Fall gilt für die Ausgangsspannung UA: UA U, + AU2 (3) Dabei
hängt U2 von der Steuerspannung U5 ebenfalls gemäß der obigen Gleichung (2) ab.
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Der zweite Schaltzustand kann mit Hilfe derselben weiteren Wicklung
realisiert werden, die auch beim ersten Schaltzustand Verwendung findet und mit
Hilfe der Schalter entweder an die eine oder an die andere Steuerspannung gelegt
werden kann.
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Alternativ hierzu kann der Transformator aber auch wenigstens eine
zweite weitere Wicklung aufweisen, deren Durchflutung und Windungsverhältnis zur
ersten Wicklung denselben Bedingungen genügen, wie sie oben für die erste weitere
Wicklung angegeben wurden.
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Ein dritter Schaltzustand kann dadurch erzielt werden, daß man einen
Schalter vorsieht, mit dessen Hilfe die wenigstens eine weitere Wicklung kurzgeschlossen
werden kann, wobei sie gleichzeitig von allen Steuerspannungen getrennt wird. In
diesem dritten' Schaltzustand fällt an der ersten Wicklung des Transformators nur
eine äußerst geringe Spannung ab, so daß mit guter Näherung gilt: UA = UE Wegen
des kleinen Spannungsabfalls an der ersten Wicklung wird auch in der weiteren Wicklung
nur eine kleine Spannung induziert, so daß der im Stromkreis der weiteren Wicklung
fließende Kurzschlußstrom klein bleibt und nur sehr geringe Leistungsverluste verursacht.
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Sollen bei gegebener Eingangsspannung der Stelleinheit an den Ausgangsanschlüssen
mehr als drei verschiedene Ausgangsspannungen nacheinander wahlweise zur Verfügung
stehen, so kann der Transformator mehrere weitere Wicklungen aufweisen, die jeweils
unterschiedliche Windungszahlen besitzen können. Diese Windungszahlen können innerhalb
des oben erwähnten Bereiches von 1:3 bis 1:200 liegen, sollten sich aber nur soweit
voneinander unterscheiden, daß dann, wenn an die weitere Wicklung mit der kleinsten
Windungszahl die zugehörige Spannung angelegt ist, in den anderen weiteren Wicklungen
keine zu großen Spannungen induziert werden.
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Es können entsprechend viele Schalter vorgesehen werden, mit deren
Hilfe sich jede dieser weiteren Wicklungen an eine Steuerspannung anschließen bzw.
von dieser trennen läßt. Auch ist es möglich, eine Steuerspannung jeweils nur an
eine oder gleichzeitig an zwei oder mehr der weiteren Wicklungen anzulegen.
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Eine weitere Möglichkeit, gemäß der Erfindung am Ausgang einer einzigen
Stelleinheit nacheinander mehr als drei verschiedene Ausgangsspannungen wahlweise
zur Verfügung zu stellen, besteht darin, an die wenigstens eine weitere Wicklung
mit Hilfe von Schaltern alternativ eine von mehreren Steuerspannungen U51, ...,
U52q anzulegen, die sich zumindest teilweise in ihrer Amplitude voneinander unterscheiden.
Dabei ist q irgendeine ganze Zahl größer 1.
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Zur Erzeugung dieser Steuerspannung Us1, ..., Us2q findet vorzugsweise
eine Wechselspannungsquelle Verwendung, dieSmehrere Abgriffe aufweist, zwischen
denen verschiedene Abgriffsspannungen Ux1, ..., Uxp ständig zur Verfügung stehen
und abgreifbar sind. p ist ebenfalls eine ganze Zahl größer 1 und vorzugsweise kleiner
als q.
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Mit Hilfe von Schaltern können diese Abgriffsspannungen entweder einzeln
oder gruppenweise addiert als Steuerspannungen an die weitere Wicklung des Transformators
angelegt werden.
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Es ist ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung, eine Transformatorschaltung
zu schaffen, die in einem vorgebbaren Änderungsbereich t ß Umax eine digitale Änderung
der an eine Last angelegten Spannung und damit auch der an die Last abgegebenen
Leistung ermöglicht.
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Dabei kann in Sonderfällen der Änderungsbereich auch nur positiv oder
nur negativ sein; d.h. es kann nur die additive oder nur die subtraktive Aufprägung
von induzierten Spannungen au auf die Eingangs- bzw. Versorgungsspannung erforderlich
sein. Im folgenden wird jedoch der allgemeine Fall eines zur Änderung Null (Eingangsspannung
gleich Ausgangs spannung) symmetrischen Änderungsbereiches + d Umax erläutert.
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Unter einen digitalen Änderung der Ausgangs spannung in diesem Bereich
+ # Umax wird dabei verstanden, daß es sowohl zur positiven als auch zur negativen
Seite hin eine kleinste aufprägbare Spannungsänderung + # umin bzw. - # #Umin gibt
und daß im positiven Teil des Änderungsbereiches q positiv aufprägbare Spannungen
+ # U# ( V = 1, ..., q) und im negativen Teil des Änderungsbereiches q negative
aufprägbare Spannungen - d ( V = 1, ..., q) zur Verfügung stehen, wobei jeweils
gilt: + AU = v (+ A Umin) v und - # U# = ## (- # Umin) D.h., daß sowohl im positiven
als auch im negativen Teil des Änderungsbereiches jede beliebige aufprägbare Spannung
+ # Uv ein ganzzahliges Vielfaches der zugehörigen kleinsten aufprägbaren Spannung
tdUmin ist, und daß v alle ganzen Zahlen zwischen 1 und q annehmen kann. Die in
jeder Richtung größtmögliche induzierbare Spannung ist gleichzeitig die Grenze des
Änderungsbereiches: + q # Umin = + A Umax Man sieht, daß der Änderungsbereich sowohl
durch Wahl der kleinsten Änderung + # Umin und damit der Schrittweite, als auch
durch Wahl der Anzahl q der Schritte variiert werden kann. Eine Vergrößerung der
Schrittweite führt allerdings zu einer Verringerung der Genauigkeit, mit der z.B.
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Transformatorschaltung als Regelvorrichtung
die Lastspannung UL auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten werden kann. Andererseits
bedeutet eine Vergrößerung von q eine
Vergrößerung des technischen
Aufwandes. Es muß also bei der Festlegung der Größen q und + # U Umin eine auf den
jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte Optimierung vorgenommen werden.
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Vorzugsweise sind die Amplituden von +Umin und - - #Umin zumindest
annähernd gleich groß, so daß also auch für die übrigen induzierbaren Spannungen
zumindest näherungsweise gilt: | + #U# | = | - # U# | In entsprechender Weise sind
auch die an die weitere Wicklung anzulegenden Steuerspannungen U5>, gemäß der
Erfindung digital strukturiert, d.h. es gibt eine kleinste Steuerspannung USmi die
zur Aufprägung der kleinsten induzierten Spannung # Umin führt; und die übrigen
Steuerspannungen sind ganzzahlige Vielfache dieser kleinsten Steuerspannung: US#
= ## USmin wobei # wieder alle Werte von 1 bis w durchläuft. Um den oben angegebenen
symmetrischen Änderungsbereich Umax mit 2q Schritten überdecken zu können, müssen
nur q Steuerspannungen U5 vorgesehen werden, da mit Hilfe der Schalter jede von
der Wechselspannungsquelle abgegriffene Spannung auf zwei verschiedene Weisen so
an die weitere Wicklung angelegt werden kann, daß in dem einen der beiden Fälle
der Wicklungssinn der weiteren Wicklung bezüglich der ersten Wicklung des Transformators
dem Wicklungssinn im anderen Falle gerade entgegengesetzt ist. Hierdurch wird dann
die induzierte Spannung # im einen Fall additiv und im anderen Fall subtraktiv auf
die Eingangsspannung der Stelleinheit aufgeprägt.
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Auch hier besteht wieder die Möglichkeit, die weitere Wicklung kurzzuschließen,
so daß die Ausgangs spannung der Stelleinheit gleich der Eingangsspannung ist, oder
den Stromkreis der weiteren Wicklung zu unterbrechen, um durch die hieraus resultierende
Drosselwirkung der ersten Wicklung den Laststrom zu begrenzen.
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Zur Erzeugung der q Steuerspannungen Usv ist es erfindungsgemäß nicht
erforderlich, an der Wechselspannungsquelle q+1 Abgriffe so vorzusehen, daß zwischen
allen jeweils unmittelbar benachbarten Abgriffen eine der kleinsten Steuerspannung
Usmin entsprechende Abgriffsspannung Uxmin abfällt.
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Vielmehr werden die Amplituden der Abgriffsspannungen nach einem geeigneten
Kode so gestuft, daß sich bei minimaler Anzahl von Abgriffen (und damit auch minimaler
Anzahl von Schaltern) alle benötigten Steuerspannungen U durch additive Kombination
von mehreren Abgriffs-5,' spannungen zusammensetzen lassen, soweit sie nicht direkt
einer der Spannungen entsprechen, die zwischen zwei benachbarten Abgriffen zur Verfügung
stehen. Damit die kleinste Steuerspannung USmin zur Verfügung steht, muß wenigstens
ein Paar von benachbarten Abgriffen vorgesehen sein, zwischen denen eine Abgriffsspannung
Uxmin = Usmin abfällt. Zwischen den übrigen Paaren von benachbarten Abgriffen können
dann zumindest teilweise Abgriffsspannungen vorgesehen werden, die gemäß dem oben
erwähnten Kode festzulegende, von 1 verschiedene, ganzzahlige Vielfache der kleinsten
Abgriffsspannung Uxmin sind. Der günstigste Kode ist hier der reine Binärkode, bei
dem jede Abgriffsspannung nur einmal vorkommt und zwischen
aufeinanderfolgenden
Abgriffspaaren der Reihe nach die Abgriffsspannungen 1 . Uxmin, 2 . UXmin, 4 . UXmin'
8 . Uxmin usw. abfallen.
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Die Verwendung dieses Kodes setzt jedoch voraus, daß Abgriffspaare,
die für die additive Zusammensetzung einer gerade erforderlichen Steuerspannung
US# nicht benötigt werden, ohne weiteres kurzgeschlossen werden können.
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Bei einer erfindungsgemäß bevorzugten Wechselspannungsquelle, die
aus einer Zusatz-Transformatoranordnung mit einer Wicklung besteht, an die eine
Wechselspannung angelegt ist und die in eine Vielzahl von Wicklungsabschnitten unterteilt
ist, zwischen denen die Abgriffe zum Abgreifen der Abgriffsspannungen UX1, ...,
UXp herausgeführt sind, ist die oben erwähnten Bedingung für die Verwendung eines
reines Binärkodes nicht gegeben.
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Daher wird hier vorzugsweise ein Kode verwendet, der es erlaubt, jede
benötigte Steuerspannung von einer Gruppe von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abgriffspaaren
abzugreifen, soweit sie nicht direkt von einem einzigen Abgriffspaar abgegriffen
werden kann. Im allgemeinen bedeutet dies, daß zumindest die kleinste Abgriffsspannung
Uxmin, in manchen Fällen aber auch einige der ganzzahligen Vielfachen hiervon mehrfach
abgreifbar sein müssen. So können z.B. für die Erzeugung von acht Steuerspannungen
1 . USmin, 2 . USmin, ..., 8 . USmin an der Wicklung der Zusatz-Transformatoranordnung
vier Wicklungsabschnitte vorgesehen sein, deren Windungszahlen so gewählt sind,
daß an den Abgriffen der Reihe nach die Abgriffsspannungen
1 .
UXmin, 2 . UXmin, 4 . UXmin, 1 . UXmin abfallen, wobei Uxmin USmin ist. Man sieht,
daß die Steuerspannungen 1 . Usmin, 2 . USmin und 4 . USmin direkt am ersten bzw.
zweiten bzw. dritten Wicklungsabschnitt (in der obigen Reihe von links gezählt)
abgegriffen werden können, während die Steuerspannung 3 . USmin über einer Kombination
aus dem ersten und zweiten Wicklungsabschnitt, die Steuerspannung 5 . Usmin über
einer Kombination aus dem dritten und vierten Wicklungsabschnitt, die Steuerspannung
6 . USmin über einer Kombination aus dem zweiten und dritten Wicklungsabschnitt,
die Steuerspannung 7 . USmin über einer Kombination aus dem ersten, zweiten und
dritten Wicklungsab schnitt und die Steuerspannung 8 . USmin über der Kombination
aus allen vier Wicklungsabschnitten abgegriffen werden können. Der eben als Beispiel
angegebene Kode ist aber bei dieser Zahl von benötigten Steuerspannungen und vier
zur Verfügung gestellten Wicklungsabschnitten nicht der einzig mögliche. Beispielsweise
können alle acht Steuer spannungen auch dann abgegriffen werden, wenn die ganzzahligen
Vielfachen der kleinsten Abgriffsspannung dem Kode 1,3,2,2 entsprechen.
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Vorzugsweise sind die Windungszahlen der Wicklungsabschnitte so gewählt,
daß an dem Abschnitt, der an dem einen der beiden Enden der Wicklungsabschnitts-Reihe
liegt, die Abgriffsspannung 1 . Uxmin und an dem Abschnitt, der am gegenüberliegenden
Ende liegt, die Abgriffsspannung 1 . Uxmin direkt abgreifbar sind, wie dies auch
beim ersten der beiden obigen Beispiele der Fall ist.
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Wesentlich ist, daß der Kode immer so gewählt wird, daß bei minimaler
Zahl von Wicklungsabschnitten bzw. Abgriffen alle benötigten Steuerspannungen Us
zur Verfügung stehen. Außerdem soll nach Möglichkeit die über
der
Kombination aller Wicklungsabschnitte abgreifbare maximale Wechselspannung gleich
oder zumindest nicht wesentlich größer als die maximale benötigte Steuerspannung
Usmax sein.
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Vorzugsweise besteht die Zusatz-Transformatoranordnung nur aus einer
einzigen, in die verschiedenen Abschnitte unterteilten Wicklung, an deren äußerste
Enden eine entsprechende Wechselspannung angelegt ist. Hierzu kann beispielsweise
die Eingangs- oder die Ausgangsspannung der Stelleinheit selbst dienen.
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Um eine Transformatorschaltung, die aus einer einzigen Stelleinheit
besteht, an deren weitere Wicklung mit Hilfe von Schaltern in der eben beschriebenen
Weise verschiedene Steuerspannungen anlegbar sind, als Spannungskonstanter und/oder
Spannungsregler verwenden zu können, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß
die an die Last angelegte Spannung UL mit Hilfe einer Meßfühleranordnung gemessen
wird, daß ein Komparator das Ausgangssignal der Meßfühleranordnung mit einem Referenzwert
Uref vergleicht, der den Sollwert 5L der Lastspannung repräsentiert, und daß eine
Schaltersteuerung vorgesehen ist, die anhand des Differenzsignals, das von der Komparatoranordnung
abgegeben wird, die Schalter so steuert, daß die in der ersten Wicklung des Transformators
induzierten Spannungsänderungen d UV eventuell auftretenden Schwankungen der Lastspannung
UL entgegenwirken und diese Schwankungen kompensieren.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind zwei weitere
Wicklungen vorgesehen, an die entweder eine Steuerspannung angelegt wird oder die
mit Hilfe entsprechender Schalter gleichzeitig beide kurzgeschlossen werden, so
daß sich die Stelleinheit mit Ausnahme von
kurzen Schalt- oder
Übergangszeiten entweder im ersten Schaltzustand, in dem nur an die erste weitere
Wicklung eine Steuerspannung angelegt ist, oder im zweiten Schaltzustand, in dem
nur an die zweite weitere Wicklung eine Steuerspannung angelegt ist, oder im dritten
Schaltzustand befindet, in dem an keine der beiden weiteren Wicklungen eine Steuerspannung
angelegt ist und diese beiden weiteren Wicklungen kurzgeschlossen sind. Vorzugsweise
werden dabei die Windungszahlen, die Steuerspannungen und der Wicklungssinn der
beiden weiteren Wicklungen bezüglich der ersten Wicklung so gewählt, daß die Amplituden
der beiden induzierbaren Spannungen AU1 und AU2 in etwa gleich groß sind, die beiden
induzierbaren Spannungen aber mit entgegengesetzten Vorzeichen auf die Eingangsspannung
UE aufprägbar sind. Somit gilt für die Ausgangsspannung UA im ersten Schaltzustand
UA UE + AU1 (4) im zweiten Schaltzustand A2 UE - AU2 (5) und im dritten Schaltzustand
UA = UE (6) Zwar können die Steuerspannungen auf verschiedene Weise erzeugt und
an die weiteren Wicklungen angelegt werden. Vorzugsweise wird jedoch im ersten Schaltzustand
die erste weitere Wicklung mit Hilfe der Schalter unmittelbar galvanisch mit der
Eingangsspannung UE der Stelleinheit verbunden, während im zweiten Schaltzustand
die
zweite weitere Wicklung unmittelbar galvanisch mit der Ausgangsspannung UA der Stelleinheit
verbunden wird. so daß man in beiden Schaltzuständen eine Spartransformator-Anordnung
erhält.
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Auch wenn der zweite Schaltzustand dadurch realisiert wird, daß eine
einzige weitere Wicklung alternativ an zwei verschiedene Steuerspannungen gelegt
wird, können die Eingangs spannung UE und die Ausgangs spannung UA der Stelleinheit
als Steuerspannungen Verwendung finden, an die die weitere Wicklung unter Beachtung
des Wicklungssinnes mit Hilfe der Schalter galvanisch unmittelbar so angeschlossen
werden kann, daß sich die eine induzierte Spannung # U1 gemäß der obigen Gleichung
(4) zur Eingangsspannung addiert und sich die andere induzierte Spannung # U2 gemäß
obiger Gleichung (5) von der Eingangsspannung UE subtrahiert.
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Allerdings können diese beiden induzierbaren Spannungen d U1 und #
U2 nicht voneinander unabhängig gewählt werden. Sie sind vielmehr gemäß den Gleichungen
wl @ #U1 = # UE (7) ww und w1 - #U2 = # UE (8) w1+ww miteinander verknüpft, wenn
w1 die Windungszahl der ersten Wicklung und Ww die Windungszahl der weiteren Wicklung
des Transformators ist.
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Wie bereits erwähnt, sind jedoch bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsform genau zwei weitere Wicklungen des Transformators vorgesehen, von
denen die eine ausschließlich als addierende Wicklung und die andere ausschließlich
als subtrahierende Wicklung Verwendung findet. Damit stehen zwar ebenfalls nur eine
additive induzierte Spannung +U1 und eine subtraktive induzierte Spannung - AU2
zur Verfügung. Diese beiden Spannungen sind aber nicht über die obigen Gleichungen
(7) und (8) zwangsweise miteinander verknüpft, da für jede der beiden weiteren Wicklungen
eine eigene Windungszahl ww1 bzw. ww2 gewählt werden kann. Für die aufprägbaren
induzierten Spannungen gelten hier die Gleichungen: w1 + #U1 = # UE (9) ww1 und
@1 - #U2 = UE (10) w1 + ww2 Wählt man ww1 und ww2 beispielsweise so, daß ww1 = w1
+ ww2 gilt, so lassen sich zur Eingangsspannung UE genau symmetrisch liegende Ausgangsspannungen
UA+ und UA erzielen. Alternativ hierzu kann aber auch gewünschtenfalls die aus den
Gleichungen (9) und (10) ersichtliche Asymmetrie zwischen + #U1 und - #U2 noch verstärkt
werden.
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Außerdem erlaubt es diese Ausführungsform,jeweils ein Ende der beiden
weiteren Wicklungen fest anzuschließen
und nur das jeweils andere
Ende mit Hilfe eines Schalters entweder elektrisch leitend an die Eingangs- bzw.
Ausgangsspannung zu legen oder von dieser abzutrennen. Es werden also statt fünf
nur vier'Schalter benötigt.
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Wie bereits erwähnt ist eine erfindungsgemäße Transformatorschaltung
vor allem dann von Vorteil, wenn die zu induzierenden Spannungen + tU1 und - AU2
nur einen vergleichsweise kleinen Prozentsatz der Eingangs spannung UE ausmachen.
Die Windungsverhältnisse w1/ww bzw. w1/w und w1/ww2 sind daher grundsätzlich kleiner
1 und liegen vorzugsweise in einem Bereich von 1 : 3 bis 1 : 200.
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Um den Transformator nicht zu überlasten, sind erfindungsgemäß besondere
Maßnahmen vorgesehen, die sicherstellen, daß nur für eine der mehreren weiteren
Wicklungen der oder die zugehörigen Schalter geschlossen sind. Für die bevorzugte
Ausführungsform mit zwei weiteren Wicklungen, von denen die eine fest als addierende
Wicklung und die andere fest als subtrahierende Wicklung verdrahtet ist, bedeutet
dies, daß die beiden Schalter nicht überlappend betrieben werden. Auch muß verhindert
werden, daß an eine oder beide weiteren Wicklungen eine Steuerspannung angelegt
wird, während der zugehörige Kurzschlußschalter geschlossen ist.
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Um ein gleichzeitiges Schließen der betreffenden Schalter unmöglich
zu machen, wird der Schaltzustand eines jeden Schalters mit Hilfe einer zugehörigen
Sensoreinheit überwacht und ein Schließbefehl für einen bisher offenen Schalter
durch eine Sperrschaltung unterdrückt, wenn das Ausgangssignal der Sensoreinheit
der anderen Schalter anzeigt, daß einer dieser anderen Schalter noch geschlossen
ist. Eine entsprechende Schutzschaltung kann
erfindungsgemäß auch
für die Ausführungsformen von Stelleinheiten vorgesehen werden, bei denen mehr als
zwei Schalter vorgesehen sind, um eine einzige weitere Wicklung oder mehrere weitere
Wicklungen in die verschiedenen Schaltzustände zu bringen.
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Es ist wünschenswert, daß beim Umschalten von einem Schaltzustand
in den anderen die Ausgangs spannung UA der Stelleinheit möglichst schnell und möglichst
"glatt", d.h.
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ohne starke Schwankungen des Amplituden-Absolutbetrages der Ausgangswechselspannung
nach oben oder nach unten von ihrem alten zum neuen Amplitudenwert übergeht.
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Damit beim Umschalten von einem Schaltzustand in den anderen möglichst
geringe Energieverluste und möglichst kleine Schaltspitzen entstehen, ist es erforderlich,
die Schalter bei bestimmten Phasenwinkeln bzw. in bestimmten Phasenwinkelbereichen
des magnetischen Flusses, der die erste Wicklung des Transformators durchsetzt,
zu öffnen bzw. zu schließen. Diese Phasenwinkel bzw. Phasenwinkelbereiche werden
dabei so gewählt, daß sich dieser magnetische Fluß durch den Offnungs- bzw. Schließvorgang
wenig ändert.
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Beim Umschalten vom ersten oder zweiten in den dritten Schaltzustand
ergeben sich hier keine Probleme, weil die jeweils bis zum Umschaltzeitpunkt offenen
Schalter kurz nach dem Öffnen der bis zum Umschaltzeitpunkt geschlossenen Schalter
geschlossen werden können.
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Als Schalter finden vorzugsweise Triacs Verwendung, die nach einem
Nulldurchgang des sie durchfließenden Stroms in einen Sperrzustand übergehen, der
dem "offenen" Schaltzustand eines Schalters entspricht. Für das Öffnen eines bisher
geschlossenen Triac-Schalters genügt es also, nach einem Nulldurchgang des diesen
Schalter
durchfließenden Stroms ein erneutes Zünden des Triacs
bei der nächsten Stromhalbwelle zu verhindern. Damit sind die oben erwähnten Umschaltzeitpunkte
ohne weiteres gegeben. Gleiches gilt auch für ein Umschalten aus dem dritten in
den ersten oder den zweiten Schaltzustand.
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Etwas anders ist die Situation beim unmittelbaren Übergang vom ersten
in den zweiten Schaltzustand oder umgekehrt. Zwar werden auch hier die Triac-Schalter
vorzugsweise bei einem Nulldurchgang des sie durchfließenden Stroms geöffnet, doch
kann der jeweils zu schließende Schalter nicht gleichzeitig mit dem Öffnen des bisher
geschlossenen Schalters betätigt werden, wenn die Bedingung einer möglichst geringen
Änderung des Magnetflusses eingehalten werden soll.
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Das Kriterium für die Zeitpunkte zum Schließen der Schalter ist für
den Übergang vom zweiten in den ersten Schaltzustand (Erzeugung einer additiven
induzierten Spannung ) ein anderes als das für den Übergang vom ersten in den zweiten
Schaltzustand erzeugung einer subtraktiven induzierten Spannung). Im ersten Fall
ist es zweckmäßig, den oder die Schalter zu schließen, wenn der Magnetfluß einen
Nulldurchgang aufweist, während im zweiten Fall der oder die Schalter geschlossen
werden, wenn der Absolutwert des Magnetflusses ein Maximum durchläuft. Da in beiden
Fällen der optimale Schaltzeitpunkt gegen die beiden eben erwähnten Phasenwinkel
in Abhängigkeit von der Größe des Laststromes etwas verschoben sein kann, muß der
Schließvorgang jeweils in einem die genannten Phasenwinkel umgebenden Phasenwinkelbereich
erfolgen. Um dieses Schließkriterium für die Schalter einhalten zu können, ist gemäß
der Erfindung eine Sensoreinrichtung zum Erfassen des Phasenverlaufes des Magnetflusses
in der ersten Wicklung vorgesehen. Vorzugsweise ist diese Sensoreinrichtung eine
Sensorwicklung
des Transformators, deren Ausgangsspannung mit einer Verschiebung um 900 die Phasenlage
des Magnetflusses wiedergibt. Die Ausgangsspannung wird der elektronischen Schaltersteuerung
zugeführt, die hieraus gemäß den oben genannten Kriterien selbsttätig die richtigen
Schaltzeitpunkte ermittelt.
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Wie bereits erwähnt, ergibt sich in Zeitspannen, in denen keine der
weiteren Wicklungen an die Eingangsspannung oder an die Ausgangsspannung der Stelleinheit
angeschlossen ist, an der ersten Wicklung des Transformators ein vergleichsweise
hoher Spannungsabfall, dessen Größe vom Laststrom abhängt. Allerdings benötigt dieser
Spannungsabfall nach dem ersatzlosen Abschalten einer bisher angeschlossenen weiteren
Wicklung eine ganze Reihe von Wechselspannungsperioden, bis er sich zu seiner vollen
Größe aufgebaut hat. Wenn daher beim direkten Umschalten vom ersten in den zweiten
Schaltzustand bder umgekehrt) nach dem Öffnen des oder der bisher geschlossenen
Schalter der oder die bisher offenen Schalter innerhalb einiger weniger Wechselspannungsperioden
geschlossen werden, so bleibt der Einbruch der Ausgangsspannung, der aufgrund des
oben erwähnten erhöhten Spannungsabfalls an der ersten Wicklung auftritt, so gering,
daß er sich nicht nachteilig auswirkt. Es wird vorzugsweise eine elektronische Schaltersteuerung
verwendet, die beispielsweise einen Mikroprozessor umfassen kann, um die Umschaltvorgänge
möglichst rasch durchführen zu können.
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Will man jedoch diesen Einbruch der Ausgangs spannung der Stelleinheit
vollkommen vermeiden, der ohne weitere Maßnahmen in den Zeiträumen auftritt, in
denen beim Umschalten von einem Schaltzustand in den anderen vorübergehend an keine
der weiteren Wicklungen eine Steuerspannung angelegt ist, so kann man am
Transformator
eine Kurzschlußwicklung vorsehen, deren Enden durch das Schließen eines steuerbaren
Schalters direkt miteinander verbunden werden können. Dieser Kurzschluß-Schalter
wird ebenfalls von der Schaltersteuerung betätigt. Er ist normalerweise geöffnet
und wird nur beim Ubergang von einem Schaltzustand in den anderen kurzzeitig geschlossen.
Dieses Schließen erfolgt gleichzeitig mit dem Öffnen des oder der bisher geschlossenen
Schalter der weiteren Wicklung; der Kurzschluß-Schalter bleibt so lange geschlossen,
bis der oder die bisher geöffneten Schalter der weiteren Wicklungen geschlossen
werden, und wird gleichzeitig mit diesem Schließvorgang wieder geöffnet.
-
Vorzugsweise wird ein Triac als Schalter für die Kurzschlußwicklung
verwendet, der bei einem beliebigen Nulldurchgang des ihn durchfließenden Stromes
problemlos geöffnet werden kann.
-
Will man bei gegebener Versorgungsspannung Uv mehr als drei verschiedene
Lastspännungen nacheinander zur Verfügung stellen können, so ist es vorteilhaft,
eine Transformatorschaltung vorzusehen, bei der zwei oder mehr Stufen, von denen
jede aus einer oder mehreren Stelleinheitenbestehenkann, so miteinander in Reihe
geschaltet sind, daß an der ersten Stufe die Versorgungsspannung Uv als Eingangsspannung
UE anliegt, die Ausgangsspannung UA dieser ersten Stufe als Eingangsspannung UE
an die zweite Stufe angelegt ist, usw. und daß die Ausgangsspannung der letzten
Stufe der Last als Lastspannung UL zugeführt wird. Dabei liegen dann von der
Spannungsquelle
her gesehen die ersten Wicklungen der Transformatoren aller Stufen miteinander und
mit der Last in Reihe.
-
Die miteinander in Reihe geschalteten Stufen können jeweils aus einer
einzelnen Stelleinheit bestehen, die mit einer oder mehreren, insbesondere zwei
weiteren Wicklungen ausgestattet ist, und wenigstens einen Kurzschluß-Schalter aufweist,
mit dem wenigstens eine dieser weiteren Wicklungen kurzgeschlossen werden kann,
so daß die Stelleinheit zumindest die durch die obigen Gleichungen (4), (5) und
(6) definierten drei verschiedenen Ausgangsspannungen zu liefern vermag.
-
Alternativ hierzu können die Stufen einer solchen Transformatorschaltung
aber auch jeweils aus zwei miteinander in Reihe geschalteten Stelleinheiten bestehen,
die zu einem Stelleinheiten-Paar zusammengefaßt sind-.
-
Darunter soll folgendes verstanden werden: Es handelt sich hier um
Stelleinheiten, die ebenfalls zwei weitere Wicklungen aufweisen, von denen die eine
als addierende und die andere als subtrahierende Wicklung Verwendung findet, wobei
dann die jeweilige Ausgangsspannung den ersten und einen zweiten Schaltzustand gebracht
werden kann, so daß die jeweilige Ausgangsspannung den obigen Gleichungen (4) und
(5) entspricht. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Stelleinheiten, die für
sich alleine eine Stufe einer mehrstufigen Transformatorschaltung bilden können,
besitzen die beiden Stelleinheiten eines Stelleinheiten-Paares jedoch keine Schalter,
mit deren Hilfe die weiteren Wicklungen kurzgeschlossen werden können. Diese Stelleinheiten
können für sich allein also nicht in den dritten Schaltzustand gebracht werden,
in dem die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist. Statt dessen sind die
Windungsverhältnisse
der beiden ersten Wicklungen der beiden Transformatoren
zu den zugehörigen weiteren Wicklungen in beiden Stelleinheiten so aufeinander abgestimmt,
daß bei gegebener Eingangs spannung UEp für das Stelleinheiten-Paar den Gleichungen
(4), (5) und (6) entsprechende Beziehungen gelten: UAp1 = UEP + AUp (11) UAP2 =
UEP - #UP und (12) UAP3 = UEP (13) UAp1 ist die Ausgangsspannung des Stelleinheiten-
Paares, die sich ergibt, wenn sich beide Stelleinheiten im ersten Schaltzustand
befinden, so daß sich ihre beiden positiv aufgeprägten Spannungsänderungen + #U
und + # U' zu einer positiven Paar-Spannungsänderung + nUP addieren. UAp2 ist die
entsprechende Ausgangsspannung, wenn sich beide Stelleinheiten im zweiten Schaltzustand
befinden, so daß sich ihre beiden negativ aufgeprägten Spannungsänderungen - AU
und - AU' zu einer negativen Paar-Spannungsänderung - # Up addieren. Die Windungsverhältnisse
sind so gewählt, daß die Paar-Spannungsänderung #UP in beiden Fällen in etwa denselben
Absolutbetrag besitzt, die beiden Ausgangsspannungen zur Eingangsspannung also symmetrisch
liegen. Überdies sind die Windungsverhältnisse so gewählt, daß sich in einer dritten
Schaltzustands-Kombination, in der sich z.B.
-
die erste Stelleinheit im ersten und die zweite Stelleinheit im zweiten
Schaltzustand befinden,die Wirkungen der beiden Stelleinheiten in etwa kompensieren,-
so daß hier die vom Stelleinheiten-Paar abgegebene Ausgangsspannung UAp3 in etwa
gleich der zugeführten Eingangsspannung UEp ist. Diese dritte Schaltzustands-Kombination
entspricht
also in ihrer Wirkung auf die Ausgangsspannung des Paares der des dritten Schaltzustandes
einer einzelnen Stelleinheit mit Kurzschlußmöglichkeit für wenigstens eine weitere
Wicklung.
-
Dabei ist von großem Vorteil, daß in allen drei Schaltzustands-Kombinationen
die Verluste, die in den Stelleinheiten auftreten, extrem gering sind. Insbesondere
erfolgt auch die unveränderte Weitergabe der Eingangsspannung auf den Ausgang des
Stelleinheiten-Paares in der dritten Schaltzustands-Kombination praktisch verlustfrei.
-
Im Vergleich zu einer Stelleinheit, die für sich allein die drei den
Gleichungen (4), (5) und (6) entsprechenden Schaltzustände annehmen kann, besitzt
ein solches Stelleinheiten-Paar den Vorteil, daß von jeder einzelnen Stelleinheit
nur die Hälfte der für die betreffende Stufe vorgesehenen Spannungs- bzw. Leistungsänderung
aufgebracht werden muß. Es werden zwar zwei Transformatoren benötigt, doch können
diese der halben Leistung entsprechend auch erheblich kleiner und leichter dimensioniert
werden. Dies ist insbesondere bei der Herstellung, dem Transport sowie bei der Ersatzteilhaltung
von Transformatorschaltungen für große Leistungen von Vorteil.
-
Im allgemeinen bleibt für ein Stelleinheiten-Paar die vierte Schaltzustands-Kombination
ungenutzt,bei der sich die erste Stelleinheit im zweiten Schaltzustand und die zweite
Stelleinheit im ersten Schaltzustand befindet.
-
Die eben gemachten Angaben lassen sich in folgender Tabelle 1 zusammenfassen:
Tabelle
1
Schaltzustands- Stelleinheit Stelleinheit Ausgangs- |
Kombination 1 2 spannung |
1 + + UA1=UE+UP |
2 - - UA2=UE-#UP |
3 + - UA3=UE |
Um einen größeren Bereich von Ausgangsspannungswerten in kleinen Spannungsschritten
überdecken zu können, ist es vorteilhaft, mehrere Stufen, die entweder aus einzelnen
Stelleinheiten mit Kurzschlußmöglichkeit für wenigstens eine der weiteren Wicklungen
oder aus den oben beschriebenen Stelleinheiten-Paaren bestehen können (wobei in
einer Anordnung auch beide Arten gemischt werden können), seriell hintereinander
zu schalten und die Spannungsdifferenzen + U1, ...,# die n solcher Stufen erzeugen
können, voneinander verschieden zu wählen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Prozentwerte, die sich ergeben, wenn man jede dieser Spannungsdifferenzen durch
die durch 100 geteilte Versorgungsspannung dividiert, zueinander im Verhältnis ganzzahliger
Dreierpotenzen stehen. Gilt also für die kleinste, durch eine der Stufen erzeugbare
Spannungsdifferenz + Amin: t v # 100 = A % UV
so werden die Spannungsdifferenzen
der anderen Stufen so gewählt, daß sie in etwa gleich + 3A%, + 9A% usw.
-
der Versorgungsspannung UV sind.
-
Sind beispielsweise in einer Transformatorschaltung drei Stufen hintereinander
geschaltet, und werden für jede Stufe nur die drei oben genannten Schaltzustände
bzw. Schaltzustands-Kombinationen verwendet, so sind für die gesamte Transformatorschaltung
siebenundzwanzig Kombinationen von Schaltzuständen möglich, von denen eine die von
der Spannungsquelle abgegebene Versorgungsspannung mit nahezu unveränderter Amplitude
an die Last gelangen läßt, während dreizehn Kombinationen die -Amplitude der Versorgungsspannung
in etwa um ganzzahlige Vielfache von A% erhöhen und dreizehn Kombinationen diese
Amplitude in etwa um ganzzahlige Vielfache von A% erniedrigen. Dies ist in Tabelle
2 genauer dargestellt.
-
In dieser Tabelle ist in der linken Spalte die laufende Nummer n der
jeweiligen Kombination von Schaltzuständen wiedergegeben, wobei durch das hochgestellte
Vorzeichen "+" oder "-" angedeutet wird, ob es sich um eine Kombination handelt,
die zu einer Vergrößerung ("+") der Amplitude der Versorgungsspannung führt oder
um eine Kombination, die die Versorgungsspannung erniedrigt )-
Tabelle
2
Schaltzustand der aufgeprägte |
Stufen mit einer Ände- Amplituden- |
Kombination rung um Änderung in % |
n 9A % 3A % A % |
0 0 0 0 0 |
1+ 0 0 + + 1A |
2+ 0 + - + 2A |
3+ 0 + 0 + 3A |
4+ 0 + + + 4A |
5+ + - - + 5A |
6+ + - 0 + 6A |
7+ + - + + 7A |
8+ + 0 - + 8A |
9 + 0 0 + 9A - |
10+ + 0 + +10A |
11 + + - - +11A |
12 + + - 0 +12A |
13+ + + + +13A |
1- 0 0 - - 1A |
2- 0 - + - 2A |
3- 0 - 0 - 3A |
4- 0 - - - 4A |
5- - + + - 5A |
6 - + 0 - 6A |
7- - + - - 7A |
8- - 0 + - 8A |
9 - 0 0 - 9A |
10 - 0 - -10A |
11- - - + -11A |
12 - - 0 -12A |
13 - - - -13A |
In der mittleren Spalte bedeutet ein "+", daß sich in der betreffenden
Stufe die eine Stelleinheit bzw. beide Stelleinheiten eines Paares im ersten Schaltzustand
befinden, so daß die Amplitude der Versorgungsspannung um 9A%, 3A% oder AZ vergrößert
wird, während ein -eine entsprechende Verkleinerung bedeutet und "O" den dritten
Schaltzustand einer einzelnen Stelleinheit bzw.
-
die Schaltzustands-Kombination 3 (siehe Tabelle 1) des betreffenden
Stelleinheiten-Paares symbolisiert, in dem bzw. in der die Amplitude der Eingangs-Wechselspannung
unverändert weitergegeben wird. In der rechten Spalte sind die durch die jeweilige
Kombination der Schaltzustände aller Stufen erzielbaren Gesamtänderungen der Amplitude
wiedergegeben. Dabei sind nur gerundete Werte angegeben, die nicht berücksichtigen,
daß sich die Eingangsspannung der näher bei der Last angeordneten Stufen in Abhängigkeit
vom Schaltzustand der vorausgehenden Stufen ändern kann.
-
Man sieht, daß die Amplitudenänderung mit Hilfe einer solchen erfindungsgemäßen
Transformatorschaltung in diskreten Schritten erfolgt, wobei die Schrittweite von
einer Schaltzustands-Kombination zur nächstn immer in etwa gleich A% der jeweiligen
Versorgungsspannung ist.
-
Ist eine Stufe aus zwei Stelleinheiten aufgebaut, die ein Paar bilden,
so können alternativ zu der eben erläuterten Anordnung auch von jedem Stelleinheiten-Paar
nur zwei Schaltzustands-
Kombinationen Verwendung finden, beispielsweise
die Schaltzustands-Kombination 0, in der die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung
ist, und die Kombination "-", in der die Ausgangs spannung um nA% niedriger als
die Eingangsspannung ist, wobei n für jedes Stelleinheiten-Paar einen anderen ganazahligen
Wert annimmt. Für diesen Verwendungsfall ist es möglich, die Stelleinheiten-Paare
so zu konstruieren, daß sie nur diese beiden Schaltzustands-Kombinationen einnehmen
können. Dies kann in der Weise geschehen, daß z.B. die vordere Stelleinheit eines
jeden Paares eine fest verdrahtete, nicht schaltbare weitere Wicklung aufweist,
die permanent beispielsweise eine negativ aufgeprägte Spannung - (n/2)#A% induziert,
während die zweite Stelleinheit eine addierende und eine subtrahierende weitere
Wicklung besitzt, die alternativ so geschaltet werden können, daß sie entweder eine
Spannung von + (n/2)-A% oder von - (n/2) A% induzieren, was in Verbindung mit der
induzierten Spannung - (n/2)#A% der vorderen Stelleinheit entweder eine Spannungsänderung
0 oder - n#A% ergibt. Entsprechend können auch Stelleinheiten-Paare vorgesehen werden,
die nur die beiden Schaltzustands-Kombinationen 0 und + n A% annehmen können.
-
In allen diesen Fällen erfolgt die Änderung der Ausgangsspannung der
gesamten Transformatorschaltung gegenüber der Eingangs spannung nicht nach dem in
Tabelle 2 wiedergegebenen Ternär-Kode sondern nach einem Binär-Kode. Zwar werden
hier zur Überdeckung desselben Spannungsänderungsbereiches mehr Stelleinheiten-Paare
als beim Ternär-Kode benötigt; es gibt jedoch Anwendungsfälle, in denen ohnehin
die Eingangsspannung ausgehend von einer Gesamtänderung O nur in einer Richtung
verändert werden soll und/oder der Spannungsänderungsbereich nicht groß ist. Dann
kann der
Vorteil einer rein binären Ansteuerung den erhöhten Bedarf
an Stelleinheiten unter Umständen überwiegen.
-
Unabhängig davon, wieviele Stufen hintereinander geschaltet werden
und ob ein Binär- oder ein Ternär- oder ein anderer Kode Verwendung findet, ist
es ein hervorstechendes Merkmal einer derart aufgebauten erfindungsgemäßen Transformatorschaltung,
daß sie eine stufenweise bzw. digitale Beeinflussung auch von sehr großen Leistungen
erlaubt. Im Gegensatz zu analog arbeitenden Systemen besitzt sie eine außerordentlich
hohe Regel- bzw. Steuerungsgeschwindigkeit. Die jeweils erzielte Genauigkeit hängt
dabei im wesentlichen nur von der Zahl der verwendeten Stelleinheiten bzw. Stufen
ab.
-
Der typische und bevorzugte Anwendungsfall einer aus zwei, drei oder
mehr Stufen bestehenden erfindungsgemäßen Transformatorschaltung besteht jedoch
nicht darin, daß ausgehend von einer festen, von einer Spannungsquelle stammenden
Versorgungsspannung neun, siebenundzwanzig oder mehr Ausgangsspannungen nacheinander
wahlweise erzeugbar sein sollen.
-
Vielmehr ist in einem besonders bevorzugten Anwendungsfall der Einsatz
einer solchen Transformatorschaltung als Spannungskonstanter und/oder Spannungsregler
vorgesehen. Das bedeutet, daß als Sollwert SL für die der Last zugeführte Spannung
entweder der Nennwert der von der Spannungsquelle abgegebenen Versorgungsspannung
UV oder ein anderer Spannungswert gewählt werden können.
-
Allerdings muß ein solcher anderer Sollwert innerhalb des Änderungsbereichs
der erfindungsgemäßen Transformatorschaltung liegen. Liegt er sehr nahe an der Grenze
dieses Änderungsbereiches, so ist eine Regelung der Lastspannung UL nur bei Abweichungen
vom Sollwert SL in einer Richtung
möglich. Dies ist aber in Fällen,
in denen Abweichungen in der anderen Richtung nicht auftreten, völlig ausreichend.
-
Im folgenden wird die Anwendung als symmetrischer Spannungsregler
genauer erläutert, mit dessen Hilfe verhindert wird, daß die Amplitude der einer
Last zugeführten Lastspannung von einem vorgegebenen Sollwert SL um mehr als +-
% abweicht, der gleich dem Nennwert der Versorgungsspannung Uv ist, die in einem
wesentlich größeren Bereich, beispielsweise um maximal + A % des Nennwertes schwanken
kann.
-
Zu diesem Zweck umfaßt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung neben
einer Transformatorschaltung mit entsprechend vielen Stufen eine Meßfühleranordnung,
die die Amplitude der Versorgungsspannung und/oder die Amplitude der Lastspannung
mißt, eine Komparatoranordnung, die das oder die Meßfühlersignale mit einem oder
mehreren Referenzwerten vergleicht und bei Abweichungen entsprechende Differenzsignale
erzeugt, sowie eine Schaltersteuerung, die diese Differenzsignale beispielsweise
mit einer fest einprogrammierten Tabelle von Differenzsignalwerten vergleicht. Aus
diesem Vergleich ermittelt die Schaltersteuerung diejenige Kombination n oder n
von Schaltzuständen (siehe Tabelle 2), die für eine Kompensation der aufgetretenen
Abweichung der Versorgungsspannung vom Nennwert erforderlich ist, so daß die Lastspannung
innerhalb des vorgegebenen Bereiches SL+ S % bleibt.
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Es seinun angenommen, daß die Amplitude der Versorgungsspannung zunächst
dem Nennwert und damit auch dem Sollwert SL entspricht, dann aber im Laufe der Zeit
von diesem Nennwert in zunehmendem
Maße beispielsweise nach oben
abweicht: In diesem Fall muß die Schaltersteuerung von der zunächst vorhandenen
Schaltzustands-Kombination n = O (siehe Tabelle 2), bei der die Last spannung UL
gleich der Versorgungsspannung UV ist, rechtzeitig zur Schaltzustands-XoSination
n = 1 , bei weiterem Ansteigen zur Kombination n = 2 usw. übergehen. Dadurch wird
ein entsprechendes ganzzahliges Vielfaches von A % von der Versorgungsspannung subtrahiert
und somit die Lastspannung im gewünschten Bereich SL+ L % gehalten.
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Bei stetig zunehmender positiver Abweichung erfolgt der Übergang von
der n -ten Kombination zur (n+1) -ten Kombination jeweils bei einer bestimmten Schaltschwelle
SWn-/(n+1)-, d.h. einem festgelegten Amplitudenwert der Versorgungsspannung. Nimmt
die positive Abweichung wieder stetig ab, so erfolgt in etwa bei derselben Schaltschwelle
in umgekehrter Richtung der Übergang von der (n+1) -ten Kombination zur n -ten Kombination
von Schaltzuständen. Es ist vorteilhaft, die beiden zuletzt genannten Schaltschwellen
durch eine kleine Spannungsdifferenz voneinander zu trennen. Durch die so erzielte
"Hysterese" wird ein zu häufiges Schaltspiel in den Fällen verhindert, in denen
die Versorgungsspannung UV längere Zeit einen Wert besitzt, der gleich einer Schaltschwelle
ist, und um diesen Wert geringfügig schwankt.
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Entsprechendes gilt auch für negative Abweichungen der Amplitude der
Versorgungsspannung vom Nennwert nur daß hier die Schaltschwellen mit SWn+/(n+1)
+ bezeichnet werden, weil in diesem Fall bei zunehmender Abweichung nach unten von
der additiven Aufprägung des n-fachen der minimalen Amplitudenänderung A % zur additiven
Aufprägung des (n+1)-fachen von A % übergegangen
werden muß, um
die gewünschte Konstanz der Amplitude der Lastspannung zu erzielen.
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Bei jedem Übergang von einer Kombination von Schaltzuständen zu einer
benachbarten Kombination ändert sich die Ampliutude der Lastspannung sprungartig
etwa um A %.
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Vorzugsweise werden die Schaltschwellen so festgelegt, daß dann, wenn
die Amplitude der Versorgungsspannung den Wert der betreffenden Schaltschwelle ohne
sprungartige Änderung durchläuft, die Amplitudenwerte ULVOr und ULnach symmetrisch
zum Sollwert liegen. Dabei ist ULvor die Amplitude der Lastspannung vor dem Umschaltvorgang
und ULnach die Amplitude der Lastspannung nach dem Umschaltvorgang. Es soll also
mit möglichst guter Näherung gelten: SL- ULvor | =15L ULnach 1 (14) A # S weiterhin
gilt / ULvor - ULnach / = # Der Prozent-100 wert A ist zwar konstant, ist aber nicht
auf den Sollwert Sondern auf die Amplitude der Eingangs spannung der jeweiligen
Stufe bezogen. Somit ist die Größe von ULvor und ULnach davon abhängig, von welcher
Kombination von Schaltzuständen ein Übergang zu einer benachbarten Kombination erfolgt.
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Die obige Gleichtung (1) kann durch geeignete Wahl der Schaltschwellen
SW in jedem Fall eingehalten werden.
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Auch ist es erfindungsgemäß möglich, durch eine entsprechende Wahl
von A sicherzustellen, daß ULVOr und ULnach innerhalb des durch die gewünschte Regelgenauigkeit
SL+ # % vorgegebenen Amplitudenbereiches liegen, wobei der Prozentwert auf den Sollwert
SL- 100 % bezogen ist.
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Bei der Festlegung des Wertes von A ist zu berücksichtigen, daß einerseits
A möglichst groß sein sollte, damit möglichst wenig Stelleinheiten zur Abdeckung
eines gegebenen Schwankungsbereiches erforderlich sind, daß aber andererseits A
nicht zu groß gewählt werden darf, weil sonst die gewünschte Regeloenauigkeit i
nicht eingehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird A vorzugsweise so gewählt, daß
es zwischen 1,6 und 1,8 r liegt.
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Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß die Schaltschwellen unabhängig
davon verwendet werden können, ob die Schaltungsanordnung als Spannungskonstanter
oder als Spannungsregler arbeitet, ob also die Lastspannung UL auf einem Sollwert
SL gehalten wird, der gleich dem Nennwert der von der Spannungsquelle abgegebenen
Versorgungsspannung ist, oder auf einem Sollwert, der sich von diesem Nennwert unterscheidet.
-
Auch ist die Verwendung dieser Schaltschwellen unabhängig davon, ob
mit der Meßfühleranordnung die Versorgungsspannung oder die Lastspannung gemessen
wird.
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Im ersten Fall kann die Differenz der obigen Schaltschwellen zum Sollwert
Stunmittelbar in der von der Schaltersteuerung benutzten Tabelle enthalten sein,
mit welcher das vom Komparator gelieferte Differenzsignal verglichen wird. Im zweiten
Fall muß die Schaltersteuerung aus der Annäherung der Amplitude der Lastspannung
an einen der Werte ULvor und ULnach und/oder der Kenntnis der momentan gültigen
Kombination von Schaltzuständen ermitteln, an welche Schaltschwelle sich die Versorgungsspannung
gerade annähert und welche Umschaltung daher vorgenommen werden muß.
-
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Meßfühleranordnung
die Amplitude der Wechselspannungen vor und hinter der Transformatorschaltung mißt.
Es werden dann also die Änderungen' sowohl der Versorgungsspannung UV als auch der
Lastspannung UL erfaßt und so ausgewertet, daß die Schalter der Stelleinheiten so
gesteuert werden, daß sich eine möglichst gute Konstanz der Amplitude der der Last
zugeführten Spannung ergibt.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig.
1 eine Transformatorschaltung, bei der zwischen Spannungsquelle und Last eine Stelleinheit
angeordnet ist, die einen Aufbau gemäß einer ersten Ausführungsform besitzt, Fig.
2 eine Transformatorschaltung, bei der zwischen Spannungsquelle und Last eine Stelleinheit
angeordnet ist, die einen Aufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform besitzt, Fig.
3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, der die Einzelheiten einer Sensoreinheit wiedergibt,
Fig. 4 zwei miteinander in Reihe geschaltete Stelleinheiten gemäß einer dritten
Ausführungsform, die ein Stelleinheiten-Paar bilden, Fig. 5 eine als einphasiger
Spannungskonstanter aufgebaute Transformatorschaltung mit drei in Reihe geschalteten
Stufen, Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Spannungskonstanters für ein 3-Phasen-System,
und Fig. 7 eine Ausführungsform, bei der eine einzige Stelleinheit in eine Vielzahl
von Schaltzuständen gebracht werden kann und als Spannungsregler Verwendung findet.
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Fig. 1 zeigt eine Wechselspannungsquelle 1, die eine Versorgungsspannung
UV abgibt, die den Eingangsanschlüssen 2, 3 einer Stelleinheit 4 als Eingangsspannung
UE zugeführt wird. An den Ausgangsanschlüssen 5, 6 der Stelleinheit 4 erscheint
eine Ausgangsspannung UA, die einer Last 7 als Lastspannung UL zugeführt wird.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Stelleinheit 4 ist die Amplitude der
Ausgangs spannung UA gegenüber der Amplitude der Eingangsspannung UE veränderbar.
Zu diesem Zweck umfaßt die Stelleinheit 4 einen Transformator 8, dessen erste Wicklung
9 zwischen den Eingangsanschluß 2 und den Ausgangsanschluß 5 geschaltet ist, während
der Eingangsanschluß 3 mit dem Ausgangsanschluß 6 vermittels der Leitung 10 direkt
galvanisch leitend verbunden ist. Auf diese Weise ist von der Spannungsquelle 1
her gesehen die erste Wicklung 9 mit der Last 7 in Reihe geschaltet.
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Der Transformator 8 besitzt eine weitere Wicklung 11, die über den
Eisenkern 12 des Transformators 8 mit dessen erster Wicklung 9 magnetisch gekoppelt
ist. Mit den beiden Enden 13, 14 der weiteren Wicklung 11 sind zwei Schalterpaare
15, 16 sowie ein Kurzschlußschalter 17 verbunden.
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Mit Hilfe der beiden Schalterpaare 15, 16 und des Kurzschlußschalters
17 kann die Stelleinheit 4 in vier verschiedene Schaltzustände gebracht werden.
Im ersten Schaltzustand, in welchem das Schalterpaar 15 geschlossen ist und die
Schalter 16, 17 geöffnet sind wird an die weitere Wicklung 11 die Eingangsspannung
UE angelegt.
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Der durch die Punkte 19, 20 definierte Wicklungssinn der Wicklungen
9, 11 ist dabei so gewählt, daß sich die Spannung Leu1, die in diesem ersten Schaltzustand
durch die weitere Wicklung 11 in der ersten Wicklung 9
induziert
wird, zur Eingangsspannung UE addiert.
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Zwischen den Ausgangsanschlüssen 5, 6 der Stelleinheit erhält man
also die Spannung UAl = UE + Wie bereits erwähnt, ist dabei der Wert, d.h. der Amplituden-Absolutbetrag
der induzierten Spannung #U1 durch das Windungsverhältnis w1/ww der ersten Wicklung
9 zur weiteren Wicklung 11 nach der Gleichung LU1 = w1UE/ww festgelegt.
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Im zweiten Schaltzustand, der in Fig. 1 dargestellt ist, sind die
Schalter 15 und 17 geöffnet und ist das Schalterpaar 16 geschlossen, wodurch an
die weitere Wicklung 11 die Ausgangsspannung UA der Stelleinheit 4 gelegt wird.
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Gleichzeitig ist der Wicklungssinn der weiteren Wicklung 11 gegenüber
dem ersten Schaltzustand umgekehrt. Dadurch subtrahiert sich die Spannung tU2, die
in diesem Schaltzustand in der ersten Wicklung 9 des Transformators 8 induziert
wird, von der Eingangsspannung UE, so daß man am Ausgang 5, 6 erhält: U@@ = U@ -
#U 2 Für die induzierte Spannung gilt in diesem Fall L U2 = w1UE/(ww + W1). Da das
Windungsverhältnis der ersten Wicklung 9 zur weiteren Wicklung 11 erfindungsgemäß
typischerweise kleiner 1 : 7 ist, ist also die im zweiten Schaltzustand induzierte
Spannung #U2 immer etwas kleiner als die im ersten Schaltzustand induzierte Spannung
#U1. Allerdings kann in der Praxis die mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 im
ersten Schaltzustand erzielbare Vergrößerung der Ausgangsspannung UA gegenüber der
Eingangsspannung UE mit sehr guter Genauigkeit gleich der im zweiten Schaltzustand
erzielbaren
Spannungsverringerung gesetzt werden, da die erste
Wicklung 9 für den von der Spannungsquelle 1 zur Last 7 fließenden Laststrom einen
komplexen Widerstand darstellt. Da die erste Wicklung 9.im allgemeinen nur sehr
wenige Windungen umfaßt, ist dieser Widerstand zwar gering, doch führt er zu einem
gewissen Spannungsabfall, der vom Schaltzustand der Stelleinheit 4 unabhängig ist.
-
Der Wert von UA liegt also in beiden Schaltzuständen etwas unter den
Werten, die sich aus den obigen vereinfachten Gleichungen ergeben. Die in den beiden
Schaltzuständen erzielbaren Ausgangsspannungen liegen daher mit guter Genauigkeit
symmetrisch zur Eingangsspannung: UA1,2 = UE # #U In einem dritten Schaltzustand
der Stelleinheit 4 sind die beiden Schalterpaare 15, 16 geöffnet und ist der Kurzschlußschalter
17 geschlossen. Der aus der somit kurzgeschlossenen weiteren Wicklung 11 bestehende
Stromkreis besitzt einen sehr kleinen Widerstand, der aufgrund der Tatsache, daß
das Windungsverhältnis w1/ww wesentlich kleiner als 1 ist, auf der Seite der ersten
Wicklung 9 entsprechend heruntertransformiert erscheint.
-
Dadurch stellt die erste Wicklung 9 in diesem Schaltzustand für den
Laststrom einen äußerst kleinen Widerstand dar, an dem praktisch keine Spannung
abfällt, so daß hier mit sehr guter Näherung gilt: U3 = 0 oder UA3 =UE
Wegen
des äußerst geringen Spannungsabfalls an der ersten Wicklung 9 wird auch in der
weiteren Wicklung 11 nur eine geringe Spannung induziert, so daß trotz des Kurzschlusses
nur ein verhältnismäßig kleiner Kurzschlußstrom durch die weitere Wicklung 11 fließt.
-
Die hierbei auftretenden Verluste können weit kleiner als 1% der an
die Last 7 abgegebenen Leistung gehalten werden Da auch in den beiden ersten Schaltzuständen
die in der Stelleinheit 4 auftretenden Verluste weit unter 1% der Lastleistung liegen,
bildet eine solche Transformatorschaltung eine außerordentlich vorteilhafte Möglichkeit,
ausgehend von einer gegebenen Eingangsspannung UE digital drei verschiedene Ausgangs
spannungen UA zur Verfügung zu stellen.
-
In einem vierten Schaltzustand sind alle Schalter 15, 16, 17 geöffnet.
Der Stromkreis der weiteren Wicklung 11 besitzt dann einen nahezu unendlich hohen
Widerstandswert, der auch nach Heruntertransformation auf der Seite der ersten Wicklung
9 einen hohen Widerstandswert liefert, so daß an der ersten Wicklung ein von der
Größe des Laststroms abhängiger Spannungsabfall auftritt. Diese Drosselwirkung der
ersten Wicklung 9 im vierten Schaltzustand kann dazu verwendet werden, beim Auftreten
eines Kurzschlusses an der Last die der Last zugeführte Leistung zumindest so lange
auf ein ungefährliches Maß zu begrenzen, bis weitere Abschaltmaßnahmen getroffen
worden sind.
-
Die beiden Schalterpaare 15 und 16 sowie der Kurzschluß-17 schalter
werden durch eine Schaltersteuerung 23 betätigt, die über die Leitungen 25, 26 und
27 die Schalter 15, 16 und 17, die beispielsweise von Triacs gebildet sein können,
in
der erforderlichen Weise ansteuert. Dabei wird dafür gesorgt, daß die Schalter 15,
16 und 17 niemals gleichzeitig geschlossen sind und andererseits die Zeiträume,
in denen von einem Schaltzustand in einen anderen übergegangen wird, möglichst kurz
gehalten werden. Bei einem Übergang vom ersten oder zweiten Schaltzustand in den
dritten oder umgekehrt müssen die Schalterpaare 15 bzw.16 kurz vor dem Zeitpunkt
geöffnet bzw. kurz nach dem Zeitpunkt geschlossen werden, in denen der Kurzschlußscahlter
17 geschlossen bzw. geöffnet wird. Bei einem Übergang vom ersten in den zweiten
oder vom zweiten in den ersten Schaltzustand ist ein nahezu gleichzeitiges Schließen
und Öffnen der Schalter nicht günstig, wie weiter unten genauer erläutert wird.
Vielmehr wird zwischen dem Öffnen des bisher geschlossenen Schalterpaares und dem
Schließen des bisher geöffneten Schalterpaares ein kurzer zeitlicher Abstand eingehalten.
-
Um zu vermeiden, daß es in diesen kurzen Umschalt-Zeitabständen aufgrund
der oben beschriebenen Drosselwirkung der ersten Wicklung 9 zu einem Einbruch der
Ausgangsspannung UA kommt, besitzt bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Transformator 8 eine eigene Kurzschlußwicklung 28, die mit Hilfe eines Schalters
29, der zu ihr parallel liegt, kurzgeschlossen werden kann. Dieser Schalter 29 wird
von der Schaltersteuerung 23 über eine Leitung 30 angesteuert und nur für diejenigen
Zeiträume geschlossen, während derer beim Umschalten von einem Schaltzustand in
den anderen die beiden Schalterpaare 15, 16 vorübergehend gleichzeitig geöffnet
sind.
-
In Fig. 2 ist eine Transformatorschaltung mit einer Stelleinheit 34
dargestellt, deren Aufbau sich von dem der Stelleinheit 4 unterscheidet. Die Funktion
der
Stelleinheit 34 ist aber prinzipiell die gleiche wie die der
Stelleinheit 4.
-
Die Stelleinheit 34 umfaßt wiederum einen Transformator 8, dessen
erste Wicklung 9 zwischen den Eingangs anschluß 2 und den Ausgangsanschluß 5 geschaltet
ist, während der andere Eingangsanschluß 3 über die Leitung 10 direkt galvanisch
leitend mit dem anderen Aüsgangsanschluß 6 verbunden ist.
-
Anders als bei der Stelleinheit 4 aus Fig. 1 besitzt im vorliegenden
Fall der Transformator 8 zwei weitere Wicklungen 35, 36, von denen die eine als
addierende weitere Wicklung 35 mit ihrem einen Ende fest mit dem Ende der ersten
Wicklung 9 galvanisch leitend verbunden ist, das mit dem Eingangsanschluß 2 direkt
galvanisch leitend verbunden ist, während das andere Ende der addierenden Wicklung
35 mit Hilfe eines Schalters 37 mit der Leitung 10 verbunden oder von dieser getrennt
werden kann. Die andere der beiden weiteren Wicklungen ist als subtrahierende weitere
Wicklung 36 mit ihrem einen Ende fest und direkt galvanisch leitend mit dem Ende
der ersten Wicklung 9 verbunden, das direkt galvanisch leitend mit dem Ausgangsanschluß
5 der Stelleinheit 34 verbunden ist, während das andere Ende der subtrahierenden
weiteren Wicklung 36 mit Hilfe eines Schalters 38 mit der Leitung 10 verbunden bzw.
von dieser getrennt werden kann. Der Wicklungssinnder drei Wicklungen 9, 35 und
36, die über den Kern 12 magnetisch miteinander gekoppelt sind, ist durch die Punkte
19, 20 und 21 gekennzeichnet. Er ist so gewählt, daß sich die Spannung tU1, die
durch die addierende Wicklung 35 bei geschlossenem Schalter 37 in der ersten Wicklung
9 induziert wird, zur Eingangsspannung UE addiert, und daß sich die Spannung aU2,
die bei geschlossenem Schalter 38 von der subtrahierenden
Wicklung
36 in der ersten Wicklung 9 induziert wird, von der Eingangsspannung UE subtrahiert.
-
Parallel zu jeder der beiden weiteren Wicklungen 35, 36 ist ein Kurzschlußschalter
31, 32 angeordnet, der im geschlossenen Zustand die zugehörige weitere Wicklung
35 bzw. 36 kurzschließt. Die beiden Kurzschlußschalter 31, 32 werden über eine Leitung
33 gemeinsam so angesteuert, daß sie immer gleichzeitig geöffnet oder geschlossen
sind. Die Schalter 31, 32, 37 und 38 werden so angesteuert, daß entweder nur der
Schalter 37 oder nur der Schalter 38 oder nur die Schalter 31, 32 geschlossen sind.
Damit kann die Stelleinheit 34 in die gleichen drei Schaltzustände gebracht werden,
wie sie oben für die Stelleinheit 4 beschrieben wurden. Ebenso kann die Stelleinheit
34 durch Öffnen aller Schalter 31, 32, 37 und 38 in einen entsprechenden vierten
Schaltzustand gebracht werden, der nicht als "normaler" Betriebs zustand dient,
aber im Fall eines Lastkurzschlusses zur Begrenzung des Last-Kurzschlußstroms eingesetzt
werden kann.
-
Grundsätzlich würde es genügen, nur einen Kurzschlußschalter 31 oder
32 vorzusehen und zur Herstellung des dritten Schaltzustandes zu schließen. Schließt
man jedoch beide weiteren Wicklungen 35, 36 kurz, so fließt in jederder Wicklungen
35, 36 nur der halbe Kurzschlußstrom, was eine kleinere Dimensionierung ermöglicht.
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Ob dies den Nachteil eines zweiten Kurzschlußschalters aufwiegt, ist
eine im konkreten Einzelfall zu entscheidende Optimierungsfrage.
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Auf alle Fälle wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
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2 ein Schalter weniger benötigt als beim Ausführungsbeispiel in Fig.
1, wodurch der Nachteil einer zweiten weiteren Wicklung weitgehend ausgeglichen
wird.
-
Außerdem bietet die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform die Möglichkeit,
#U U1 inner halb gewisser Grenzen von L U2 unabhängig zu wählen, so daß hier also
die beiden Ausgangs spannungen U1 = UE + LU1 und UA2 E UE 2 nicht mehr notwendigerweise
symmetrisch zur Eingangsspannung UE liegen müssen.
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Auch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Schaltersteuerung
23 vorgesehen, die über die Leitungen 25, 26, 27 die Ansteuersignale für die Schalter
37, 38 und 31, 32 abgibt. Allerdings sind die Leitungen 25, 26, 27 nicht direkt
mit den Schaltern 37, 38, 31, 32 verbunden, sondern jeweils an einen Eingang eines
UND-Gatters 39, 40, 41 gelegt, dessen andere Eingänge von Sensoreinheiten 42 angesteuert
werden. Jede der Sensoreinheiten 42 besitzt zwei Eingangsanschlüsse, mit deren Hilfe
sie die über dem zugehörigen Schalter 37, 38 bzw. 31 abfallende Spannung abfragt.
Sinn dieser Sensoreinheiten 42 und der UND-Gatter 39, 40, 41 ist es, sicherzustellen,
daß jeder der beiden Schalter 37, 38 bzw. die beiden Schalter 31, 32 nur dann durch
ein entsprechendes Signal der Schaltersteuerung 23 geschlossen werden können, wenn
die jeweils anderen Schalter vorher geöffnet worden sind.
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Ist beispielsweise so, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, der Schalter
37 der Stelleinheit 34 geschlossen, so fällt über diesem Schalter 37 keine Spannung
ab. Daher erzeugt die zugehörige Sensoreinheit 42 an ihrem Ausgang ein logisches
O-Signal, das die UND-Gatter 40, 41 blockiert und verhindert, daß von der Schaltersteuerung
23 ein Schließ - Signal an die Schalter 38 und 31, 32 gelangen kann. Diese Schalter
können also erst geschlossen werden, wenn der Schalter 37 geöffnet worden ist, was
die Sensoreinheit 42 dadurch anzeigt, daß sie den UND-Gattern 40, 41 eine logische
1 zuführt. Gleiches gilt umgekehrt
natürlich auch für die Abfrage
des Schließzustandes der Schalter 38 bzw. 31, 32 durch die zugehörigen Sensoreinheiten
42 und eine entsprechende Blockierung bzw.
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Freigabe des UND-Gatters 39.
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Werden als Schalter 37, 38, 31, 32 Triacs verwendet, so können diese
natürlich durch die UND-Gatter 39, 40, 41 nicht unmittelbar angesteuert werden,
sondern es ist zwischen dem Ausgang dieser UND-Gatter und der Gate-Elektrode des
Triacs eine der üblichen Triac-Ansteuerschaltungen vorgesehen, die in Fig. 2 der
Deutlichkeit halber weggelassen ist. Die Sensorschaltungen 42 werden weiter unten
unter Bezugnahme auf die Fig. 3 noch genauer beschrieben.
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Soll vom ersten Schaltzustand der in Fig. 2 gezeigten Stelleinheit
34 in den zweiten oder vom zweiten Schaltzustand in den ersten übergegangen werden,
so muß der bisher geschlossene Schalter 37 oder 38 geöffnet und kurze Zeit später
der bisher geöffnete Schalter 38 oder 37 geschlossen werden. Dabei soll die Ausgangs
spannung UA der Stelleinheit 34 möglichst schnell und ohne das Auftreten von zusätzlichen
Spannungsspitzen oder Spannungseinbrüchen von dem alten zum neuen Amplitudenwert
übergehen. Um dies zu erreichen, ist es zweckmäßig, den bisher geschlossenen Schalter
37 oder 38 zu öffnen, wenn der die zugehörige Wicklung 35 oder 36 durchfließende
Strom einen Nulldurchgang aufweist. Verwendet man als Schalter 37 bzw. 38 einen
Triac, so ergibt sich dieses Öffnen des Schalters zum richtigen Zeitpunkt, d.h.
beim Nulldurchgang des Stromes automatisch dadurch, daß man nach der Selbstlöschung
des Triacs beim Strom-Nulldurchgang ein erneutes Zünden in der anderen Richtung
verhindert. Das Schließen eines bisher geöffneten Schalters 38 oder 37 erfolgt vorzugsweise
bei solchen Phasenwinkeln
des die Wicklung 9 durchsetzenden Magnetflusses,
bei denen die durch das Schließen des Schalters 38 bzw. 37 bewirkte Änderung dieses
Magnetflusses möglichst klein ist. Der Phasenwinkel des Magnetflusses, bei dem dieses
Kriterium erfüllt ist, hängt vom Laststrom ab, so daß sich für ihn kein exakter
Wert, sondern nur ein Bereich angeben läßt. Für den Schalter 37 liegt dieser Bereich
in der Umgebung des Nulldurchgangs des Magnetflusses, während er für den Schalter
38 in der Umgebung des Maximums des Absolutbetrags dieses Magnetflusses liegt.
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Zur Ermittlung der jeweils günstigsten Schließ-Zeitpunkte für den
Schalter 37 bzw. 38 besitzt der Transformator 8 eine vierte Wicklung, die als Sensor-Wicklung
43 dient.
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In dieser Sensorwicklung wird bei geöffneten Schaltern 37 und 38 eine
Spannung induziert, die eine von der Last unabhängige, konstante Phasenverschiebung
gegenüber dem Magnetfluß in der Wicklung 9 besitzt. Diese Phasenverschiebung ist
konstant gleich 900, so daß also der Schalter 37 immer im Bereich des Absolutbetrag-Maximums
dieser Spannung und der Schalter 38 im Bereich eines Nulldurchgangs dieser Spannung
geschlossen werden muß. Die hierfür erforderliche Information wird der Schaltersteuerung
23 von der Wicklung 43 über die Leitungen 44 zugeführt.
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Anhand von Fig. 3 wird im folgenden ein Beispiel für die in Fig. 2
nur schematisch dargestellten Sensoreinheiten 42 erläutert. Dabei sind in Fig. 3
nur die beiden Verbindungsleitungen zur Stelleinheit 34 wiedergegeben, die von oben
die am zugehörigen Schalter, beispielsweise am Schalter 37 abfallende Spannung zuführen,
sowie die Leitung, die nach unten das Ansteuersignal für die beiden UND-Gatter der
anderen Schalter, beispielsweise für die UND-Gatter 40, 41 der Schalter 38 und 31,
32 abgibt.
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Die über dem Schalter 37 im geöffneten Zustand abfallende Wechselspannung
wird mit Hilfe eines Gleichrichters 46 gleichgerichtet, dessen Gleichspannungsausgänge
über einen Widerstand 47 und eine Fotodiode 48 eines Optokopplers 49 miteinander
verbunden sind. Ein Fototransistor 50 des Optokopplers 49 ist einerseits über einen
Widerstand 51 mit einer Versorgungsspannung V und andererseits unmittelbar mit Masse
verbunden. Die zwischen dem Kollektor des Fototransistors 50 und dem Widerstand
51 gegenüber der Masse abgreifbare Spannung wird über eine Leitung 52 einem Inverter
53 zugeführt, dessen Ausgang mit der zu den UND-Gattern 40, 41 führenden Ausgangsleitung-
verbunden ist, die die Schließ-Signale, die über die Leitungen 26, 27 von der Schaltersteuerung
23 kommen, freigeben oder blockieren können.
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Ist der Schalter 37 geöffnet, so erzeugt der Gleichrichter 46 aus
der dann am Schalter 37 abfallenden Wechselspannung eine Gleichspannung, die die
Diode 48 des Optokopplers 49 zum Leuchten bringt. Das daraufhin vom Fototransistor
50 abgegebene 10w" "low"-Signal wird vom Inverter 53 in ein "high"-Signal invertiert,
das die UND-Gatter 40, 41 freigibt.
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Ist dagegen der Schalter 37 geschlossen, so fällt an ihm keine Wechselspannung
ab und der Gleichrichter 46 erzeugt keine Gleichspannung. Damit leuchtet die Diode
48 des Optokopplers nicht und der Fototransistor 50 gibt ein "high"-Signal ab, das
vom Inverter 53 in ein "low"-Signal zum Sperren der UND-Gatter 40, 41 invertert
wird.
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In Fig. 4 sind zwei Stelleinheiten 54, 54' dargestellt, die einen
identischen Aufbau besitzen, der sich vom Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Stelleinheit
34 lediglich darin unterscheidet, daß die beiden Kurzschlußschalter
31,
32 weggelassen sind. Als Folge hiervon entfällt auch das UND-Gatter 41 aus Fig.
2, das diese beiden Schalter 31, 32 ansteuert, sowie diejenige der drei Sensoreinheiten
42, die den Schaltzustand der Schalter 31, 32 abfragt. Die beiden verbleibenden
UND-Gatter 39, 40 benötigen dementsprechend nur zwei statt drei Signaleingänge.
Im übrigen ist der grundsätzliche Aufbau der Stelleinheiten 54, 54' gleich dem der
Stelleinheit 34 und es sind die einander entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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Die beiden Stelleinheiten 54, 54' sind miteinander in Reihe geschaltet,
d.h. die an den Ausgangsanschlüssen 5, 6 der Stelleinheit 54 erscheinende Ausgangsspannung
UA wird den Eingangsanschlüssen 2', 3' der Stelleinheit 54' unmittelbar als Eingangsspannung
UE, zugeführt.
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Da überdies den Eingangsanschlüssen 2, 3 der Stelleinheit 54 die von
der Spannungsquelle 1 abgegebene Versorgungsspannung UV als Eingangs spannung zugeführt
wird und die an den Ausgangsanschlüssen 5', 6' der Stelleinheit 54' abgegebene Ausgangsspannung
als Lastspannung UL an die Last 7 angelegt ist, liegen die beiden ersten Wicklungen
9, 9' der beiden Transformatoren 8, 8' von der Spannungsquelle 1 her gesehen mit
der Last 7 in Reihe.
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Die Tatsache, daß die beiden Stelleinheiten 54, 54' keine Kurzschlußschalter
besitzen, bedeutet, daß jede von ihnen nur in drei der oben definierten vier Schaltzustände
gebracht werden kann. Läßt man den nur- für den Notfall eines Lastkurzschlusses
in Frage kommenden vierten Schaltzustand, in dem die Schalter 37, 38, 37', 38' alle
geöffnet sind, beiseite, so bleiben für jede der beiden Stelleinheiten 54, 54' als
Betriebs-Schaltzustände nur die beiden ersten Schaltzustände, in die sie voneinander
unabhängig gebracht werden können.
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Dadurch ergeben sich für die in Fig. 4 dargestellte Transformatorschaltung
insgesamt vier verschiedene Schaltzustands-Korlbinationen.
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Wegen des Fehlens des jeweils dritten Schaltzustandes kann jede der
beiden Stelleinheiten 54, 54' die ihr zugeführte Eingangsspannung UE bzw. UE, nur
mit veränderter Amplitude, d.h. entweder mit einer additiv oder einer subtraktiv
aufgeprägten Spannungsänderung + #U1 oder - #U2 bzw. + #U1' oder - #U2' weitergeben.
Da die Windungsverhältnisse der weiteren Wicklungen 35, 36 und 35', 36' zur jeweils
zugehörigen ersten Wicklung 9, 9' prinzipiell voneinander unabhängig festgelegt
werden können, lassen sich insgesamt bei gegebener Versorgungsspannung UV vier verschiedene
Lastspannungen UL erzeugen.
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Vorzugsweise werden jedoch diese Windungsverhältnisse zur Bildung
eines Stelleinheiten-Paares so festgelegt, daß die prozentuale Erhöhung der Ausgangs
spannung UAP des Paares gegenüber der Eingangsspannung UEP des Paares, die sich
bei geschlossenen Schaltern 37, 37' ergibt, gleich der prozentualen Erniedrigung
der Ausgangsspannung UAp gegenüber der Eingangsspannung UEP ist, die sich bei geschlossenen
Schaltern 38, 38' ergibt, und daß die Ausgangsspannung UAp mit großer Genauigkeit
gleich der Eingangsspannung UEp ist, wenn die Schalter 37 und 38' geschlossen sind,
sich also die vordere, d.h. näher bei der Spannungsquelle 1 befindliche Stelleinheit
54 im ersten Schaltzustand und die hintere Stelleinheit 54'im zweiten Schaltzustand
befindet.
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Bei dieser speziellen Schaltzustands-Kombination heben sich also die
Wirkungen der beiden Stelleinheiten 54 und 54' gegenseitig in etwa auf, so daß an
der Last 7 die von der Spannungsquelle 1 abgegebene Wechselspannung
praktisch
unverändert anliegt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß diese unveränderte
Weitergabe der Eingangsspannung des Stelleinheiten-Paares an den Ausgang nahezu
verlustfrei erfolgt, so daß sich auch dann, wenn man mehrere solcher Stelleinheiten-Paare
hintereinander schaltet, ein Wirkungsgrad von mehr als 99% erzielen läßt.
-
Das Stelleinheiten-Paar besitzt also vier Schaltzustands-Kombinationen,
von denen drei den drei Schaltzuständen der oben beschriebenen einzelnen Stelleinheiten
4 bzw. 34 entsprechen: UAP1 = UEP + #U1 + #U1' UEP + Up UAP2 = UEP - #U2 - #U2'
= UEP - #UP UAP3 = UEP + #U1 - #U2' = UEp Die vierte Schaltzustands-Kombination
bleibt dabei ungenutzt. Hinsichtlich der Schaltmöglichkeiten ist die Funktion eines
solchen Stelleinheiten-Paares 54, 54' also praktisch gleich der Funktion einer einzelnen
Stelleinheit 4 bzw. 34.
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Ein Stelleinheiten-Paar bietet jedoch den Vorteil, daß bei gegebener
Größe der aufzuprägenden Spannung und damit der zu schaltenden Leistung jede der
beiden Stelleinheiten nur die Hälfte dieser Schaltleistung bewältigen
muß
und daher entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Man benötigt zwar einen
Transformator mehr, doch sind bei gleicher Schaltleistung die beiden Transformatoren
8, 8' des Stelleinheiten-Paares 54, -54' zusammen nur wenig größer und schwerer,
als der eine Transforma tor 8 einer Stelleinheit 4 bzw. 34. Eine einzelne Stellein
heit 54 oder 54' ist auf alle Fälle erheblich kleiner und leichter als eine Stelleinheit
4 oder 34, d.h. es ergeben sich kleinere und leichtere Untereinheiten, was bei Anordnungen,
bei denen eine Vielzahl von solchen Stelleinheiten bzw. Stelleinheiten-Paaren hintereinander
geschaltet wird, erhebliche konstruktive Vorteile bringt.
-
Auch der Transport gestaltet sich viel einfacher, wenn man eine solche
Anlage in mehrere jeweils kleinere und leichtere Untereinheiten zerlegen kann. Zwei
kleinere Einheiten bieten überdies den Vorteil, daß sie zu kleineren Verlusten führen
als eine einzelne Einheit mit gleicher Schaltleistung.
-
In Fig. 5 ist eine Transformatorschaltung dargestellt,! eindhasiger
die als/spannungskonstanter für die der Last 7 zugeführte Spannung UL dient. Dabei
wird davon ausgegangen, daß für die Amplitude der der Last 7 zugeführten Wechselspannung
ein Sollwert SL vorgegeben ist, der im folgenden gleich 100% gesetzt wird, und von
dem die tatsächlich an die Last 7 angelegte Spannung um maximal + % abweichen darf.
Weiterhin wird angenommen, daß die von der Wechselspannungsquelle 1 gelieferte Versorgungsspannung
UV in ihrer Amplitude um + % vom Nennwert Uvnenn abweichen kann. Dabei kann prinzipiell
der Sollwert der Lastspannung Ut gleich dem Nennwert UVnenn der Versorgungsspannung
Uv oder von diesem Nennwert verschieden sein. Es stellt einen besonderen Vorteil
der erfindungsgemäßen Transformatorschaltung dar, daß sie es ohne weiteres ermöglicht,
die Lastspannung Ut auch auf einen Sollwert SL, einzuregeln, der beispielsweise
an oder in der Nähe der Grenze des vorgesehenen Regelbereiches liegt. Dies ist allerdings
nur dann zweckmäßig, wenn Abweichungen der Versorgungsspannung nur
in
einer Richtung auftreten können. Wird die Versorgungsspannung z.B. mit Hilfe eines
Wechselrichters aus einer Batterie-Anordnung erzeugt, so ist diese Voraussetzung
ohne weiteres gegeben, da die Batterie-Gleichspannung und damit auch die Amplitude
der hieraus erzeugten Wechselspannung bei längerem Betrieb mit fortschreitender
Entladung der Batterie-Anordnung nur ababer nicht zunehmen kann.
-
Im folgenden wird jedoch der erste Fall (UVnenn SL) betrachtet und
angenommen, daß A » 8 zu ist, so daß eine Regelung der Amplitude der Versorgungsspannung
UV auf den Sollwert SL erforderlich ist.
-
Zu diesem Zweck ist zwischen der Spannungsquelle 1 und der Last 7
eine erfindungsgemäße Transformatorschaltung vorgesehen, die aus drei miteinander
in Reihe geschalteten Stufen 55, 56, 57 besteht, von denen jede entweder von einer
Stelleinheit 4 oder 34 gemäß Fig. 1 oder 2 oder von einem Stelleinheiten-Paar 54,
54' gemäß Fig. 4 gebildet sein kann, wie dies im folgenden noch genauer erläutert
wird. Die Steuerung der Stufen 55, 56, 57 erfolgt mit Hilfe einer Schaltersteuerung
23, die mit jeder Stufe 55, 56, 57 über ein Leitungspaar 61, 62 verbunden ist. Diese
Leitungspaare symbolisieren je nachdem, ob die Stufen 55, 56, 57 von einer Stelleinheit
4, einer Stelleinheit 34 oder einem Stelleinheiten-Paar 54, 54' gebildet werden,
die Leitungen 25, 26, 27 und 30 (5. Fig. 1), die Leitungen 25, 26, 27 und 44 (s.
Fig.
-
2) oder die Leitungen 26, 27, 44, 26', 27' und 44' (s. Fig. 4).
-
Über die Leitungen 61 gibt die Schaltersteuerung 23 die Schaltbefehle
an die Schalter der Stufen 55, 56, 57 ab und erhält über die Leitungen 62 die von
den Sensorwicklungen 43 erzeugte Information über die Phasenlage
des
Magnetflussesiin den ersten Wicklungen 9 der Transformatoren 8 und damit über die
günstigen Schließ-Zeitpunkte bzw. -Zeiträume für die Schalter. Weiterhin ist ein
erster Komparator 63 vorgesehen, der an einem seiner beiden Eingänge eine Referenzspannung
Urefl erhält, die den Sollwert SL für die Lastspannung UL darstellt. Dem anderen
seiner beiden Eingänge wird das Ausgangssignal eines ersten Meßfühlers 64 zugeführt,
der die Lastspannung UL mißt. Über die Leitung 65 gibt der Komparator 63 ein Differenzsignal
an die Schaltersteuerung 23, das anzeigt, ob und wie weit die Lastspannung UL vom
Sollwert SL abweicht. Bevor diese Abweichung aus dem zulässigen Bereich + z % herausläuft,
ändert die Schaltersteuerung 23 die Schaltzustände der Stufen 55, 56, 57, die daraufhin
der Versorgungsspannung UV eine neue Amplitudenänderung aufprägen und somit die
Lastspannung UL innerhalb des zulässigen Regelbereichs t g % halten. Darüber hinaus
ist ein zweiter Komparator 66 vorgesehen, der eine dem Nennwert UVnenn der Versorgungsspannung
UV entsprechende Referenzspannung Uref2 mit dem Ausgangssignal eines zweiten Meßfühlers
67 vergleicht, der eben diese Versorgungsspannung Uv mißt.
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Das vom zweiten Komparator 66 abgegebene Differenzsignal wird über
die Leitung 68 ebenfalls der Schaltersteuerung 23 zugeführt, die somit nicht nur
im Regelmodus, sondern auch im Steuerungsmodus oder in einer Kombination aus beiden
arbeiten kann. Dies bietet den Vorteil, daß bei einem Kurzschluß auf der Lastseite,
d.h. bei UL = 0, die Schaltersteuerung aus der Tatsache, daß Uv nach wie vor von
Null verschieden ist, den Störfall erkennen kann und nicht versucht, die Lastspannung
UL hochzuregeln; statt dessen kann sie die Stelleinheiten aller Stufen in den oben
definierten vierten Schaltzustand bringen, in dem die ersten Wicklungen 9 aller
Transformatoren 8 eine starke Drosselwirkung ausüben und somit den Last-Kurzschlußstrom
begrenzen.
Zur Verarbeitung der über die Leitungen 62, 68 und 65 eingehenden Information und
zur Umsetzung dieser Information in entsprechende Schaltbefehle umfaßt die Schaltersteuerung
23 vorzugsweise einen Mikroprozessor.
-
Wie bereits erwähnt, sind die Stufen 55, 56, 57 so aufgebaut, daß
jede Stufe die ihr zugeführte Eingangsspannung in einem ersten Schaltzustand bzw.
in einer ersten Schaltzustands-Kombination um einen vorgegebenen Prozentsatz erhöht,
in einem zweiten Schaltzustand bzw. in einer zweiten Schaltzustands-Kombination
in etwa um den gleichen Prozenzsatz erniedrigt und in einem dritten Schaltzustand
bzw. in einer dritten Schaltzustands-Kombination in etwa unverändert weitergibt.
In diesem Sinn werden im folgenden immer dann, wenn nicht ausdrücklich von Stelleinheiten-Paaren
die Rede ist, Schaltzustands-Kombinationen auch vereinfacht als erster, zweiter
bzw.
-
dritter Schaltzustand bezeichnet.
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Die vorgegebenen Prozentsätze, um die die einzelnen Stufen die jeweils
zugeführte Eingangs spannung ändern können, sind von Stufe zu Stufe verschieden
und stehen vorzugsweise zueinander in etwa im Verhältnis von ganzzahligen Dreierpotenzen.
So kann bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die letzte Stufe 57, die
der Last 7 am nächsten liegt,die ihr zugeführte Eingangsspannung beispielsweise
um + A% verändern oder nahezu unverändert weitergeben. Die mittlere Stufe 56 kann
die ihr zugeführte Eingangsspannung um ca. + 3A% ändern oder nahezu unverändert
weitergeben und die vorderste, der Spannungsquelle 1 am nächsten liegende Stufe
55 kann die ihr zugeführte Eingangsspannung um ca. + 9A% ändern oder nahezu unverändert
weitergeben.
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Tabelle 3 Schaltzustands-Kombination 1 2 3 beide addierende beide
subtrahierende "vordere" addierende und Wicklungen ein Wicklungen ein "hintere"
subtrahierende Wicklung ein Stelleinheit 54 addierende + 4,5% Wicklung 1. Stufe
55 subtrahierende - 4,9% Wicklung Stelleinheit 54' addierende + 4,4% + 9,1% - 8,9%
+ 0,1% Wicklung subtrahierende - 4,2% Wicklung Stelleinheit 54 addierende + 1,5%
Wicklung 2. Stufe 56 subtrahierende - 1,55% Wicklung + 3,02% - 2,98% + 0,03% Stelleinheit
54' addierende + 1,5% Wicklung subtrahierende - 1,45% Wicklung Stelleinheit 54 addierende
+ 0,5% Wicklung 3. Stufe 57 subtrahierende - 0,5% Wicklung + 1,0% - 1,0% + 0,0%
Stelleinheit 54' addierende + 0,5% Wicklung subtrahierende - 0,5% Wicklung
Für
ein Ausführungsbeispiel, bei dem jede Stufe 55, 56, 57 von einem Stelleinheiten-Paar
54, 54' gebildet wird, ist dies in Tabelle 3 nochmals genauer für den Fall dargestellt,
daß + A% w + 1% gewählt wird, so daß sich für das Stelleinheiten-Paar der mittleren
Stufe 56 eine mögliche Amplitudenänderung von ca. + 3% der diesem Paar zugeführten
Eingangsspannung und für das Stelleinheiten-Paar der vordersten Stufe 55 eine mögliche
Amplitudenänderung von ca. t 9% ergibt.
-
Wie man der Tabelle 3 entnimmt, ist es zweckmäßig, zur Erzielung einer
möglichst symmetrischen Änderung der jeweiligen Eingangsspannung eines Stelleinheiten-Paares
die durch die einzelnen weiteren Wicklungen erzielbaren prozentualen Spannungsänderungen
zumindest teilweise unterschiedlich zu wählen.
-
So gilt für das Paar der vordersten Stufe 55, daß die addierende Wicklung
der Stelleinheit 54 eine Änderung von + 4,5% zu bewirken vermag, während die subtrahierende
Wicklung eine Änderung von - 4,9% bewirken kann, und die addierende bzw. subtrahierende
Wicklung der Stelleinheit 54' eine Änderung von + 4,4% bzw. - 4,2% auf die Eingangsspannung
dieser hinteren Stelleinheit 54' der Stufe 55 aufprägen können.
-
Diese Prozentwerte sind durch eine entsprechende Wahl der Windungsverhältnisse
so gewählt, daß sich für die drei verwendeten Schaltzustände der ersten Stufe die
in Tabelle 3 rechts wiedergegebenen Gesamtänderungen ergeben, die + 9,1%, - 8,9%
und + 0,1% betragen. Diese drei Werte sind mit 0,1% höher gewählt als die angestrebten
+ 9%, - 9% und 0%. Hierdurch wird der Spannungsabfall ausgeglichen, der sich beim
Fließen des Laststromes aufgrund der verbleibenden Drosselwirkung an den betreffenden
ersten Windungen dieser beiden Stelleinheiten
54, 54' ergibt.
-
Entsprechendes gilt auch für die Stufe 56, mit um ca.
-
0,02% bis 0,03% höheren Werten, wie man der Tabelle 3 ohne weiteres
entnehmen kann.
-
In Tabelle 4 sind, ähnlich wie in Tabelle 2 links nochmals die siebenundzwanzig
Schaltzustands-Kombinationen aufgelistet, die sich mit einer drei Stelleinheiten-Paare
umfassenden Transformatorschaltung gemäß Fig. 5 erzielen lassen, wenn für jedes
Stelleinheiten-Paar nur drei Schaltzustands-Kombinationen benützt werden. Daneben
ist in Tabelle 4 für jede Stelleinheit 54, 54' der drei Stelleinheiten-Paare wiedergegeben,
ob die addierende oder die subtrahierende Wicklung an die zugehörige Eingangs- bzw.
Ausgangsspannung angeschlossen ist. Eine "1" bedeutet, daß die betreffende weitere
Wicklung an die zugehörige Spannung angeschlossen ist, während eine "O" anzeigt,
daß die Wicklung durch Öffnen des betreffenden Schalters 37, 37' bzw. 38, 38' von
der Leitung 10 (s. Fig. 4) getrennt und damit nicht an die Eingangs- bzw. Ausgangsspannung
angeschlossen ist. Die Zahlenkombination 1001 für ein Stelleinheiten-Paar bedeutet
somit, daß in der vorderen, d.h. näher an der Spannungsquelle 1 liegenden Stelleinheit
die addierende Wicklung eingeschaltet und die subtrahierende Wicklung ausgeschaltet
ist, während bei der hinteren, näher bei der Last 7 angeordneten Stelleinheit die
addierende Wicklung ausgeschaltet und die subtrahierende Wicklung eingeschaltet
ist. Ein so gekennzeichnetes Stelleinheiten-Paar befindet sich also in der oben
definierten dritten Schaltzustands-Kombination, in der sich die Wirkungen der vorderen
und der hinteren Stelleinheit praktisch gegenseitig aufheben, so daß am Ausgang
des Stelleinheiten-Paares die Eingangs spannung mit nahezu unveränderter Amplitude
erscheint.
-
Tabelle 4
Änderung + 9% + 3% + 1% |
Stelleinheit 54 54' 54 54' 54 | 54' UL |
@ |
Wicklung + - + - + - + - + - + - UV |
Kombination |
n - 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1,0014 |
n = 1+ 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1,0114 |
n = 2+ 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1,0210 |
n = 3+ 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1,0313 |
n = 4+ 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1,0416 |
n = 5 5+ 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1,0479 |
n = 6+ 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1,0585 |
n = 7+ 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1,0691 |
n = 8+ 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1,0804 |
n = 9+ 1 0 11 ° 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1,0913 |
n = 10+ 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1,1022 |
n = 11+ 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1,1127 |
n = 12+ 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1,1239 |
n = 13+ 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1,1352 |
n = 1- 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0,9914 |
n = 2- 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0,9810 |
n = 3- 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0,9713 |
n = 4- 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,9616 |
n = 5- 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0,9480 |
n = 6- 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0,9386 |
n = 7- 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0,9292 |
n = 8- 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0,9204 |
n = 9- 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0,9113 |
n = 10- 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0,9022 |
n = 11- 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0,8928 |
n = 12- 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0,8839 |
n = 13- 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,8751 |
Bei der Kombination n = 0 befinden sich alle drei Stelleinheiten-Paare
in dem eben geschilderten Zustand und man entnimmt der ganz rechten Spalte der Tabelle
4, daß das Verhältnis von Lastspannung UL zur Versorgungsspannung UV in diesem Fall
gleich 1,0014 also praktisch gleich 1 ist.
-
Demgegenüber befinden sich z.B. bei n = 13+ alle drei Stelleinheiten-Paare
in einem Zustand, in dem in beiden Stelleinheiten die addisende Wicklung eingeschaltet
ist (erste Schaltzustands-Kombination gekennzeichnet durch 1010). Der rechten Spalte
entnimmt man, daß hier die Lastspannung UL um 13,52% größer als die Versorgungsspannung
UV ist.
-
Die Schaltersteuerung 23 wählt diese Kombination dann, wenn die Versorgungsspannung
Uv gegenüber dem Sollwert stark abgefallen ist.
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Nimmt man an, daß die Abweichung + b der Lastspannung vom Sollwert
S, der hier gleich 100% gesetzt wird, maximal + 0,5% betragen darf, so kann die
Versorgungsspannung Uv auf 87,65% dieses Sollwerts abfallen, weil die erfindungsgemäße
Transformatorschaltung diese abgesunkene Versorgungsspannung UV um 13,52% (bezogen
auf UV = 100%) anheben kann; der sich ergebende Wert für die Lastspannung von UL
= UV . 1,1352 = = 87,65 . 1,1352% = = 99,5% (bezogen auf den Sollwert) liegt an
der unteren Grenze von 99,5% (bezogen auf den Sollwert) und somit innerhalb des
zulässigen Bereichs.
-
Für die Schaltzustands-Kombination n = 13 gilt entsprechend, daß hier
die Versorgungsspannung Uv auf 114,84% des Sollwerts angestiegen sein kann, ohne
daß die Lastspannung UL = UV . 0,8751 = = 114,84 . 0,8751 = = 100,496% (bezogen
auf den Sollwert) die obere Grenze 100,5% des zulässigen Bereichs übersteigt.
-
Entsprechendes läßt sich für alle übrigen Schaltzustands-Kombinationen
n erreichen. Dabei wird vorzugsweise immer bei solchen Werten der Versorgungsspannung
Uv von einer Schaltzustands-Kombination zur nächsten übergegangen, bei denen die
Amplitude der Lastspannung ULvor vor dem Schalten und die Amplitude der Lastspannung
ULnach nach dem Schalten zum Sollwert SLin etwa symmetrisch liegen Z siehe obige
Gleichung (14) 7. Aus den obigen Werten ergibt sich, daß bei diesem Ausführungsbeispiel
Schwankungen der Versorgungsspannung UV von + # = + 14,84% (bezogen auf den Sollwert
S = 100%) bis - = - 13,35% (ebenfalls bezogen auf S = 100%) so kompensiert werden
können, daß die Lastspannung UL nur innerhalb eines Bereiches von S + 0,5% schwankt.
-
Entsprechendes -jedoch eingeschränkt- gilt auch, wenn die Stufen 55,56,57
nicht von Stelleinheiten-Paaren 54,54' sondern von einzelnen Stelleinheiten 4 bzw.
34 gebildet werden.
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Soll ein größerer Schwankungsbereich # #% erfaßt werden, muß entweder
die minimale Amplitudenänderung A vergrößert werden, was auf Kosten der Regelgenauigkeit
6 geht, oder es muß die Anzahl der Stufen vergrößert werden. Dabei kann es zweckmäßig
sein, eine Stufe hinzuzufügen, deren
Änderungsbereich nicht gleich
der nächsten ganzzahligen Dreierpotenz von A, hier also nicht gleich + 27A ist,
sondern nur ein ganzzahliges Vielfaches kleiner 27 von A beträgt, das so groß ist,
daß dann, wenn alle vier Stufen in derselben Richtung, d.h. alle additiv oder alle
subtraktiv wirken, der geforderte Schwankungsbereich + t gerade überdeckt werden
kann.
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Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
wie sie zur Steuerung der von einem Drei-Phasen-Netz abgegebenen Spannung Verwendung
finden kann.
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Wie man der Fig. 6 entnimmt, ist für jeden der drei Phasen leiter
R, S und T eine erfindungsgemäße Transformatorschaltung 75, 76, 77 vorgesehen, die
jeweils in gleicher Weise aufgebaut ist, wie die Transformatorschaltung in Fig.
5. Es besteht also jede dieser drei Transformatorschaltungen 75, 76, 77 aus drei
in Reihe geschalteten Stufen 55, 56, 57, von denen hier jede aus einem Stelleinheiten-Paar
54, 54' besteht und vier verschiedene Schaltzustände annehmen kann. Somit können
der Wechselspannung auf jedem der drei Phasenleiter R, S und T Änderungsbeträge
aufgeprägt werden, die zueinander im Verhältnis 1 : 3 : 9 stehen, oder es kann die
Eingangswechselspannung unverändert weitergegeben werden oder es kann der Laststrom
gedrosselt werden.
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Um die Stufen der Transformatorschaltungen 75, 76, 77 in der erforderlichen
Weise in die drei verschiedenen Schaltzustände bringen zu können, ist jede der Transformatorschaltungen
75, 76, 77 nicht nur mit ihrem zugehörigen Phasenleiter R, S bzw. T, sondern auch
mit dem Null-Leiter N verbunden. Als Spannungsquelle dient hier ein Drei-Phasen-Netz
80.
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Die auf den einzelnen Phasenleitern R, S, T vom Netz 80 gelieferten
Spannungsamplituden werden mit Hilfe einer Meßfühleranordnung 81 ständig gemessen,
die die drei MeC-signale einer Komparatoranordnung 82 zuführt. Dort werden die Meßsignale
mit einem'gemeinsamen Referenzwert Uref verglichen. Alternativ kann auch für jeden
Phasenleiter R, S und T ein eigener Referenzwert vorgegeben werden.
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Der Komparator 82 erzeugt für jeden der drei Phasenleiter R, S, T
ein eigenes Differenzsignal, das einer Schaltersteuerung 83 zugeführt wird. Diese
steuert über die Leitungsgruppen 85, 86, 87, die Schalter der Stufen 55, 56, 57
in jeder der Transformatorschaltungen 75, 76, 77 in der Weise, wie dies oben ausführlich
erläutert wurde. Selbstverständlich ist auch hier jede Stelleinheit über mehrere
Leitungen mit der Schaltersteuerung 83 verbunden, wie dies in den Fig. 1, 2 und
3 dargestellt ist. Der Einfachheit halber wurden in Fig. 6 diese Leitungen jedoch
nur als eine einzige bidirektionale Leitung dargestellt.
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Den Ausgang einer jeden Transformatorschaltung 75, 76, 77 bildet ein
Phasenleiter RK, SK bzw. TK, wobei der Buchstabe K andeutet, daß auf diesen Phasenleitern
eine Wechselspannung mit konstant gehaltener Amplitude zur Verfügung steht. Diese
Spannungen können entweder gemeinsam einer einzigen, einen Drei-Phasen-Strom benötigenden
Last oder verschiedenen Lasten zugeführt werden, die jeweils nur mit einem 1-phasigen
Wechselstrom betrieben werden müssen.
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Alternativ kann auch bei einem Mehrphasensystem die Meßfühleranordnung
81 so ausgebildet sein, daß sie die auf den Phasenleitern RK, SK, TK der oder den
Lasten zugeführten Wechselspannungen mißt.
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Bei größeren Anforderungen an die Regelgenauigkeit oder bei noch größeren
Regelbereichen können auch bei den Transformatorschaltungen 75, 76, 77 mehr als
drei Stufen vorgesehen werden. Analog zu Fig. 6 kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auch bei Mehrphasen-Systemen eingesetzt werden, die weniger oder mehr als drei Phasen
umfassen.
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In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Transformatorschaltung dargestellt, die nur eine einzige Stelleinheit 94 umfaßt.
Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch hier den Eingangsanschlüssen
2, 3 der Stelleinheit 94 als Eingangsspannung UE eine Versorgungsspannung UV zugeführt,
die von einer Spannungsquelle 1 stammt.
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An den Ausgangsanschlüssen 5, 6 erscheint eine Ausgangsspannung UA,
die einer Last 7 als Lastspannung UL zug-eführt wird. Weiterhin umfaßt die Stelleinheit
94 einen Transformator 8, dessen erste Wicklung 9 zwischen den Eingangsanschluß
2 und den Ausgangsanschluß 5 geschaltet ist, während der andere Eingangsanschluß
3 mit dem zweiten Ausgangsanschluß 6 vermittels der Leitung 10 direkt galvanisch
leitend verbunden ist. Auch besitzt der Transformator 8 eine weitere Wicklung 11,
die über den Eisenkern 12 des Transformators 8 mit der ersten Wicklung 9 magnetisch
gekoppelt ist.
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Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 kann aber die Stelleinheit
94 des vorliegenden Ausführungsbeispiels nicht nur in vier sondern in vierunddreißig
verschiedene Schaltzustände gebracht werden, so daß es möglich ist, insgesamt zweiunddreißig
verschiedene Amplituden-Differenzen zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangs
spannung UA der einen Stelleinheit 94 zu erzeugen, die Eingangsspannung UE unverändert
an den Ausgangsanschlüssen 5, 6 zur Verfügung zu stellen
bzw. im
Fall eines Kurzschlusses an der Last den Laststrom zu drosseln.
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Diese große Variationsmöglichkeit erlaubt es, die in Fig. 7 dargestellte
Transformatorschaltung ähnlich wie die Transformatorschaltungen in den Fig. 5 und
6 als Spannungsregler und/oder Spannungskonstanter einzusetzen.
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In Fig. 7 ist der Verwendungsfall als Spannungsregler dargestellt,
bei dem wiederum einer Meßfühleranordnung 64 über Leitungen 95, 96 die Ausgangsspannung
UA der Stelleinheit 94, die hier gleich der Lastspannung UL ist, zugeführt wird.
Der Meßfühler 64 gibt ein Meßsignal an einen Komparator 63 weiter, der dieses Meßsignal
mit einer Referenzspannung Uref vergleicht, die dem Sollwert SL der Lastspannung
UL entspricht. Über die Leitung 65 gibt der Komparator 63 ein den Unterschied zwischen
dem Meßsignal und der Referenzspannung Uref darstellendes Differenzsignal an eine
Schaltersteuerung 23 weiter, die über Leitungen 97 eine aus vierzehn Schaltern bestehende
Schaltergruppe 98 ansteuert, um die Stelleinheit 94 in die verschiedenen Schaltzustände
zu bringen, wie dies im folgenden noch genauer erläutert wird.
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Um neben den beiden Schaltzuständen, in denen die weitere Wicklung
11 entweder kurzgeschlossen oder völlig offen ist, die Stelleinheit 94 in zweiunddreißig
weitere Schaltzustände bringen zu können, müssen an die weitere Wicklung 11 zweiunddreißig
Steuerspannungen Usl bis U532 angelegt werden, die gemäß der Erfindung mit Hilfe
einer einzigen Wechselspannungsquelle 100 erzeugt werden.
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Die Wechselspannungsquelle 100 wird von einer Zusatztransformator-Anordnung
101 gebildet, die im vorliegenden
Fall aus sechs elektrisch miteinander
in Reihe geschalteten Wicklungsabschnitten 104 bis 109 besteht, die über einen gemeinsamen
Transformatorkern 111 magnetisch miteinander gekoppelt sind.
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Das eine Ende der aus den Wicklungsabschnitten 104 bis 109 bestehenden
Serienschaltung ist galvanisch direkt leitend mit dem einen Pol der Wechselspannungsquelle
1 verbunden, an den auch der Eingangsanschluß 3 der Stelleinheit 94 angeschlossen
ist, der über die Leitung 10 galvanisch direkt leitend mit dem Ausgangsanschluß
6 der Stelleinheit 94 verbunden ist. Das andere Ende der aus den Wicklungsabschnitten
104 bis 109 bestehenden Serienschaltung ist über eine Leitung 114 mit dem zweiten
Ausgangsanschluß 5 der Stelleinheit 94 verbunden. Somit liegt an der Serienschaltung
der Wicklungsabschnitte 104 bis 109 die Ausgangsspannung UA der Stelleinheit 94
an.
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Die Serienschaltung der Wicklungsabschnitte 104 bis 109 weist sieben
Abgriffe 121 bis 127 auf, von denen die Abgriffe 121 und 127 mit den beiden äußeren
Enden der Serienschaltung verbunden sind, während die Abgriffe 122 bis 126 jeweils
zwischen zwei einander benachbarten Wicklungsabschnitten herausgeführt sind.
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Jeder der Abgriffe 121 bis 127 ist mit einem Paar von Ein/Aus-Schaltern
aus der Schaltergruppe 98 verbunden.
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Der eine Schalter eines jeden Schalterpaares verbindet im geschlossenen
Zustand den zugehörigen Abgriff mit einer Leitung 129, die mit dem in Fig. 7 unteren
Ende der weiteren Wicklung 11 verbunden ist. Der andere Schalter eines jeden Paares
verbindet im geschlossenen Zustand den zugehörigen Abgriff mit einer Leitung 130,
die mit dem anderen Ende der weiteren Wicklung 11 in
Verbindung
steht. Sämtliche Schalter der Schaltergruppe 98 werden, wie bereits erwähnt, über
die Leitungen 97 von der Schaltersteuerung 23 so angesteuert, daß an der weiteren
Wicklung 11 immer die gerade erforderliche Steuerspannung U51 bis U532 anliegt,
oder daß die beiden Schalter eines beliebigen Paares gleichzeitig geschlossen sind,
um die weitere Wicklung 11 kurzzuschließen, oder daß alle Schalter 98 geöffnet sind,
um den Laststrom zu drosseln.
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Für eine symmetrische Regelung der Lastspannung UL um den Sollwert
SL kann die Stelleinheit in zweiunddreißig verschiedene Schaltzustände gebracht
werden, von denen sechzehn zur additiven Aufprägung der jeweils induzierten Spannungen
dU1 bis ÄU31 und sechzehn zur negativen Aufprägung der jeweils induzierten Spannung
a U2 bis dU32 vorgesehen sind. Dabei ist die Amplitude einer jeden positiv aufgeprägten
Spannung gleich der Amplitude einer entsprechend negativ aufgeprägten Spannung.
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Da sich das Vorzeichen der Aufprägung aus dem Wicklungssinn ergibt,
mit dem die weitere Wicklung 11 an eine Steuerspannung angeschlossen wird, sind
also nur sechzehn Steuerspannungen U51 bis Uns16 mit verschiedenen Amplituden erforderlich,
da die weitere Wicklung 11 mit Hilfe der Schalter 98 mit zwei verschiedenen Richtungen
des Wicklungssinns an die verschiedenen Abgriffe 121 bis 127 gelegt werden kann.
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Um die sechzehn unterschiedlichen Steuerspannungsamplituden abgreifen
zu können, sind die Windungszahlen der Wicklungsabschnitte 104 bis 109 gemäß einem
Kode aufeinander abgestimmt, der so optimiert ist, daß einerseits eine möglichst
kleine Anzahl von Wicklungsabschnitten 104 bis 109 und damit auch von Abgriffen
121 bis 127 und Schaltern 98 benötigt wird, und daß
andererseits
die maximale benötigte Steuerspannung Usmax zwischen den am weitesten auseinander
liegenden Abgriffen 121 uns 127 abgegriffen werden kann.
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Gemäß diesem optimierten Kode besitzt der Wicklungsabschnitt 109 eine
solche Windungszahl, daß dann, wenn an der Serienschaltung aller Wicklungsabschnitte
104 bis 109 die Ausgangsspannung UA der Stelleinheit 94 anliegt, von diesem Wicklungsabschnitt
109 eine Abgriffsspannung 1 . Uxmin abgreifbar ist, die der kleinsten benötigten
Steuerspannung USmin entspricht.
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Durch gleichzeitiges Schließen des in Fig. 7 oberen Schalters des
Schalterpaares 130 und des unteren Schalters des Schalterpaares 131 kann also an
die weitere Wicklung 11 die kleinste benötigte Steuerspannung in so angelegt werden,
daß die hierdurch in der ersten Wicklung 9 des Transformators 8 induzierte Spannung
a Umin auf die Eingangsspannung UE subtraktiv aufgeprägt wird. Werden statt dessen
der in Fig. 7 untere Schalter des Paares 130 und der obere Schalter des Paares 131
gleichzeitig geschlossen, so liegt an der weiteren Wicklung 11 dieselbe kleinste
Steuerspannung USmin an, doch ist der Wicklungssinn der weiteren Wicklung 11 gegenüber
dem vorausgehenden Fall invertiert, so daß nunmehr die induzierte Spannung a Umin
auf die Eingangsspannung UE additiv aufgeprägt wird. Entsprechendes gilt auch für
die zwischen beliebigen anderen Abgriffen 121 bis 127 abgreifbaren Steuerspannungen.
-
Gemäß dem optimierten Kode sind die Windungszahlen der übrigen Wicklungsabschnitte
104 bis 108 so gewählt, daß zwischen benachbarten Abgriffen 121 bis 126 jeweils
folgende Abgriffsspannungen zur Verfügung stehen:
Tabelle 5 Abgriffspaar
UX 121, 122 2 . UXmin 122, 123 1 . UXmin 123, 124 4 # UXmin 124, 125 6 . UXmin 125,
126 2 # UXmin Zusammen mit der Spannung 1 . UXmin am Abgriffspaar 126, 127 ergibt
dies die Möglichkeit, alle Steuerspannungsamplituden von 1 . USmin bis 16 . USmin
entweder direkt an unmittelbar benachbarten Abgriffen oder zwischen weiter auseinanderliegenden
Abgriffen abzugreifen, wie dies in der folgenden Tabelle 6 dargestellt ist: Tabelle
6 Steuerspannung Abgriffe 1 . USmin 126, 127 2 . " 125, 126 3 . " 125, 127 4 . "
123, 124 5 . " 122, 124 6 . " 124, 125 7 . " 121, 124 8 . " 124, 126 9 . " 124,
127 10 . " 123, 125 11 . " 122, 125 12 . " 123, 126 13 . " 123, 127 14 . " 122,
127 15 # " 121, 126 16 . " 121, 127
Man sieht, daß auch hier der
optimierte Kode sich dadurch auszeichnet, daß an dem einen am Ende der Serienschaltung
liegenden Wicklungsabschnitt 109 das 1-fache der minimalen Abgriffsspannung Uxmin
und an dem am anderen Ende liegenden Wicklungsabschnitt 104 das 2-fache von UXmin
abgreifbar ist.
-
Um entsprechende Verhältnisse wie bei dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel zu erhalten, kann bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel
vorgesehen sein, daß die Leitung 114 im Punkt 140 nicht fest mit der Leitung 95
verbunden ist. Statt dessen können hier zwei im Gegentakt betätigbare Schalter angeordnet
werden, mit deren Hilfe das von der Serienschaltung der Wicklungen 104 bis 109 entfernt
liegende Ende der Leitung 114 über entsprechende Leitungen entweder mit der vom
Ausgangsanschluß 5 zur Last 7 führenden Leitung oder mit der von der Spannungsquelle
1 zum Eingangsanschluß 2 führenden Leitung verbunden werden kann. Diese Schalter
werden dann ebenfalls von der Schaltersteuerung 23 angesteuert, um an die Serienschaltung
der Wicklungen 104 bis 109 entweder die Eingangsspannung UE oder die Ausgangsspannung
UA der Stelleinheit 94 anzulegen. Ersteres findet vorzugsweise dann statt, wenn
durch eine entsprechende an die weitere Wicklung 11 angelegte Steuerspannung Usl,
. . . ,U531 in der ersten Wicklung 9 eine Spannung U1, ... zu zu , # U31 induziert
werden soll, die sich auf die Eingangsspannung UE additiv aufprägt.
-
An die Ausgangsspannung UA wird die Leitung 114 dagegen vorzugsweise
dann angeschlossen, wenn in der ersten Wicklung 9 eine Spannung #U2, ..., #U32 induziert
werden soll, die sich auf die Eingangsspannung UE subtraktiv aufprägt.