DE3744436C2

DE3744436C2 -

Info

Publication number: DE3744436C2
Application number: DE19873744436
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 8618 Strullendorf De Sommer; Gerhard Dipl.-Ing. Fuchs (Fh), 8603 Unterpreppach, De
Original assignee: MWB Messwandler Bau AG
Current assignee: Trench Germany GmbH
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1990-08-02
Also published as: DE3744436A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stelltransformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a variable transformer according to the Preamble of claim 1.

Ein derartiger Stelltransformator ist aus dem Buch von G. Seifert, "Stelltransformatoren", Seiten 131 bis 137 bekannt. Insbesondere den Seiten 131 bis 133 dieser Vorveröffentlichung ist ein als Thoma-Regler bekannter Stelltransformator zu entnehmen, bei dem das eine Ende der Stellwicklung mit einem Schleifring verbunden ist, der von einem weiteren Stromabnehmer kontaktiert ist. Das Joch des als Dreischenkelkern ausgebildeten Magnetkerns besitzt einen zum Mittelschenkel koaxialen Luftspalt, durch den der verlängerte Hartpapierzylinder der Stellwicklung hindurchragt. Der Stelltransformator ist also an eine bestimmte Ausbildung des Magnetkerns gebunden, der folgende Nachteile aufweist:Such a variable transformer is from the book by G. Seifert, "Variable Transformers", pages 131 to 137 known. In particular pages 131 to 133 of this prior publication is a variable transformer known as a Thoma regulator in which one end of the Actuating winding is connected to a slip ring which is contacted by another pantograph. The Yoke of the magnetic core designed as a three-legged core has an air gap coaxial to the middle leg, through which the extended hard paper cylinder of the actuating winding protrudes through. The variable transformer is therefore on a certain formation of the magnetic core bound, the has the following disadvantages:

- complicated and therefore expensive core;
- Magnetic forces and noise generation with asymmetries of the Air gap;
- despite the use of pole shoes, d. H. despite enlargement of the iron cross section near the Air gap, this section of the magnetic circuit points such a large magnetic resistance that the Use of highly permeable core materials for the entire Magnetic core not worth it;
- Because of the required air gap, the core is called Jacket type executed. This has the consequence that at Three-phase three-phase transformers used Need to become.

Aus der DE-PS 6 47 630 ist außerdem bereits ein Stelltransformator mit einem um den Kernschenkel herumgeführten Stromableitungsring bekannt, der den Hauptfluß des Magnetkreises im Kern umfaßt.From DE-PS 6 47 630 is also already a variable transformer with one led around the core leg Current dissipation ring known, which comprises the main flux of the magnetic circuit in the core.

Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Stelltransformator der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß kein besonderer Magnetkern mit Luftspalt erforderlich ist und daß trotzdem die Eigenschaften des als Thoma-Regler bekannten Stelltransformators zumindest annähernd erhalten bleiben.The object of the present invention is to be achieved are, a variable transformer of the aforementioned Type in such a way that no special magnetic core with Air gap is required and that nevertheless the properties of the variable transformer known as the Thoma regulator at least approximately preserved.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.This task is solved by the in the characteristic part of the Claim 1 specified features.

Durch die Verwendung des Kurzschlußringes kann der Luftspalt und der außerhalb des Magnetkreises angeordnete Schleifring entfallen. Der Kurzschlußring besitzt dabei eine durch den ringförmigen Magnetkern erhöhte Induktivität, so daß die Verluste niedrig gehalten werden.By using the short-circuit ring, the air gap and the one located outside the magnetic circuit No slip ring. The short-circuit ring has an inductance increased by the ring-shaped magnetic core, so that the losses are kept low.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.Further embodiments of the invention are in the subclaims specified and are subsequently based on one in the Drawing illustrated embodiment more closely described.

Fig. 1 zeigt das Konstruktionsprinzip der Erfindung, und die Fig. 2 bis 4 zeigen Ausführungsvarianten des Kurzschlußringes. Fig. 1 shows the construction principle of the invention, and Figs. 2 to 4 show variants of the short-circuit ring.

Die den Schenkel 1 eines Transformatorkern 2 umgebende Stellwicklung 3 ist an einem Ende mit dem Kurzschlußring 4 verbunden und relativ zu den Stromabnehmern 5 und 6 drehbar. Primärwicklung und vollständiger Magnetkreis des erfindungsgemäßen Stelltransformators sind zeichnerisch nicht dargestellt.The actuating winding 3 surrounding the leg 1 of a transformer core 2 is connected at one end to the short-circuit ring 4 and can be rotated relative to the current collectors 5 and 6 . The primary winding and complete magnetic circuit of the variable transformer according to the invention are not shown in the drawing.

Der kleine Durchmesser d der Stellwicklung 3 und der große Durchmesser D des Kurzschlußringes 4 deuten die angestrebte enge bzw. lose Kopplung mit der Primär wicklung an. Die Darstellung des Kurzschlußringes 4 als dünnwandiger, zylinderförmiger Abschnitt soll zeigen, daß der Kurzschlußring 4 eine große Induktivität be sitzt. Die Stellwicklung 3 ist im Gegensatz zum flachen Kurzschlußring 4 (zylinderförmiger Abschnitt), aus hoch kant gewickeltem blanken Leitermaterial, beispielsweise auf Kupferprofil hergestellt und kann insbesondere - wie beim Thoma-Regler - auf einem drehbaren Isolierzylinder angeordnet sein. Das Ende der Stellwicklung 3 ist jedoch nicht wie beim Thoma-Regler zusammen mit dem Isolier zylinder durch einen Luftspalt aus dem Magnetkreis ge führt, sondern mit dem Kurzschlußring 4 verbunden, der den Hauptfluß des Magnetkreises, nämlich den Schenkel 1, umfaßt. Ein Stromabnehmer 5 schleift - wie beim Thoma- Regler - vorzugsweise auf der Außenseite der blanken Stell wicklung 3 und wird von der Schraubenlinie der Stell wicklung 3 geführt. Ein weiterer Stromabnehmer 6 schleift am blanken Umfang (außen, innen, oben oder unten) des Kurzschlußringes 4.The small diameter d of the actuating winding 3 and the large diameter D of the short-circuit ring 4 indicate the desired tight or loose coupling with the primary winding. The representation of the short-circuit ring 4 as a thin-walled, cylindrical section is intended to show that the short-circuit ring 4 has a large inductance. In contrast to the flat short-circuit ring 4 (cylindrical section), the actuating winding 3 is made of edged bare conductor material, for example on a copper profile, and can in particular - like the Thoma regulator - be arranged on a rotatable insulating cylinder. The end of the actuating winding 3 , however, is not like the Thoma controller together with the insulating cylinder leads through an air gap from the magnetic circuit, but is connected to the short-circuit ring 4 , which comprises the main flux of the magnetic circuit, namely the leg 1 . A pantograph 5 grinds - as with the Thoma controller - preferably on the outside of the bare actuator winding 3 and is guided by the helix of the actuator winding 3 . Another pantograph 6 grinds on the bare circumference (outside, inside, above or below) of the short-circuit ring 4 .

In einem Kreisabschnitt des Kurzschlußringes 4 fließt die (geometrische) Summe, im anderen die (geometrische) Differenz zwischen Kreisstrom und Nutzstrom, wobei mit Kreisstrom der Strom bezeichnet sei, der gemäß Windungs spannung und Impedanz des Kurzschlußringes 4 im Kurz schlußring 4 fließt und mit Nutzstrom der Strom in der Stellwicklung 3. Die Länge dieser beiden Abschnitte richtet sich nach der Stellung des Stromabnehmers 6 relativ zum Anschluß der Stellwicklung 3 am Kurzschluß ring 4. Der Querschnitt des Kurzschlußringes 4 ist ent sprechend der Strombelastung für ein Mehrfaches des Nennstromes der Stellwicklung 3 dimensioniert und die Impedanz des Kurzschlußringes 4 derart gewählt, daß die Scheinleistung des Kurzschlußringes 4 einerseits und der Spannungsabfall im Nutzstrompfad auf dem Abschnitt des Kurzschlußringes 4 andererseits nicht zu groß wird.In a circle portion of the short-circuit ring 4 flows the (geometric) sum, in the other the (geometrical) difference between loop current and active current, wherein the current is denoted by circulating current according to the voltage interturn and impedance of the short-circuit ring 4 in the short-circuit ring 4 flows and with useful flow the current in the control winding 3 . The length of these two sections depends on the position of the pantograph 6 relative to the connection of the actuating winding 3 on the short-circuit ring 4th The cross section of the short-circuit ring 4 is dimensioned accordingly to the current load for a multiple of the nominal current of the actuating winding 3 and the impedance of the short-circuit ring 4 selected such that the apparent power of the short-circuit ring 4 on the one hand and the voltage drop in the useful current path on the section of the short-circuit ring 4 on the other hand are not too large becomes.

Beim Thoma-Regler wäre die Spannungsänderung als Funktion des Drehwinkels bei kreisförmigem Kernquerschnitt konstant. Bei der Stromabnahme mittels des Kurzschlußringes 4 ändert sich dagegen die Leerlaufspannung beim Durchlaufen einer Windung prinzipiell "verschliffen" - treppenförmig, d. h. die abgegriffene Spannung ist nur im Mittel dem Dreh winkel proportional. Dies stört in den meisten Anwendungs fällen nicht, weil sich die Abweichungen in der Praxis mühelos ausregeln lassen.With the Thoma regulator, the voltage change as a function of the angle of rotation would be constant with a circular core cross section. When the current is drawn by means of the short-circuit ring 4 , on the other hand, the open circuit voltage changes in principle as a result of passing through a turn - step-like, ie the voltage tapped is only proportional to the angle of rotation on average. In most application cases, this is not a problem because the deviations can be easily corrected in practice.

Prinzipiell sind alle Schaltungen, wie bei anderen Stell transformatoren, ausführbar. Bei der Sparschaltung und drehbarer Stellwicklung 3 sind mindestens 2 Kurzschluß ringe erforderlich, was zeichnerisch nicht dargestellt ist.In principle, all circuits are executable, as with other variable transformers. In the economy circuit and rotatable actuating winding 3 at least 2 short-circuit rings are required, which is not shown in the drawing.

Im Gegensatz zum Thoma-Regler der - wie erwähnt - als Manteltyp ausgeführt wird, kann bei dem luftspaltlosen erfindungsgemäßen Stelltransformator jede übliche Kern form verwendet werden, beispielsweise Kern- oder Mantel typ bei Einphasentransformatoren oder Dreischenkelkern bei Dreiphasentransformatoren.In contrast to the Thoma control which - as mentioned - as Sheath type can be executed with the air gapless variable transformer according to the invention any usual core form are used, for example core or jacket type for single-phase transformers or three-legged cores in three-phase transformers.

Wenn eine besonders große Kurzschlußfestigkeit gefordert wird, sind eine feststehende Stellwicklung 3 mit Kurzschluß ring 4 und umlaufende Stromabnehmerkontakte 5 bzw. 6 vorteilhaft, die üblicherweise derart konstruiert sind, daß sich der Anpreßdruck infolge des Kurzschlußstromes ver stärkt.If a particularly high short-circuit strength is required, a fixed actuating winding 3 with short-circuit ring 4 and rotating pantograph contacts 5 and 6 are advantageous, which are usually designed such that the contact pressure increases due to the short-circuit current ver.

Diese Variante ist außerdem vorteilhaft für die Spar schaltung zu verwenden. Bei feststehender Stellwicklung 3 kommt man auch bei Sparschaltung mit nur einem Kurzschluß ring 4 aus.This variant is also advantageous to use for the economy circuit. With fixed actuating winding 3 , you can get by with a short circuit ring 4 even with economy circuit.

Die Übertragung der Drehbewegung auf die Stellwicklung 3 und den Kurzschlußring 4 oder auf die Stromabnehmer 5 bzw. 6 erfolgt zweckmäßig mittels Kunststoff-Zahnkränzen.The transmission of the rotary movement to the actuating winding 3 and the short-circuit ring 4 or to the current collectors 5 or 6 is expediently carried out by means of plastic toothed rings.

Zum Ausgleich der bei Stelltransformatoren prinzipiell auftretenden Amperewindungs-Unsymmetrie, d.h. zur Ver kleinerung des Streuflusses und seiner Nachteile (Kurz schlußspannung, also Unterschied zwischen Leerlauf- und Lastspannung, Wirbelströme, d. h. Erwärmung leitfähiger Konstruktionsteile, Kraftwirkungen im Kurzschlußfall) sind die üblichen Maßnahmen anwendbar, wie Schubwick lungen, wobei als Sonderfall der geschlitzte Schub wicklungszylinder erwähnt sei, der außerdem die Funktion elektromagnetischer Abschirmung und mechanischer Ver stärkung des Isolierrohres der Stellwicklung übernehmen kann.In principle to compensate for variable transformers occurring ampere-turn asymmetry, i.e. for ver reduction of the leakage flux and its disadvantages (short final voltage, so the difference between idle and Load voltage, eddy currents, d. H. Warming more conductive Construction parts, force effects in the event of a short circuit) the usual measures are applicable, such as Schubwick lungs, the slotted thrust being a special case winding cylinder, which also has the function electromagnetic shielding and mechanical ver Take over the strengthening of the insulating tube of the control winding can.

Das Kernstück des Stelltransformators gemäß der vor liegenden Erfindung ist neben der vom Thoma-Regler be kannten Stellwicklung der Kurzschlußring 4. The centerpiece of the variable transformer according to the prior invention is in addition to the actuator winding known from the Thoma regulator the short-circuit ring 4th

Der Kurzschlußring 4 tritt praktisch an die Stelle des Luftspaltes, d. h. der Stelltransformator gemäß der vor liegenden Erfindung hat das Betriebsverhalten des Thoma- Reglers.The short-circuit ring 4 practically takes the place of the air gap, ie the variable transformer according to the prior invention has the operating behavior of the Thoma regulator.

Dies soll im folgenden anhand des hier zweckmäßigen Vierpol-Ersatzschaltbildes näher erläutert werden:In the following, this should be based on the expedient here Four-pole equivalent circuit diagram are explained in more detail:

Die Impedanz des Kurzschlußringes 4 liegt parallel zur wesentlich größeren Magnetisierungsimpedanz und be stimmt daher den Leerlaufstrom, d. h. sie stellt die Leer laufimpedanz dar. Die Begriffe "Kurzschlußimpedanz" und "Streufluß" werden bei der Beschreibung des Kurz schlußringes 4 vermieden, um Verwechslungen mit der Streu impedanz des Ersatzschaltbildes auszuschließen, die das Last- und Kurzschlußverhalten des Transformators be stimmt. Das Magnetfeld des Kurzschlußringes 4 bringt zwar die konstruktiven Probleme eines Streufeldes (Wirbel ströme, Erwärmung und Krafteinwirkungen in leitfähigen Konstruktionsteilen) mit sich, und der vom Drehwinkel ab hängige Teil der Impedanz des Kurzschlußringes 4, der von den beiden ebenfalls drehwinkelabhängigen Teilen des Sekundärstromes durchflossen wird, ist auch ein Teil der Streuimpedanz des Stelltransformators.The impedance of the short-circuit ring 4 is parallel to the much larger magnetization impedance and therefore determines the open-circuit current, ie it represents the open-circuit impedance. The terms "short-circuit impedance" and "leakage flux" are avoided in the description of the short-circuit ring 4 to avoid confusion with the stray Exclude impedance of the equivalent circuit diagram, which determines the load and short circuit behavior of the transformer. The magnetic field of the short-circuit ring 4 brings with it the constructive problems of a stray field (eddy currents, heating and the effects of force in conductive structural parts), and the part of the impedance of the short-circuit ring 4 which is dependent on the angle of rotation and which is flowed through by the two parts of the secondary current which are also dependent on the angle of rotation , is also part of the variable impedance of the variable transformer.

Zum Verständnis des Betriebsverhaltens ist es jedoch ausreichend und zweckmäßig, den Kurzschlußring 4 - wie gewohnt - als Drossel zwischen den Primärklemmen aufzu fassen, denn der Luftspalt des Thoma-Reglers wird in gleicher Weise durch überschlagsmäßige Berücksichtigung des Magnetisierungsstromes als Teil des Primärstromes berücksichtigt.To understand the operating behavior, however, it is sufficient and useful to take the short-circuit ring 4 - as usual - as a choke between the primary terminals, because the air gap of the Thoma controller is taken into account in the same way by taking the magnetizing current into account as part of the primary current.

Entsprechend der Windungsspannung (beim Thoma-Regler beispielsweise in der Größenordnung 10 V, hier beim luftspaltlosen Transformatorkern 2 entsprechend größer), muß die Impedanz des Kurzschlußringes 4 groß genug gemacht werden, um das Magnetfeld und die Verlustleistung des Kurzschlußringes 4 in erträglichen Grenzen zu halten, was entweder durch die Ausbildung des Kurzschlußringes 4 als Resistanzring mit Kühlrippen bei kleinen oder als Reaktanz ring mit Kern bei großen Ausführungen erreicht werden kann.Corresponding to the winding voltage (for example in the order of 10 V for the Thoma controller, here correspondingly larger for the air gap-free transformer core 2 ), the impedance of the short-circuit ring 4 must be made large enough to keep the magnetic field and the power loss of the short-circuit ring 4 within tolerable limits, which can be achieved either by the formation of the short-circuit ring 4 as a resistance ring with cooling fins for small or as a reactance ring with core in large versions.

Eine Kombination dieser Maßnahmen ist nur dann sinnvoll, wenn es gelingt, die Reaktanz und die Resistanz in die gleiche Größenordnung zu bringen. Dies ist im Sonderfall möglich, beispielsweise durch Verwendung ferromagneti schem Widerstandsmaterials, das entweder selbst für die Kontaktbahn des Stromabnehmers eingesetzt wird oder aber mit Kontaktwerkstoff verbunden ist.A combination of these measures only makes sense if the reactance and resistance in the to bring the same order of magnitude. This is in a special case possible, for example by using ferromagneti chemical resistance material, either for the Contact path of the pantograph is used or is connected with contact material.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Ausführungsvarianten von Kurz schlußringen 4 als Reaktanzringe. Da die Induktivität des Kurzschlußringes 4 durch Wahl der Abmessungen allein nicht groß genug gemacht werden kann (Platzbedarf des möglichst großen, dünnwandigen und hohen Ringes im Kernfenster), wird beispielsweise gemäß Fig. 2 der Kupferleiter 4′ des Kurzschlußringes 4 derart mit einem Magnetkern 7 umgeben, daß nur ein umlaufender Spalt 13 für die schmale Schleifbahn des Stromabnehmers 6 freibleibt. Der Magnetkern 7 kann ge mäß dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 beispiels weise aus einzelnen, mit einem Schlitz 8 versehenen Ferrit formstücken 9 bestehen, die auf den Kurzschlußring 4 ge steckt und beispielsweise mittels elastischer Beilagen (zeichnerisch nicht dargestellt) verklemmt werden. Ver wendet man gemäß Fig. 4 noch einen zweiten ringförmigen, mit dem Stromabnehmer 6 verbundenen Magnetkernteil 12 zur Abdeckung der Schleifbahn des Stromabnehmers 6, so wird der Magnetfluß des Kurzschlußringes 4 bis auf den Luftspalt 10 in einem Magnetkern 7 aus hochpermeablem Material geführt. Dieser Luftspalt 10 ermöglicht die Relativbewegung zwischen Kurzschlußring 4 und Stromab nehmer 6, nämlich zwischen den Magnetkernteilen 11 und 12, die beispielsweise ebenfalls aus einzelnen Ferritformstücken 9 - gemäß Fig. 3 - bestehen können. Figs. 2 to 4 show embodiments of short-circuit rings 4 as Reaktanzringe. Since the inductance of the short-circuit ring 4 can not be made large enough by the choice of dimensions alone (space requirement of the largest possible, thin-walled and high ring in the core window), for example, as shown in FIG. 2, the copper conductor 4 'of the short-circuit ring 4 is surrounded with a magnetic core 7 that only one circumferential gap 13 remains free for the narrow sliding path of the pantograph 6 . The magnetic core 7 can ge according to the further embodiment according to FIG. 3, for example, from individual, provided with a slot 8 ferrite fittings 9 , which is placed on the short-circuit ring 4 ge and for example by means of elastic inserts (not shown in the drawing) are jammed. Ver one turns shown in FIG. 4 is a second annular, connected to the current collector 6 magnetic core part 12 for covering the grinding path of the current collector 6, the magnetic flux of the short-circuit ring 4 is driven out of highly permeable material up to the air gap 10 in a magnet core 7. This air gap 10 enables the relative movement between the short-circuit ring 4 and Stromab subscriber 6 , namely between the magnetic core parts 11 and 12 , which may also consist of individual ferrite fittings 9 - as shown in FIG. 3 -.

Wie bereits angedeutet, ist es grundsätzlich möglich und bei bestimmten Ausführungsbeispielen auch notwendig, mehr als einen Kurzschlußring 4 vorzusehen. Wie bereits erwähnt, sind bei Verwendung der Sparschaltung und dreh barer Stellwicklung 3 zumindest zwei Kurzschlußringe 4 erforderlich.As already indicated, it is fundamentally possible and, in certain exemplary embodiments, also necessary to provide more than one short-circuit ring 4 . As already mentioned, at least two short-circuit rings 4 are required when using the economy circuit and rotary actuating winding 3 .

Claims

1. variable transformer, in particular for test systems, with a transformer core ( 2 ), a primary winding and a single-layer contactable positioning winding ( 3 ), along which at least one current collector ( 5 ) is adjustable, at least one end of the positioning winding ( 3 ) with at least one slip ring ( 4 ) is connected, and a further current collector ( 6 ) is movable relative to the slip ring ( 4 ), characterized by the following features:

- The slip ring is designed as a short-circuit ring ( 4 ) and surrounded by an annular magnetic core ( 7 ) which has a circumferential gap ( 13 ) for the further current collector ( 6 );
- The ring-shaped magnetic core ( 7 ) consists of individual ferrite shaped pieces ( 9 ) lined up with a slot ( 8 ), the slots ( 8 ) forming the gap ( 13 ) in the lined up state; and
- The transformer core ( 2 ) is designed without an air gap.

2. Variable transformer according to claim 1, characterized in that the magnetic core ( 7 ) has an air gap ( 10 ) through which an annular or disc-shaped part ( 12 ) of the same from the rest of the core part ( 11 ) is separated.

3. Control transformer according to claim 1 or 2, characterized in that the path of the short-circuit ring ( 4 ) which is free to draw current is covered by the annular magnetic core part ( 12 ) via the air gap ( 10 ), the further current collector ( 6 ) covering the air gap ( 10 ) and penetrates the annular magnetic core part ( 12 ).

4. Variable transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the short-circuit ring ( 4 ) consists of resistance material and is provided with cooling fins.

5. Variable transformer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the winding distance (diameter D) of the short-circuit ring ( 4 ) from the leg ( 1 ) of the transformer core ( 2 ) is large in relation to the winding distance (diameter d) of the actuating winding ( 3 ) from the leg ( 1 ) of the transformer core ( 2 ).

6. Variable transformer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuating winding ( 3 ) and the short-circuit ring ( 4 ) on the transformer core ( 2 ) are fixedly arranged, and that the pantograph ( 5 ) on one of the pitch of the actuating winding ( 3 ) corresponding screw line and the further pantograph ( 6 ) are movable on a circular path.

7. Variable transformer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the conductor of the actuating winding ( 3 ) is wound upright.