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Einrichtung zur Spannungsregelung von ein- oder mehrphasigen Wechselströmen
durch Transformatoren mit Gleichstromvormagnetisierung. Die Feldänderung, welche
ein Wechselstrom in einer Wicklung hervorruft, führt in einem von der Wicklung !beeinflußten
Eisenkern je nach Größe der bei_Eintritt der Feldänderung vorhandenen Vormagnetisierung
zu verschieden großen Induktionsänderungen, deren Ausmaß abhängig ist von dem Verlauf
der Magnetisierungslinie des Eisenkernes izi demjenigen Astabschnitt, welcher zufolge
der bei Beginn der Feldänderung vorhandenen Magnetisierung für den ganzen Verlauf
der Feldänderung zur Wirkung kommt.
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Die - Einwirkung einer Gleichstrom-V ormagnetisierung auf Drosselspulen
und Transformatoren wird bereits zu verschiedenartigen Zwecken in der Starkstrom-
und Hochfrequenztechnik ausgenutzt.
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Bei der vorliegenden Erfindung werden Zusatztransformatoren, die zur
Vormagnetisierung eingerichtet sind und mit einem von den Haupttransformatoren abweichenden
Übersetzungsverhältnis ausgestattet werden, sowohl auf der primären wie auch auf
der sekundären Seite mit den Haupttransformatoren in Reihe geschaltet.
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Wählt man dabei die Vormagnetisierung der Zusatztransformatoren so
stark, daß die Wechselspannung der Zusatzwicklungen verschwindend klein wird, so
können diese im kurzgeschlossenen Zustand mit oder ohne Einschluß eines Ohrnschen
oder induktiven Widerstandes ohne Unterbrechung des Wechselstromkreises zu- und
abgeschaltet werden. Nach erfolgtem Anschluß und öffnun- der Kurzschlußverbindung
der Zusatz= Wicklungen wird dann die Vormagnetisierung zur Einstellung der erforderlichen
Betriebsspannung vermindert oder abgeschaltet.
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Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wicklungen derartiger Zusatztransformatoren
wird so bemessen, daß durch Hintereinanderschaltung mit den Wicklungen des Haupttransformators
das Gesamtübersetzungsverhältnis auf den gewünschten Wert abgeändert wird.
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Zur Erläuterung der Grundlagen des Verfahrens ist in Abb. x der Zeichnung
das Schema eines zur Vormagnetisierung eingerichteten Transformators wiedergegeben.
Abb.2 gibt den gegenseitigen Verlauf des induzierenden Wechselstromes und der erzeugten
Spannungen mit und ohne" Vormagnetisierung des Eisenkernes wieder. Die Abb. 3 bis
5 geben Magnetisierungslinien in bezug auf das neue Verfahren wieder.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsmöglichkeiten
von Transformatoren zur Durchführung des Verfahrens.
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Auf dem Eisenkern a des in Abb. i schematisch dargestellten Transformators
ist eine primäre Wechselstromwicklung b und eine sekundäre Wicklung e aufgebracht.
Die weiterhin vorhandene Wicklung d, die mit
Gleichstrom gespeist
wird, dient zur Vormagnetisierung des Eisenkernes in gleichbleibender Richtung.
Diese Vormagnetisierung kann auch mit Hilfe von permanenten Magneten oder Elektromagneten
mit Gleichstromerregung erzeugt werden. Wird zunächst nur die Wicklung b von Wechselstrom
der Wellenform i durchflossen, -so ändert sich die Feldstärke H zwischen den Grenzen
- lzi und + hl um die Größe Hl. Der Induktionsfluß B ändert sich gemäß der Magnetisierungslinie
des Eisens nach Abb.3 von - b1 auf + b1 um die Größe F, Proportional zu dieser Kraftlinienänderung
wird in, der Wicklung b die gegenelektromotorische Kraft ei mit dem Verlauf gemäß
Abb.2 erzeugt, die unter Vernachlässigung des Ohmschen Verlustes als Klemmspannung
der Spule b angesprochen werden kann. Entsprechend wird in der Sekundärspule c eine
Spannung e, induziert.
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Wird nun die Spule d mit Gleichstrom erregt und dadurch im Eisenkern
a ein gleichbleibendes Feld von der Größe hg erzeugt, so ändert sich bei gleichbleibendem
Verlauf des Wechselstromes i zwar die Summe der auf den Eisenkern wirkenden Feldstärken
gleichfalls wieder um die Größe Hl, jedoch jetzt nicht mehr um den Nullpunkt schwankend,
sondern zwischen den Abszissen h" und h3 der Magnetisierungskurve (Abb. 3). Die
Änderung der Kraftlinienzahl entspricht jetzt der Differenz der Ordinaten b2 und
b3, d. h. der Größe B2. Die Klemmspannung der Spule b ändert sich demgemäß gegenüber
dem vorigen Werte ei annähernd nach dem Verhältnis ei: e2 - Bi
: B2 und erreicht nur mehr den in Abb. 2 eingezeichneten' Werte..
Im
gleichen Verhältnis vermindert sich infolge der Vormagnetisierung auch diie Klemmspannung
der Spule c.
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Für die Durchführung der Spannungsregelung ist hinsichtlich der Auswirkung
und des Ausgleiches der Induktionswirkungen in den Zusatztransformatoren folgendes
maßgebend: Wird die Vormagnetisierung so -stark gewählt, daß die Grenzen der Sättigungsänderungen,
die durch den normalen Betriebsstrom hervorgerufen werden, erheblich. über dem Knie
der Magnetisierungslinieliegen, so ändert sich der durch die positiven Stromwellen
hervorgerufene Induktionsfluß in annähernd gleichem Ausmaß wie der durch die negative
Stromwelle des Wechselstroms hervorgerufene. Liegen jedoch die Grenzen näher am
Knie, beispielsweise gemäß. Abb. ¢ zwischen den Abszissen n und p, so tritt
eine verschiedenartige Änderung des Induktionsflusses für die positiven und negativen
Wellen auf. Um jedoch auch in diesen Fällen einen rein symmetrischen Verlauf der
wirksamen Magnetisierungslinie für die Feldänderungen in beiden Richtungen zu erhalten,
werden die Eisenkerne der Transformatoren in zwei getrennte magnetische Kreisläufe
unterteilt, von denen jeder eine Vormagnetisierung gleichbleibender, jedoch entgegengesetzter
Richtung erfährt. Das Zusammenwirken der beiden Kreisläufe ergibt dann gemäß nachstehenden
Erläuterungen einen symmetrischen Verlauf der durch die positiven und negativen
Stromwellen erzeugten Induktionsflüsse. Abb.6 gibt das Schema eines Transformators
wieder mit zwei getrennten Eisenkernen f und g und gemeinsamer Primärspule h. Jeder
dieser Kerne wird in entgegengesetzter Richtung des andern vormagnetisiert. Es sei
beispielsweise die Vormagnetigierung des Eisenkernes f hinsichtlich -der Feldstärke
durch die Abzisse o-s in Abb. q. und die des Eisenkernes g durch die Abszisse o-t
der gleichen Abbildung gegeben. Die bezüglichen magnetischen Flüsse sind -B'f und
B'9. Vollzieht sich nun die Feldänderung, die durch den die Spüle h durchfließenden
Wechselstrom hervorgerufen wird, für den Eisenkern g zwischen den Grenzen n und
p und für den Eisenkern f zwischen den Grenzen r und q, so wird für die Feldänderung
in Richtung des Pfeiles u. der Verlauf der wirksamen Magnetisierungslinie bestimmt
durch die Summe der Ordinatenabschnitte Bg und Bf. Ermittelt man, wie dies in Abb.
5 geschehen ist, für die einzelnen Punkte innerhalb der Änderungsgrenzen diese Summen,
so erhält man die für das Zusammenwirken der in entgegengesetzter Richtung vormagnetisierten
Eisenkerne auf eine gemeinsame Induktionsspule maßgebende Magnetisierüngslinie:
S (Bg + Bf).
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Anstatt eine Wicklung. mit mehreren Eisenkernen auszustatten, können,
wie in Abb. 7 wiedergegeben, die Eisenkerne paarweise angeordnet und die einzelnen
Kerne der Paare je in entgegengesetzter Richtung vormagnetisiert werden. Die Wechselstromwicklungen
werden dabei für jedes Paar gleichsinnig. hintereinandergeschaltet.
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Um eine Überlagerung verschieden auswählbarerAstabschnitte der Magnetisierungs-Linie
zu ermöglichen, kann für die Kernpaare j e eine besondere Reguliervorrichtung im
Erregerstromkreis vorgesehen werden. Durch die dadurch ermöglichte verschiedenartige
Einstellung der Vormagnetisierung der einzelnen Kerne oder Kernpaare kann die für
die Gesamtinduktion der.Wechselstromspulen maßgebende Magnetisierungslinie dem beabsichtigten
Regulierungszweck entsprechend eingestellt werden.
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In dem zur Vormagnetisierung dienenden Gleichstromkreis wird einerseits
zur Regulierung
der Stromstärke und anderseits zur Abschwächung
der induktiven Wirkung ein Ohmscher Regulierwiderstand k und zweckmäßig noch ein
induktiver Widerstand l eingeschaltet, welch letzterer zur weiteren Abdrosselung
der im Erregerkreis induzierten Wechselströme dient.
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Die Wirkungsweise eines zur Spannungsregelung des nach dem vorliegenden
Erfindungsgedanken eingerichteten Aggregats ist durch die Abb.8 bis io näher erläutert.
In Abb.8 ist die Zusammenschaltung eines Haupttransformators H mit einem durch Abb.7
gekennzeichneten Paare von Zusatztransformatoren (x und y) dargestellt. Das Übersetzungsverhältnis
des Zusatzpaares x und y ist beispielsweise je mit i : i, das Übersetzungsverhältnis
des Haupttransformators H mit 4. : i angenommen.
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Die magnetischen Verhältnisse seien so gewählt, daß pro Amperew indung
bei ausgeschalteter Vormagnetisierung in j edem Transformator die gleiche Kraftlinienzahl
erzeugt wird. Die Abhängigkeit des Kraftflusses vom Primärstrom i für einen Zusatzkern
ist durch die Charakteristik FZ (Abb.9) über der Abszissenachse B dargestellt, für
den Haupttransformator durch die Linie FH über der Abszissenachse B'. Der durch
Zusammenwirken der drei Eisenkerne wirksame, durch die Primärwicklungen erzeugte
Kraftfluß ist über der Achse B' durch die Linie S (F" -f- Fz) in Abhängigkeit
von der Magnetisierungsstromstärke im für verschiedene Einstellung der Vormagnetisierung
(0, I, 1I, III) dargestellt.
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Die magnetischen Verhältnisse für die Zusatztransformatoren sind durch
die Linien FC über der Achse B" und F,, über der Achse B" " wiedergegeben. Nach
dem Verfahren gemäß Abb. 5 ist hieraus die Summenlinie F (x nlus ") über
der Achse B"' gebildet. Die mit 0 bis III bezeichneten Linien entsprechen
den durch die Vormagnetisierung mit Stromstärken von ig - 0, igl, igll, iglll
eingestellten magnetischen Verhältnissen der Zusatzkerne; die durch diese Vormagnetisierung
bedingten Schwingungsmittelpunkte für die zusätzlichen, durch den Betriebswechselstrom
hervorgerufenen Fluxänderungen sind durch die Schnittpunkte der Hilfsachsen
I, II, III mit der Charakteristik FZ über Achse B gegeben. Es gibt also beispielsweise
die Linie Fxl über Achse B" denjenigen Abschnitt der Charakteristik FZ, welcher
bei der Vormagnetisierung mit der Stromstärke igl vom Betriebswechselstrom
beansprucht wird.
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Auf der Ordinatenachse A ist von Punkt 0., nach abwärts der zeitliche
Verlauf der als Sinusschwingung angenommenen Primärspannung En aufgetragen. Zur
Erzielung einer dieser Primärspannung gleichen, jedoch entgegengesetzt gerichteten
Klemmenspannung an den Primärklemmen P1 bis P, (Abb. 8) ist ein Gesamtkraftflux
erforderlich, der durch die Linie Fe in seinem zeitlichen Verlauf über der Achse
B' ausgehend von Punkt 03 entwickelt wird. Durch den Linienzug (Abb. 9) ausgehend
von dem Punkt i auf Abszissenachse B' bis Punkt 13 ergeben sich graphisch
alle Größen für die Zeitwerte der im Zeitpunkt t1 auftretenden Magnetisierungsstromstärke
i "il sowie der Fluxgrößen in den einzelnen Transformatorenkernen.
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Für den Zeitpunkt t, gibt die Größe T bis a den Zeitwert des erforderlichen
Gesamtfluxes fe, die Größe q. bis 5 den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Haupttransformator,
die Größe 6 bis 7 den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Zusatztransformator x, die
Größe io bis i i den Zeitwert des anteiligen Fluxes im Zusatztransformator y, die
Größe 8 bis 9 - Größe 3 bis d. die Summe der Fluxe in den beiden Zusatztransformatoren,
die Größe o1 bis 5 den Zeitwert des Magnetisierungsstromes.
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Auf diesem Wege sind für die V ormagnetisierung igl entwickelt: Der
zeitliche Verlauf des Fluxes im Haupttransformator: Kurve F", über Achse
B', der zeitliche Verlauf des Fluxes im Zusatzkern X: Kurve FXl über Achse
B", der zeitliche Verlauf des Fluxes im Zusatzkern Y: Kurve FYl über Achse
B" ", der im Kernpaar X Y zu-
sammenwirkende Flux FZ, über Achse
B',
der zeitliche Verlauf des primären Magnetisierungsstromes
i ",l ausgehend von Punkt 0_, (Abb. 9) nach abwärts.
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Aus den Kurven des Fluxverlaufes in den einzelnen Kernen lassen sich
dann ohne weiteres die auf die einzelnen Transformatorenwicklungen entfallenden
Teilspannungen auf der primären und sekundären Seite entwickeln. Die Linie ESH ausgehend
von Punkt 03 der Achse B' gibt den zeitlichen Verlauf der sekundären Klemmspannung
im Haupttransformator, dementsprechend die Linie Esxl und E,YI die Klemmenspannung
der sekundären Wicklungen der Zusatztransformatoren.
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In Abb. io ist zusammenfassend die Einstellung der sekundären Klemmenspannung
in Abhängigkeit von der vormagnetisierenden Stromstärke i, zur Darstellung gebracht.
Hiernach ist ersichtlich, daß durch Änderung der vormagnetisierenden Stromstärke
ig die sekundäre Klemmenspannung gegenüber der konstant gehaltenen primären Klemmenspannung
wesentlichen Abänderungen unterworfen werden kann.
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Die vorausgegangenen Erläuterungen sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit
lediglich
auf die Spannungsregelung von Einphasen- . wechselström
beschränkt. Auf -der gleichen Grundlage kann die Spannungsregelung für Drehstrom
durchgeführt werden, wobei für jede Phase ein Zusatztransformatorenpaar Verwendung
finden kann oder die Zusatztransformatoren in entsprechender Weise zu einer mehrschenkeligen
Bauart zusammengefaßt werden können.