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Stromwandler Es sind Stromwandler bekannt; bei denen der Magnetkern
an einzelnen Stellen in parallele Kraftlinienpfade aufgeteilt ist, deren einer von
einer Hilfswicklung umschlossen ist, derart, daß in beiden parallelen Kraftlinienpfaden
Felder mit verschiedenen Sättigungsgraden entstehen. Dieser Anordnung liegt die
Absicht zugrunde, bei allen Belastungen des Stromwandlers auf dem geradlinigen Teil
der Magnetisierungskurve zu arbeiten, d. h. in einem solchen Bereich, der ungefähr
dem Maximum der Permeabilität entspricht, wobei dieser Maximalwert über einen gewissen
Bereich unverändert bleiben soll. Da dieser Bereich konstanter maximaler Permeabilität
ziemlich eng ist und selbst bei Eisen gleicher Lieferung ziemlich stark schwankt,
erfordert die Einstellung auf maximale Permeabilität eine genaue Untersuchung und
Abgleichung jedes einzelnen Wandlers. Aber selbst wenn man eine solche Abgleichung
des Wandlers trifft, so ist die dadurch erreichte Genauigkeit nur innerhalb eines
sehr engen Belastungsbereiches vorhanden. Selbst geringe Überschreitungen der an,
sich niedrigen Belastungsgrenze führen zu erhöhten Fehlern. Wegen dieser Schwierigkeiten
wird gemäß der Erfindung davon abgesehen, eine Einstellung auf maximale Permeabilität
vorzunehmen. Es wird vielmehr eine solche Benessung des Wandlers vorgenommen, daß
über einen bedeutend größeren Arbeitsbereich die Permeabilität konstant ist. Dies
geschieht in der Weise, daß die Flußdichte in den beiden parallelen Kraftlinienpfaden
so gewählt ist, daß der eine Teil auf dem aufsteigenden Ast der Permeabilitätskurve
arbeitet, während der andere auf dem absteigenden Ast der Permeabilitätskurve wirksam
ist. Bei einer solchen Einrichtung wird die resultierende Permeabilität unterhalb
des Maximalwertes liegen. Dabei werden die Ungleichheiten des Materials weniger
stark, in Erscheinung treten, und außerdem können die Belastungsgrenzen bei Einhaltung
der zulässigen Fehlergrenze wesentlich weiter gezogen werden.
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Das Wesen der Erfindung sei an Hand der Abb. r näher erläutert. In
dieser Abbildung ist a eine normale Magnetisierungskurve (Sättigungsgrad B in Abhängigkeit
von der Feldstärke H). b ist die dazugehörige Permeabilitätskurve, und zwar
ist die Permeabilität ,,c in Abhängigkeit von der Feldstärke H
aufgetragen.
,u ist durch Umrechnung aus der Magnetisierungskurve a mit Hilfe der Formel
erhalten. Bei den normalen Stromwandlern der üblichen Bauart arbeitete man im unteren
Bereich der Magnetisierungskurve
a, und zwar in dein Gebiet, das
gegen die Abszissenachse konvex ist, d. h. in dem Gebiet zwischen den Punkten 0
und E. Gemäß der Erfindung arbeitet nun der eine der beiden Kraftlinienpfade des
Wandlerkernes längs dem aufsteigenden Ast der Penneabilitätskurve, während der andere
Kraftlinienpfad auf dem abfallenden Ast der Permeabilitätskurve arbeitet. Bei kleinen
Stromstärken arbeitet also der eine Teil des Eisenkernes im unteren Teil des aufsteigenden
Astes der Kurve b, während der andere Teil des Eisenkernes im oberen Teil des absteigenden
Astes arbeitet. Die mittlere Permeabilität des Eisenquerschnittes ergibt sich als
Mittelpunkt der Verbindungslinie zwischen den beiden Permeabilitätspunkten der Kraftlinienpfade.
Bei mittlerer Stromstärke liegt die Permeabilität des einen Kernteiles auf der Mitte
des aufsteigenden Astes der Kurve b, während die Permeabilität des anderen Kernteiles
bereits sehr weit auf dem absteigenden Ast herabgewandert ist. Auch in diesem Falle
entspricht die mittlere Permeabilität wieder dem Mittelpunkt der Verbindungslinie
- der beiden Permeabilitätspunkte. Man erhält also bei dem Wandler nach der Erfindung
eine im wesentlichen konstant bleibende mittlere Permeabilität des Wandlerkernes.
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In den weiteren Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Abb. z zeigt dabei schematisch einen entsprechend der Erfindung ausgeführten
Stromwandler. Abb. 3 ist eine Seitenansicht des in Abb. z dargestellten Eisenkerns.
Eine etwas abgeänderte Ausführung ist in Abb.4 dargestellt. In Abb. 5 ist eine Kurve
dargestellt, aus der der Zusammenhang zwischen Flußdichte und Permeabilität der
für den Magnetkern verwendeten Eisensorte zu erkennen ist. Abb: 6 läßt die Verbesserung
bezüglich des Fehlwinkels bei verschiedenen Werten des Primärstromes erkennen. Abb.
7 zeigt, wie das Übersetzungsverhältnis bei verschiedenen Werten des Primärstromes
gemäß der Erfindung verbesäert werden kann. Die mit den gleichen Zahlen in Abb.
z, 3 und 4 bezeichneten Teile stellen ähnliche Teile dar.
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In Abb. z ist io ein lamellierter Eisenkern, dessen Primärwicklung
mit i i und dessen Sekundärwicklung mit 1z bezeichnet ist. In dem Kern io sind zwei
Öffnungen 13 senkrecht zu den Lamellierungen vorgesehen, so daß zwei parallele Kraftlinienwege
14 und 15 entlang jeder Öffnung entstehen. Die Löcher 13 sind vorzugsweise
in der Nähe der Ecken des rechteckig ausgebildeten Eisenkerns io angeordnet, und
zwar so, daß die Kraftlinienwege 14 und 15 verschiedenen Querschnitt besitzen. Zweckmäßig
wird der innere Kraftlinienpfad 15 mit dem kleineren Querschnitt ausgeführt.
Entsprechend der Anordnung nach Abb. z sind die Teile 15
von einer Hilfswicklung
16 von einer oder mehreren Windungen umgeben. Diese Windungen 16 sind untereinander
und mit der Sekundärwicklung i2 in Reihe geschaltet. Die Anschlüsse sind so gewählt,
daß der Sekundärstrom, der in den Wicklungen 16 fließt, in den Teilen 15 einen magnetischen
Fluß hervorbringt, der dieselbe Richtung hat wie der vom Primärstrom erzeugte Hauptfluß.
Würden die Wicklungen 16 nicht vorhanden sein, so würde sich der Fluß auf die beiden
parallelen Kraftlinienpfade im Verhältnis der Querschnitte der Teile 14 und 15 verteilen.
Beim Anwachsen des Sekundärstromes fließt ein verhältnismäßig größerer Teil des
Gesamtflusses durch den größeren Querschnitt 14, da mit wachsender Flußdichte in
dem Teil des kleineren Querschnitts dessen magnetischer Widerstand wächst.
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Bei den gebräuchlichen Stromwandlern muß der Primärstrom nicht nur
die Sekundärleistung decken, sondern außerdem die nötige Erregung zur Aufrechterhaltung
des Kraftflusses iin Eisenkern aufbringen. Der Wert des Sekundärstromes ist infolgedessen
etwas geringer, als er sich aus dem Primärstrom und dem Verhältnis der Windungszahlen
ergibt. Es ist deshalb üblich, das gewünschte Stromübersetzungsverhältnis dadurch
zu erreichen, daß die sekundäre Windungszahl etwas kleiner gewählt wird, so daß
das Verhältnis der Windungszahlen etwas kleiner ist als das gewünschte Stromübersetzungsverhältnis.
Z. B. hat ein Stromwandler mit einem Verhältnis des Primärstromes zum Sekundärstrom
von 4. : i 75 primäre Windungen und 299 sekundäre Windungen an Stelle von 3oo. Derartige
Abweichungen würden an sich nicht störend sein. Es kommt aber hinzu, daß das Stromübersetzungsverhältnis
bei verschiedenen Belastungen nicht konstant ist, weil die Permeabilität des Eisens
bei verschiedenen Flußdichten verschiedene Werte annimmt, wie dies aus der Kurve
der Abb.5 hervorgeht. Wenn die Flußdichte von einem niedrigeren auf einen höheren
Wert ansteigt, nimmt die Permeabilität zunächst zu, bis sie ein Maximum erreicht,
das durch den Punkt 17 in der Kurve der Abb. 5 angedeutet ist. Bei weiterem Wachsen
der Flußdichte nimmt dann die Permeabilität wieder ab. Die üblichen Stromwandler
arbeiten unterhalb des Punktes der maximalen Permeabilität oder im Maximum der in
der Zeichnung dargestellten Permeabilitätskurve. Der Einfluß der veränderlichen
Permeabilität
und der veränderlichen Verluste auf das Stromübersetzungsverhältnis bei verschiedenen
Flußdichten und Belastungen geht aus der Kurve 18 der Abb. 7 hervor, die einem normalen
Stromwandler entspricht. Ein gegebener Sekundärstrom rnuß mit dem Stromübersetzungsverhältnis
multipliziert werden, um den entsprechenden Primärstrom zu erhalten. Der Multiplikationsfaktor
des Strömübersetzungsverhältnisses weicht dabei etwas von dem wirklichen Windungsübersetzungsverhältnis
ab, wie dies bereits erwähnt ist. Der so errechnete Wert der primären Stromstärke
ist nicht für alle Belastungen genau, da das wirkliche Stromübersetzungsverhältnis
nicht für alle Belastungen das gleiche ist. Das Ergebnis muß deshalb noch mit einem
Korrektionsfaktor multipliziert werden, dessen Werte aus der Kurve 18 zu entnehmen
sind.
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Die Hilfswicklungen 16 und die öffnungen i3 sind so bestimmt, daß
die Veränderungen in dem wirklichen Ubersetzungsverhältnis üifolge der Änderungen
der Permeabilität bei verschiedener Flußdichte ausgeschaltet oder wenigstens in
erheblichem Maße herabgesetzt werden. Aus der Kurve ig der Abb. 7 ist die Verbesserung,
.die durch die Ausführung gemäß der Erfindung erzielt ist, zu erkennen. Der Korrektionsfaktor
des Übersetzungsverhältnisses bleibt entsprechend der Kurve ig in einem sehr großen
Belastungsbereich nahezu konstant, während dies bei den üblichen Wandlern entsprechend
der Kurve 18 nicht in gleichem Maße der Fall ist.
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Wenn kein Strom in der Hilfswicklung 16 fließt, teilt sich der Primärfluß
in die beiden parallelen Kraftlinienpfade 14 und 15 so, daß die Flußdichte in beiden
Teilen die gleiche ist. Wenn jedoch Strom durch die Wicklung 16 fließt, wird diese
Verteilung gestört. Die Wicklungen 16 sind so geschaltet, daß der Strom in ihnen
einen magnetischen Fluß in den Teilen 15 hervorbringt, der dieselbe Richtung hat
wie der primäre Hauptfluß. `Die Flußdichte ist infolgedessen in den Teilen 15 größer
als in den Teilen 1q.. Die Größe und Lage der Öffnungen 13 und die Zahl der Windungen
in den Hilfswicklungen 16 sind gemäß der Erfindung so gewählt, daß die Flußdichte
in den Teilen 14 unterhalb des der maximalen Permeabilität entsprechenden Wertes
liegt und daß die Flußdichte in den Teilen 15 oberhalb des der maximalen Permeabilität
entsprechenden Wertes liegt. Infolgedessen arbeitet der Teil 14 auf dem ansteigenden
Teil der Permeabilitätskurve, während der Teil 15 auf dem abfallenden Teil der Permeabilitätskurve
arbeitet. Hierdurch wird _erreicht, daß die wirksame Permeabilität zwar unterhalb
der maximalen Permeabilität, aber für den ganzen. Eisenkreis nahezu konstant ist
und infolgedessen auch das wirkliche Stromübersetzungsverhältnis im wesentlichen
konstant bleibt, so daß der Korrektionsfaktor. des Übersetzungsverhältnisses nach
der in Abb. 7 dargestellten Kurve ig verläuft. Wenn auch bei sehr kleinen Belastungen
ein konstant bleibendes Stromübersetzungsverhältnis nicht erreicht werden kann und
auch die Kurve ig eine geringe Erhebung im Anfang der Kurve zeigt, so erkennt man
doch aus dem Vergleich der Kurven 18 und ig, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung
eine _wesentliche Verbesserung auch bei kleinen Stromwerten erreicht ist. Um den
Phasenfehler des Wandlers herabzusetzen, ist eine kurzgeschlossene Wicklung 2o vorgesehen,
die aus einer einzigen Kurzschlußwindung bestehen kann und einen der Teile 15 des
in Abb. 2 dargestellten Eisenkernes umgibt.
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Die Kurve 2i der Abb. 6 zeigt, wie der Phasenwinkel bei verschiedenen
Werten des Primärstroms sich bei den bekannten Stromwandlern verändert. Die Kurve
22 zeigt die Abweichungen des Phasenwinkels bei einem Stromwandler mit einer Kurzschlußwicklung
20. Die dadurch erreichte Verbesserung, die insbesondere bei kleinen Stromwerten
stark ins Gewicht fällt, ist aus der Zeichnung ohne weiteres zu ersehen.
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Während bei der Anordnung nach Abb. z zwei Öffnungen 13 mit zwei Hilfswicklungen
16 vorgesehen sind und diese Anordnung sehr gute Resultate ergeben hat, ist auch
eine Anordnung möglich, bei der nur eine .einzige Öffnung 13 und eine einzige Hilfswicklung
16 vorgesehen sind. Eine andere Anordnung ist in Abb. q. dargestellt. Der Eisenkern
io hat eine Öffnung 13 mit der Hilfswicklung 16, die den größeren Querschnitt 14
des Kernes umgibt.. Die Wicklung 16 ist hierbei so geschalte, daß der Sekundärstrom,
der in ihr fließt, einen Fluß hervorbringt, dessen Richtung derjenigen des primären
Hauptflusses entgegengesetzt ist. Die Wirkung ist im übrigen die gleiche wie bei
der Anordnung nach Abb. 2. Auch bei der Anordnung nach Abb. q. arbeitet der Kraftlinienpfad
14 auf dem aufsteigenden Teil der Permeabilitätskurve, während der .Teil i 5 auf
dem abfallenden Ast der Permeabilitätskurve arbeitet.
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Wenn 'es auch zweckmäßig ist, die Kurzschlußwicklung 2o in derselben
Öffnung 13 anzubringen wie die Hilfswicklung (s. Abb. 2), so ist es ohne weiteres
möglich, die Hilfswicklung 2o in einer besonderen Öffnung 13 anzuordnen, wie dies
aus Abb. q. hervorgeht. Hierdurch ergibt sich unter Umständen eine Vereinfachung
in der Konstruktion.