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Einrichtung zur Eigenvormagnetisierung von Stromwancllern mit geteiltem
Eisenkern Die vorliegende Erfindung bezweckt die Verkleinerung des Magnetisierungsstromes
und hiermit der übersetzungs- und Winkelfehler von Stromwandlern durch eine Wechselstromvormagnetisierung,
d. h. durch eine Erhöhung der Anfangspermeabilität,desKernmaterials mit Hilfe einer
gesonderten überlagerten Magnetisierung, welche von der eigenen iSekundärwicklüng
des Stromwandlers über eine Hilfswicklung zugeführt wird.
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Es ist bekannt, den Hauptkern des vormagnetisierten Wandlers zu unterteilen
und seine Vormagnetisierungswicklung so anzuordnen, daß diese Wicklung auf den Kernteilen
teils im gleichen, teils im entgegengesetzten Sinne wie die Primär- und Sekundärwicklungen
magnetisierend wirkt. Es ist weiterhin auch bekannt, an Stelle von zwei durch einen
Luftspalt getrennten nebeneinanderliegenden Eisenkernen einen einzigen Mantelkern
zu verwenden, bei welchem sich dann die Unterteilung und mit dieser die Vormagnetisierung
des Wandlerkernes nur auf die Joche und Außenschenkel dieses Mantelkernes erstreckt.
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Ferner sind Stromwandler bekannt, bei denen die Erregerwicklung von
einem Hilfskern aus gespeist wird, wobei die vormagnetisierende Erregung ,ausschließlich
dem Sekundärkreis des Hilfswandlers entnommen wird. Schließlich ist es auch schon
bekanntgeworden, die Hilfsbürde des Stromwandlers an eine besondere, .auf dem Häuptkern
angebrachte Kompensationswicklung anzuschließen, die somit den gesamten Drosselstrom
aufzunehmen hat. Bei dieser Anordnung dient die Hilfswicklung nicht der Vormagnetisierung,
sondern einer teilweisen Entmagnetisierung des Hauptkernes.
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Die Erfindung macht es sich nun. zur Aufgabe, die Vorteile der vorbekannten
Anordnungen durch eine einzige Einrichtung in sich zu vereinen und darüber hinaus
eine Leistungssteigerung zu erzielen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß zum selbsttätigen Abgleich der Vormagnetisierungswirkung der Vormagnetisierungswicklungen
rz" ein Teil der vom Sekundärstrom gelieferten und im Betrieb nur von diesem abhängigen
Hilfsenergie von einer Hilfsbürde, z. B. BH, aufgenommen wird oder die dem
Sekundärkreise entnommene Vormagnetisierungsenergie durch eine zusätzliche Energie
kompensiert wird, für welche die resultierende Spannung aus der Summe der Teilspannungen
in den auf mit unterschiedlichen Querschnitten ausgeführten Haupteisenkernen angeordneten
Sekundärwicklungen gewonnen wird. Zugleich ist die erfindungsgemäße Anordnung so
ausgeführt, daß bei ihr
einerseits für die Vormagnetisierungszwecke
ein ausreichender Energiebetrag zur Verfügung steht, der die gewünschte Steuerung
vorzunehmen gestattet, und andererseits Vormagnetisierungsenergie nicht über ,iä#,
notwendige Maß hinaus gebracht zu we@tlexi braucht.
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Zu diesem Zweck besteht der Stromwand= ler aus zwei vormagnetisierten
KernteilenKi und K2 (Abb. i), deren vormagnetisierende Erregung dem Sekundärkreis
entnommen wird, d. h. dem Stromkreise, welcher auch die Hauptbürde enthält. Außerdem
wird für eine selbsttätige Abgleichung dieser vom Sekundärkreis gelieferten und
im Betrieb nur von diesem abhängigen Hilfsenergie durch eine Hilfsbürde
BH oder durch eine zusätzliche Spannung, die aus der Verschiedenheit der
Hauptkernquerschnitte resultiert, Sorge getragen. Die Vormagnetisierung wird den
Kernteilen über Hilfswicklungen tt" zugeführt, welche dergestalt in Serie zu verbinden
sind, daß der vormagnetisierendeFluß und der Hauptfluß in dem einen Kernteil in
gleicher und im anderen in entgegengesetzter Richtung fließen. Zu diesem Zweck sind
die Windungszahlen der Hilfswicklungen im allgemeinen gleich, so daß ihre gegenseitige
Kopplung mit dem Primär- und Sekundärstromkreis vermieden wird.
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Der Fortschritt der vorliegenden Erfindung gegenüber der bekannten
Anordnung einer Erregung der Hilfswicklung über eine in den Primärkreis eingeschaltete
Hilfsbürde ergibt sich daraus, daß bei der Erfindung auch der große Hauptkern des
Wandlers zur Transformation der benötigten Vormagnetisierungsenergie aus dem Primärkreis
herangezogen wird, während bei jener bekannten Anordnung hierzu nur ein notwendigerweise
verhältnismäßig kleiner Hilfskern dient.
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Auf diese Weise gewinnt man finit der vorliegenden Erfindung für einen
Stromwandler eine große gesteuerte Vormagnetisierungsenergie ohne jede zusätzliche
Belastung seines Sekundärkreises.
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Zum Zwecke des Ausgleichs der Vormagnetisierung des Wandlers auf einen
möglichst günstigen Größen- und Phasenbereich verlegt man erfindungsgemäß ferner
die Hilfsbürde BH in den Sekundärkreis des Wandlers (vgl. Abb. i), dessen primäre
und sekundäre Windungszahlen mit N und n bezeichnet sind. Abb. a zeigt ein
Ausführungsbeispiel für einen zweiteiligen Mantelkern.
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Die Hilfsbürde für Bn kann konstruktiv als Kern mit einem Hauptkern
zusammengefaßt werden, indem man ihr die gleiche Achsenlage und nach Möglichkeit
auch die gleichen Blechabmessungen gibt (Abb.3). Diese Einrichtung wie ,auch die
nach Abb. 4 entnehmen nicht nur dem Sekundärkreis über nH, sondern auch dem Primärkreis
über N eine gewisse Vormagnetisierungsenergie, so daß man im unteren Bereiche des
Primär-`stromes den steilsten Teil der Magnetisie-5'ytingskurve des Hauptkernes
leichter erreicht. Es kommt hierbei auch in Frage, BH nicht `direkt, sondern durch
Kopplung über einen Hilfskern (Abb. q.) in einen Sekundärkreis als Bürde einzuschalten.
Ein solcher Hilfskern besitzt dann z. B. eine im Sekundärkreis liegende Sekundärwicklung
ia,7 und außerdem eine Hilfsbürdenwicklung ns1" an welcher die Hilfsbürde BH liegt.
Die durch BH bewirkte Steuerung der Vormagnetisierung kann durch eine weitere
mit n,, in Serie liegende Hilfsbürde B" unterstützt werden.
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Die zugeführte Vormagnetisierung liegt, wie schon erwähnt wurde, in
dem steilsten Bereich der Magnetisierungskurve am günstigsten, d. h. sie ergibt
dort die kleinsten Wandlerfehler. Es kommt deshalb sowohl darauf an, die Vormagnetisierung.
unabhängig vom Primärstrom möglichst auf diesen Bereich zu begrenzen als auch ihre
Phase gegenüber der Belastungsmagnetisierung so zu wählen, daß diese in der Nähe
ihres zeitlichen Scheitelwertes und in einem möglichst großen Zeitintervall mit
jenem Bereiche der Vormagnetisierung zusammenfällt. Die letztgenannte Forderung
wird durch die Phasengleichheit der beiden Magnetisierungen, d.li. durch die Phasengleichheit
von EB und E" (Abb. i bis ¢), erfüllt, wenn diese Spannungen die gleiche Frequenz
besitzen und wenn der zeitliche Scheitelwert der Vormagnetisierung genau an der
steilsten Stelle der Magnetisierungskurve liegt. Andernfalls wird die günstigste
Phase der Vormagnetisierung erreicht, wenn man die Phase von E" der von EB bis auf
ein bestimmtes Maß nähert. Beide Forderungen, d. h. die Erreichung der genannten
Höhe und Phase einer Vormagnetisierung, erfüllt man durch eine geeignete Kombination
von konstanten und belastungsabhängigen Widerständen und Induktivitäten für die
Hilfsbürde BH bnv. B", wobei für die belastungsabhängigen Ohmschen Widerstände in
ersterLinieEisendrahtwiderstände, für die belastungsabhängigen Induktivitäten in
erster Linie Eisendrosseln in Frage kommen.
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Eine Begrenzung der Veränderlichkeit von E" in Abhängigkeit vom Primärstrom,
die erste Forderung, wird durch Wahl einer gesättigten Eisendrossel für BH, welche
als Haupteisendrossel bezeichnet wird, erreicht. Im Vektordiagramm (Abb. 5) sind
die Ströme i, iH und i" gleichphasig, und die Phase von E,, - EH eilt
dem Strom iH um 9o° und so selbst bei einem induktiven Belastungswinkel (p der Phase
von EB erheblich
vor. Sie wird ihr deshalb genähert, wenn man in
Serie oder parallel zu der Haupteisendrossel einen Ohmschen Widerstand anordnet.
Das Vektordiagramm der Strom- und Spannungsverteilung bei einer Serienschaltung
eines Ohmschen Widerstandes und einer Haupteisendrossel für BH veranschaulicht Abb.
6, wo sich ihre um 9o° phasenverschobenen Spannungsabfälle EI" und EHL
zu
EH = E,, zusammensetzen, -so daß hier die Phase von E" im Vergleich zu
Abb. 5 der Phase von E8 genähert erscheint. Eine entsprechende Darstellung der Wirkung
des Parallelwiderstandes R muß naturgemäß ein ähnliches Resultat ergeben. Ein Ausführungsbeispiel
hierzu ist in Abb. 7 dargestellt. Man vermeidet bei diesen Anordnungen eine zu hohe
Belastung des Wandlers im überstromgebiet durch den Serienwiderstand bzw. eine unwillkommene
Verkleinerung der Vormagnetisierung im untersten Stromgebiet durch den Parallelwiderstand,
wenn man parallel zu einem Serienwiderstand oder in Serie zu einem Parallelwiderstand
noch eine weitere Eisendrossel einschaltet.
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Statt dieser Anordnungen könnte man auch BH konstant halten
und .die Veränderlichkeit von E" durch einen Eisendrahtwiderstand für B" verringern.
Soll hierbei E" etwa die gleiche Phasenlage gegenüber E8 wie in Abb.6 einnehmen,
so wird man für BH einen Ohmschen Widerstand wählen.
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Eine Begrenzung der Veränderlichkeit von E" in Abhängigkeit von J
dürfte schließlich durch die Kombination einer Haupteisendrossel für BH und eines
Eisendrahtwiderstandes für B" sowie der damit verbundenen Maßnahmen besonders wirkungsvoll
erreicht werden.
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Die Erregung von % kann, wie bereits erwähnt, bei Wahl einer Haupteisendrossel
für BH entweder direkt an den Klemmen ihrer Sekundärwicklung i2H oder über
eine besondere Wicklung nH" (Abb. 4) entnommen werden. Im letzteren Falle ist eine
Phasenregulierung durch einen Serienwiderstand für BH bei einer direkten Einschaltung
dieser Bürde in den Sekundärkreis nicht möglich, sondern es werden vielmehr in der
Erregerspannung die Ohmschen Spannungsabfälle in der Wicklung iH eliminiert, was
eine besonders wirksame Begrenzung von E,, ergibt. Etwaige Parallelwiderstände zu
einer Haupteisendrossel können entweder an nH oder an nH,, oder an eine dritte Wicklung
angeschlossen werden. Besonders im letzteren Falle ließe sich die Wicklung selbst
durch Verwendung von Widerstandsdraht als Ohnmscher Parallelwiderstand ausbilden.
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Für die Vormagnetisierungswindungszahlen empfiehlt es sich, in sämtlichen
Hauptkernteilen nahezu oder vollständig gleiche Windungszahlen n" vorzusehen, da
nur so mit Rücksicht auf die gekrümmte Form einer Magnetisierungskurve die von i"
in den einzelnen Sekundärwicklungen induzierten Spannungen im ganzen Bereiche des
Primärstromes einigermaßen in einem festen Verhältnis stehen und sich so gegenseitig
aufheben können.
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Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung einen Ausgleich des durch
die Entnahme von Vormagnetisierungsenergie erzeugten Spannungsabfalles E" bzw. EH
im Sekundärkreis des Wandlers vor, durch welchen dort eine unerwünschte Erhöhung
der sekundären Belastung des Wandlers eintritt. Ohne diesen Ausgleich würde nämlich
jene zusätzliche Belastung auch deshalb die Wandlerfehler erheblich verschlechtern,
weil entweder die Vormagnetisierung des Kernes oder eine etwa hierzu in Gestalt
einer gesättigten Eisendrossel parallel geschaltete Hilfsbürde BH eine sich
mit dem Sekundärstrom des Wandlers sehr stark ändernde Bürde darstellen. Ein solcher
Spannungsabfall E" bzw. EH läßt sich nun bei dem erfindungsgemäßen Wandler durch
eine Erhöhung von Q1 gegenüber Q2, d. h. dadurch ausgleichen, daß die Summe der
über n" in den Sekundärwicklungen induzierten Spannungen entgegengesetzt gleich
diesem Spannungsabfall lE"bzw.EH wird. Zu diesem Zwecke sind z. B. bei Vernachlässigung
von E8 und bei einer Einrichtung ohne die Hilfsbürde B" die einzelnen Querschnitte
nahezu oder genau nach der Gleichung (Ql-Q2)yt - nvQ bzw.
wobei Q = Q1 -f-- Q2, zu bemessen, welche sich unter Berücksichtigung von FB noch
etwas verändert. Auch die Abb. q. zeigt die Kombination von beiden Ausgleichseinrichtungen
der vorliegenden Erfindung, wobei jedoch n" nicht an die Sekundärwicklung uH, sondern
beispielsweise an eine besondere Wicklung nx" einer vom Primärkreis miterregten
Haupteisendrossel angeschlossen ist.
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Soll ein Wandler für mehrereÜbersetzungsverhältnisse mit verschiedenen
N, aber gleichen n, d. h. mit gleichen primären Amperewindungen bei sekundärem Nennstrom
sowie für gleiche Vormagnetisierung bei Nennstrom ausgelegt werden, so bleibt nach
G1. (z) das Verhältnis Q ,IQ 2, d. h. die Unterteilung des Hauptkernes
in K1 und K2 unabhängig von dem jeweiligen Übersetzungsverhältnis. Ändern sich dagegen
mit dem übersetzungsverhältnis auch die Sekundärwicklungszahlen
und
bleiben nur der sekundäre Nennstrom sowie die Vormagnetisierung bei Nennstrom etwa
die gleichen, so muß sich nach G1. (i) auch die Unterteilung von K in K1 und K:
ändern. Eine solche Veränderlichkeit läßt sich erfindungsgemäß bei gleichen bzw.
gemeinsamen Sekundärwindungszahlen durch eine Umschaltung der Vormagnetisierungszahlen
n,, allein erreichen.
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Dies sei hier an dem Beispiel der Abb.8 erläutert. In -dieser bezeichnen
a1, a2, a3 die drei Anzapfungen mit den zugehörigen Windungszahlen n1, n2, n3 und
-b- das eine Ende einer Sekundärwicklung. Der Hauptkern enthält die beiden festen
Teilkerne K, und Kb mit Querschnitten Q" und Qb, zwischen welchen die Teilkerne
K, und K2 mit Q1 und Q= liegen und die durch Umschaltung der ,Vormagnetisierungswicklungen
bald mit K" zu einer Kerngruppe K1, bald mit Kb zu einer Kerngruppe K2 zusammengefaßt
werden sollen. Zu diesem Zweck ist für jede dieser KombinationenKi, K2 eine gesonderte
Kreuzschaltung vorgesehen. Die Vormagnetisierungswindungszahlen n"1, n"., n"3 dieser
Kreuzschaltung entsprechen demnach den Anzapfungen a1, a2, a3. Die einen Enden von
n",, 7a"z, n" münden in der einen Klemme (i) einer Erregerspannung E", während die
anderen Enden getrennten Klemmen a1, a2, a3 zugeführt werden, welche der anderen
Klemme (2) von E,, gegenüberliegen. Wird alsdann auf der Sekundärseite die Anzapfung
dl angeschlossen, so ist gleichzeitig a1 mit 2 zu verbinden, während der Anzapfung
a2 die Verbindung a2 mit 2 usw. entspricht. Die Querschnitte Q", Qb, Q1 und Q2 sind
hierbei so zu wählen, daß EH bei jeder Umschaltung in der oben angegebenen
Weise ausgeglichen ist.
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In der Abb. 8 sind die nicht eingezeichneten Teile der Schaltung,
wie B und BH, gleich wie in den anderen Abbildungen geschaltet zu denken.