DE713085C - Nichtlinearer Resonanzkreis zur Betaetigung von Relais u. dgl. - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AiW
31, OKTOBER 1941

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21g GRUPPE 4o5

Lg6i22 VHIcJ2ig

Chauncey G. Suits in Schenectady, Neuyork, V. St. A-,

ist als Erfinder genannt worden.

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin Nichtlinearer Resonanzkreis zur Betätigung von Relais u. dgl.

Patentiert im Deutschen Reich vom 8. November 1938 an Patenterteilung bekanntgemacht am 9. Oktober 1941

ist in Anspruch genommen.

Es ist bekannt, daß in Stromkreisen, die eine Kapazität und eine eisenhaltige Induktivität enthalten, Resonanzerscheinungen auftreten, die den Strom bzw. die Spannung plötzlich um größere Beträge verändern. Ein bekannter, nichtlinearer Resonanzkreis ist derart ausgebildet, daß das zu betätigende Organ, etwa ein Relais, in Reihe mit einer eisenhaltigen Drossel, einem Kondensator und einem abschaltbaren Widerstand an eine Wechselspannung angeschlossen ist.

Bei einer anderen bekannten Anordnung dieser Art liegt das Relais in Reihe mit den Primärwicklungen zweier Transformatoren und ist an eine Wechselspannung angeschlossen. Parallel zu jeder der Sekundärwicklungen liegt ein Kondensator mit einem Widerstand in Reihe, Beide Sekundärwicklungen sind im übrigen gegeneinandergeschaltet, und dieser Stromkreis enthält das zu betätigende Relais. Bei einer Schaltung dieser Art verläuft die Spannung in Abhängigkeit vom Strom, etwa in der Form der üblichen Resonanzkurve mit ziemlich scharf ausgebildeter Spitze, so daß dementsprechend das Relais ziemlich genau bei Auftreten eines bestimmten Stromes anspricht.

Die Erfindung- betrifft ebenfalls einen nichtlinearen Resonanzkreis zur Betätigung von Relais, Reglern, Anzeigeorganen u. dgl. mit einem Kondensator und einer eisenhaltigen Drosselspule. Erfindungsgemäß ist die Anordnung dieser und weiterer Schaltelemente so getroffen und der Abgriff der Betätigungsspannung so gewählt, daß die kapazitiven und induktiven Komponenten der Betätigungsspannung in der Grundfrequenz in Phaseuopposition stehen, daß dagegen die beim Eintritt der Eisensättigung in der dritten Harmonischen hervortretenden Komponenten der

Hetiitigungsspannuiig phasengieich sind. Dadurch wird erreicht, daß ein beträchtlicher l'merschied zwischen den zuin Anzug bzw. Abfall des Relais erforderlichen Strömen vor· banden i.st, so daß sich das Relais nach dem Ansprecheil auch bei großen Stromänderun-. gen in einem großen Strombereich sicher hält und sein Halteverhältnis demgemäß günstig ausgebildet werden kann. In Übereinstimmung mit den im folgenden beschriebenin Ausführungsbeispielen wird also eine Resonanzbeziehung durch Abstimmung des Kreises auf die Grundfrequenz geschaffen. Dies geschieht vorwiegend mittels der Induktivität des Stromkreises, und es werden dadurch relativ weit auseinanderliegende Ansprechwerte der Kippcharakteristik erreicht. Bei geeigneter Bemessung der Elemente des Stromkreises addieren sich die Strom- bzw. Spannungskomponenten der Elemente des Stromkreises, wenn Resonanz eintritt, und durch die Sättigung der verwendeten Eisendrossel wird eine beträchtliche Verformung der Spannungskurve erreicht. Dies bedeutet, daß sich Oberwellen in sehr starkem Maße ausbilden und daß daraufhin die obere Ansprechgrenze der Kippcharakteristik weit über das Maß hinaus verlegt wird? das mit einem nichtlinearen Stromkr-eis übÜcher Art crreichbar ist.

In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiele der Ernndung'schematisch dargestellt, und zwar zeigen die Abb. 1 und 3 Reihenresonanzkreise. Die Abb. 2 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser beiden Ausführungsbeispiele. Die Abb. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Parallelresonanzkreis; die Abb. 5 zeigt das zugehörig..-Diagramm.

In Abb. ι bezeichnet 10 eine YVechselstromquelle, die auf einen Widerstand 11, eine eisenhaltige Drossel 12 und einen Kondensator 13 arbeitet. Außerdem ist ein Relais 14 vorgesehen, das zum Ansprechen bzw. Abfallen gebracht werden soll und das eine Wicklung 15, einen Kern 16 und einen Kontakt 17 besitzt. Bisher hat man üblicherweise die Relaiswicklung in Reihe mit der Induktivität bzw. Kapazität geschaltet. Die Abb. 2 zeigt in der gestrichelten Kurve X die Charakteristik eines solchen Resonanzkreises. Die angelegte Spannung E ist als Abszisse, der von dem Stromkreis aufgenommene Strom I al> Ordinate aufgetragen. Hei Wahl eines geeigneten Maß-Stabes kann als Ordinate auch die Spannung E₁. am Kondensator 13 aufgetragen werden, ohne daß sich dadurch der Verlauf der Kurve X ändert. Im Verlauf dieser Kurve sind nun zwei Punkte .'/ und B besonders bezeichnet. Der Strom im Punkt A ist beispielsweise derjenige, der notwendig ist, um das Relais 14 zum Ansprechen zu bringen. Sinkt im umgekehrten Fall der Strom unter den Wert/?, dann fällt das Relais ab. Im allgemeinen ist der Stromwert A zwei- bis zehnmal so groß als der Strom'/?.

EsgibtaberFälle.iii denen ein weitaus größeres Verhältnis verlangt wird. Um ein solches Stromverhältnis zu erhalten, ist ernndungsgemäß der Anschluß der Relaiswicklung so gelegt, wie in Abb.i dargestellt. Die Relaiswicklung liegt demnach parallel zu dem Kondensator 13 und einem Teil der Wicklung der Drosselspule 12. Diese Anordnung hat den Zweck, von dem Spannungsabfall an dem '75 Kondensator einen Teil des Spaunungsabfalles an der Induktivität abzuziehen, und zwar einen solchen Teil, daß diese Spannungsabfälle, die bekanntlich in Phasenopposition stehen, sich gegenseitig aufheben. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß eine ausreichende Zahl von Windungen der Induktivität verwendet wird, um zusammen mit dem Kondensator 13 einen Resonanzkreis zu bilden, der auf die Grundfrei[uenz des ganzen Kreises abgestimmt ist. In diesem Falle wird bei Eintritt der Sättigung der Induktivität eine merkliche Verfor- niung der Spannungskurve herbeigeführt. Die Abnahme der Kondensatorspannung E_c ist durch die -stark gezeichnete Kurve J" in Abb. 2 dargestellt. Die Spannung im Punkt A wird nun nicht, wie man annehmen sollte, erniedrigt, sondern vielmehr erhöht, so daß also das Verhältnis von Anzugs- und Abfallspannung beträchlich anwächst. Die erwähnte Verformung der Spannungskurve mit zunehmender Sättigung der Induktivität bedeutet nämlich, daß sich stark ausgeprägte Oberwellen dritter Ordnung ausbilden, die sowohl in der Kapazität als auch in der Induktivität zur Wirkung kommen. Auf Grund der gewählten Schaltung ergibt sich, daß die Komponenten des kapazitiven und des induktiven Spannungsabfalls zwar in Phasenoppositiosi stehen; jedoch sind die dritten Harmonischeu in Phase und addieren sich infolgedessen, sobald sie auftreten. Die dritten Harmonischen treten nun sofort ein. wenn Resonanz vorliegt und bewirken ein Ansteigen der an das Relais 14 angelegten Spannung. Außerhalb des Re- no sonanzfalles ist die Verformung der Spannungskurve vernachlässigbar, und es genügt hier, die Phasenlage der Grundwellen zu be·' trachten. Hei der Schaltung nach Abb. 1 subtrahieren sich aber die Komponenten der Grundwclle. so daß .die obenerwähnte Wirkung nicht eintritt. Es hat sich gezeigt, daß durch die gewählte Schaltung die an das Relais Γ4 angelegte Spannung gegenüber den üblichen Resonanzkreisen mehr als verdoppelt wird. Wird die Spannung E der Stromquelle um 3 % verändert, so ändert sich gleichzeitig

die Spannung £,. am Kondensator im Verhältnis 30 : ι.

In Abb. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Reihenresonanzkreises dargestellt, der wieder eine Wechselstromquelle 10, eine eisenhaltige" Induktivität und einen Kondensator 13 besitzt. Das zu betätigende Relais 14 ist in diesem Falle in Reihe in den Stromkreis eingeschaltet.

Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Abänderung des einfachen Reihenresonanzkreises dar und bewirkt das Auftreten einer großen Stromänderung zwischen der oberen und der unteren Ansprechgrenze. In diesem Fall wird eine Komponente des das zu betätigende Organ durchfließenden Stromes zur Verstärkung benutzt, und zwar so, daß sich diese Komponente von dem normalerweise vorhandenen Strom subtrahiert. Bevor Resonanz eintritt, bleibt der Strom gegenüber der Spannung um nahezu 90⁰ zurück. Erfindungsgemäß ist nun ein Kondensator iS in der gezeichneten Schaltung vorgesehen. Dieser zusätzliche Kondensator 18 nimmt einen Strom auf, der im Vergleich zu den anderen Elementen des Stromkreises gering ist und eine Kompensation für den phasenverschobenen Strom in der Induktivität 12 bei der Grundfrequenz und vor Eintritt der Resonanz darstellt. Es ist auch möglich, den Kondensator 18 und die Induktivität 12 als einen Parallelkreis zu betrachten, der auf die Grundfrequenz abgestimmt ist und infolgedessen vor Eintritt der Resonanz den .Strom durch das Relais 14 auf ein Minimum begrenzt. Wenn nun die Sättigungsgrenze der Drossel 12 erreicht ist, so treten ähnlich, wie· bereits oben erwähnt, Stromkomponenten der Oberwellen dritter Ordnung auf, die resultierende Impedanz nimmt ab, und demgemäß steigt der Strom durch die Wicklung des Relais 14. Die Steigerung des Stroms ist wesentlich höher, als sie mit einem üblichen Resonanzkreis erreichbar ist. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Änderung der angelegten Spannung um S % ein Stromverhältnis für Ansprech- und Abfallstrom von 30 : 1 ergibt.

Diese Ausführungsbeispiele zeigen, daß das Spannungsverhältnis des Parallelresonanzkreises durch eine ähnliche Methode, wie sie beim Reihenresonanzkreis angewendet wird, verbessert werden kann. In Abb. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Parallelresonanzkreis dargestellt. Dieser enthält wieder eine Wechselstromquelle 10 und einen B,plastungs widerstand 11.

In der einfachsten Form enthält der Stromkreis weiterhin eine Eisendrossel und eine Kapazität, die untereinander parallel, aber in Reihe in den Stromkreis eingeschaltet sind. Der aufgenommene Strom dient zur Steuerung,. Regelung oder Anzeige. Bei dieser einfachsten Form muß der verwendete Kondensator eine beträchtliche Kapazität besitzen, so daß in Abb. 4 eine einfachere Anordnung gezeigt ist. Diese Anordnung enthält einen Stromwandler ig, dessen Primärwicklung 19' mit einigen Anzapfungen versehen ist, um die Sättigung des Eisenkerns beliebig verändern zu können. Die Primärwicklung sowie eine Zusatzinduktivität 22 ist in Reihe mit der jo Stromquelle 10 .geschaltet. An die Sekundärwicklung ist ein Widerstand 20 und ein Kondensator 21 angeschlossen. Bei dieser Anordnung wirkt der Stromwandler 19 genau so -wie eine Eisendrossel, ermöglicht aber die Abriiessungen der verwendeten Elemente, insbesondere des Kondensators erheblich zu verringern. Geringe Änderungen des aufgenommenen Stroms bewirken eine beträchltliche Stromänderung in der Sekundärwicklung des Stromwandlers bzw. eine beträchtliche Änderung der Spannung .an der Primär- und Sekundärwicklung des Wandlers. Die Differenz zwischen den Spannungen vor und nach Eintritt der Resonanz ist nicht ganz so groß wie bei den vorerwähnten Ausführungsbeispielen. Es läßt sich aber ohne weiteres ein Verhältnis von 3 : ι leicht erreichen.

In Abb. 5 ist durch die gestrichelte Kurve X . die Kippcharakteristi.k eines üblichen Parallelresonanzkreises dargestellt, wobföi als Abszisse der den Stromkreis durchfließende Strom, als Ordinate die Spannungen £ bzw. Ji₂ aufgetragen sind. Dabei ist die Spannung E, wie Abb. 4 zeigt, am Kondensator 21 gemessen, die Spannung E₂ an den Klemmen der Reihenschaltung der Primärwicklung des Transformators und der Zusatzinduktivität 22. Das Verhältnis der Spannungen vor und nach Eintritt der Resonanz liegt in der Größen-Ordnung von 1:3.

Gemäß der Erfindung ist nun die Abweichung von einem solchen üblichen Resonanzkreis eine .Zusatzinduktivität 22 vorgesehen. Die Spannung an dem Transformator 19 bleibt, kurz bevor Resonanz eintritt, gegenüber dem Strom um genau 90⁰ zurück. Dies bedeutet, daß der Stromwandler eine Nachbildung einer Kapazität darstellt, so, als ob die Kapazität unmittelbar.in Reihe in den Stromkreis eingeschaltet wäre.. Wenn nun die Zusatzinduktivität 22 in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 19 vorgesehen ist, so ergibt sich dadurch eine andere Phasenverschiebung, und zwar heben sich die Spannungskomponenten der Spannungsabfälle an dem Transformator 19 und an der Induktivität 22 auf, da sie in Phasenopposition stehen.' Die resultierende Spannung-E₂ am Transformator und an der Induktivität 22: ist kleiner als die Spannung am Transformator 19 bzw. kleiner als die Spannung am Kondensator 21,

bevor Resonanz eintritt. Das Relais 14 ist nun so geschaltet, daß es von der Differenzspanuung des Resonanzkreises und der Zusatzinduktivität 22 erregt wird.
Wenn nun Resonanz eintritt, so addieren sich, ähnlich wie bei der Anordnung nach Abb. i, die Spannungskomponenten am Transformator 19 und an der Induktivität 22, und in diesem Fall ist die Spannung E₂ höher als vorher. Auch hier ergibt sich beim Eintreten der Resonanz eine Verformung der Spannungs- bzw. Stromkurven und dementsprechend die Ausbildung einer dritten Oberwelle. Der Verlauf der Spannung ist durch die stark ausgezogene Kurve Y in Abb. 5 dargestellt. Mit dieser Anordnung läßt sich erreichen, daß sich die Spannungen E₂ vor und nach Eintritt der Resonanz wie 1 : 13 verhalten, wenn· gleichzeitig die Spannung am Transformator im Verhältnis 1 : 3 geändert wird.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Nichtlinearer Resonanzkreis zur Betätigung von. Relais, Reglern, Anzeigeorganen u. dgl. mit einem Kondensator und einer eisenhaltigen Drosselspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung dieser und weiterer Schaltelemente so gegetroffen und der Abgriff der Betätigungsspannung so gewählt istj daß die kapazitiven und induktiven Komponenten der Betätigungsspannung in der Grundfrequenz in Phasenopposition stehen, daß dagegen die beim Eintritt der Eisensättigung in der dritten Harmonischen hervortretenden Komponenten der Betätigungsspannung phasengleich sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (12) und die Kapazität (13) des Resonanzkreises in Reihe geschaltet sind und daß der zu betätigende Apparat (14) parallel zu dem Kondensator und einem Teil der Induktivität geschaltet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Induktivität

   (12) und Kapazität (13) des Resonanzkreises· mit dem zu betätigenden Apparat

   (14) in Reihe geschaltet sind und daß parallel zu Induktivität und Kapazität ein weiterer Kondensator (18) geschaltet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu betätigende Apparat (14) parallel zu der Reihenschaltung einer Zusatzinduktivität (22; und der Primärwicklung eines anzapfbaren Stromwandlers (19) liegt, dessen Sekundärwicklung über einen Kondensator (21) geschlossen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   BERLIN. GEDRIT-IvT IS ΙΪΚΗ