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Anordnung zur Verminderung des Einflusses von Netzspannungsschwankungen
auf die von einem Gleichrichter gelieferte Spannung und zur gleichzeitigen Erzielung
einer bestimmten, von der natürlichen Spannungsstromcharakteristik der Gleichrichteranordnung
abweichenden Charakteristik Es sind bereits Schaltungen bekanntgeworden, die den
Zweck haben, mit Hilfe ruhender Transformatoren den Einfluß von Netzspannüngsschwankungen
auf einen Verbraucherstromkreis zu beseitigen. Hierzu bedient man sich zweier Transformatoren,
die verschiedene magnetische bzw. Spannungsstromcharakteristiken aufweisen. So ist
es bekannt, die Sekundärwicklungen zweier solcherTransformataren, die beide von
der Netzspannung erregt werden, hintereinanderzuschalten, um auf diese Weise in
einem Verbraucher 'unabhängig von Netzspannungsschwankungen einen konstanten Strom
zu erzielen. Man hat auch bereits eine Reihenschaltung von zwei Transformatoren,
die verschiedene Übersetzungsverhältnisse aufweisen, dazu henubzeb um die abgegebene
Sekundärspannung bei konstanter Primärspannung willkürlich zu regeln. Zu diesem
Zweck hat man auf dem einen Transformator eine Vormagnetisierungswicklung aufgebracht,
die es gestattet, die Aufteilung der gesamten Spannung auf die hintereinandergeschalteten
Wicklungen durch Regelung des Vormagnetisierungsgleichstromes zu verändern. Diese
letztgenannte Anordnung hat man auch bereits zum Anschluß einer Gleichrichteranlage
an ein Wechselstromnetz verwendet.
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Es ist ferner bekannt, in Reihe mit dem Transformator, welcher die
Wechselspannung für einen Gleichrichter liefert, eine Drosselspule zu schalten,
die vom gleichgerichteten Strom des Gleichrichters vormagnetisiert wird. Durch eine
solche Anordnung kann man erreichen, daß die Verbraucherspannung auch bei Änderung
des dem Gleichrichter entnommenen Stromes annähernd konstant bleibt. Diese Anordnung
hat aber noch den Nachteil, daß Änderungen der Primärspannung nicht ausgeglichen
werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Gleichrichteranlage
den Einfluß von Netzspannungsschwankungen auf die von dein Gleichrichter gelieferte
Spannung zu vermindern und gleichzeitig eine bestimmte, von der natürlichen Spannungsstrom:charakteristik
der Gleichrichteranordnung abweichende Charakteristik zu erzielen. Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, d'aß der Gleichrichter an die gleich- oder gegensinnig
in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen
zweier primär in Reihe
geschalteter Transformatoren, vorzugsweise verschiedenen übersetzungsverhältnisses,
angeschlossen ist, daT3 der eine der beiden Transformatoren vom gleichgerichteten
Strom vormagnetisiert ist, und daß unabhängig von der Höhe der Vorniagnetisierung
die Spannungsstromcharakteristiken der beiden Transformatoren im Arbeitsbereich
eine im annähernd gleichbleibenden Verhältnis zueinander stehende Neigung haben.
Rein schaltungsmäßig benutzt die Erfindung also bekannte Aufbauelemente, die jedoch
in neuartiger Weise zum Zusammenwirken gebracht werden. Wesentlich ist für die Erfindung
dabei, daß die Magnetisierungscharakteristiken der beiden Transformatoren in dem
den normalen Netzspannungsschwankungen entsprechenden Bereich Neigungen besitzen,
die in einem bestimmten Verhältnis -zueinander stehen. Je nach der Wahl des Übersetzungsverhältnisses
können dabei die Neigungen gleich oder verschieden sein. Erreicht wird diese Einstellung
der Neigungen durch Wahl der magnetischen Widerstände, z. B. des Ouerschnittes oder
des Luftspaltes, und der Windungszahlen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. In Fig. i ist an das Wechselstromnetz die Reihenschaltung der Primärwicklungen
der beiden Transformatoren i und 2 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen der beiden
Transformatoren sind gegeneinandergeschaltet und speisen über die Gleichrichteranordnung
3, die beispielsweise aus vier Trockengleichrichtern in Graetzschaltung besteht,
eine Pufferbatterie d.. An diese sind weitere Verbraucher angeschlossen, die in
der Figur nicht dargestellt sind. Der Transformator 2 besitzt eine Wicklung 5, die
vom Verbrauchergleichstrom durchflossen wird. Das Übersetzungsverhältnis der beiden
Transformatoren ist verschieden und kann beispielsweise durch Anzapfungen auf der
Primär- oder Sekundärseite den jeweiligen Verhältnissen angepaßtwerden.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei auf Fig. 2 verwiesen, in welcher
in Abhängigkeit vom Magnetisierungsstrom J," die Spannung an den Transformatoren
i und a aufgetragen ist. Die Kurve A zeigt den Zusammenhang zwischen der Spannung
E und dem Magnetisierungsstrom J1. des Transformators i, die Kurve Bo den Zusammenhang
zwischen .der Spannung E und dem Magnetisierungsstrom J.," des Transformators 2.
Die Kurve B1 zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom des Transformators
2 bei einer bestimmten konstanten Vo:rmagnetisierung, die Kurven B2 und Bs zeigen
den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom bei höheren Vormagnetisierungen. In
Fig. 2 ist ferner noch die resultierende Spannung, die an den beiden Transformatoren
bei Leerlauf herrscht, eingezeichnet. Diese Kurve trägt das Bezugszeichen Co. Es
sei angenoniinen, daß der Transformator i das Übersetzungsverhältnis i : i, der
Transformator 2 das Cbersetzungsverhältnis 2 : i besitzt. Ist die Primärspannung
Eo= roo%, so entfällt bei Leerlauf, wie aus den Kurven ersichtlich, auf den Transformator
i 6.4% und auf den Transformator 2 360o der Primärspannung. Die Sekundärspannung
des Transformators i beträgt dann 64.% und die des Transformators 2 i8% der Primärspannung.
Am Gleichrichter herrscht demnach eine Spannung, die gleich ..160/0 der Primärspannung
ist. Wird nun Verbraucherstrom entnommen, so wird der Transformator 2 vormagnetisiert,
die Vektoren der Transformatorspannungen verdrehen sich gegeneinander, so daß die
Differenz der Sekundärspannungen bei zunehmender Vormagnetisierung des Transformators
2 ansteigt.
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In. Fig. -. ist das Vektordiagramm für eine bestimmte X etzspannung
Eo, einen bestinfiniten Wert der Vormagnetisierung bzw. des Belastungsstromes und
der Ohmschen Belastung gezeichnet. J, ist der Primärstrom der beiden Transformatoren,
J ist der Sekundärstrom, der die beiden Transformatoren durchfließt. Nimmt man an,
daß beide Transformatoren gleiche primäre Windungszahl besitzen, so erhält man,
da das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators i : i, das des zweiten a
: i ist und die beiden Transformatoren sekundär gegeneinandergeschaltet sind, den
@@lagnetisiertingsstrom l1", für den Transforniator i dadurch, daß man zum Primärstrom
Jo den Sekundärstrom J hinzuzählt, während man den Magnetisierungsstroni J.=", des
Transformators 2 dadurch erhält, daß inan voni Primärstrom den halben Sekundärstrom
abzieht. Die Spannung El am Tiansforniator i steht senkrecht zum .%lagnetisierungs-Strom
J1", dieses Transformators, die Spannung E., des Transformators 2 steht senkrecht
auf dein Magnetisierungsstrom L@ "Z des Transformators 2. Die Größe dieser Spannungen
ergibt sich aus Fig.2, indem man zum Magnetisierungsstrom J1," aus der Kurve A die
Spannung des Transformators i ermittelt, während man zum Magnetisierungsstrom J#."Z
aus der Kurve B1, die bei dem Sekundärstrom J den Zusammenhang zwischen Spannung
und Strom ergibt, die Spannung des Transformators 2 ermittelt. Das Diagramm der
Fig. 4. muß so gezeichnet werden, daß die Summe dieser beiden Spannungen El und
E.., die Netzspannung E, gibt. Die Sekundärspannung E, d. h. die am Gleichrichter
herrschende Spannung, erhält man, trenn man von
der Spannung Ei
des Transformators i, die gleich der sekundären Spannung dieses Transformators i
ist, E'2 gleich der halben Primärspannung E2 des Transformators 2 abzieht.
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Führt man diese Konstruktion mehrmals aus, so erhält man den Verlauf
der am Gleichrichter herrschenden Spannung E in Abhängigkeit vom Belastungsstrom
J des Gleichrichters. Die Kurve F in Fig. 3 gibt diesen Zusarnmenhang an. Man sieht,
daß die Spannung E an den Wechselstromklemmen des Gleichrichters bei steigendem,
vom Gleichrichter geliefertem Strom J ansteigt. In Fig. 3 ist ferner noch der Spannungsabfall
Es im Gleichrichter einschließlich des Spannungsabfalles in allen übrigen Widerständen
dargestellt. Es ist dabei angenommen, daß der Spannungsabfall proportional mit dem
Strom J ansteigt. Da nun der Gleichrichter auf eine Batterie arbeitet, so ergibt
sich folgendes Ist die Spannung der Batterie gleich E" (diese Spannung ist auf die
am Gleichrichter herrschende Wechselspannung umzurechnen) und legt man durch diesen
Punkt eine Parallele E'3 zum Spannungsabfall im Gleichrichter, so bekommt man den
Zusammenhang zwischen der Spannung des Gleichrichters und dein Strom, wie er durch
die Batteriespannung und den Spannungsabfall im Gleichrichter gegeben ist. Diese
Gerade E'3 schneidet die Kurve F in einem einzigen Punkt, der einem stabilen Belastungszustand
entspricht. Es wird also die Batterie bei der Batteriespannung E' mit einem Strom
aufgeladen, der gleich J' ist. Ist die Batterie belastet, so ist der Ladestrom der
Batterie um den Belastungsstrom kleiner. Durch den Ladestrom steigt die Batteriespannung
allmählich an, der Ladestrom nimmt ab, bis in dem Punkt D, wo die Parallele zum
Spannungsabfall E3 die Kurve F berührt, der Strom J plötzlich auf -Null springt.
Der Strom J -bleibt so lange Null, bis durch Entladung der Batterie deren Spannung
wieder auf den Wert E' gefallen ist.
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Wählt man dagegen den Anstieg der Sekundärspannung der beiden Transformatoren
im Bereich des geringen Ladestromes kleiner als den Anstieg des Spannungsabfalles
im Gleichrichter und den übrigen Widerständen, so bekommt man kein Kippen mehr,
aber dafür eine sehr steile Abhängigkeit des Ladestromes vom. Belastungszustand
bzw. der Spannung der Batterie.
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Ist zwischen Batterie und Gleichrichter, wie im Ausführungsbeispiel
dargestellt, eine besondere Glättungsspule 6 eingeschaltet, so springt der Strom
nicht mehr auf den Wert Lull; er springt aber bei Erreichen einer bestimmten oberen
Grenze der Batteriespannung auf einen sehr kleinen Wert, und sobald die Batteriespannung
einen bestimmten unteren Grenzwert unterschritten hat, erhöht sich der Strom sprungartig
wieder auf einen sehr großen Wert.
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Ändert sich nun beispielsweise die Netzspannung um plus 2o °/" so
ergibt sich bei unbelasteten Transformatoren aus den Kurven cler Fig.2 eine Sekundärspannung
von 46,5 010 der Primärspannung. Die Sekundärspannung hat sich also bei Änderung
der Primärspannung um 2o % nur um rund i °/o geändert. In Fig.3 ist noch die KurveF'
der Sekundärspannung für eine um 2o °io höhere Primärspannung dargestellt. Man sieht,
daß besonders im Bereich kleiner Ströme die beiden Kurven nur wenig voneinander
abweichen, so daß der Kippunkt D beinahe stets bei derselben Batteriespannung*bzw.
demselben Ladestrom vorhanden ist. Man erreicht also durch diese Anordnung, daß
bei primären Netzspannungsschwankungen sich der Kippunkt nur sehr wenig verschiebt.
Die mittlere normale Primärspannung kann beispielsweise bei der Anordnung zu i io
olo von E gewählt werden.
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Auch wenn man kein Kippen erreicht, also die Änderung der Sekundärspannung
E bei geringen Ladeströmen flacher verlaufen läßt als die Änderung des Spannungsabfalles
im Gleichrichter, so bekommt man in diesem Fall den Vorteil, daß unabhängig von
der Primärspannung nahezu jedem Strom eine bestimmte Spannung zugeordnet ist.
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Bisher war angenommen worden, daß die Anordnung so bemessen wird,
daß der innere Spannungsabfall des Gleichrichters über- oder unterkompensiert wird.
Man kann aber auch durch entsprechende Wahl der magnetischen Charakteristik der
Transformatoren, der Windungszahlen und der Größe der Vormagnetisierungswicklung
erreichen, daß innerhalb eines bestimmten Bereiches des Belastungsstromes J auch
bei Änderungen der Primärspannung der Spannungsabfall im Gleichrichter und den Zuleitungen
durch entsprechende Erhöhung der von den Transformatoren gelieferten Spannung E
ausgeglichen wird. Der Gleichrichter kann dann als Ersatz einer Batterie dienen,
da er unabhängig von den normalen Netzspannungsschwankungen und den Belastungsschwankungen
eine nahezu unveränderliche Gleichspannung abgeben kann.
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Im Ausführungsbeispiel besteht der Transformator 2 aus zwei Einzeltransformatoren,
deren Primär- und Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind und die eine gemeinsame
Gleichstromwicklung besitzen. Man könnte aber auch jeden Transformator mit einer
besonderen Vormagnetisierungswicklung ausrüsten. Man kann auch statt zweier Transformatoren
einen dreischenkligen Transformator verwenden, dessen Außenschenkel beispielsweise
die
Wechselstromwicklungen tragen, während der Mittelschenkel die Gleichstromwicklung
trägt. Man kann aber auch nur einen zweischenkligen Transformator mit einer Wecliselstromwicklung
und einer Gleichstromwicklung verwenden, wenn man die in diesem Fäll in dein Gleichstromkreis
induzierten Wechselspannungen in Kauf nehmen kann.
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In Fig. -- der Zeichnung ist ein anderes Ausführungsbeispicl der Erfindung
dargestellt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 sind die Sekundärwicklungen derTransformatoren
#c: geschaltet, daß sich ihre Sekundärspannungen addieren. Wählt man das Verhältnis
von Primär- zu Selcundärspannung des Transformators 2 größer als das des Transformators
i und wählt man geeignete Magnetisierungscharakteristiken für die beiden Transformatoren,
so kann man erreichen, daß bei wachsender Vorniagnetisierung die .gesamte Sekundärspannung
ansteigt und gleichzeitig der Einfluß von Änderungen der Primärspannung auf die
Sekundärspannung vermindert wird. Es wird zwar bei der Anordnung nach Fig. 5 kein
so guter Ausgleich der Netzspannungsschwankungen erzielt werden können wie bei der
Anordnung nach Fig. i, dafür kann man die Transformatoren für eine geringere Leistung
bemessen. Die Wahl des Übersetzungsverhältnisses und der magnetischen Charakteristik
der beiden Transforinatoreti hängt wieder davon ab, ob man den Spannungsabfall ini
inneren Widerstand des Gleichrichters und den anderen Widerständen des Irreises
kompensieren oder über- oder unterkompensieren will. Die Schaltung entspricht im
übrigen der Schaltung nach Fig. i.
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Ist beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. i die Batteriespannung
auf den Wert E' gefallen. so ist der Strom, den der Gleichrichter liefert,
gleich J'. Wird nun die Batterie durch Verbraucher so stark belastet, daiß diese
einen größeren Strom als J' der Batterie entnehmen, so fällt die Spannung der Batterie
v: eiter, und der vom Gleichrichter gelieferte Strom steigt an. Um zu vermeiden,
daß durch eine so starke Belastung der Gleichrichter überlastet wird, kann man noch
Mittel vorsehen, um ein zu starkes Ansteigen des Gleichrichterstroines zu vermeiden.
Zii diesem Zweck kann inan beispielsweise parallel zur Gleichstroniwicklung 5 einen
Widerstand mit negatiE-eni Teinperaturlzoeffizienten legen, vorzugseise einen solchen,
bei dem in einem ge-@t-issen Bereich bei steigendem Strom die Spannung fällt.
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Der t\vlerstand wird so bemessen, daß er im normalen Betrieb mir einen
geringen Teil des gleichgerichtete Stromes an der Wicklung 5 vorbeileitet. Wenn
aber der Verbiaucherstroin den Wert J' übersteigt, so er-
wärmt sich der Widerstand
so weit, daß ein größerer Teil des Stromes über ihn fließt. Dadurch wird erreicht,
daß die Vormagnetisierung der Wicklung 5 nicht mehr proportional mit dem Strom J
ansteigt, sondern weniger als proportional, wodurch der Strom des Gleichrichters
nicht mehr so stark ansteigen kann. Man kann sogar erreichen, wenn der Widerstand
in einem gewissen Bereich eine fallende Spannungsstronicharakteristik besitzt, daß
die Vormagnetisierung bei 1'berschreiten eines bestimmten Stromwertes abnimmt. Man
erreicht so eine Begrenzung des voni Gleichrichter abgegebenen Höchststroines.
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Die Erfindung kann nicht nur bei Anordnungen mit Trockengleichrichtern,
sondern auch bei Anordnungen mit anderen Gleichrichtern Anwendung finden.
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In dein Ausführungsbeispiel ist die Erfindung für Einphasensysteme
gezeichnet. plan kann die Anordnung nach der Erfindung aber auch für Drelistromsvsteine
verwenden. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise den Transformator r und ebenso
den Transforinator #, durch je zwei Transformatoren ersetzen und in V-Schaltung
an ein Drehstromnetz anschließen. Man kann aber auch als Transformator i und als
Transformator einen Drelistromtransforniator verwenden, wobei man beim Transformator
: dafür sorgen muß, daß durch einen oder mehrere zusätzliche Schenkel ein magnetischer
Kreis für die Ausbildung des Gleichflusses vorhanden ist. Man kann die Gleichstromwicklungen
auf jeden der bewickelten Schenkel aufbringen und die einzelnen Wicklungen in Reibe
schalten. Man hat dabei den Vorteil, daß in der Gleichstromwicklung keine Spannung
der Grundwelle auftritt.