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Gleichstrom- und Gleichspannungswandler Zur transformatorischen Übertragung
von Gleichstrom- und Gleichspannungsgrößen für bLeß- und Regelzwecke finden Anordnungen
mit magnetisch gesättigten Kreisen Verwendung, die man auch als fremderregte Strom-
und Spannungswandler ilezeichnet. Die für die Messung erforderliche Leistung wird
hierbei nicht dem Netz entnommen, in dem gemessen wird, sondern einer eigenen Ä\'echselstromquelle,
die die Erregung des NVandlers liefert.
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Die Theorie dieser Schaltungen ist seit langem genau bekannt; die
Wandler lassen sich mit großer Genauigkeit ausbilden, besonders wenn man hochgesättigte
Kerne aus magnetischen Niaterialien mit sehr scharfem Sättigungsknicl; benutzt.
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Bei der Auslegung derartiger Wandler treten Schwierigkeiten auf,
sobald es sich um t ibersetzungsverhältnisse handelt, die dem Wert 1 nallekommen,
und sobald man in den beteiligten Stromkreisen Störungen fürchten muß, die von Wechselstrom-
oder Wechselspannungskomponenten an den Wicklungen dieser Wandler in den Gleichstromkreisen
herrühren. Auf der Primärseite, wo der Wandler also von dem zu messenden Gleichstrom
oder einem von einer Gleichspannung abgeleiteten Meßstrom durchflossen wird, machen
sich diese Störungen verschieden bemerkbar, je nachdem, wie groß die Meßgröße selbst
ist. Es ist bekannt, daß durch die Vornagnetisierung der Kerne ein Gemisch von Grund-
und Oberwellen der erregenden Wechselspannung in Form von Spannungsspitzen auftritt.
diese Spannungsspitzen sind bei Wandlerti voI1 einem Übersetzungsverhältnis von
viel-
leicht I: 25 bis 1 : 1000 oder noch höher vollkommen unerheblich,
da diese Wandler auf der Gleichstromseite dann sehr niedrige Windungszahlen erhalten.
Bei Gleichspannungswandlern machen sich die Wechselspannungskomponenten auf der
Gleichstromseite meist deswegen nicht störend bemerkbar, weil vor der Gleichstromwicklung
ein großer Widerstand liegt, der sie in ihren Rückwirkungen auf den Hauptkreis abdrosselt.
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Werden derartige Wandler zur Ubertragung von Gleichströmen in Stromrichtergeräten
insbesondere für Regelzwecke verwendet, bei denen die Leistungen im Gleichstromkreis
im Verhältnis zur Ausgangsleistung der Wandler relativ klein sind, dann können besonders
bei Einschaltung von Stromwandlern in die Kreise von Stromrichtern Störungen auftreten
dadurch, daß der Gleichstromwandler im Betrieb in die Gleichstromkreise Wechselspannungen
induziert, die z. B. das Arleiten der Stromrichter stören. Diese Störungen sind
nicht ganz einfach auszugleichen, da die WechselsI,annungskomponenten im Wandler
ein Gemisch aus Grund- und Oberwellen des Netzes sind, für deren Kurzschließung
man Kondensatoren benötigt, die nun wieder auf die von dem Stromrichter erzeugten
Oberwellen im Gleichstromkreis außerordentlich störend einwirken.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile, die sich besonders zeigen, wenn
man den Gleichstromwandler z. B. für Regelzwecke in die Kathodenleitung eines Gleichrichters
einschaltet, der z. B. durch eine 5augdrossel mit verlängerter Anodenbrenndauer
arbeitet, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Speisung des Wandlers nicht
aus einem Einphasennetz, sondern aus einem dreiphasigen Netz vorzunehmen. Dann ist
die Störspannungskomponente auf der Wechselstromseite eine einfache Spannungskurve
dreifacher Frequenz und ihrer Vielfachen, die durch eine abgestimmte Kombination
von Induktivität und Kapazität einwandfrei kurzgeschlossen werden kann. Für den
Wandler selbst ergibt sich die Aufteilung in drei Kerne 1, 2, 3, die in den Zuleitungen
eines speisenden Dreiphasennetzes U, V, W entweder direkt vor einem Gleichrichter
Io in Dreiphasenbrückenschaltung liegen (Fig. I) oder diesen über einen zwischengeschalteten
Übersetzungswandler dreiphasiger Bauart (Fig. 2) speisen. In Fig. I verläuft der
Gleichstromkreis J = über die Wicklungen 4, 5, 6; dieWechselstromwicklungen sind
7, 8, 9; die Bürde ist 1 1.
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Berücksichtigt werden muß dabei, daß von den drei Wandlern immer zwei
Kerne durch gleiche Wechselstrommagnetisierung im gleichen Sinne übersättigt werden,
so daß die Gleichstromamperewindungen zweimal von den Wechselstromamperewindungen
der Kerne ausgeglichen werden müssen.
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Das Übersetzungsverhältnis des Wandlers ist also nicht gleich dem
Windungsverhältnis der Kerne, sondern bezogen auf den Sekundärstrom doppelt so groß.
Für die Dimensionierung gelten genau die gleichen Regeln wie bei den früher üblichen
Ausführungen; insebsondere läßt sich die Anordnung mit Kernen aus normalem Trausformatorblech
ebenfalls gut ausführen, besonders dann, wenn der durch den Magnetisierungsstrom
der Kerne entstehende Fehlstrom im Wirkungskreis des Wandlers durch eine andere
Hilfsgröße kompensiert werden kann.
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Der hier dargestellte Gedanke ist besonders vorteilhaft, wenn man
Gleichspannungen evtl. sogar unter Vergrößerung ihres Absolutwertes, z. B. für Steuerungszwecke,
übertragen muß. Um für die Spannungsmessung nicht gar zu große Verbrauche in Kauf
zu nehmen, wird man anstreben, die Primärwicklungen der Wandler mit hohen Windungszahlen
auszuführen. Von dem Vorschaltwiderstand kommt dann ein erheblicher Teil in Fortfall,
aber die störenden Wechsel spannungskomponenten, die dazu auch belastungsabhängig
sind, treten dann ziemlich unbehindert in den Gleichstromkreis ein und wirken besonders
schädlich, wenn in diesem, z. B. im Leerlauf eines Stromrichters, ein Organ von
Ventilcharakter enthalten ist. Es bereitet aber keine Schwierigkeit, diese Komponenten
durch Kondensatoren oder abgestimmte Hilfskreise kurzzuschließen, besonders da diese
jetzt relativ hochohmig ausgeführt werden können.
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Schließlich ergibt sich noch ein Vorteil auf der Ausgangsseite dieser
Anordnungen, wo eine gute Glättung des bei der Verwendung üblicher Eisensorten welligen
Ausgangsstromes durch Kondensatoren vorgenommen werden kann. Es ist bereits angegeben,
hierfür Drosseln zu benutzen, die dann auch noch die Fehler dieses Wandlers in gewissem
Umfang auszugleichen in der Lage sind. Es zeigt sich jedoch, daß bei Regelanordnungen,
wo der Wandler insbesondere auf plötzliche Stromzunahme sofort und einwandfrei reagieren
soll, die Drosseln nicht sehr angenehme Bauteile sind. Bei gleicher Kondensatorgröße
ist in der dreiphasigen Anordnung die Glättungswirkung dreimal besser, so daß die
Zeitkonstanten für das Nachfolgen der Sekundärgröße gegenüber plötzlichen Änderungen
an der Primären kleiner werden.
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Es kann unter Umständen auch ein siebenschenkliger Kern verwendet
werden, bei dem die fünf Mittelschenkel doppelt so breit wie die beiden Außenschenkel
und die Joche gehalten sind. Ein Ausführungsbeispiel für einen Wandler dieser Art
ist in Fig. 2 dargestellt, bei der die Breitenverhältnisse durch die Zahlen l/2
und I angegeben sind.
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Bezeichnet man die Schenkel von links beginnend mit A bis G, so sind
in diesem Fall die Schenkel B, D und F mit Wicklungen versehen. Die Richtung des
von diesen Wicklungen erzeugten Flusses ist in diesen Schenkeln dieselbe. In den
Schenkeln C und E kommen daher die Flüsse von je zwei benachbarten Wicklungen zusammen.
Daraus ergibt sich die oben angeführte Bemessungsregel für die Querschnitte. Die
Joche brauchen, da sie in jedem Teilabsehnitt den Fluß nur einer Wicklung führen,
nur den halben Querschnitt zu haben. Da die Flüsse im Bereich einer Wicklung nicht
zu den Schenkeln im Bereich anderer Wicklungen übergehen, kann man praktisch diese
Anordnung auch an den ge-
strichelt eingezeichneten Stellen trennen
und erhält dabei die schon eingangs angeführte Anordnung mit drei getrennten Kernen.