DE899370C - Als Magnetverstaerker verwendbare Drosselspulenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine insbesondere als Magnetverstärker verwendbare Drosselspulenanordnung, bei der der Arbeitswechselstrom durch verhältnismäßig kleine Eingangsgleichströme gesteuert wird und dadurch verhältnismäßig große Ausgangsleistungen ausgelöst werden. Durch das durch den Eingangsstrom im Spulenkern aufgebaute magnetische Gleichfeld wird die Permeabilität des Kernes und dadurch der induktive Widerstand der Drosselspulen geändert.

Die Erfindung hat eine Verbesserung einer derartigen Drosselspulenanordnung zum Gegenstand, bei welcher die Empfindlichkeit gemäß der Erfindung dadurch erhöht wird, daß der Arbeitswechselstrom mit Hilfe zusätzlicher Wicklungen das Arbeitswechselfeld in dem Sinn beeinflußt, daß die Wirkung des Steuerstromes unterstützt wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens dargestellt.

In Fig. ι ist eine Anordnung gezeigt, die zwei symmetrisch aufgebaute und gleich ausgelegte Ein- · heiten I, II aufweist. Jede Einheit enthält zwei Drosselspulen i, 2 bzw. 3, 4. Die einzelne Drosselspule weist eine auf einem hochpermeablen Kern angeordnete Arbeitswicklung auf. Die Arbeitswicklungen der vier Drosseln sind mit 5, 6, 7, 8, die Kerne mit 9, io, 11, 12 bezeichnet. Zur Speisung der Anordnung dient die Wechselstromquelle 13. Der Arbeitsstrom J_A durchfließt die beiden Ver

braucher 14, 15 bzw. wird über einen Mittelpunkttransformator 16 einem einzigen Verbraucher 17 zugeleitet.

Der Steuerkreis wird von einem bei 18 vorgesehenen Gleichstromgeber gespeist. Der Steuerstrom durchfließt die beiden Steuerwicklungen 19, 20. Die Steuerwicklung 19 ist den beiden Kernen 9, 10 der Einheit I in der Weise zugeordnet, daß die Grundwelle der -durch den Arbeits wechselstrom hervorgerufenen Wechselflüsse in der Steuerwicklung keine Spannungen hervorruft. In analoger Weise ist die Steuerwicklung 20 den beiden Kernen 11, 12 der Einheit II zugeordnet.

Damit einer Änderung der Steuerstromrichtung Jq auch eine Änderung der Wirkung des Verbraucherstromes folgt, beispielsweise damit der durch den Verbraucher 17 fließende Wechselstrom seine Phase umkehrt, wenn der Steuerstrom die Richtung umkehrt, wird der Gleichfeldarbeitspunkt der beiden Einheiten durch ein Vormagnetisierungsfeld in bekannter Weise gehoben. Der Vormagnetisierungsgleichstrom I_v fließt von der Gleichstromquelle 21 über die beiden Vormagnetisierungswicklungen 22, 23, die in entsprechender Weise wie die Steuerwicklungen jeweils den beiden Kernen 9, 10 bzw. 11, 12 gemeinsam sind.

Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Anordnung ist folgende:

Der Arbeitswechselstrom J_A folgt dem gesamten Gleichfeld, das aus dem Steuerfeld H₅ und dem im allgemeinen konstanten Vormagnetdsierungsfeld Hy besteht, grundsätzlich in der in Fig. 2 gezeichneten Weise. Ist das Steuerfeld Null, so wirkt in den beiden Einheiten nur dasGleichvormagnetisderungsfeld Hy, so daß der Arbeitsstrom in den beiden Einheiten gleich ist. Der Strom durch den Verbraucher 17 ist Null. Fließt ein Steuerstrom, so addiert sich bei der im Ausführungsbeispiel getroffenen Anordnung das durch ihn hervorgerufene Steuergleichfeld in der Einheit I zum Vormagnetisierungsgleichf eld, während es sich in der Einheit II subtrahiert. Der Arbeitspunkt rückt dadurch in der Einheit I von A nach A₁, in der Einheit II von A nach Aq. Das bedeutet, daß in der Einheit I der Arbeitswechselstrom J_A1 größer und in der Einheit II der Arbeitswechselstrom /,I₁₁ kleiner ist als im ungesteuerten Zustand. Bei Umkehr der Richtung des Steuerstromes tauschen die beiden Einheiten ihre Rolle. Im Verbraucher 17 fließt .damit ein dem Steuerstrom entsprechender Wechselstrom.

Gemäß der Erfindung wird nun der Arbeitswechselstrom zu einer zusätzlichen Beeinflussung der beiden Einheiten benutzt. Dies geschieht mit Hilfe der Wicklungen 25, 26 bzw. 27, 28, die bei diesem Ausführungsbeispiel dieselbe Wirkung auf die Arbeitsströme ausüben wie der Steuerstrom. Mit Hilfe der Wicklungen 25, 26 baut der Arbeitswechselstrom, der durch die Einheit II "fließt, ein Rückkopplungswechselfeld in der Einheit I auf. Entsprechend baut der Arbeitswechselstrom, der' in der Einheit I fließt, mit Hilfe der Wicklungen 27, 28 ein Rückkopplungsfeld in der Einheit II auf. Die Rückkopplungswicklungen 25, '26 sind dabei so angeordnet, daß ihre Wechselfelder phasengleich mit den von den Wicklungen 5, 6 aufgebauten Wechselfeldern sind. In entsprechender Weise sind die Rückkopplungswicklungen 27, 28 den Wicklungen 7, 8 zugeordnet.

Vernachlässigt man den Spannungsabfall an den Verbraucherwiderständen, der für die Beschreibung der Wirkungsweise nur eine untergeordnete Rolle spielt, so bleibt bei konstant gehaltenem Gleichfeld und konstant gehaltener Netzspannung auch die an den Drosseln liegende Wechselspannung und damit auch die in den Drosseln herrschende Wechselinduktion und damit das gesamte im Kern herrschende Wechself eldH_g konstant. Dieses Feld setzt sich nun beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus dem eigentlichen Arbeitsfeld H_A, das der Arbeitsstrom J_A aufbaut, und dem Rückkopplungsfeld H_R, das der Arbeitsstrom der anderen Einheit in der Rückkopplungswicklung aufbaut, zusammen. Die beiden Felder müssen sich nach dem oben Gesagten, nun stets so verteilen, daß ihre Summe das konstante Feld H_g beträgt. Baut der Rückkopplungswechselstrom in der Rückkopplungswicklung ein Feld auf, das dem vom Arbeitsstrom aufgebauten Feld phasengleich ist, so ist der Arbeitsstrom um einen entsprechenden Betrag kleiner als ohne Rückkopplung. Dieser Fall ist in Fig. ι verwirklicht. Im ungesteuerten Zustand haben die Rückkopplungswicklungen die Wirkung, daß sie den Arbeitsstrom herabsetzen.

Im gesteuerten Zustand steigt nach Fig. 2 der Arbeitswechselstrom· J_A χ der Einheit I an bzw. nimmt der Arbeits wechselstrom T_Au der Einheit II ab. Da der Arbeitswechselstrom der Einheit II gleichzeitig das Rückkopplungsfeld in der Einheit I aufbaut, nimmt somit bei der in Fig. 2 dargestellten Steuerung auch das durch die Wickhingen 25,26 aufgebaute Rückkopplungsfeld ab. Die arbeitsstromvermindernde Wirkung der Rückkopplungsfelder wird somit kleiner als sie im ungesteuerten Zustand war, d. h. die Abnahme des Rückkopplungsstromes in den Wicklungen 25, 26 hat eine Zunahme des Arbeitswechselstromes, der durch die Wicklungen 5, 6 fließt, zur Folge: sie unterstützt somit die Wirkung des Steuerstromes.

Das Analoge tritt in der Einheit II auf. In dieser Einheit steigt bei der in Fig. 2 dargestellten Steuerung der Rückkopplungswechselstrom in den Wicklungen 27,28 infolge des Ansteigens des Arbeitsstromes in der Einheit I an und bewirkt somit entsprechend den obigen Ausführungen eine Abnahme des Arbeitsstromes in der Einheit II. Sie unterstützt also auch hier die Wirkung des Steuerstromes, der ebenfalls den Arbeitswechselstrom J_An herabsetzt.

Eine weitere Verbesserung der Anordnung wird dadurch erzielt, daß der gesteuerte Arbeitsstrom in iao bekannter Weise gleichgerichtet und mit Hilfe zusätzlicher Wicklungen zur Erzeugung eines zusätzlichen magnetischen Gleichfeldes verwendet wird, das die Wirkung des steuernden Gleichfeldes unterstützt bzw. gegebenenfalls diesem entgegenwirken kann. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel darge-

stellt, das in wesentlichen Teilen mit dem Beispiel der Fig. ι übereinstimmt und bei dem deshalb gleiche Teile wie dort mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Arbeitsstrom mittels der Gleichrichteranordnungen 31, 32 gleichgerichtet und den Gleichfeldrückkopplungswicklungen 33, 34 zugeführt, die in entsprechender Weise wie die Steuerwicklungen den beiden Kernen 9, 10 bzw. 11, 12 zugeordnet sind. In den beiden Rückkopplungskreisen sind die Gleichstromverbraucher 35, 36 angeordnet.

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bestehen die in jedem Kern wirkenden Rückkopplungsfelder aus einem Wechselfeldanteil, der durch die Wechselstromrückkopplungswicklungen hervorgerufen wird, und einem Gleichfeldanteil. Bei Drosselschaltungen, bei denen das Arbeitswechselfeld mit dem Rückkopplungsgleichfeld nicht über eine Gleichrichteranordnung und eine getrennte Rückkopplungswicklung verknüpft ist, sondern dadurch, daß der Arbeitsstrom ein pulsierender Gleichstrom ist, der einen Gleich- und einen Wechselstromanteil enthält und somit direkt ein Gleich- und Wechselfeld aufbaut, kann die gleichzeitige Gleich- und Wechselrückkopplung auch durch einen pulsierenden Gleichstrom bewirkt werden. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt, das in analoger Weise wie das Beispiel der Fig. 3 aus zwei Einheiten aufgebaut ist. Die beiden Einheiten sind wiederum mit I, II bezeichnet, deren jede zwei Drosselspulen 41, 42 bzw. 43, 44 aufweist mit den Arbeitswicklungen 45, 46 bzw. 47, 48 und den Kernen 49, 50 bzw. 51, 52. Als Speisestromquelle dient der an einem Wechselstromnetz liegende Mittelpunkttransformator 53. Der pulsierende Gleichstrom wird durch die in Reihe mit den Arbeitswicklungen liegenden Einweggleichrichter 54> 55' 56, 57 erzeugt. Die Anordnung könnte indes auch aus einer Gleichstromquelle unter Verwendung von periodisch arbeitenden mechanischen Unterbrechern gespeist sein. Die Drosseln 41, 42 bilden zusammen mit den Gleichrichtern 54, 55 die Zweige einer Halbbrückenschaltung, in deren Brücke AO der Verbraucher 58 in Reihe mit einer der Einheit II zugeordneten Wicklung 59 liegt. Analog bilden die Drosseln 43, 44 zusammen mit den Gleichrichtern 56, 57 die Zweige einer Halbbrückenschaltung, in deren Brücke B O der Verbraucher 60 in Reihe mit einer der Einheit I zugeordneten Wicklung 61 liegt. Der Verbraucher 62 ist beiden Einheiten gemeinsam.

Der Steuergleichstrom fließt von der Steuerstromquelle 63 über die den beiden Kernen 49, 50 zugeordnete Steuerwicklung 64 und die den Kernen 51,52 zugeordnete Steuerwicklung 65. Die Wicklungen 64, 65 sind wieder wie in Fig. 3 so angeordnet, daß die in den Kernen herrschenden Wechselinduktionen in ihnen keine Spannungen induzieren.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Im ungesteuerten Zustand sind die beiden Halbbrücken abgeglichen, d. h. durch die Wicklungen 59, 61 und die Verbraucher 58, 60, 62 fließt kein Strom. In den einzelnen Arbeitswicklungen wird infolge des durch die Gleichrichter zwangsläufig hervorgerufenen pulsierenden Gleichstromes ein pulsierendes Gleichfeld erzeugt, das man jeweils in ein Gleich- und ein Wechselfeld zerlegen kann, deren Richtungen und zeitliche Folge in Fig. 5 a bis 5 d dargestellt sind.

Fließt ein Steuergleichstrom in der durch den Pfeil P versinnbildlichten Richtung, so werden die durch die Gleichrichter automatisch hervorgerufenen magnetischen Gleichfelder in den Kernen 49, 51 um das Steuergleichfeld erhöht und in den Kernen 51, 52 um das Steuergleichfeld erniedrigt. Damit verkleinert sich der induktive Widerstand der Drosseln 41,43 während derjenige der Drosseln 42,44 vergrößert wird. Infolge der dadurch bewirkten Brückenverstimmung fließt im Brücken- zweigtO von A nach O ein Strom, der mit dem in der Drossel 41 fließenden Arbeitsstrom richtungs- und phasengleich ist (Fig. 5 a). Entsprechend fließt im anderen Brückenzweig BO von O nach B ein Strom, der mit dem in der Drossel 43 fließenden Strom richtungs- und phasengleich ist (Fig.5c). Die in den genannten Brückenzweigen fließenden pulsierenden Ströme werden mit Hilfe der vorerwähnten Wicklungen 59,61 zur Rückkopplung verwendet.

Das mittels der Wicklung 61 aufgebaute pulsierende Gleiehfeld hat nach dem vorher Gesagten den in Fig. 5 a dargestellten Verlauf. Dieses Feld wirkt gleichzeitig auf die Drosseln 41 und 42, deren Feldverlauf in Fig. 5 a und 5 b dargestellt ist. Der Gleichfeldanteil des in der Wicklung 61 erzeugten pulsierenden Gleichfeldes besitzt dieselbe Richtung wie das Steuergleichfeld und verstärkt somit die durch den Steuerstrom in den Drosseln 41, 42 hervorgerufenen Permeabilitäts- und Widerstandsänderungen. Der Arbeitsstrom in der Drossel 41 steigt somit durch den Gleichfeldanteil der Rückkopplung noch weiter an, während er in der Drossel 42 noch weiter absinkt als ohne Rückkopplung.

Der Wechselfeldanteil des in der Rückkopplungswicklung 61 erzeugten pulsierenden Gleichfeldes ist mit dem Wechselfeld der Drossel 42 in Phase, während er mit dem Wechselfeld der Drossel 41 in Gegenphase ist (Fig. 5 a bis 5 c). Es wird demnach in der Weise, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. ι erläutert ist, der scheinbare induktive Widerstand der Drossel 41 durch die Einwirkung des Wechselstromanteiles des Rückkopplungsstromes herabgesetzt, während derjenige der Drossel 42 heraufgesetzt wird. Die Wirkungen des Wechselstromanteiles bei der gezeichneten Anordnung sind dieselben wie die Wirkungen des Gleichstromanteiles und damit dieselben wie die Wirkungen des Steuerstromes.

Die Vorgänge in der Einheit II sind analog. Das Rückkopplungsfeld hat die Richtung und den zeitlichen Verlauf von Fig. 5 a. Dieses Rückkopplungsfeld überlagert sich den Arbeitsfeldern in den Wicklungen 47,48 (Fig. 5 c, 5 d), so daß der induktive Widerstand in 47 heraufgesetzt und in 48 vermindert wird.

In Fig, 6 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der Erfindungsgedanke an einer einzigen Drossel verwirklicht ist. Der Arbeitsstrom, der von der Wechselstromquelle 66 kommt, fließt über die auf dem Kern 6γ liegende Arbeitswicklung 68 und den Gleichrichter 6g. Der Steuerstrom fließt von der Steuerstromquelle 70 gegebenenfalls über eine Drossel γτ durch die Steuerwicklung 72. Der Rückkopplungsstrom wird der Rückkopplungswicklung 73 über die Phasenschieberanordnung 74 zugeführt. Die Phasenschieberanordnung besteht hier beispielsweise aus den beiden Kondensatoren 75, 76 und den beiden Drosseln γγ, 78. Durch diese Anordnung wird bewirkt, daß der Gleichstromanteil des periodischen Arbeitsstromes über die Drossel Tj der Arbeitswicklung 73 in der Weise zugeführt wird, daß er den Gleichfeldanteil des pulsierenden Arbeitsfeldes erhöht. Der Wechselstromanteil wird dagegen über den Kondensator 75 der Rückkopplungs wicklung in der Weise zugeführt, daß er ein dem Arbeitswechselfeld entgegengesetztes Rückkopplungswechselfeld aufbaut. Der pulsierende Rückkopplungsstrom unterstützt somit aus den gleichen Gründen, wie bei Fig. 3 oder 4 beschrieben ist, die Wirkung des Steuerstromes.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein Gleichstrom zur Erzeugung des steuernden Gleichfeldes benutzt. An Stelle eines Gleichstromes kann auch ein Gleichfeld, beispielsweise das erd^ magnetische Feld, zum Aufbau des steuernden Gleichfeldes Verwendung finden. Die Einrichtung ist gleichzeitig als Meßeinrichtung verwendbar, mit der sowohl Ströme, insbesondere kleine Gleichströme, als auch magnetische Felder, wie z. B. das erwähnte Erdfeld oder andere insbesondere Dauerfelder, gemessen werden können.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Insbesondere als Magnetverstärker verwendbare Drosselspulenanordnung, bei welcher durch das vom Eingangsstrom im Spulenkern aufgebaute magnetische Gleichfeld die Permeabilität des Kernes und dadurch der induktive Widerstand der Drosselspulen geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem durch den Arbeitswechselstrorii erzeugten Wechselfeld ein die Wirkung des Steuergleichfeldes vorzugsweise unterstützendes gleichfrequentes Wechselfeld überlagert wird, das durch den vom Steuergleichstrom beeinflußten Arbeitswechselstrom erzeugt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von zwei vorzugsweise gleich ausgelegten Einheiten mit je zwei Drosseln der Arbeitswechselstrom der einen Einheit zur Erzeugung eines die Wirkung des Steuergleichstromes unterstützenden gleichfrequenten Wechselfeldes in der anderen Einheit mit Hilfe von den Drosselwicklungen entsprechend zugeordneten Wicklungen verwendet wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2¹, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstrom mit Hilfe von Gleichrichteranordnungen gleichgerichtet und zur Erzeugung eines zusätzlichen, die Wirkung des Steuerstromes unterstützenden Gleichfeldes benutzt wird.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1

   . bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen von periodisch veränderlichem Gleichstrom, der beispielsweise aus einer Wechselstromquelle mit Hilfe von den einzelnen Drosselwicklungen zugeordneten Gleichrichtern erzeugt wird, durchflossen sind und die Arbeitsströme Wicklungen zugeführt werden, die in der Weise angeordnet sind, daß sowohl der Gleichstromanteil als auch der Wechselstromanteil des in diesen Wicklungen aufgebauten pulsierenden Gleichfeldes die Wirkungen des Steuerstromes unterstützen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Rückkopplung verwendete Wechselstrom bzw. Wechselstromanteil dem Arbeitsstrom über die Phasenlage des Rückkopplungsstromes vorzugsweise derart beeinflussende Mittel zugeordnet wird, daß er die Wirkung des Steuerstromes unterstützt.

   Angezogene Druickischriften: Deutsche Patentschrift Nr. 702 082; französische Patentschrift Nr. 831 459.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen