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Verfahren zur Verstärkung schwacher Gleichströme Es sind Verfahren
bekannt, bei denen die Sättigungserscheinungen in Transformatoren, bzw. Drosseln
dazu benutzt werden, um Gleichströme in Wechselspannungen umzuwandeln, die ihrerseits
wieder gleichgerichtet werden und dem Ausgangsgleichstrom proportional verlaufen.
Die bekannten Verfahren haben zumeist den Nachteil, daß zu ihrer Durchführung zwei
Transformatoren mit gleich hoch permeablem Kernmaterial mit ihren Sekundärwicklungen
gegeneinandergeschaltet werden müssen, wenn man nicht den schwer herzustellenden
Aufbau in Form einer Dreisc'henke_ldrosselwählt. Bei Verwendung einer Dreischenkeldrossel
wird aber der Mittelschenkel überhaupt nicht ummagnetisiert, so daß nach erfolgter
MessungstetseinNullpunktfehler inHöhederRemanenz beste'henbleibt. Teilt man dagegen
die Dreischenkeldrossel in zwei getrennte Zweischenkeldrosseln auf, die gemeinsame
Gleichstrom- und Wechselstromsekundärwicklungen besitzen, so gewinnt man zwar den
Vorteil, daß die 'beiden gemeinsam gewickelten Transformatorschenkel ständig ummagnetisiert
werden, derartige Remanenzstörungen also ausgeschaltet sind, es muß aber dabei wiederum
der Nachteil in Kauf genommen werden, daß keine Transformatorbleche des üblichen
Schnitts verwendet werden können.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung schwacher Gleichströme,
insbesondere solcher, die von Fernmeßeinrichtungen geliefert werden, unter Benutzung
der Sättigungserscheinungen in Transformatoren oder Drosseln. Die erwähnten
Nachteile
bekannter Verfahren werden dabei vermieden, und es wird eine Methode angewandt,
die vorerst als Gegenfeldverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren besteht erfindungsgemäß
darin, daß ein Transformator mit dem zu messenden Gleichstrom und mit einem stark
verzerrten Wechselstrom von spitzer Kurvenform erregt wird und das sich hieraus
ergebende, wenig von -der Trapezform abweichende Feld mit einem ständig trapezförmigen
Feld gegengeschaltet wird, so daß durch das resultierende Feld nach Differentiation
kräftige Spannungsspitzen erzeugt werden, die je nach dem Vorzeichen des Gleichstroms
positive oder negative Richtung haben. Es ist leicht einzusehen,,daß bei Speisung
eines Transformators mit stark verzerrtem Primärstrom, wie er etwa zustande kommt,
wenn man als Stromquelle einen stark in die Sättigung hinein ausgesteuerten Transformator
verwendet, ein Feldverlauf zustande kommt, der ebenso rechteckigen Charakter zeigt,
wie bei einer Aussteuerung tief in die Sättigung hinein mit sinusförmigem Strom,
ohne :daß dabei die Stromspitzenwerte bereits wesentlich in die Sättigung hineinragen.
Diese tErscheinung ist auf das Durchlaufen der Hysteresisschleife zurückzuführen
(Fig. i). Hier ist im mittleren Teil die angenommene Hysteresisschleife einer bestimmten
Blechsorte, d. h. der Verlauf des Flusses, in Abhängigkeit von den erregenden Amperewindungen
dargestellt. Darunter ist ein angenommener Amperewindungsverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit dargestellt, und zwar ist hierbei, wie schon einleitend vorausgesetzt
wurde, die Annahme getroffen, daß der erregende Strom bzw. die erregenden Amperewindungen
stark ausgeprägte Spitzen zeigen. Wird nun das gewählte Blech mit solchen zeitlich
veränderlichen Amperewindungen erregt, so läßt sich aus der Hysteresisschleife der
entsprechende Flußverlauf für das Hauptfeld eh konstruieren. Dies ist rechts neben
der Hysteresisschleife dargestellt. Der Strom erhebt sich also nur während sehr
kurzer Zeit bis nahe an den Sättigungswert. Während der übrigen Zeit hat er praktisch
den Wert Null. Das. dadurch hervorgerufene Hauptfeld bleibt aber nach dem Durchlauf
einer Spitze bei Verschwinden des Stroms entweder auf dem positiven oder auf dem
negativen Remanenzpunkt stehen. Es ergibt sich also ein Feldverlauf, der sich von
einem trap:ezförmigen Feldverlauf im wesentlichen durch das Auftreten sehr steiler
Flanken und einer ausgeprägten Spitze unterscheidet.
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Dieser Feldverlauf hat also eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Feldverlauf,
wie er in Fig.2 dargestellt ist und der bei :starker Übererregung mit einem sinusförmigen
Strom zustande kommt.
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Wird nun durch eine entsprechende Vormagnetisierung der Ruhepunkt
des Stroms nach positiven oder negativen Werten verschoben, so ändert sich, wie
in Fig. 3 gezeigt ist, die Gestalt der Hysteresisschleife. Wird dann wiederum eine
Erregung mit einem Wechselstrom von der gleichen spitzen Kurvenform vorgenommen,
so ergibt sich der in Fig.3 ebenfalls gezeigte Verlauf für das Hauptfeld Oh. Diese
Kurve weicht aber von der entsprechenden Kurve der Fig. i infolge der angenommenen
Vormagnetisierun:g dadurch ab, daß die bei-den Flanken verschiedene Steilheit besitzen.
Das auf diese Weise gewonnene Hauptfeld wird nun mit einem anderen ständig trapezförmig
verlaufenden Gegenfeld Og, wie es in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet ist, entgegengeschaltet.
Es ergibt sich daraus ein resultierendes Feld 0, :dessen Verlauf in Fig.
3 .strichpunktiert eingezeichnet ist. Voraussetzung dabei. ist, wie schon erwähnt,
daß eine Erregung mit einem Wechselstrom spitzer Kurvenform erfolgt und daß durch
eine Vormagnetisierung die Hysteresisschleife eine entsprechende Verschiebung erfahren
hat.
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Eine auf Grund dieser Überlegungen bzw. auf Grund dieser Erkenntnis
aufgebaute Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind mit i und 2 zwei Transformatoren
bezeichnet. Der Transformator i besitzt Wicklungen 5, 6, @7, der Transformator 2
Wicklungen i o, i i, 12, 13. An den Klemmen 3, .4 wird ein zur Erregung dienender
Wechselstrom von üblicher Form, d. h. Sinusform, zugeführt. Der Transformator i
ist stark übererregt, so daß .sekundär sich die in der Einleitung erwähnten Spannungsspitzen
ergeben, die einmal dazu dienen, den Transformator -9 in der oben geschilderten
Weise mit der .spitzen Stromkurve zu erregen und gleichzeitig dazu dienen, um das
Gegenfeld bzw. die Gegenspannung gegen den Transformator 2 zu liefern. An den Klemmen
8, g des Transformators 2 wird der zu messende Gleichstrom zugeführt. Ein veränderlicher
Widerstand R im Stromkreis der Wicklung i i dient zur Vorbelastung, wodurch es möglich
wird, ohne Empfindlichkeitsänderung für alle Belastungsfälle die im Steuertransformator
wirksamen Stromspitzen und damit das Hauptfeld auf den optimalen Wert zu bringen,
so daß sie nur wenig in die Sättigung hineinragen. Die Wicklungen 6 und 12 schließlich
sind über einen veränderlichen Widerstand gegeneinandergescha.ltet, um die eingangs
geschilderte Wirkung zu erreichen. An den Klemmen 14, 15 schließlich treten die
Wechselspannungsspitzen auf, die schließlich gleichgerichtet werden und dann dem
zu messenden Gleichstrom proportional sind. Bei allen Betrachtungen wird angenommen,
daß die Sekundärspannung stets an Stelle des Feldes verwendet werden kann. Wenn
also, wie in Fig. 4 gezeigt, die Sekundärwicklung 6 und 12 der Transformatoren i
und 2 gegeneinandergeschaltet sind und stellt man mit Hilfe des Vorwiderstandes
r die Erregung des Transformators 2 auf den gewünschten Wert ein, .so erhält man
kräftige Spitzen nach positiver oder negativer Richtung je nach dem Vorzeichen des
zu verstärkenden oder zu messenden Gleichstroms. Zu berücksichtigen ist dabei, daß
die Ausgangsspannung an den Klemmen 14, 15 proportional dem zeitlichen Differentialquotienten
des resultierenden Feldes 0,. in Fig. 3 verlaufen muß.
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Vergleichende Messungen haben ergeben, daß mit dem erwähnten Effekt
weit höhere Empfindlichkeiten
erzielt werden können als mit anderen
Verfahren. Es zeigt sich ferner, daß ebenso wie bei der Verwendung von zwei getrennten
Transformatoren die störenden Remanenzerscheinungen durch das ständigeUmmagnetisieren
des magnetischenKreises verhindert werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem außerdem die gesonderte Ausführung
eines zweiten Transformators vermieden wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei sind
zwei einfache Transformatorkerne vorhanden und gemäß der Abbildung so nebeneinandergelegt,
daß, von der Seite gesehen, sich die Form eines Dreischenkeltransformators ergibt.
Bei dem einen Außenschenkel ist an die Eingangsklemmen 3, q. die Wicklung 5 angeschlossen,
die, wie schon vorher, mit dem Erregerwechselstrom gespeist wird. Auf dem durch
das Zusammenlegen entstandenen Mittelschenkel sind zwei Wicklungen 16, 17 angeordnet,
von denen die Wicklung 16 mit dem zu messenden oder zu verstärkenden Gleichstrom
erregt wird, während die Wicklung 17 die Ausgangswicklung darstellt. Es sind wohl
zwei Kerne vorhanden, aber nur eine gemeinsame Sekundärwicklung. Das Querschnittsverhältnis
zwischen den beiden Kernen muß so gewählt werden, daß bei entsprechender Bemessung
des Belastungswiderstandes ,in dem den-beiden Wicklungen gemeinsamen Sekundärstromkreis
die von dem gesteuerten Feld und die von dem Gegenfeld induzierten Spannungen einander
soweit wie möglich aufheben, wenn keine Gleichstromvormagnetisierung vorhanden ist.
Damit ist gezeigt, daß auch dieses Verfahren in beiderlei Ausführungen, nämlich
in direkter Feldgegenschaltung oder in Form einer Spannungsgegenschaltung, verwendet
werden kann.
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Wesentlich ist, daß bei zunehmender Erregerstromamplitude die Empfindlichkeit
immer weniger zunimmt und schließlich abzunehmen beginnt, so daß bei geeigneter
Einstellung des Erregerstroms in gewissen Grenzen eine Empfindlichkeitsänderung
gegenüber Erregerstromschwankungen nicht eintritt, während bei vorbekannten Verfahren
eine ständige Abhängigkeit der Empfindlichkeit von Erregerstromschwankungen besteht.
Die Ursache dieser Erscheinung liegt wohl darin, daß es hier in erster Linie auf
die verschiedene Steilheit der Hysteresisäste ankommt und nicht, wie bei den anderen
Verfahren, auf die Krümmungsverhältnisse. Die Steilbeit aber ändert sich dann mit
der Vormagnetisierung, wenn die Ausführung der Schleife nicht zu groß ist. Die Abhängigkeit
nimmt also bis zu einem Optimalwert zu, um dann wieder abzunehmen. Der lediglich
zur Erzeugung eines verzerrten Speisestroms und der Gegenspannung dienende Speisetransformator
kann aus gewöhnlichem Transformatorblech bestehen, und nur der Steuertransformator
muß zur Erzielung hoher Empfindlichkeit hochpermeables Kernmaterial enthalten.
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Um zu vermeiden, daß durch den Innenwiderstand der Gleichstromquelle
eine gute Belastung des Steuertransformators und damit eine Veränderung des Hauptfeldes
eintritt, ist zweckmäßig eine Schutzdrossel vorzuschalten. Der Vorwiderstand r wird
regelmäßig fest eingestellt. Der Widerstand R dient, wie schon erwähnt, zur Vorbelastung,
um für alle Belastungsfälle die im Steuertransformator wirksamen Stromspitzen und
damit auch das Hauptfeld auf den optimalen Wert zu bringen. Das Verfahren hat den
Vorzug, daß bei höherer Empfindlichkeit mit nur einem hochpermeablen Kern und bei
einfacher Abgleichmöglichkeit sowie geringerer Abhängigkeit von Speisespannungsschwankungen
ein Gleichstromwandler bzw. Gleichstromverstärker geschaffen wird, der in dieser
Hinsicht den bekannten Anordnungen überlegen. ist.