DE927885C

DE927885C - Arrangement for automatic voltage regulation, in particular for increasing the voltage with increasing load, in AC circuits

Info

Publication number: DE927885C
Application number: DEA7394D
Authority: DE
Inventors: Hellmuth Dipl-Ing Boehm
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1944-06-09
Filing date: 1944-06-09
Publication date: 1955-05-20

Description

Anordnung zur selbsttätigen Spannungsregelung, insbesondere zur Spannungserhöhung mit zunehmender Last, in Wechselstromkreisen Es sind Anordnungen zur selbsttätigen Spannun gsregelung in, Wechselstromkreisen bekanntgeworden, bei denen induktive Schaltungselemente (Drosselspulen., Transformatoren) mit sättigbaxem Kern. vorgesehen sind. Diese Anordnungen besitzen den, Vorzug, da:ß sie keinerlei mechanii,sch bewegliche Teile und daher sehr schnell die Spannung regeln. Eine dieser bekannten Anordnungen enthält eine lediglich von, Wechselstrom durchflossene sättigbare Drosselspule, zu der ein Kondensator parallel geschaltet ist. Bei diesen bekannten Anordnungen, die Kerne üblicher Bauart, also, Rechteckkerne mit oder ohne Luftspalt, enthalten, bereitet es Schwierigkeiten, eine wirklich konstante Spannung zu erzielen. Gemäß. der Erfindung läßt sich nun die bekannte Anordnung mit lediglich von einem Wechselstrom durchflossener Drosselspule nebist parallel geschaltetem, Kondensatoir hinsichtlich Anspeechempfindl:ichkeit, Genanigkeit der Regelgrenzen usw. dadurch bedeutend verbessern, daß der Kern der gesättigten Droisselspule als Ringkern. ohne Luftspalt ausgebildet ist und aus einem magnetischen Material hoher Anfangspermeahilität und geringer Zunahme der Induktion hinter dem Knie der Magnetisierungsku@rve aufgebaut ist. Der Vorteil solcher Ringkerne besteht darin., daß sich ihre Sfirewinduktivität genau berechnen läßt und daß sich auch die Voirgänge im ungesättigten und. im gesättigten: Teil des Eisenkernes rechnerisch überprüfen lassen. Auf diese Weise ist es möglich, die richtigste Bemessung zu erzielen. Ferner erlauben die gewonnenen Unterlagen, auch Rückschlüsse auf gewöhnliche Drosselspulen.Arrangement for automatic voltage regulation, especially for increasing the voltage with increasing load, in alternating current circuits There are arrangements for automatic Voltage regulation in AC circuits became known where inductive Circuit elements (inductors, transformers) with saturable baxem core. intended are. These arrangements have the advantage that they are not mechanically movable Parts and therefore regulate the voltage very quickly. One of these known arrangements contains a saturable choke coil through which only alternating current flows, to which a capacitor is connected in parallel. With these known arrangements, contain the cores of the usual design, i.e. rectangular cores with or without an air gap, it is difficult to achieve a really constant tension. According to. the invention can now be the known arrangement with only one alternating current flow-through choke coil together with a parallel-connected capacitor with regard to Significantly improve response sensitivity, accuracy of control limits, etc. that the core of the saturated Droissel coil as a toroidal core. formed without an air gap and is made of a magnetic material of high initial permeability and lower Increase in induction behind the knee of the magnetization curve is built up. Of the Advantage of such toroidal cores consists in the fact that its sire inductance can be calculated exactly and that the processes in the unsaturated and. in the saturated: Have part of the iron core checked by calculation. In this way it is possible to achieve the most correct dimensioning. Furthermore, the documents obtained allow also conclusions about common choke coils.

In Fig. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich auf einte Gleichrichterschaltung bezieht, dargestellt. Der Netztr.ansformator T übersetzt die Spannung des. Netzes auf die richtige Größe der Verbiraucherspannung. Auf seiner Sekundärseite liegt die Dros,selspule D, mit Ringkern mit Parallelkondensator C. Der Stromverbraucher- ist in diesem Fall die: Reihenschaltung aus der Trockengleichr.ichte;ranordnung G, einer Glättungsdro-sselspuleDg und einer Akkumulatorenbatterie B. Die Drosselspule D, mit Paarallelkonderlsatoir C kann gegebenenfalls auch auf der Primärseite des. Netztransformators T liegen.; auch wird man, um die Blindleistung des Parallelkondensators C voll. ausnutzen zu können;, die Dros,selspule D, mit einer Sekundärwicklung zur Erhöhung der Kondensatoirspannung versehen. Weiterhin läßt sich an Stelle der gezeichneten. Trockengleichrichteranordnung G auch: eine Glühkatholden- oder eine Quecksülberkatho!dengleichrichteranioTdnung verwenden. Die Schaltungsanoirdnung muß alsdann entsprechend anders eingerichtet werden.In Fig. I of the drawing is an embodiment of the invention, which relates to a rectifier circuit shown. The network transformer T translates the voltage of the network to the correct size of the consumer voltage. On its secondary side is the choke coil D, with a toroidal core with a parallel capacitor C. The power consumer in this case is the: series connection of the dry rectifier arrangement G, a smoothing choke coil Dg and an accumulator battery B. The choke coil D, with Paarallelkonderlsatoir C can optionally also on the primary side of the. Mains transformer T lie .; also one will get the reactive power of the parallel capacitor C full. to be able to exploit ;, the Dros, selspule D, with a secondary winding for Increase in the capacitor voltage. Furthermore, instead of the drawn. Dry rectifier arrangement G also: a hot-bulb or a mercury cathodic rectifier arrangement use. The circuit arrangement must then be set up differently will.

In Fig. 2 der Zeichnung ist die Wirkungsweise der sättigbaren, Drosselspule D, an Hand von Kurven näher erläutert. In Zeile d) ist der Belastungsstrom, den die Gleichrichteranardnung G aus dem Netztransformator T über die Drosselspule D, und den. Parallelkondensatoir C .aufnimmt, als rechteckige Wechselstromkuxve J", dargestellt unter der Annahme, daß die Induktivität der Glättungsdrosse-lspule D, unendlich groß ist. Der stark ausgezogene Teil dieser Wechselstromkuwrve stellt eine kleine Belastung, der gestrichelte Teil eine große Belastung dar. In Zeile c) is.t U,d die Spannungskurve an: der ParalleIschaltung von Drosselspule D, und C, und zwar gilt der stark ausgezogene Teil für den; kleinen; Wert des. Wechselstromes, in Zeile d) und der gestrichelte Teil für den gestrichelten Teil. An, der- Drosselspule D, spielt sich nun folgender Vorgang ab: Im Teil f-g wird der Parallelkondensator C durch den fast konstanten, Ladestrom aufgeladen. Da die Drosselspule D, zu dieser Zeit nicht gesättigt ist, nimmt sie nur einen vernachlässigbar kleinen, Strome auf. Im Punkt g tritt nun; Sättigung der Drosselspule Ds ein, d. h., gemäß den gemachten Voraussetzungen; ist nur noch eine kleine restliche Streuinduktivität in der Drosselspule vorhanden. Die Drosselspule schließt deshalb den Paralllelkondensator C kurz. Der Parallelkondensator entlädt sich über die Drosselspule D" so weit, bis der Stromkreis eine halbe Schwingung ausgeführt hat, d. h., der Parallelkondensator wird mit umgekehrten Vorzeichen aufgeladen. Der Vorgang hört alsdann auf, da die Drosselspule D, nun wieder in den ungesättigten Zustand ;übergeht und, der Strom zunächst nicht zurückfließen kann. Die Umpolung des Parallelkondensators. C erfolgt mit einer Frequenz, d'ie wesentlich höher als die Netzfrequenz ist und die durch die :bekannte Schwingungsgleichung bestimmt ist, wobei L die Induktivität der sättigbaren -D, und C die Kapazität des Parallelkondensators bezeichnen.In Fig. 2 of the drawing, the mode of operation of the saturable choke coil D is explained in more detail on the basis of curves. In line d) is the load current that the rectifier arrangement G from the mains transformer T via the inductor D, and the. The parallel capacitor C. takes up as a rectangular alternating current curve J ", shown under the assumption that the inductance of the smoothing choke coil D is infinitely large. The strongly drawn out part of this alternating current curve represents a small load, the dashed part a large load. In line c) is.t U, d the voltage curve at: the parallel connection of choke coil D, and C, namely the strongly drawn-out part for the; small; value of the. alternating current, in line d) and the dashed part for the dashed part The following process now takes place at, the choke coil D: In part fg, the parallel capacitor C is charged by the almost constant charging current. Since the choke coil D is not saturated at this time, it only takes a negligibly small current At point g, saturation of the choke coil Ds occurs, that is, according to the requirements made, there is only a small residual leakage inductance in the choke coil . The choke coil therefore short-circuits the parallel capacitor C. The parallel capacitor discharges through the choke coil D ″ until the circuit has carried out half an oscillation, ie the parallel capacitor is charged with the opposite sign. The process then stops as the choke coil D now returns to the unsaturated state and, the current cannot initially flow back. The polarity reversal of the parallel capacitor C takes place at a frequency which is significantly higher than the mains frequency and which is determined by the well-known oscillation equation is determined, where L denotes the inductance of the saturable -D, and C denotes the capacitance of the parallel capacitor.

Dieser Schwingungsvorgang wird nun durch die Olimschen Widerstände ,im Schwingungskreis D. ,-C und. durch die Wirbelstromverlu.ste im Eisenkern erhebilich gedämpft. Auch vermindert der der Umladung des Parallelkondensators C entgegengerichtete Strom J", die Höhe der Umkehrspannung. In Zeile c) der Fig. 2 .ist deshalb die Strecke h-i kleiner als die Strecke g-h. Es entspricht aus Symmetriegründen die Strecke e-f der Strecke h-i. Die Steigung der Strecke f-g rührt, wie schon gesagt, von dem Ladestrom des Parallelkondensators C her. Die Fläche e-f-g-h-e entspricht nun dem Spannungszeitintegral, welches aufgewendet werden muß, um den Eisenkern der Drosselspule D, von dem einen Sättilgungszu.stand in den anderen gemäß der Gleichung fu`dt-w'1e'dB überzuführen, wobei w die Windungszahl, der Drosselspule D., Q, -ihr Eisenquerschnitt und d B die Induktionsänderung zwischen den beiden Sättigungszuständen bedeuten. Bei einem idealen EisenblIech nun, das für den vorliegend betrachteten Fail,li vorausgesetzt ist, ü,st diese Spannungsfläche konstant.This oscillation process is now through the Olim's resistances, in the oscillation circuit D., -C and. considerably dampened by the eddy current losses in the iron core. The current J ″ opposing the charge reversal of the parallel capacitor C also reduces the level of the reverse voltage. In line c) of FIG. 2, the path hi is therefore smaller than the path gh. For reasons of symmetry, the path ef corresponds to the path hi As already mentioned, the gradient of the path fg is due to the charging current of the parallel capacitor C. The area efghe now corresponds to the voltage-time integral that must be expended to move the iron core of the choke coil D from one saturation state to the other according to the equation fu`dt-w'1e'dB, where w is the number of turns of the choke coil D., Q, - its iron cross-section and d B is the change in induction between the two saturation states. li is assumed, ü, st this stress area constant.

Erhöht man nun den Belastungsstrom gemäß dem gestrichelt gezeichneten Verlauf von J", in Zeile d), so wird der Parallelkondensator C -auf einen höheren Spannungswert aufgeladen. Hiermit aber müßte die Spannungsfläche e-f-g-h-e zunehmen, was jedoch wegen ihrer eben, bewiesenen Konstanz nicht möglich ,ist. Infolgedessen tritt nunmehr die Sättigung . schon im Punkt n ein. Damit nun die Spannungsfläche nicht größer wird, muß der Belastungsstrom .zunächst der Spannung entgegengesetzt gerichtet fließen, d. h., in dem Streckenstück 1-in wird der Paxallelkondensator C entladen, und erst in dem Stück m-n tritt Ladung ein. Die Größe der Spannungsfläche k-L-m-n-o-k ist jedoch die gleiche wie die der Spannungsfläche. e-f-g-h-e. Man sieht aus der Darstellung, daß mit zunehmender Belastung die Spannungskurve in Zeile c) zeitlich vorverschoben wird. In den Zeilen a) und b) stellen U" die Spannung .auf der Sekundärseite des Netztransformators T dar. U,. ist die Spannung am Verbraucher, also z. B. auf der Primärseite der GlteIchriateranordnung G. Von den Kurven U" ist in Zeiille a) die ausgezogene Spannungskurve U,d der Zeile c) für kleinen Belastungsstrom, in Zeile b) die gestrichelte Spannungskurve U", der Zeile c für großen Belastungsstrom abgezogen worden. Man sieht deutlich, wie die Fläche der Spannungskurve U,. in Zeile b) gegenüber der gleichen Fläche in Zeile a) zugenommen hat. Mit der Anordnung ist es also möglich, die Verbraucherspannung mit steigendem Strom zu steigern. Über einen gewissen Betrag hinaus nimmt jedoch die Verbraucherspannung teils durch den höheren Einfluß der inneren Widerstände, teils auch durch den Regelvorgang wieder ab.If one now increases the load current according to the dashed line Course of J ″, in line d), the parallel capacitor C is increased to a higher level Voltage value charged. But with this the stress area e-f-g-h-e would have to increase, which, however, is not possible because of their just proven constancy. Consequently now the saturation occurs. already at point n. So now the area of tension does not increase, the load current must initially be opposite to the voltage directed flow, d. that is, in the section 1-in, the parallel capacitor becomes C discharged, and charge only occurs in the piece m-n. The size of the tension area However, k-L-m-n-o-k is the same as that of the stress area. e-f-g-h-e. One sees from the illustration that with increasing load the voltage curve in line c) is moved forward in time. In lines a) and b), U "represents the voltage the secondary side of the network transformer T. U ,. is the voltage at the consumer, so z. B. on the primary side of the belt assembly G. From the curves U "is in line a) the solid voltage curve U, d of line c) for small load current, in line b) the dashed voltage curve U ", line c for high load current been withdrawn. Man clearly sees the area of the voltage curve U ,. in line b) has increased compared to the same area in line a). With the Arrangement, it is therefore possible to increase the load voltage with increasing current. Above a certain amount, however, the consumer voltage partially decreases the higher influence of the internal resistances, partly also due to the control process away.

Die oben dargestellten Vorgänge erfolgen ähnlich auch bei nicht rechteckigem Wechselstrom.The processes shown above are carried out in a similar manner even with a non-rectangular one Alternating current.

Die vorstehend beschriebene Schaltung ist insbesondere geeignet zur selbsttätigen Batterieladung, besonders in Pufferschaltung. Der Ladestrom fällt hierbei von einem gewissen Wert plötzlich auf Null oder annähernd Null und kippt auch andererseits plötzlich wieder auf den Höchstwert bei durch Entladung sich verändernder Batteriespannung.The circuit described above is particularly suitable for automatic battery charging, especially in a buffer circuit. The charging current falls suddenly from a certain value to zero or almost zero and tilts also on the other hand suddenly again to the maximum value when changing due to discharge Battery voltage.

Die vorstehend beschriebene Anordnung, und zwar i\Tetztransformator T und sättigbare Drosselspule DS, lassen sich baulich vereinigen. Hierbei wird der Netztransformator T ebenfalls als Ringtransformator ausgebildet. Die Primärwicklung umschließt hierbei zwei Eisenkerne; auf dem einen Eisenkern aus normalem Transformatorenblech lieb die Sekundärwicklung, auf dem zweiten Eisenkern aus Sondereisenblech liegt eine Wicklung, an die der Parallelkondensator C angeschlossen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Anordnung über einen magnetischen Spannu.ngsgleichhalter anzuschließen. Man kann auch Spannungsgleichhalter und sättigbare Drosselspule D, zu einem gemeinsamen Ringtransformator zusammenbauen, der mehrere Eisenringe enthält. Die beschriebene Schaltung kann auch mehrphasig ausgeführt werden.The arrangement described above, namely the transformer T and the saturable choke coil DS, can be structurally combined. Here, the network transformer T is also designed as a ring transformer. The primary winding encloses two iron cores; On one iron core made of normal transformer sheet metal the secondary winding is preferred, on the second iron core made of special iron sheet there is a winding to which the parallel capacitor C is connected. It is also possible to connect the arrangement via a magnetic voltage equalizer. It is also possible to assemble a voltage equalizer and a saturable reactor D to form a common toroidal transformer that contains several iron rings. The circuit described can also be implemented in multiple phases.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for automatic voltage regulation, in particular for increasing the voltage with increasing load, in alternating current circuits by means of a saturable choke coil and capacitor connected in parallel with the load, characterized in that the core of the saturated choke coil is designed as a toroidal core without an air gap a magnetic material of high initial permeability and low increase in induction behind the knee of the magnetization curve. :

2. Arrangement according to claim i, characterized characterized in that the saturable inductor is on the primary side of the mains transformer lies.

3. Arrangement according to claim i or 2, characterized in that the network transformer and saturable reactor are structurally united.

4. Arrangement according to claim i or the following, characterized in that a magnetic voltage equalizer is provided, optionally with the saturable inductor and the transformer is structurally united.

5. Arrangement according to claim i or the following for use for self-regulating continuous charging of Samirlerbatterie.n by means of a Gleich.ric Mer arrangement.