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In einer elektrischen Stromverteilungsanlage angeordnete Einrichtung
zur Konstanthaltung der Verbraucherspannung Die Erfindung betrifft eine in einer
elektrischen Stromverteilungsanlage angeordnete Einrichtung zur Konstanthaltung
der Verbraucherspannung trotz schwankender Netzspannung mit einem Transformator,
dessen Primärwicklung an eine Wech.selstromquelle angeschlossen und zu dessen Sekundärwicklung
ein Kondensator parallel geschaltet ist.
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Gemäß der Erfindung ist zwischen der Primär-und der Sekundärwicklung
ein Streuflußweg hohen magnetischen Widerstandes vorhanden, Zoobei ein Teil des
Flusses die eine Wicklung unter Ausschluß der anderen durchsetzen kann und die zweite
Wicklung nicht nur angezapft ist, um auch eine Belastungs- oder Ausgangswicklung
zu versorgen, sondern auch mit dem Kondensator einen Resonanzstromkreis bildet,
der mit einer Frequenz arbeitet, die gleich der Frequenz der der Primärwicklung
aufgedrückten Spannung ist, um die Verbraucherspannung zu steuern und konstant zu
,halten.
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Gegenüber dem Bekannten wird eine Kombination von Merkmalen verwendet,
die man bisiher nicht ausgenuitzt bat und durch die eine konstante Verbraucherspannung
durchaus sichergestellt ist.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung
näher erläutert. Es stellt dar Fig. i einen Schnitt durch einen Transformator gemäß
der Erfindung, Fig.2 eine beispielsweise Schaltung mit einem Transformator gemäß
Fig. i, . Fig.3 einen Schnitt durch eine andere Transformatorbauform, Fig.4 eine
beispielsweise Schaltung mit einem Transformator gemäß Fig. 3, Fig.5 ein Vektordiagramm
für die verschiedenen Spannungen, die bei den beiden verschiedenen Bauformen bei
verschiedenen Werten der Eingangsspannung erhalten werden, Fig.6 eine graphische
Darstellung der Beziehungen zwischen verschiedenen Spannungen, welche bei den dargestellten
Bauformen bei sich ändernder Eingangsspannung erhalten werden.
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In den Fig. i und 2 ist ein Transformatorkern dargestellt, dessen
geschlossener magnetischer Kreis io aus einem Stapel I-förmiger Lamellen ii besteht,
deren Enden an den äußeren Schenkeln eines Stapels von E-förmigen Lamellen 12 anliegen,
die durch geeignete Mittel zusammengehalten werden. Auf dem Teil A der Lamellen
i i ist eine Primärwicklung 13 angebracht, deren Anschlüsse 14 und 15 mit einer
Wechselstromquelle verbunden werden können, deren Spannung von Zeit zu Zeit schwanken
oder sich wesentlich ändern kann. Auf dem Teil B der Lamellen i i ist eine Wicklung
16 angebracht, welche in gewissem Abstand von der Primärwicklung 13 angeordnet,
aber mit dieser magnetisch gekoppelt und mit Anschlußleitungen 17 und i8 sowie mit
einem Mittelabgriff i9 versehen ist. Der zwischen der Anschlußleitung 17 und dem
Mittelabgriff i9 liegende Teil der Wicklung 16 kann als eine Ausgangs- oder Sekundärwicklung
angesehen werden, und die ganze Wicklung 16 zwischen den Anschlußleitungen 17 und
i8 kann als Zwischenwicklung bezeichnet werden. Der magnetische Kreis io ist mit
einem Streuflußweg von hohem magnetischem Widerstand zwischen den Wicklungen 13
und 16 versehen, der in der dargestellten Form aus dem mittleren Schenkel i2b der
E-förmigen Lamellen i2 besteht, der kurz vor den I-förmigen Lamellen i i endet;
hierdurch wird ein Luftspalt 2o zwischen den Schenkeln 12b und den Lamellen i i
gebildet. Bei dieser Anordnung ist über die Leitungen 22 ein Kondensator 21 zwischen
die Anschlußleitungen 17 und 18 der Wicklung 16 geschaltet. Die Anschlußleitung
17 bildet die eine Anschlußseite und der Mittelabgriff i9 die andere Anschlußseite
des Ausgangs- oder Belastungsstromkreises. Bei #der dargestellten Anordnung ist
eine Hilfswicklung 23 über der Primärwicklung 13 angebracht und mit dieser magnetisch
gekoppelt. Die Hilfswicklung 23 liegt in Reihenschaltung in der Leitung i9 des Ausgangsstromkreises.
Ihre linke Anschlußleitung ist mit 24 bezeichnet.
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In den Fig. 3 und 4 ist die Erfindung in Verbindung mit einem an sich
bekannten Manteltransformator dargestellt, der zwei geschlossene magnetische Kreise
io und loa besitzt, die aus einem geraden mittleren Kernteil 25 von I-förmigen;
Lamellen bestehen, deren Enden gegen die äußeren Schenkel 26a der E-förmigen Lamellen
26 und die äußeren Schenkel 27a der E-förmigen Lamellen 27 anliegen. Diese Teile
werden durch geeignete Mittel in dieser Stellung zusammengehalten. Auf dem Teil
A des mittleren Kernteiles 25 ist eine Primärwicklung 28 angebracht, deren Anschlußleitungen
29 und 30 mit einer Wechsels:tromquelle verbunden werden können, deren Spannung
von Zeit zu Zeit beträchtlich schwanken kann. Auf dem Teil B des mittleren Kernteiles
25 ist eine zweite Wicklung 31 angebracht, die im Abstand von der Primärwicklung
28 angeordnet, aber mit dieser magnetisch lose gekoppelt ist. An die Anschlußleitungen
33 und 34 der Wicklung 31 ist ein Kondensator 32 angeschlossen. Auf dem Teil B des
mittleren Kernteiles 25 ist noch eine zweite Wicklung 35 angebracht, die bei der
dargestellten Anordnung über der Wicklung 31 angeordnet und mit dieser magnetisch
fest gekoppelt ist. Die Anschlußleitung 36 der Wicklung 35 bildet die eine Anschlußseite
eines Ausgangsstromkreises. Auf dem Teil A des mittleren Kernteiles 25 ist ferner
eine Hilfswicklung 37 angebracht, die bei der dargestellten Anordnung auf der Primärwicklung
28 sitzt und mit dieser magnetisch fest gekoppelt ist. Eine Anschlußleitung 38 verbindet
die Hilfswicklung 37 in Reihenschaltung mit der Wicklung 35, und die Anschlußleitung
39 der Hilfswicklung 37 bildet die andere Anschlußseite des erwähnten Ausgangsstromkreises.
Die Wicklung 35 kann als eine Ausgangs- oder Belastungswicklung bezeichnet und die
Wicklung 31 als eine Zwischenwicklung betrachtet werden. Jeder der beschriebenen
geschlossenen magnetischen Krise ist mit einem Flußweg von hohem magnetischem Widerstand
zwischen den Wicklungen 28 und 37 auf dem Teil A und den Wicklungen 31 und 35 auf
dem Teil B des mittleren Kernteiles 25 versehen, der bei der dargestellten Anordnung
die mittleren Schenkel 40 und 41 der E-förmigen Lamellen 26 und 27 enthält. Die
Schenkel 4o und 41 endigen kurz vor den ihnen zugewandten Seiten des mittleren Kernteiles
25, wodurch Luftspalte 42 und 43 zwischen den mittleren Schenkeln 4o und 41 und
dem mittleren Kernteil 25 gebildet werden.
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In den Fig. 2, 4, 5 und 6 stellt ho die Spannung am Ausgangsstromkreis
dar, Tlp die Eingangsspannung an der Primärwicklung, 1s die Spannung, die von der
Wicklung 16 zwischen der Ansch:lußleitung 17 und) dem Mittelabgriff i9 bzw. von
der Wicklung 35 abgenommen wird. llpa ist diejenige Komponente der Ausgangsspannung,
die an den Klemmen der Hilfswicklungen 23 oder 37 gemessen wird.
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In Fig. 5 sind die Vektorbeziehungen der verschiedenen Spannungen
für beide Anordnungen für eine bestimmte Ausgangsenergie und für verschiedene Werte
der Primärspannung dargestellt.
Die zusammengehörigen Spannungen
sind entweder mit keinem, mit einem oder mit zwei Strichen versehen, entsprechend
den verschiedenen Werten der Eingangsspannung hp, die geändert wird. Wie dargestellt,
ist die Spannung L'pa um annähernd i8o° phasenverschoben gegenüber der Spannung
hs, und somit ist die vektoriel-le Summe L'o der beiden annähernd gleich ihrer algebraischen
Differenz.
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In Fig. 6 ist graphisch die für die beschriebenen Bauformen bestehende
Beziehung zwischen den Spannungen hs, Tlo, hpa und Vp für eine bestimmte Ausgangsenergie
dargestellt.
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Das Grundsätzliche, nach dem die neuen Transformatorbauformen arbeiten,
wird aus einer ins einzelne gehenden Betrachtung der in Fig.3 dargestellten Bauform
klar. Der durch Anlegen eines Potentials an die Primärwicklung 28 hervorgerufene
magnetische Fluß ist mit der Wicklung 31 verkettet und bewirkt, daß durch diese
Wicklung eine bestimmte Reaktanz hervorgerufen wird. Wenn die Spannung an der Primärwicklung
28 von Null beginnend gesteigert wird, sucht sich der durch die Wicklung 31 gehende
magnetische Fluß proportional mit dem Primärfluß zu erhöhen, wobei infolge des durch
die Luftspalte 4.2 und .I3 bedingten magnetischenWiderstandes ein sehrkleiner Streufluß
durch die als magnetische Nebenschlüsse wifkenden mittleren Schenkel 4o und 41 fließt.
Wenn die induzierte EMK in der Wicklung 31 einen höheren Wert erreicht, wird ein
kritischer Punkt erreicht, bei dem Resonanz auftritt, da die wirksame induktive
Reaktanz der Wicklung 31 und die kapazitive Reaktanz des Kondensators 32 annähernd
gleich sind bei der Frequenz der der Primärwicklung 28 aufgedrückten Spannung, d.
h.
worin f die Frequenz der der Primärwicklung 28 aufgedrückten Spannung ist, L die
effektive Induktanz der Wicklung 31 und C die Kapazität des Kondensators 32. Bei
diesem Resonanzzustand fließt ein bestimmter Strom in dem die Wicklung 31, den Kondensator
32 und die Anschluß1eitungen 33 und 3-. enthaltenden Resonanzstromkreis, und dieser
Strom wird durch die Konstanten dieses Kreises begrenzt mit dem Ergebnis, daß ein
Potential an der Wicklung 31 und ein entsprechend großer magnetischer Fluß in dem
Teil B des mittleren Kernteiles 25 hervorgerufen wird.
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Es ist bekannt, daß die einem Resonanzstromkreis eigene Charakteristik
derart ist, daß sein Strom mehrfach größer sein kann als der des Generators, der
die Energie für den Resonanzstromkreis liefert; in diesem Fall wird die Energie
für den aus der Wicklung 31 und dem Kondensator 32 bestehenden Resonanzstromkreis
von der Primärwicklung des Transformators geliefert. Wenn man die Spannung an der
Primärwicklung 28 so ändert, daß die magnetische Dichte des Teiles A noch unter
der höchsten magnetischen Dichte des Teiles B des mittleren Kernteiles 25 bleibt,
so hat die Änderung der Flußdichte im Teil A infolge Kraftlinienänderung in der
Primärwicklung 28 keine merkbare Wirkung auf den Resonanzstromkreis, da der magnetische
Widerstand des Streuflußweges unter demjenigen des Teiles B des mittleren Kernteiles
25 liegt und ein magnetischer Streufluß über den die mittleren Schenkel 40 und 41
und die Luftspalte .42 und .43 enthaltenden Streuflußweg zwischen der Primärwicklung
28 und dem ferromagnetischen Resonanzstromkreis fließt.
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Aus dem vorerwähnten Resonanzstromkreis wird daher eine primäre Spannungsquelle
konstanter Spannung für irgendeine Wicklung, beispielsweise die Wicklung 35, die
mit der Wicklung 31 unmittelbar gekoppelt ist. Diese Kopplung kann in irgendeiner
beliebigen Weise bewirkt werden, beispielsweise nach Fig. 2 mittels einer Spartransformatoranordnung
oder durch konzentrische Anbringung der Wicklung 35 über der Wicklung 31, wie es
in Fig..I dargestellt ist. Bei der Bauform nach Fig. ,4 besitzt die Ausgangsspannung
der Wicklung 35 ebenfalls einen praktisch konstanten Wert unabhängig von der Spannungsänderung
an der Primärwicklung 28, solange der die Wicklung 31 enthaltende Stromkreis in
Resonanz bleibt.
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Die Hilfswicklung 37 liegt auf dem Teil A des mittleren Kernteiles
25, und sie wird benutzt, um die prozentuale Regelung der Spannung Vo an den Anschlußleitungen
36 und 39 des Ausgangsstromkreises mit einer Änderung der Eingangsspannung 1p zu
ändern. Da die Hilfswicklung 37 auf dem Teil A mit der Primärwicklung 28 unmittelbar
gekoppelt .ist, ist die .induzierte EMK .immer proportional dem Windun.gszahlenverhältnis
der Primärwicklung 28 und der Hilfswicklung 37.
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Eine sehr konstante Größe der Ausgangsspannung Vo an den Anschlußleitungen
36 und 39 'kann durch geeignete Bemessung der Wind'ungszahl der Hilfswicklung 37
im Verhältnis zu der Windungszahl der Wicklung 35 erzielt werden. Ferner kann irgendeine
prozentuale Regelung der Ausgangsspannung im Verhältnis zu den Änderungen der Eingangsspannung
Vp an den Anschlußleitungen 36 und 39 erzielt werden; beispielsweise wird bei geeigneter
Anordnung oder Bemessung der Hilfswicklung 37 im Verhältnis zu der Wicklung 35 durch
eine Erhöhung der Eingangsspannung hp der Primärwicklung 28 eine Erniedrigung der
Ausgangsspannung Vo hervorgerufen.
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Die beschriebene Beziehung der Spannungen besteht unter der Annahme,
daß der Transformator an einem offenen Ausgangsstromkreis liegt, d. h. daß keine
Belastung an den Anschlußleitungen 36 und 39 liegt. Wenn nun an diese eine Belastung
angeschlossen wird, wird in dem obenerwähnten Resonanzstromkreis ein der Belastung
an dem Ausgangsstromkreis entsprechender magnetischer Fluß entwickelt, wodurch der
magnetische Fluß im Teil B des mittleren Kernteiles 25 geändert wird. Diese Änderung
der magnetischen Dichte im Teil B beeinflußt wiederum das Verhältnis der
Flüsse
in den Teilen. A und B und: ferner den magnetischen Widerstand für
den Streufluß in den obenerwähnten magnetischen Nebenschlüssen, wodurch ein größerer
Betrag nutzbaren Flusses vom Teil A im Teil B erzeugt wird, so daß
die im Verbraucherstromkreis verbrauchte Energie entsprechend geregelt und gleichzeitig
der Resonanzstromkreis in dem gewünschten Schwirngungszustand erhalten wird. -Es
ist ohne weiteres klar, daß bei Transformatoren gemäß der Erfindung die mit der
Stromquelle verbundene Primärwicklung dazu dient, eine EMK in dem Resonanzstromkreis
zu induzieren, der vom Primärstromkreis durch einen Flußweg von hohem magnetischem
Widerstands getrennt ist, wodurch ein niedriger Kopplungskoeffizient zwischen dem
Primär- und dem Resonanzstromkreis erzielt wird. Der Resonanzstromkreis kann als
die Primär- oder Hauptstromquelle der Steuerenergie für die Wicklung 35 und damit
für den Ausgangs- oder Verbraucherstromkreis dies Transformators angesehen werden.
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Der neue Konstantspannungstransformator ist von gedrungener Bauart
und wirtschaftlich und von kleiner Größe im Verhältnis zu der Ausgangsenergie und
im Vergleich mit anderen umfangreicheren und teueren Apparaten für denselben Zweck.
Der neue Transformator arbeitet mit einem honen Wirkungsgrad, und die Ausgangsspannung
ist nahezu rein sinusförmig.
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Der neue Transformator kann für verschiedene Zwecke verwendet werden.
Er ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit handelsüblichen Apparaten verwendbar,
beispielsweise bei Verstärkern für Tonfilmapparate und Rundfunksender, bei Ouecksilberdampflampen,
Röntgengeräten usw.