DE971886C - Magnetischer Netzspannungsregler - Google Patents

Magnetischer Netzspannungsregler

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DE971886C
DE971886C DEK5755A DEK0005755A DE971886C DE 971886 C DE971886 C DE 971886C DE K5755 A DEK5755 A DE K5755A DE K0005755 A DEK0005755 A DE K0005755A DE 971886 C DE971886 C DE 971886C
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magnetic
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voltage
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DEK5755A
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Inventor
Gustav Klein
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/04Regulating voltage or current wherein the variable is ac
    • G05F3/06Regulating voltage or current wherein the variable is ac using combinations of saturated and unsaturated inductive devices, e.g. combined with resonant circuit
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/02Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with tappings on coil or winding; with provision for rearrangement or interconnection of windings

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Description

  • Magnetischer Netzspannungsregler Die immer größer werdende Verfeinerung im Elektro- und Nachrichtengerätebau hat es mit sich gebracht, daß an die Konstanz der Versorgungsspannungen für derartige Geräte immer höhere Ansprüche gestellt werden.
  • Unter den zur Konstanthaltung der Spannung eines Wechsel- oder Drehstromnetzes entwickelten Geräten erfreut sich der magnetische Netzspannungsregler besonderer Beliebtheit. Seine wesentlichen Vorteile sind: einfacher elektrischer Aufbau, hohe Ausregelgeschwindigkeit, keine mechanisch bewegten Teile, Lastunabhängigkeit und verhältnismäßig hoher Wirkungsgrad.
  • Ein derartiger magnetischer Netzspannungsregler in einer seit Jahren bekannten Schaltung besteht, wie aus der Abb. i zu ersehen ist, aus der Längsdrossel i, der magnetisch gesättigten Querdrossel z, die in dem gezeichneten Fall als Spartransformator ausgebildet ist, und dem Parallelkondensator 3. Legt man an die Klemmen O und A eines solchen magnetischen Netzspannungsreglers eine um einen bestimmten Prozentsatz um ihren Sollwert schwankende Wechselspannung, so ergibt sich an den Klemmen O' und R' eine Spannung, deren Effektivwert annähernd konstant ist innerhalb eines Bereiches, für den der Regler elektrisch dimensioniert wurde.
  • Ist die Längsdrossel i außerdem noch mit einer Kompensationswicklung WK versehen, so wird die Konstanthaltewirkung nicht nur weiter verbessert, sondern der Regler auch in seiner Ausgangsspannung unabhängig von dem Betrage der an ihm angeschlossenen Last, nicht aber vom Phasenwinkel der Last.
  • Ein solcher magnetischer Regler hat aber auch wesentliche Nachteile. Dazu gehört zunächst, daß die Ausgangsspannung in ihrer Kurvenform, infolge der Bildung höherer Harmonischer der Grundfrequenz des Wechselstromnetzes, durch die magnetisch übersättigte Querdrossel a verzerrt wird.
  • Es ist bekannt, daß man diese Verzerrungen durch Anwendung von Sperr- oder Saugkreisen auf ein vernünftiges Maß herabsetzen kann, was jedoch eine Verteuerung des Reglers mit sich bringt. Einfachheitshalber sind diese Saugkreise in der Abb. z weggelassen.
  • Ändert sich die Frequenz des Versorgungsnetzes, so ändert sich auch um einen bestimmten Betrag im gleichen Sinn die Ausgangsspannung des Reglers.
  • Es ist bekannt, daß man durch genügend fein abgestufte Anzapfungen der Wicklung der Querdrossel und durch Umklemmen z. B. des Punktes C bei Frequenzschwankungen Schwankungen der Ausgangsspannung ausgleichen kann. Durch Umklemmen des Punktes C verändert man das Übersetzungsverhältnis der als Spartransformator ausgebildeten Querdrossel.
  • Die Ausgangsspannung eines nach Abb. r ausgeführten magnetischen Reglers ist abhängig vom Phasenwinkel der nachgeschalteten Last. Ein kapazitiver Laststrom verschiebt die Ausgangsspannung nach höheren Werten, weil er induktionserhöhend auf die Querdrossel rückwirkt, eine induktive Laststromkomponente wirkt erniedrigend auf die Ausgangsspannung des Reglers, weil durch ihre Rückwirkung in der Querdrossel die Induktion herabgesetzt wird.
  • Ausgangsspannungsabweichungen, hervorgerufen durch Lastwinkeländerungen, lassen sieh ebenfalls im bestimmten Maße durch Umklemmen des Punktes C an der Querdrossel bei den bisher bekannten Reglern ausgleichen, jedoch mit der Einschränkung, daß sich der Phasenwinkel der Last im Betriebe des Reglers nicht ändern darf, sondern konstant bleiben muß.
  • In der Praxis ergeben sich viele Fälle, in denen ein Umklemmen an einem magnetischen Regler wegen der Funktionsunterbrechung der nachgeschalteten Geräte unmöglich ist. Aus diesem Grunde hat man an die Klemmen 0' und R' in Abb. r zunächst ein frequenzabhängiges Netzwerk geschaltet und erst hinter diesem Netzwerk die Last angelegt. Durch diese Maßnahme läßt sich, wie aus der Literatur bekannt, die Frequenzabhängigkeit der Ausgangsspannung des Reglers weitgehend herabmindern. Der Aufwand für das Netzwerk ist aber beträchtlich, besonders wenn es sich um größere Konstanthalteleistungen handelt und die Frequenz in weiten Grenzen schwankt. Außerdem ist bisher noch kein wirtschaftliches Verfahren bekannt, wie man die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung hinter einem derartigen Entzerrer restlos beseitigen kann. Weiterhin ist ein magnetischer Netzspannungsregler bekannt, bei dem der Fehler der Ausgangsspannung, hervorgerufen durch Netzfrequenzschwankungen, ausgeglichen wird durch Änderung der resultierenden Induktivität der Querdrossel mittels Gleichstromvormagnetisierung einer parallel zur Querdrossel liegenden zusätzlichen Drossel, wobei die Vormagnetisierung durch einen von der Netzfrequenz abhängig gesteuerten Gleichstrom bewirkt wird. Auch unter Berücksichtigung des Fortschrittes, welcher in den letzten Jahren in der Fertigung magnetischer Werkstoffe erzielt wurde, ist dieses Verfahren wegen des erforderlichen Aufwandes nur zur Ausregelung kleiner Spannungsfehler geeignet, hervorgerufen durch Änderungen der Netzfrequenz oder des Phasenwinkels der dem Konstanthalter nachgeschalteten Last. Da auch in diesem Falle die Querdrossel im Sättigungsbereich ihrer B/H-Kennlinie arbeiten muß, um die bereits vorher genannten guten Eigenschaften eines magnetischen Netzspannungsreglers zu behalten, ist der Aufwand an Gleichstromamperewindungen zur Erzielung einer merklichen Induktivitätsänderung der Querdrossel und damit einer Änderung der Ausgangsspannung beträchtlich. Diese Tatsache ist aus der Literatur über magnetische Verstärker bekannt, in welcher angegeben ist, daß die zur Induktivitätsänderung erforderlichen Gleichstromamperewindungen immer in einem bestimmten Verhältnis, welches sich nach dem verwendeten magnetischen Material richtet, zu den Wechselstrornamperewindungen der zu regelnden Drossel stehen.
  • An Hand der Abb. 2 wird ein Gerät nach der Erfindung beschrieben, daß gegenüber den bisher bekannten magnetischen Netzspannungsreglern einen wesentlichen Fortschritt darstellt.
  • Das Gerät unterscheidet sich von dem in Abb. z beschriebenen bekannten magnetischen Netzspannungsreglern elektrisch zunächst nur durch folgende Punkte: a) In die Ausgangsleitung ist an den Klemmen EF einspannungsempfindliches Glied4eingeschaltet. b) Das spannungsempfindliche Glied 4 steuert ein richtungsempfindliches Glied 5.
  • c) Von dem richtungsempfindlichen Glied 5 werden richtungsempfindliche Kommandos an die Nachstellvorrichtung 6 weitergeleitet.
  • d) Die Nachstellvorrichtung 6 ist durch Kupplung 7 mit den zwischen den Abzapfungen der Querdrossel verschiebbaren StromabnehmerkontaktA verbunden. Zur Funktion des Gerätes können die Längsdrossel z, die als Spartransformator ausgebildete magnetisch übersättigte Querdrossel 2 und der Parallelkondensator 3 wie bei den bisher bekannten magnetischen Reglern ausgebildet sein. Spannungsänderungen zwischen den beiden Punkten BF in der Ausgangsseite des Reglers bewirken durch Ansprechen des spannungsabhängigen Gliedes 4 und der nachgeschalteten Glieder 5, 6 und 7 eine selbsttätige Verschiebung des Stromabnehmerkontaktes zwischen den hinreichend feinstufigen Anzapfungen an der Querdrossel a und damit ein Verändern der Ausgangsspannung.
  • Die gesättigte Querdrossel z ist zweckmäßig als ein ein- oder mehrlagig gewickelter Schiebe- oder als Ringkerntransformator, die an sich bekannt sind, auszuführen. Ein Ringkerntransformator hat gegenüber einem normalen Kern- oder Manteltransformator, besonders bei hoher magnetischer Sättigung, den Vorteil eines kleineren äußeren Streufeldes, was sich vorteilhaft auf in der Nähe befindliche elektrische und auf Streufelder empfindliche Geräte auswirkt. Beim Ringkerntransformator fehlt die Stoßfuge in dem lamellierten Blechkern. Dies bedeutet eine Verkleinerung der erforderlichen Amperewindungen für eine bestimmte magnetische Induktion. Einen Ringkerntransformator kann man am ganzen Umfang bewickeln, so daß eine geringere Streuung entsteht, die ebenfalls eine Herabsetzung der Amperewindungszahl für eine bestimmte Induktion bedeutet. Wie aus der Magnetisierungskurve für Dynamobleche bekannt ist, ist die erforderliche Amperewindungszahl für Kerninduktionen, die über dem Knickpunkt liegen, beträchtlich und daher jede Einsparung sehr erwünscht.
  • Auf der obersten Lage eines Ringkerntransformators läßt sich leicht eine Stromabnehmerbahn anbringen. Beim Verstellen des Stromabnehmers A ist durch Verschieben von einer zur nächsten Windung eine sehr feinstufige Änderung der Ausgangsspannung möglich. Die kleinste Änderung ist gleich der Windungsspannung der Querdrossel a. Derartige feine Abstufungen sind wegen der hoben Konstanz, die von den Reglern gefordert wird, notwendig. Die gleiche Wirkung könnte man allerdings auch mit einem Schiebetransformator erreichen, jedoch hat er nicht den Vorteil der kleineren Amperewindungszahl wie der Ringkerntransformator.
  • Schaltet man den Stromabnehmer im Punkt A statt, wie an sich auch möglich, in den Punkten B, C oder D in die Leitungsführung, so erreicht man eine größere Wirkung auf den Betrag der Ausgangsspannung besonders bei Frequenzänderungen, denn es wird nicht nur das Übersetzungsverhältnis AC/AD geändert, sondern auch das Übersetzungsverhältnis AB/AD und damit gleichzeitig eine Induktionsänderung im Kern erreicht, die bei Frequenzänderungen erwünscht ist, damit der Regler auch bei Frequenzänderungen seine Eigenschaften im bezug auf Regelbereich, Lastunabhängigkeit und Toleranz behält.
  • Das spannungsabhängige Glied 4 ist so ausgebildet, daß es nur auf Änderungen des Effektivwertes der Ausgangsspannung anspricht. Es darf nicht auf Änderung des Spitzen- oder Mittelwertes ansprechen, da sich durch Kurvenformänderungen bei verschiedener Last oder Netzspannung der Spitzen- und Mittelwert der Ausgangsspannung ändert. Seine Empfindlichkeit ist so groß, daß es beim Überschreiten der Reglertoleranz (z. B. ± i °/o) bereits richtungsempfindliche Impulse an das Glied 5 weiterleitet. Ferner ist es so gebaut, daß es auch bei sehr langsamer Änderung der Ausgangsspannung, wie sie bei sehr langsamen Netzfrequenzänderungen vorkommt in seinem zeitlichen Einsatz des Auslösens richtungsempfindlicher Impulse genau definiert ist. Dadurch wird das Flattern im Gerät eingebauter Relais und damit das Pendeln des Reglers verhindert.
  • Das Glied 5 empfängt von dem Glied q. richtungsempfindliche Stromimpulse, die es in richtungsempfindliche Kommandos umsetzt und an die Nachstellvorrichtung 6 weiterleitet. Das Glied 5 muß in seiner Ansprechzeitkonstante auf Impulse des Gliedes q. so ausgebildet sein, daß seine Zeitkonstante für alle Betriebszustände des Reglers immer größer ist als die innere Zeitkonstante des magnetischen Reglers, gebildet aus den Gliedern i, z und 3 bzw. deren RLC-Daten. Das heißt, bei plötzlichen Be- oder Entlastungen des Reglers oder momentanen Spannungssprüngen im Versorgungsnetz regelt der magnetische Regler selbst erst nach einigen Perioden der Netzfrequenz die Ausgangsspannung aus. Während dieser Zeitdauer darf das Glied 5 keine Kommandos weitergeben und auch keine Impulse speichern. Nur dann ist ein ruhiges Arbeiten des Reglers gewährleistet.
  • Die Nachstellvorrichtung 6 kann elektromotorisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch in einer der bekannten Formen ausgebildet sein. Ebenso kann das Kupplungsglied 7 zwischen der Nachstellvorrichtung 6 und dem in seiner Lage auf der Wicklung von einem Sollwert beiderseitig veränderbaren Stromabnehmer als Hebel, Schneckengetriebe, Zahnstange oder in einer anderen bekannten Art ausgebildet sein.
  • Solange keine Frequenzänderungen des Netzes, Phasenwinkeländerungen der Last oder Ausgangsspannungsänderungen infolge der thermischen Zeitkonstante des magnetischen Reglers selbst auftreten, tritt die l\Tachstellvorrichtung des Reglers überhaupt nicht in Tätigkeit, was sich in der Praxis über Tage oder Wochen erstrecken kann. Für diesen Betriebsfall arbeitet der Regler wie ein bisher bekannter magnetischer Regler.
  • Sobald jedoch durch eine der drei Ursachen, einen Teil derselben oder durch alle gleichzeitig die Ausgangsspannung die Toleranzgrenze des Reglers nach ; oder - überschreitet, spricht das Glied ,4 mit exakt zeitlich definiertem Einsatzpunkt an und bewirkt über die Glieder 5, 6 und 7 ein Zurückverschieben der Ausgangsspannung in die Toleranzgrenze des Reglers. Die Nachstellgeschwindigkeit ist in diesem Fall zwar kleiner als beim magnetischen Regler, jedoch ist zu bedenken, daß z. B. Frequenzscbwankungen in der Praxis immer nur langsam erfolgen wegen des mechanischen Trägheitsmomentes der Synchrongeneratoren. Der bedeutende Fortschritt des beschriebenen Gerätes besteht in der selbsttätigen Ausregelung von Ausgangsspannungsänderungen, hervorgerufen durch Frequenzänderungen des Netzes und Phasenwinkeländerungen der Last unter Beibehaltung der hervorragenden Eigenschaften des bekannten magnetischen Reglers für dessen normalen Betriebsfall, auf die die bekannten magnetischen Regler von sich aus jedoch nicht ansprechen würden.
  • Bei dem beschriebenen Regler bleibt der Aufwand an technischen Mitteln zur Erreichung einer von der Frequenz unabhängigen konstanten Ausgangsspannung eine praktisch feste Größe für verschiedene Typenleistungen von Reglern.
  • Eine dauernd konstante und lastunabhängige Gleichspannung erhält man durch einen nachgeschalteten Gleichrichter und Einfügung des spannungsabhängigen Gliedes q. in den gleichstromseitigen Ausgang.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Magnetischer Netzspannungsregler, bestehend aus Längsdrossel und gesättigter Querdrossel mit Parallelkondensator, wobei die Querdrossel als Spartransformator mit Abgriffen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Verbraucherseite ein spannungsempfindliches Glied (q.) eingeschaltet ist, das nur auf den Effektivwert, jedoch schon bei sehr kleinen Änderungen der Ausgangsspannung anspricht und einen in seinem zeitlichen Einsatz exakt definierten richtungsempfindlichen Impuls an eine die Transformatorabgriffe verändernde Nachstellvorrichtung (5, 6) gibt, deren Zeitkonstante größer ist als diejenige des magnetischen Spannungsreglers.
  2. 2. Magnetischer Netzspannungsregler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gesättigte Querdrossel (2) als ein- oder mehrlagig gewickelter Ringkerntransformator ausgebildet ist, auf dessen oberster Wicklungslage eine Schleifbahn mit einem Stromabnehmer angebracht ist, der durch die Nachstellvorrichtung (6) in seiner Lage auf der Wicklung verändert werden kann. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 689 5i2.
DEK5755A 1950-08-03 1950-08-03 Magnetischer Netzspannungsregler Expired DE971886C (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1143921B (de) * 1959-12-28 1963-02-21 Licentia Gmbh Schaltanordnung zur Lieferung eines konstanten Stromes
DE1210945B (de) * 1960-05-24 1966-02-17 Westinghouse Electric Corp Anordnung zur Erfassung und Aussteuerung von Unterspannungen in einem Mehrphasennetz

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE689512C (de) * 1936-12-24 1940-03-26 Siemens Schuckertwerke Akt Ges Anordnung zur Konstanthaltung einer Verbraucherspannung trotz schwankender Netzspannung

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