DE975102C - Anordnung zur Steuerung von Wechselstroemen mit Hilfe einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung von Wechselströmen mit Hilfe einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule, die in der einen Zuleitung von einem Netz zum Verbraucher liegt. Es ist eine Reihe von Schaltungen bekannt, die es gestatten, durch Änderung der Vormagnetisierung von Drosselspulen die Größe von Strömen oder Spannungen zu steuern, die einer Wechselspannungsquelle entnommen werden. Zum Teil werden dabei alle an der Wechselspannungsquelle liegenden Drosselspulenwicklungen von beiden Wechselstromhalbwellen, zum Teil nur von

einer Wechselstromhalbwelle durchflossen. Bei einem der bekannten Verfahren werden zur Spannungsregelung in Metalldampfgleichrichteranlagen in die Anodenstromkreise vormagnetisierbare Drosselspulen geschaltet, deren Kerne von einem steuernden Gleichstrom und vom Anodenstrom im gleichen Sinne magnetisiert werden. Die spannungsregelnde Wirkung der Drosselspule beruht auf dem an ihr auftretenden Spannungsabfall, der von der zusätzlichen Erregung der Drosselspule abhängig gemacht ist. Es ist dabei bereits mit einer relativ kleinen Gleichstromerregung eine ganz erhebliche

Änderung der Drosselspannung möglich. Die Beeinflussung erfolgt dabei in jedem Zeitpunkt während des gesamten Gleichstromflusses in dem Sinne, daß an den Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung ständig der gewünschte Spannungsmittelwert auftritt. Zu diesem Zweck liegt dauernd an jeder der beiden Drosselspulen nur ein geringer Teil der Netzspannung, um die Wirksamkeit des Gleichrichters sicherzustellen. Zur besseren Ausnutzung der Drosselspulen kann dabei den Anoden verschiedener Phasen gruppenweise je eine Drosselspule zugeordnet werden.

Bei diesem bekannten Verfahren werden die Drosselspulen in Verbindung mit Gleichrichtern in Anlagen verwendet, deren Aufgabe die Gleichrichtung von Wechselströmen ist. Es ist daher nicht zur Lösung von Aufgaben geeignet, die nicht mit einem Gleichrichtungsvorgang verknüpft sind. Aber auch für derartige Fälle ist es bekannt, Drosseispulen in Verbindung mit Gleichrichterelementen zur Steuerung zu verwenden. Die bekannten Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß sie leicht unstabil werden.

Kennzeichnend für das Prinzip der diesen An-Ordnungen zugrunde liegenden Schaltungen sind zwei Drosselspulen, die mit ihrem einen Pol an einem Ende der Sekundärseite eines Transformators mit Mittelanzapfung und mit ihrem anderen Pol an einem Gleichrichterelement liegen. Die beiden Gleichrichterelemente sind so· geschaltet, daß über sie durch die mit ihnen in Reihe liegende Drosselspule stets nur ein Strom in einer Halbwelle fließen kann. Die Gleichrichterelemente sind miteinander und mit der zu speisenden Last verbunden. Über die Mittelanzapfung der Sekundärseite des Transformators wird der Stromkreis geschlossen. Um ein einigermaßen stabiles Arbeiten dieser bekannten Anordnungen sicherzustellen, werden bei ihnen die beiden Drosselspulen durch einen Widerstand verbunden. Somit fließt über jede Drosselspule auch in der Halbwelle ein Strom, in welcher der mit ihr in Reihe liegende Gleichrichter auf Sperrspannung beansprucht ist. Es werden also die Drosselspulenkerne von der einen Halbwelle des Wechselstromes in der einen Richtung und von der anderen Halbwelle des Wechselstromes in der anderen Richtung magnetisiert.

Die zur Erzielung einer gewünschten Steuerwirkung erforderliche, von der Vormagnetisierungswicklung aufzubringende Steuerdurchflutung findet dabei in der von dem die Drosselspule durchfließenden Strom hervorgebrachten Magnetisierung keine Unterstützung, da die Richtung dieser Magnetisierung wechselt. Dieser ständige Wechsel der Magnetisierung bedingt auch eine nicht unerhebliche Zeitkonstante der bekannten Anordnungen. Die bei den bekannten Anordnungen auftretenden Nachteile lassen sich mit einer Anordnung zur Steuerung von Wechselströmen mit Hilfe einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule, die in der einen Zuleitung von einem Netz zum Verbraucher liegt, nach der Erfindung vermeiden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wechselstromwicklung der Drosselspule in zwei infolge vorgeschalteter getrennter und gegensinnig angeordneter gleichrichtender Elemente von Stromhalbwellen durchflossene, in bezug auf die Zuleitung zueinander parallel geschaltete Wicklungsteile, die je für sich eine Spannung bis zur Größe der einspeisenden Wechselspannung aufnehmen können, mit getrennten magnetischen Pfaden so aufgeteilt ist, daß jeweils die positiven Stromhalbwellen durch den einen, die negativen durch den anderen Wicklungsteil fließen und daß in jedem der beiden magnetischen Pfade die von den Stromhalbwellen erzeugten magnetischen Flüsse dieselbe Richtung wie der von der Gleichstromvormagnetisierung hervorgerufene magnetische Gleichfluß haben. Dabei ist es günstig, wenn die vorzugsweise streifenförmig gewickelten Kerne der gleichstromvormagnetisierten Drosselspule aus einem Werkstoff großer Permeabilität bestehen. Eine weitere Verbesserung erhält man durch Weiterbildung des Erfindungsgedankens dadurch, daß die gleichstromvormagnetisierte Drosselspule eine zusätzliche, über eine Gleichrichteranordnung aus dem Wechselstromnetz gespeiste Ausgleichswicklung besitzt, deren magnetomotorische Kraft bei stromloser Gleichstromvormagnetisierungswicklung die magnetomotorischen Kräfte der Wechselstromwicklungen kompensiert. Unter Umständen kann es auch angebracht sein, in Reihe mit den beiden je mit einem Ventil in Reihe geschalteten Wechselstromwicklungen einen Kondensator zu schalten.

Die Erfindung macht hiernach Gebrauch von der bekannten Erscheinung, daß die Impedanz einer Drosselspule mit geschlossenem, in Sättigungsuähe arbeitendem Eisenkern und mit einem vorgeschalteten gleichrichtenden Element bei einem gegebenen Anstieg der an den Drosselklemmen liegenden Spannung mehr abnimmt als die Impedanz einer 1°° gleichen Drossel ohne vorgeschaltetes gleichrichtendes Element bei der gleichen Spannungsänderung. Dieser Einfluß des gleichrichtenden Elementes ist jedoch bisher lediglich für eine parallel zur Last liegende Drosselspule verwendet worden, mit deren *°5 Hilfe unter Vorschalten einer ungesättigten Drosselspule vor die Last und die Paralleldrosselspule die Spannung an der Last annähernd konstant gehalten werden soll.

Die Erfindung sei an Hand von in den Zeichnun- ¹¹Q gen näher dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Abb. ι zeigt eine schematische Darstellung des Erfindungsgedankens. In dem Beispiel nach Abb. 2 ist die Drosselspule mit einer Ausgleichswicklung versehen. Zur Kompensation des induktiven Blindwiderstandes der Drosselspule bei voller Sättigung ist bei dem Beispiel nach Abb. 3 ein Kondensator im Wechselstrom-Lastkreis vorgesehen. Abb. 4 gibt die Zusammenhänge zwischen den Steuergleichströmen und den Ausgangswechselströmen für die Schaltungen nach den Abb. 1, 2 und 3 wieder. Abb. 5 stellt eine Kaskadenschaltung von mehreren Anordnungen gemäß Abb. 3 dar.

In dem Beispiel nach Abb. 1 ist an ein Wechselstromnetz 1 ein Lastkreis 2 über eine erfindungs-

gemäße Anordnung 3 angeschlossen. Diese besteht aus zwei Kernen 4 und 5 aus magnetischem Werkstoff, vorzugsweise mit großer Permeabilität. Auf dem Kern 4 ist eine Wechselstromwicklung 6 und auf dem Kern 5 eine Wechselstromwicklung 7 angeordnet. Die Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 verkettet beide Kerne.

Die Wechselstromwicklungen 6 und 7 liegen zueinander parallel zwischen Wechselstromnetz 1 und Lastkreis 2. In Reihe mit der Wechselstromwicklung 6 ist ein Gleichrichter 9 und in Reihe mit der Wechselstromwicklung 7 ein Gleichrichter 10 vorgesehen. Diese Gleichrichter, die z. B. Trockengleichrichter sein können, sind bezüglich des Wechselstromes im Wechselstromnetz 1 und im Lastkreis 2 gegeneinandergeschaltet, so daß z. B. die positiven Halbwellen des Laststromes durch die Wechselstromwicklung 6 und die negativen Halbwellen durch die Wechselstromwicklung 7 fließen. Auf diese Weise kann in den Wechselstromwicklungen 6 und 7 nur pulsierender Gleichstrom fließen. Diese Wechselstromwicklungen sind so auf den zugehörigen Kernen angeordnet, daß die pulsierenden magnetischen Gleichflüsse, die sie erzeugen, die gleiche Richtung besitzen wie der von der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 erzeugte magnetische Gleichfluß. Im Beispiel seien die Flüsse in denjenigen Teilen der Kerne, die von den Wicklungen umgeben sind, von oben nach unten gerichtet.

Ein vorteilhafter Aufbau der Anordnung ist folgender: Die Wechselstromwicklungen 6 und 7 werden um einen passenden Dorn gewickelt und mit Hilfe der GleichstromvormagnetisierungswicklungS zuverlässig zusammengebunden. Danach werden die Kerne 4 und 5 in Form von Streifen aus magnetischem Werkstoff eingefädelt, wobei für den richtigen Querschnitt der Kerne zu sorgen ist. Die Enden der Streifen werden schließlich durch Punktschweißung mit der angrenzenden Lage verschweißt. Bei einem solchen Aufbau ist es nicht notwendig, Kernlamellen verschiedener Größe für unterschiedlich auszuführende Anordnungen auf Lager zu legen. Die Kerne haben auch keine Luftspalte, was einen entscheidenden Vorteil für gleichstromvormagnetisierte Eisenkerndrosselspulen darstellt. Die Schwierigkeit der Stoßfugenversetzung bei den einzelnen Kernlamellen für vorgeformte Wicklungen und das Durchschieben der Kernlamellen sind hierdurch beseitigt, während alle Vorteile der Lamellierung erhalten bleiben.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Abb. 1 ist folgende: Werden bei geeigneter Wahl der Windungszahl der Wechselstromwicklungen 6 und 7 mit Rücksicht auf die Spannung des Wechselstromnetzes ι und den Widerstand des Lastkreises 2 während jeder positiven Halbwelle des Wechselstromes die Permeabilität des Kernes 4 und die Induktivität der Wechselstromwicklung 6 so groß, daß die EMK der Selbstinduktion in dieser Wicklung und damit auch der Spannungsabfall an ihr den Strom im Lastkreis 2 bis auf einen vernachlässigbar kleinen Wert herabsetzen, so tritt die gesamte Spannung des Wechselstromnetzes 1 an den Wechselstromwicklungen 6 und 7 auf, d. h., der Lastkreis 2 wird im wesentlichen nicht mit Energie versorgt. Für die negativen Halbwellen des Wechselstromes gilt dasselbe in bezug auf die Wechselstromwicklung 7.

Sobald Gleichstrom in die Vormagnetisierungswicklung 8 geschickt wird, nimmt die Permeabilität der Kerne 4 und 5 ab. Diese Abnahme verringert die EMK der Selbstinduktion in den Wechselstromwicklungen 6 und 7, so daß der Spannungsabfall an diesen Wicklungen verringert wird und der Strom im Lastkreis 2 zunimmt. Durch Vergrößerung des Gleichstromes in der Vormagnetisierungs wicklung 8 wird bei entsprechend hoher Sättigung der Kerne 4 und 5 der Widerstand der Wechselstromwicklungen 6 und 7 so weit verringert, daß fast die gesamte Speisespannung an der Last liegt und nur ein geringer Prozentsatz derselben an den Wechselstromwicklungen 6 und 7 auftritt.

Die größte Vormagnetisierungsleistung für die Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8, die notwendig ist, um eine vorgegebene Wechselstromleistung im Lastkreis 2 zu steuern, ist dabei sehr viel kleiner als bei den bekannten gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen, denn die Anordnung gemäß Abb. 1 erzeugt wie eine rückgekoppelte gleichstromvormagnetisierte Eisenkerndrosselspule bei Zunahme des Lastwechselstromes in den Wechselstromwicklungen zusätzliche magnetische Gleichflüsse und versucht gewissermaßen, sich selbst durch diese Gleichflüsse zu sättigen, wenn der Lastwechselstrom zunimmt. Als Gleichstromleistung für die Vormagnetisierungswicklung 8 wird daher nur ein kleiner Restbetrag benötigt. Die Anordnung gemäß Abb. 1 hat jedoch gegenüber der bekannten rückgekoppelten gleichstromvormagnetisierten Drosselspule den Vorteil, daß sie für alle Werte des Vormagnetisierungsgleichstromes stabil ist.

Eine Erklärung für die Stabilität der Anordnung gemäß Abb. 1 ist folgende: Wenn die gleichgerichteten Rückkopplungsamperewindungen die effektiven Amperewindungen der Drosselspulenwechselstromwicklungen übertreffen, tritt in solchen Drosselspulen Unstabilität auf. Bei der Anordnung nach der Erfindung aber erzeugte derselbe Strom in derselben Wicklung sowohl die gleichgerichtete "o Sättigung als auch die effektiven Amperewindungen der Drosselspule. Wegen der Verluste in der Anordnung, einschließlich der Hystereseverluste, kann der Wert niemals den für eine Unstabilität maßgeblichen Wert erreichen, obwohl er immer nahe daran liegt, wodurch eine sehr hohe Empfindlichkeit und Verstärkung erhalten wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2 unterscheidet sich von der in Abb. 1 dargestellten Anordnung dadurch, daß eine Ausgleichswicklung 11 vorgesehen ist und daß die verschiedenen Wicklungen auf einem vierschenkligen Kern angebracht sind. Die Ausgleichswicklung 11 ist eine Gleichstromwicklung, die in irgendeiner Weise, z. B. von dem speisenden Wechselstromnetz 1 über eine passende Gleichrichteranordnung 13 gespeist wird.

Eine einstellbare Drosselspule 14 gestattet, den Gleichstrom in der Ausgleichswicklung 11 zu beeinflussen.

Die Ausgleichswicklung 11 ist so angeordnet, daß sie eine magnetomotorische Kraft entgegen den magnetomotorischen_ Kräften der Wicklungen 6, und 8 erzeugt. Die Größe ihrer magnetomotorischen Kraft wird so gewählt, daß sie die magnetomotorischen Kräfte der Wechselstromwicklungen 6 und 7 kompensiert, wenn in der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 kein Strom fließt. Diese Maßnahme vergrößert wesentlich den Steuerbereich der Anordnung. Gleichgerichtete Flüsse in dem Kern werden nämlich bereits erzeugt durch den bei der Last Null bzw. größtem Widerstand der Wechselstromwicklungen 6 und 7 fließenden Strom und rufen eine gewisse Sättigung des Kernes 12 hervor. Wenn dieser Strom kompensiert wird, wird der Widerstand der Wechselstromwicklungen 6 und 7 noch mehr zunehmen, wenn kein Strom in der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 fließt.

In dem Beispiel wird der Strom in der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 von einer Photozelle P gesteuert. Die Photozelle liefert nur eine Gleichstromvormagnetisierungsleistung von wenigen Mikrowatt und kann demnach infolge Zwischenschaltung der Anordnung gemäß der Erfindung eine Wechselstromausgangsleistung von mehreren Watt steuern. Abgesehen von der Wirkung der Ausgleichswicklung 11 ist die Arbeitsweise des Beispiels die gleiche wie bei dem Beispiel nach Abb. i. Wenn der Gleichstrom in der Vormagnetisierungswicklung 8 zunimmt, wird die Permeabilität des Kernes 12 allmählich abnehmen und damit allmählich den Widerstand der Wechselstromwicklungen 6 und 7 herabsetzen, so daß der Strom im Lastkreis 2 zunimmt.

Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 unterscheidet sich von den beschriebenen nur dadurch, daß ein Kondensator 15 in Reihe zum Wechselstromnetz ι und Lastkreis 2 geschaltet ist. Wird dieser Kondensator 15 so bemessen, daß sein kapazitiver Widerstand ungefähr ebenso groß ist wie der induktive Widerstand der Wechselstromwicklungen 6 und 7 bei größter Vormagnetisierung der Kerne 4 und 5, so¹ heben sich die Scheinwiderstände gegenseitig auf, und der Strom in der ganzen Anordnung wird im wesentlichen nur durch die Wirkwiderstände der Wechselstromwicklungen 6 und 7 und die Widerstände der Gleichrichter 9 und 10 begrenzt. Auf diese Weise kann der Steuerbereich wesentlich vergrößert werden.

Die Pfeile, die neben den Wicklungen eingezeichnet sind, geben die Richtungen der Flüsse, die diese Wicklungen erzeugen, an.

Tritt durch den Kondensator 15 Reihenresonanz ein, so wird die Anordnung unstabil, und plötzliches Einschalten des Vormagnetisierungsgleichstromes läßt den Wechselstrom augenblicklich stark anwachsen, während plötzliche Umkehrung des Vormagnetisierungsgleichstromes den Wechselstrom stark herabsetzt. Auf diese Weise bekommt die Anordnung die Kennlinie eines polarisierten Relais.

In Abb. 4 sind die Beziehungen zwischen Steuergleichstrom und Ausgangswechselstrom nach den Abb. i, 2 und 3 dargestellt. Die Kennlinie des Beispiels gemäß Abb. 1, bei dem weder eine Ausgleichswicklung 11 noch ein Kondensator vorgesehen ist, zeigt bereits einen beträchtlichen Ausgangswechselstrom, wenn der Vormagnetisierungsgleichstrom (Steuergleichstrom) Null ist. Nimmt dieser Gleichstrom zu, so wächst der Ausgangs-Wechselstrom bis zu einem vorgegebenen Wert. Die Kennlinie des Beispiels gemäß Abb. 2, bei der zwar eine Ausgleichswicklung 11, aber kein Kondensator 15 vorgesehen ist, zeigt, daß der Ausgangswechselstrom praktisch Null ist, wenn der Vormagnetisierungsgleichstrom (Steuergleichstrom) Null ist. Nach einem anfänglich ziemlich steilen Anstieg, währenddem der Ausgangswechselstrom nicht so schnell zunimmt wie der Vormagnetisierungsgleichstrom, verflacht sich die Kurve mehr als die für das Beispiel gemäß Abb. 1 gültige, so daß der Ausgangswechselstrom für die Einheit der Änderung des Vormagnetisierungsgleichstromes bei dem Beispiel gemäß Abb. 2 schneller wächst als bei dem Beispiel nach Abb. 1. Die Kennlinie des Beispiels nach Abb. 3 liefert den größten Steuerbereich von allen drei Beispielen.

Bei dem in Abb. 5 dargestellten Beispiel sind drei Schaltungen nach Abb. 2 in Kaskade geschaltet. Der Ausgangswechselstrom der ersten Stufe wird durch die Gleichrichteranordnung 20 gleichgerichtet und der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8' der zweiten Stufe zugeführt. Ebenso wird der Ausgangswechselstrom der zweiten Stufe durch die Gleichrichteranordnung 21 gleichgerichtet und der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8" der dritten Stufe zugeführt. Es können auf diese Weise auch mehr als drei Anordnungen miteinander in Kaskade geschaltet werden, so daß der Verstärkungsbereich praktisch unbegrenzt ist und man mit einer Gleichstromvormagnetisierungsleistung von wenigen Mikrowatt für die Gleichstromvormagnetisierungswicklung 8 eine beliebig große Last steuern kann.

Auch bei dieser Kaskadenschaltung sind Ausgleichswicklungen 11, 11' und 11" vorgesehen. Die Ströme in den Ausgleichswicklungen 11' und 11" bleiben trotz der Kaskadenschaltung unverändert, da sie ebenso' wie der Strom in der Ausgleichswicklung 11 von der Spannung des Wechselstromnetzes 1 unmittelbar abgeleitet werden. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 können in Reihe mit der jeder Stufe folgenden Last Kondensatoren 15, 15' und 15" liegen. Ihre Wirkung ist dieselbe wie oben beschrieben.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Anordnung zur Steuerung von Wechselströmen mit Hilfe einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule, die in der einen Zuleitung von einem Netz zum Verbraucher liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromwicklung der Drosselspule in zwei infolge vorgeschalteter getrennter und gegensinnig angeordneter gleich-

   richtender Elemente (9, 10) von Stromhalbwellen durchflossen, in bezug auf die Zuleitung zueinander parallel geschaltete Wicklungsteile, die je für sich eine Spannung bis zur Größe der einzuspeisenden Wechselspannung aufnehmen können, mit getrennten magnetischen Pfaden so aufgeteilt ist, daß jeweils die positiven Stromhalbwellen durch den einen, die negativen durch den anderen Wicklungsteil fließen und daß in jedem der beiden magnetischen Pfade die von den Stromhalbwellen erzeugten magnetischen Flüsse dieselbe Richtung wie der von der Gleichstromvormagnetisierung hervorgerufene magnetische Gleichfluß haben.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise streifenförmig gewickelten Kerne der gleichstromvormagnetisierten Drosselspule aus einem Werkstoff großer Permeabilität bestehen.

   ao
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichstromvormagnetisierte Drosselspule eine zusätzliche, über eine Gleichrichteranordnung aus dem Wechselstromnetz gespeiste Ausgleichswicklung (11) besitzt,

   as deren magnetomotorische Kraft bei stromloser Gleichstromvormagnetisierungswicklung (8) die magnetomotorischen Kräfte der Wechselstromwicklungen (6, 7) kompensiert.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den beiden je mit einem gleichrichtenden Element in Reihe geschalteten Wechselstromwicklungen ein Kondensator geschaltet ist.
5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Ausgangswechselstrom gleichgerichtet wird und zur Speisung der Gleichstromvormagnetisierungswicklung einer nachgeschalteten Anordnung gleicher Art dient (Kaskadenschaltung).

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 298276, 310908, 182, 484 266, 591 607, 667 679;

   französische Patentschrift Nr. 800970;

   britische Patentschriften Nr. 394 566, 404 034, 456828;

   USA.-Patentschriften Nr. 1 739 579, 1 997 179, 2012588, 2021888, 2036708, 2040492, 2040684; »Elektrotechnik und Maschinenbau«, 1925, H. 37,

   s. 705;

   »Electrical Engineering«, Oktober 1934, S. 1366.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 109 635/17 8.