DE1251421B - - Google Patents

Description

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1251421

Aktenzeichen: H 43797 VIII b/21 d2

1251421 Anmeldetag: 5. Oktober 1961

Auslegetag: 5. Oktober 1967

Die vorliegende Hrliiidiiiig betrifft magnetische Spannungskoiistantluiltcr für einen Scliwankungsbcreich der Iiingaiigsspanniing bis zu !.45% einer mittleren Hingangsspannimg. Netzbetriebene elektrische oder elektronische Geräte bedürfen häufig einer Konstanthaltung der Betriebsspannungen gegen Schwankungen des Netzes. Hierzu kann es zweckmäßig sein, bereits die Netzwechselspannung zu regeln und den ohnehin erforderlichen Netztransformator in die Regelschaltung einzubeziehen.

Eine bekannte und vielbenutzte Anordnung ist der sogenannte magnetische Spannungskonstanthalter mit einer ungesättigten, im linearen Gebiet arbeitenden Längs- oder Vordrossel und mit einem quergeschalteten gesättigten Transformator, dessen Primärwicklung als sogenannte Querdrossel mit einem parallelliegenden Kondensator einen Schwingkreis bildet. Derartige Anordnungen sind im allgemeinen in der Lage, Netzschwankungen von etwa ±20% auszugleichen.

Bei einer anderen bekanntgewordenen magnetischen Spannungskonstanthalteschaltung wird von dem Querresonanzkreis, dessen wesentlicher Teil eine gesättigte Drosselspule bilden soll, gefordert, daß die Resonanz bei einer mittleren Belastung auftritt, um eine bestimmte Strom-Spannungs-Kennlinie für den Belastungskreis zu erzwingen. Diese Eigenschaft stimmt aber weder mit der Lehre der vorliegenden Erfindung überein, noch wird diese dadurch nahegelegt.

Mit einem anderen vorbekannten magnetischen Spannungsgleichhalter wurde das Ziel verfolgt, ihn so aufzubauen, daß er eine sehr geringe Blindleistung aufnimmt. Dieses Ziel wurde jedoch nicht durch eine entsprechende Bemessung der vorhandenen Schaltungsorgane erreicht, sondern durch deren Ergänzung zu einer Brückenschaltung mittels zusätzlicher Organe, z. B. mittels eines zusätzlichen Kondensators oder einer weiteren Drosselspule. Damit konnte die Lehre der vorliegenden Erfindung aber ebenfalls nicht nahegelegt werden.

Mit Hilfe von Wicklungsanzapfungen oder Doppelwicklungen auf Drossel und Transformator und mit entsprechenden Umschaltern ist es möglich, derartige Konsianthallcr für verschiedene Netzspannungen einzurichten. Die richtige Anpassung an verschiedene Netze erfordert indessen vom Benutzer Aufmerksamkeit; es ist auch schwierig und aufwendig, mit komplizierten NetzaiiscliluBanordnuiigcn dieser Art den Sicherheitsvorschriften zu genügen und sie spannungsfest aufzubauen. Ls sind daher schon Wege gezeigt worden, um den Regelbereich derartiger Konstanthalter über den ganzen vorkommenden Nctzspaiinungsbcreich, z. B. von 90 bis 240 V, auszudehnen und da-Magnetischer Spannungskonstanthalter

Anmelder:

Fritz Hellige & Co. G. m. b. H.,

Fabrik wissenschaftlicher Apparate,

Freiburg (Breisgau), Heinrich-von-Stephan-Str. 4

Als Erfinder benannt:

Paul Weber, Freiburg (Breisgau)

mit die Umschaltung mit den geschilderten Nachteilen zu umgehen. Derartige Konstanthalter sind unter der Bezeichnung »magnetische Weitbereichregler« bekannt.

zo Vorstehende Erfindung ging von der Erkenntnis aus, daß solche bekannten Weitbereichregler wegen ihres großen Raumbedarfs und hohen Gewichtseigenschaften, die sich bei richtiger Berücksichtigung der Erwärmungsgrenze ergeben, noch schwerwiegende, aber behebbare praktische Mängel besitzen. Ungünstig ist auch, daß ihre Scheinleistung nahezu quadratisch mit der Netzspannung anwächst, so daß der Leistungsfaktor für Netzspannungen nahe der oberen Bereichsgrenze unter 0,5 sinkt. Dieses Verhalten läßt sich zwar in bekannter Weise mit einem zusätzlichen, über den Netzeingang angeschlossenen Kondensator nach außen kompensieren, es bleibt jedoch der Nachteil, daß bei großen Netzspannungen auch ein großer Strom durch die Vordrossel fließt, der entweder im Bereich der am häufigsten angewandten Spannung von 220 V zu großen Verlusten führt oder eine entsprechende wesentliche Vergrößerung der Drosseldimensionen verlangt.

Diesem bekannten Stand der Technik gegenüber wurde mit vorliegender Erfindung die Aufgabe verfolgt, die erkannten, oben beschriebenen Mängel der bekannten magnetischen SpannungskonstanthalteschaI-tungen mit einer Längsdrosselspule und einem Querresonanzkreis durch folgerichtige Verwertung der Eigenschaften dieser Organe zu beheben, damit insbesondere die Verlustleistung in dieser Schaltung im wesentlichen unabhängig davon gleichbleibt, an welcher Stelle des Regelbereiches die Netzspannung liegt. Durch die erfindungsgemäße Bemessung der Organe ergeben sich noch zahlreiche andere Vorteile, insbesondere eine beträchtliche Gewichts- und Volumenverkleinerung, vor allem der Längsdrossel, bei gutem Wirkungsgrad.

Bei einem magnetischen Spannungskonstanthalter für großen Eingangsspannungsbereich gemäß der Erfindung, der im wesentlichen aus einer schwach gesättigten Vor-(Längs-) Drosselspule und einem Querkreis aus einer gegebenenfalls als Transformator ausgebildeten, gesättigten Qiierdrosselspule und einem dazu parallelliegenden Kondensator besteht, sollen der Kondensator 9 und die Querdrosselspule 5 bzw. der Transformator 4 des Querkreises derart abgestimmt sein, daß seine Stromresonanz bei maximaler Belastung bei \o einer an der oberen Grenze — und zwar bei etwa + 35°/o — des Schwankungsbereiches liegende Netzspannung auftritt, während die Vordrosselspule 3 so zu bemessen ist, daß sie kurz unterhalb dieses die Stromresonanz herbeiführenden Netzspannungswertes in den magnetisch gesättigten Zustand übergeht.

Um die daraus sich ergebende Aufgabe und die gefundene Lösung zu erläutern, wird nachstehend auf Figuren Bezug genommen. Es zeigt

F i g. 1 die prinzipielle Schaltung eines magnetischen Weitbereichreglers,

F i g. 2 das Vektordiagramm einer bekannten Anordnung für die Grundwelle,

F i g. 3 das Vektordiagramm der Grundwelle nach Verwirklichung des Erfindungsgedankens.

Gemäß F i g. 1 wird der an den Netzanschlußklemmen 1 und 2 abgegriffene Netzstrom über einer im linearen Magnetisierungsbereich arbeitenden, in bekannter Weise mit einem Luftspalt ausgestatteten Vordrossel 3 dem Querkreis zugeführt. Dieser bildet einen Schwingungskreis, der üblicherweise für eine mittlere Anschluß-Netzspannung mit der Netzfrequenz in Resonanz ist und aus der Primärwicklung 5 des Transformators 4 und dem Kondensator 9 besteht. Die Drossel 10 wirkt kaum auf die Grundwelle der Netzfrequenz, sie soll vielmehr mit dem Kondensator 9 einen auf die 3. Harmonische der Netzfrequenz abgestimmten Leitkreis bilden. Er liefert die 3. Harmonische des Magnetisierungsstromes für den Transformator 4 phasenrichtig und verbessert dadurch die Kurvenform der an letzterem liegenden Spannung. Ferner wird das gefürchtete »Kippen«, eine Selbsterregung, wirksam verhindert. Der Einsatz dieser zusätzlichen Drossel 10, die vergleichsweise klein dimensioniert sein kann, lohnt sich trotz des höheren Aufwandes, da mit der Verbesserung der Kurvenform eine beträchtliche Verkleinerung der Kupferverluste in der Vordrossel und im Transformator einhergeht, weshalb deren Dimensionen ebenfalls entsprechend verringert werden können. An den Klemmen 7 und 8 wird die konstante Spannung abgenommen und der Last 11 zugeführt.

Die in F i g. 1 angeschriebenen Spannungs- und Stromsymbole beziehen sich auf die Vektordiagramme der Grundwelle in den F i g. 2 und 3. Zur Erleichterung des Verständnisses der Vorgänge in dieser Schaltung wurden einige für eine erste Näherung zulässige Vernachlässigungen bzw. Annahmen gemacht. So seien die Vordrossel, der Transformator und der Kondensator verlustfrei, das Übersetzungsverhältnis des Transformators und seine Kopplung besitze den Zahlenwert 1, der Lastwiderstand 11 als einziger Verbraucher sei reell und die Drossel 10 sei kurzgeschlossen. Alle im Diagramm und in der folgenden Beschreibung benutzten Größen stellen Vektoren dar, deren Längen die Amplituden und deren Richtung bzw. Winkel die gegenseitigen Phasenverschiebungen der entsprechen-

den Wechselstromgrößen angeben. Die Spannung Up über dem Querkreis soll — dies ist allerdings der Idealfall — für alle zugelassenen Netzspannungen Un als konstant angesehen werden. Demnach muß nicht nur die Amplitude des Wirkstromes Jr des Transformators, sondern auch die Amplitude des Stromes Je durch den Kondensator 9 stets konstant bleiben; letzterer eilt gegenüber Ur um 90° vor. Es gelten^ daher folgende Beziehungen:

1. Un"- Uy ! Up (Uv ist die Spannung über der Vordrossel 3);

TI. Jv --- J₁. -I J_R;

III. J_k - .//, ! Jn + Jc {Jr ist der Wirkstrom

durch den Transformator 5, Jl der induktive Blindstrom durch den Transformator 5).

IV. Jr — konstant;
V. Jc - konstant.

Der Netzstroni durch die Vordrossel 3, Jm, ist jeweils die vektoriellc Summe aus Je, Jl und Jr. Der geometrische Ort aller Netzströme Jn und aller Ströme Jp ist, da der Lastslroni Jn konstant bleibt, die senkrecht auf Jr stehende CJerade A-A'. Da stets die Spannung über der Vordi ossel Uy dem Strom Jx verhältnisgleich ist und ihm um 90" vorauseilt, also ihr Vektor stets senkrecht auf dem Stromvektor Jn stehen muß, sind alle zusammengehörigen Strom- und Spannungsdreiecke ähnlich, und den geometrischen Ort aller Netzspannungen bildet die Gerade B-B'.

Im Querkreis soll Slromresonanz für eine mittlere Netzspannung U_N[] (die zugehörigen veränderlichen Größen sind durch den IndexO gekennzeichnet) auftreten.

Dann gilt also:.//,,, —Ja, und Jr ist dabei in Phase mit Up, d. h., die Richtungen ihrer Vektoren fallen zusammen. Die Querkreisimpedanz ist dann reell, und es wird also .//,· ■■-■= J_Nu. Die Spannung Uv über der Vordrossel 3 muß, da es sich um eine Induktivität handelt, dem Strom durch sie, J_Nl), um 90° voreilen.

Ein Absinken der Netzspannung ergibt eine Abnahme von Jl- Die zu einer stark verminderten Netzspannung Un_i gehörigen Größen sind mit dem Index 1 gekennzeichnet. Aus der Vektorkonstruktion von J_N, gemäß (III) folgt, daß dieser gegenüber J_N„ in positiver Winkelrichtung gedreht und größer geworden ist. Umgekehrt liegen die Verhältnisse ersichtlich bei einer gegenüber U_Ni[ sehr vergrößerten Netzspannung Un₁ , wobei die Größen dieses Zustandes mit dem Index/3 gekennzeichnet sind.

Bei der F i g. 2 ist davon ausgegangen worden, daß die mit den Indizes ! und 2 bezeichneten Zustände etwa die Grenzen des Regelbereiches darstellen. Man kann dem Vektorbild η jn leicht entnehmen, daß der Netzstrom Jn im Resonanzfall J_N„ = Jr am kleinsten ist und nach dem unteren sowie nach dem oberen Bereichsende der Netzspannungen zu wächst. Ferner stellt man fest, daß U_N] und J_N,, also Netzspannung und Netzstrom bei der kleinsten Netzspannung, nahezu in Phase sind, da der Kondensator 9 mit der Vordrossel 3 fast in Serienresonanz ist.

Das Netz ist annähernd rein ohmisch belastet, der Leistungsfaktor nahe 1. Anders liegen die Verhältnisse

dagegen bei der Netzspannung CTzv₂· Der Leistungsfaktor ist wesentlich kleiner und induktiv, J_Ni eilt LV, erheblich nach. Ein solches unterschiedliches Verhalten für den oberen und den unteren Schwankungsbereich führt aber je nachdem, ob die Netzspannung nach oben oder unten vom Nennwert abweicht, zu sehr verschiedener Verlustleistung. Deshalb muß vor allem die Vordrossel 3 so bemessen werden, daß auch den ungünstigsten Verhältnissen Rechnung getragen wird, d. h., besonders die Vordrossel muß verhältnismäßig groß dimensioniert werden.

F i g. 3 zeigt das Vektorbild der Schaltung mit einer nach der Lehre der Erfindung verbesserten Dimensionierung. Es ist auffallend verändert. Die durch Orthogonalität von Uv zu Up gekennzeichnete Resonanz liegt jetzt nahe bei einer vergleichsweise hohen Netzspannung Un,. Die Primärspannung Up wurde in diesem Beispiel dementsprechend etwa auf das l,6fache erhöht. Die Kapazität des Kondensators 9 ist vorschlagsgemäß passend verkleinert. Dagegen ist die Primärwindungszahl des Transformators 5 zu erhöhen. Die Induktivität der Vordrossel 3 ist nun von vornherein wesentlich größer als bei bekannter Auslegung; die Vordrossel ist außerdem so ausgelegt, daß sie sich bei Resonanz des Querkreises knapp vor der Sättigung befindet, welche sich durch das Konstantbleiben der Vordrosselspannung Uv bei sich änderndem Strom Jn bemerkbar macht. Als wesentlichen Gewinn sind die kleinere Stromaussteuerung und damit die kleineren Kupferverluste der in der Praxis natürlich nicht widerstandslosen Transformator-Primärwicklung 5 zu werten. Um dies gegenüber der bekannten Anordnung mit dem Vektorbild der F i g. 2 deutlich erkennen zu können, wurden für F i g. 3 alle Ströme auf der Primärseite des Transformators wegen der nun abweichend von 1 gewählten Übersetzung desselben auf die beibehaltene Sekundärseite umgerechnet. Die wirklichen primärseitigen Ströme Jn, Jp, Jl und Jc wurden daher mit 1,6 multipliziert und J_N, J₁',, JI₁ und J(. genannt.

F i g. 3 zeigt deutlich, daß nun der bei der höchsten Netzspannung LV₅ auftretende maximale Primärstrom Jp₂ etwa 25°/₀ kleiner als der vergleichbare Strom J/», gemäß F i g. 2 ist. 25°/₀ Stromrückgang bedeuten aber, da der Strom quadratisch eingeht, 44°/₀ weniger Kupferverluste. Wird die Netzspannung von deren oberer Grenze Un₁ beginnend kleiner, so stößt der Eisenkern der Vordrossel 3 bald in Sättigung, da der Strom durch sie, J¹ _x, größer wird. Die Spannung über ihr, Uv, kann in diesem Zustand nicht mehr anwachsen, und die Induktivität der Drossel 3 verringert sich, da sie bei Sättigung etwa reziprok vom Strom J'_N abhängt. Infolgedessen wächst der Längsstrom J_n mit fallender Netzspannung Un, und bei der kleinsten Netzspannung LV₁ erreicht J_n das Maximum J_N] .

Wegen des nichtlinearen Verhaltens der Vordrossel 3 ist auch der geometrische Ort (B-B'-B") der Netzspannungsvektoren Un nur noch in der Nähe von LV, eine Gerade, darunter geht er in einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt in Up und mit der praktisch konstant bleibenden Vordrosselspannung Uv = Uv₁ als Radius über. Infolgedessen schließen nunmehr sowohl die Grenzvektoren der Vordrosselspannung LV₁ und Uv_z als auch diejenigen des Netzstromes Jn₁ und Jn₂ sowie diejenigen des Primärstromes J_P] und J_Pt gegenüber den vorher (F i g. 2) bestehenden Verhältnissen kleinere Phasenwinkel ein. Außerdem geht deshalb vorteilhafterweise der Strom J_Pi zurück.

Diese Verhältnisse bedeuten aber, daß sich auch die magnetische Aussteuerung des Eisenkernes des Transformators stark vermindert, wie man aus dem Vergleich der Stromvektoren J_Lx und J_li der F i g. 3 mit den entsprechenden Vektoren der F i g. 2 ersieht. Das bedeutet für den praktischen Fall eine Verminderung der Änderungen der Spannung Up über den Regelbereich, also eine Verbesserung der Stabilisierung. Man kann nun an Stelle des Vorteils eines geringeren Kupferverlustes bei Beibehaltung der magnetischen Aussteuerung J_Li nach F i g. 2 die anderen Vorteile sich zunutze machen, d. h., entweder kann der Transformator 5 bedeutend verkleinert oder bei gleicher Größe kann eine entsprechend größere Leistung übertragen und konstant gehalten werden. Schließlich wäre es statt dessen unter Beibehaltung der Größe des Transformators möglich, den Regelbereich erheblich zu erweitern.

Da der Netzstrom Jn durch die Vordrossel 3 jetzt mit Annäherung der Netzspannung an das obere Bereichsende ein Minimum erreicht, sind die in ihr entstehenden Verluste in einem Betriebszustand klein, bei dem die Verluste im Transformator am größten sind. Es gilt aber auch das Umgekehrte, so daß die Gesamterwärmung auf jeden Fall stets kleiner ist als bei der vorbekannten Bemessung der Organe, bei welcher gemäß F i g. 2 besonders bei hohen Netzspannungen die Verlustmaxima für Vordrossel 3 und Netztransformator 4 gleichzeitig auftreten. Die Verringerung der Gesamterwärmung der Schaltung läßt aber eine weitere vorteilhafte Verkleinerung der Bauteile zu.

Die Weite des Luftspalts der erfindungsgemäß schon für kleine Netzspannungen gesättigten Vordrossel 3 ist nun vergleichsweise unkritisch; von ihr ist praktisch nur noch die mit dem ungesättigten Zustand verbundene Spannung Uv₂ abhängig, aber nicht mehr die im gesättigten Zustand auftretende Spannung Uv_i. Mit dem Luftspalt ändert sich nämlich lediglich der Sättigungsgrad der Vordrossel 3, nicht aber der Gesamtwiderstand ihres magnetischen Kreises. Eine magnetische Widerstandsänderung der Luftstrecke bewirkt im Eisen wegen dessen Sättigungscharakteristik eine entgegengesetzte, etwa gleich große magnetische Widerstandsänderung. Hingegen ist bei alter Auslegung gemäß F i g. 2 mit einer Schwankung der Netzspannung Un_i im unteren Bereich eine starke entgegengesetzte Änderung der Drosselspannung Uv_i verbunden, und bei ihr führte schon eine geringfügige Vergrößerung Vont ⁷Fi ^{zu e}i^ner Verkleinerung des Regelbereiches nach unten, wie man sich im Vektorbild leicht klarmachen kann. Die hingegen mit der erfindungsgemäßen Maßnahme erzielte geringe Abhängigkeit vom Luftspalt bedeutet aber eine wesentliche Fertigungserleichterung.

Der Kondensator 9 führt nach F i g. 3 bei der erfindungsgemäßen Gestaltung eine größere Scheinleistung als vorher (s. F i g. 2), während bei hohen Netzspannungen sogar nur noch eine kleinere magnetische Energie erforderlich ist. Deshalb ergibt sich ein kleinerer Klirrfaktor der Spannung Up dort, wo die Kurven Verzerrungen wegen der starken Sättigung des Transformators am größten sind.

Der Leistungsfaktor liegtjetzt für jede Netzspannung fast bei 1, er geht von kapazitiven Werten nahe 1 bei niedriger Netzspannung über 1 nach induktiven Werten nahe 1 bei hohen Netzspannungen. Im Diagramm weist dies der jeweilige kleinere Phasenwinkel zwischen

Claims (1)

1. den jeweils einander zugeordneten Werten von Un und J'iv aus.

   Werden dem Transformator durch nachgeschaltete Spitzengleichrichter (mit Ladekondensator) Gleichspannungen entnommen, so zeigt sich bei der Anordnung nach der Erfindungslehre ein kleinerer Gang der stabilisierten Gleichspannung über den Schwanknngsbereich der Eingangsspannung. Durch die Sättigung der Vordrossel 3 im Bereich niedriger Netzspannungen ergibt sich infolge der im Querkreis stärker auftretenden ungeradzahligen Harmonischen — wie die Praxis zeigt — eine spitzere Spannungskurve mit größeren Scheitelwerten.

   Ferner läßt die neue Ausführung auch einen länger dauernden Betrieb — allerdings einen Aussetzbetrieb — bei verhältnismäßig hohen Netzspannungen zu, da die erfindungsgemäße Auslegung bei Ansteigen der Netzspannung gewährleistet, daß J_p und J[ dann vergleichsweise nur wenig zunehmen. Die Dimensionierung für den Nenn-Netzspannungsbereich könnte z. B. Dauerbetrieb zulassen, für darüberliegende Netzspannungen muß dann aber die relative Einschaltdauer entsprechend der Erwärmung herabgesetzt werden. Zur Orientierung sind die Netz- und Vordrossel-Spannungsvektoren für 3,5 U_Nl (Regelbereich 1: 3,5, z. B. 90 bis 315 V) gestrichelt angedeutet. Die Ströme können leicht daraus konstruiert werden.

   Die Resonanzabstimmung in der Nähe der höchsten Netzspannung bei erfindungsgemäßer Bemessung erlaubt schließlich die Verwendung eines Kondensators kleinerer Kapazität für höhere Spannung. In einem ausgeführten Beispiel ist dies ein gängiger 220 V-Typ mit dem Vorteil der mehrlagigen Isolation.

   Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des magnetischen Spannungskonstanthalters können wegen der geringeren Eisenverluste und der guten Kennlinieneigenschaften vorteilhafterweise für alle Eisenkerne kalt gewalzte Texturbleche verwendet werden.

   Endlich sei ciw.iimi .Inli du- Λ in >t ι Iiiiim.·. in bekannter Weisi· i 111 κ-1 Ii.ι!!· .. n i'i'.i'.rln-nci (iirn/rn lastunabhängig aihcilcl. I I .Iiiin-Ii ; ι mil iiiilH-dciiklich bekannte Kompensation-.-.. Ιι.ιΙΐιιηι.'Λ'ΐι /m VVi r.iöl.lerung des Stabilisicrungsiak ι or. .uigcwniidi weiden.

   PaIi-Iitanspnu h:

   ίο Magnetischer Spannungskonstanthalter für einen

   Eingangsspannimuslicreich bis /ti ■ 45"/,, einer mittleren Eingangsspamuing, mit einer schwach gesättigten Vor-(Langs-) Drosselspule und mit einem Querkreis, der aus einer gegebenenfalls als Transformator ausgebildeten, gesättigten Querdrosselspule und einem dazu parallclliegcnden Kondensator besteht, d a d u r c h g e k c η nze ichnet, daß der Kondensator (9) und die Querdrosselspule (5) bzw. der Transformator (4) des Querkreises derart abgestimmt sind, dall seine Stromresonanz bei maximaler Belastung bei einer an der oberen Grenze bei etwa ■ 35"/,, des Schwankungsbereiches liegenden Nelxspaniiung auftritt, während die Vordrosselspule (3) so bemessen ist, daß sie kurz unterhalb dieses die SiioinicMinanz herbeiführenden Netzspanniingsweries m den magnetisch gesättigten Ziistaiul üIkti'.oIiI.

   InBetrachtgezogene DriKkschnIicn

   Deutsche Patentschriften Nr. I.U sso. M.' X4(>.
   322, 938 079, 959 032;
   ATM J 062-7, T 148;
   ETZ, 57 (1936), S. 489; 61 (l'Mi». S v>.

   Funkschau (1950), S. 91;
   Elektronik (1957), S. 266;
   Siemens-Zeitschrift, 32 (I'>>*). S Mi,
   AEG-Mitteilungen, 49 (I'Jv>), S Ί U •I tv

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