DE1538176A1

DE1538176A1 - Stromversorgungsvorrichtung,die eine Umwandlung der elektrischen Wellenform verwendet

Info

Publication number: DE1538176A1
Application number: DE19641538176
Authority: DE
Inventors: Kuba Richard E
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1963-02-11
Filing date: 1964-02-05
Publication date: 1969-10-23
Also published as: NL6401018A; US3286159A; FR1386702A; FI42593C; GB1028925A; NO115672B; DE1538176B2; BE643647A; FI42593B

Description

KP/Wr

Telefonaktieboläget IM Ericsson, Stockholm 32, Schweden

Stromversorgungsvorrichtung, die eine Umwandlung der elektrischen Wellenform verwendet.

Diese Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung und insbesondere Einrichtungen, die eine praktisch sinusförmige oder von Harmonischen freie Ausgangsspannungswellenform liefern, welche von einer Wechselstromversorgungsquelle mit einer Vielzahl von -Frequenzkomponenten abgeleitet wird»

Ein weiteres Ziel der Erfindung sind verbesserte Einrichtungen mit einer Ausgangsspannung, die zusätzlich dazu, daß sie praktisch sinusförmig ist, auch im wesentlichen konstant unabhängig von Veränderungen der Größe oder Wellenform der Eingangsspannung in einem bestimmten Bereich ist«,

Ein anderes Ziel sind verbesserte Einrichtungen mit einer Ausgangsspannung, die zusätzlich dazu, daß. sie praktisch sinusförmig ist, im wesentlichen konstant unabhängig von Veränderungen in der Impedanz einer Last ist, an die Strom von dieser

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Ausgangsspannung geliefert wird»

Bestimmte Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden hierin zum Zwecke der Darstellung beschrieben; dabei ist zur Lieferung von Strom an eine Last eine Wechselstromversorgungsquelle vorgesehen, die eine Vielzahl von Frequenzkomponenten enthält. Die Amplituden, relativen Phasenlagen und die Frequenzen der Frequenzkomponenten können sich ändern» Darüber hinaus können sich auch der Widerstand oder die Reaktanz einer Last oder beide ändern· Der Wechselstrom kann z.B. von dem Ausgang eines Netzspannungsreglers der Permanenttype geliefert werden, an dessen Eingang Strom von einer, herkömmlichen Wechselstromquelle geliefert wird. In der einen Form der Erfindung ist ein Transformator vorgesehen, der aus einem Kern, einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf dem Kern, einem magnetischen Nebenschluß hoher Reluktanz, der zwischen Primär- und Sekundärwicklung angeordnet ist, und einen zweiten magnetischen Pfad hoher Reluktanz besteht, welcher einen magnetischen Rückkehrpfad für Magnetfluß darstellt, welcher nur die Sekundärwicklung verkettet (link).

Eine Versorgungsquelle oder ein Netzregler liefert Strom an die Primärwicklung des Transformators, die quer über der Versorgungsquelle liegt» Ein Kondensator ist mit der Sekundärwicklung des Transformators in Reihe geschaltet» Von der Ver&orgungsquelle oder dem Netzregler wird Strom auf einen Nebenschlußstrompfad geliefert, der in Reihen—

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schaltung die Sekundärwicklung des Transformators und den Kondensator umfaßt. Die Last liegt in Nebenschluß zu der Reihenkombination des Kondensators mit der Sekundärwicklung des Transformators. Die Kapazität des Kondensators, die Windungszahl der Primärwicklung des Transformators, die Windungszahl der Sekundärwicklung des Transformators, die Reluktanz des magnetischen Nebenschlußpfades und die Reluktanz des magnetischen Rückkehrpfades besitzen Werte, die so gewählt sind, daß die über der Transformator-Sekundärwicklung auftretende Spannung im wesentlichen proportional der zweiten Ableitung der Spannung ist, welche über dem Kondensator auftritt. Wegen dieser Beziehung über die zweite Ableitung wird die Spannung der Transformator-Sekundärwicklung die gleichen harmonischen Spannungen enthalten, wie die Kondensatorspannung. Darüber hinaus werden die harmonischen Spannungen der Transformator-Sekundärwicklungen in der Größe verstärkt sein und in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden harmonischen Spannungen der Kondensatorspannung liegen. Die über der Transformator-Sekundärwicklung auftretenden harmonischen Spannungen werden gemäß der Erfindung im wesentlichen die über dem Kondensator auftretenden.harmonischen Spannungen auslöschen, so daß die Reihenkombination der Kondensatorspannung und der Transformator-Sekundärspannung im wesentlichen sinusförmig mit der Grundfrequenz sein wird und wird daher eine von Harmonischen nahezu freie Ausgangsspannungswellenform an der Last erzeugen.

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! O J Ö I / b

Diese und andere Ziele und Merlanale der Erfindung werden am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstandene In den zahlreichen Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. ' .

Figo 1a ist eine Teilansicht einer Stromversorgungsschaltung, die diese Erfindung verkörpert;

Fig. 1b ist eine schematische Darstellung der in Fig„1a gezeigten Stromversorgungsschaltung;

" Figuren 1c und 1d sind Diagramme, auf die bei der

Erklärung der Arbeitsweise der Erfindung Bezug genommen wird;

Fig. 2 ist eine teilweise Ansicht einer Abänderung der in Fig. ta gezeigten Stromversorgungsschaltung;

Figo 3 ist eine schematische Ansicht einer Abänderung der in Fig. 1a gezeigten Stromversorgungsschaltung; und die

Figuren 4 bis 7 sind schematisehe Ansichten von Abänderungen der in Figo 1a gezeigten Stromversorgungsschaltung.

' In Fig. 1a wird eine Quelle 10 eines nicht sinusförmigen

WechselStroms gezeigt, um Strom an eine Lästschaltung 11 zu liefern. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Quelle eine Quelle von nicht sinusförmigem Strom und keine Quelle nicht sinusförmiger Spannung ist, d.h. die Quelle 10 liefert einen Strom an ihren Ausgangsklemmen, der eine Vielzahl von Frequenzkomponenten enthält. Die Spannung an der Quelle 10,

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die die gleiche wie die Spannung an der Lastschaltung 11 ist, kann in ihrem harmonischen Gehalt durch die Arbeitsweise einer Schaltung 10a, die parallel zur Quelle 10 liegt, frei eingestellt werden, wobei diese Schaltung jetzt "beschrieben werden wird_o

Wie in Pig. 1a gezeigt wird, enthält die Vorrichtung einen Transformator 12 mit einer Primärwicklung 15 und einer Sekundärwicklung 14, die auf einen Kern 15 aufgewickelt sind, wobei dieser Kern aus Blechen (laminations) der gezeigten Eorm hergestellt sein kann, die aus geeignetem Material bestehen, z.B. einem „29 gauge", kornorientierten Si-Stahl.

Der Kern besteht, wie gezeigt, aus E-förmigen Blechen 16, während I-förmige Bleche 18 und 19 an dem Mittelschenkel der E-förmigen Bleche stumpf zusammenstoßen und quer zur Richtung des Mittelschenkels der E-förmigen Bleche 16 verlaufen«, Die I-förmigen Bleche 18 und 19 bilden einen magnetischen Nebenschlußpfad, der zwischen der Primärwicklung 13 und der Sekundärwicklung 14 angeordnet ist. Es sind nichtmagnetische Luftspalte 20 und 21 vorgesehen, um die Reluktanz I der magnetischen Hebenschlußpfade, die von den I-förmigen Blechen 18 und 19 gebildet werden, einzustellen. Ein nichtmagnetischer Luftspalt 22 trennt die E-förmigen Bleche 16 von den I-förmigen Blechen 17, um die Reluktanz des magnetischen Pfades einzustellen, der einen Rückkehrpfad für magnetischen Pluß bildet, welcher die Sekundärwicklung 14 verkettet· Die Primärwicklung 13 liegt an der Versorgungsquelle 10«, Ein Kon-

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densator 23, der mit der Sekundärwicklung 14 in Reihe liegt, bildet einen Nebenschlußstrompfad über der Versorgungsquelle 10.

Fig. 1b ist eine schematische Darstellung der in Fig.1a dargestellten Stromversorgungsschaltung, und sie wird zur Vereinfachung bei der Angabe schematischer Darstellungen von Abänderungen der in Fig. 1a gezeigten Stromversorgungsschaltung verwendet werden.

Das Prinzip der Arbeitsweise der Erfindung kann folgendermaßen unter Bezugnahme auf Fig. 1a beschrieben werden. Ein Teil des nicht sinusförmigen Wechselstromes, der von der Stromversorgungsquelle 10 geliefert wird, wird durch den Kondensator 23 fließen und dabei eine Spannung über dem Kondensator 23 erzeugen, die auch nicht sinusförmig ist_o Dies wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es sei i der Teil des Stromes im Dauerzustand von der Quelle 10, welcher durch den Kondensator 23 fließt. Da i unter Dauerzustandsbe-

dingungen periodisch sein soll, kann er mathematisch durch den Fourier-Reihenansatz dargestellt werden. Demnach ist

i_c = A₁cos(2Tft + O₁HA₂COS (41Tf t + £₂) +A₅Cos(6f ft + O₃.) +o.<

7Tft + O_n) .+ ... (1) ■

wobei: A₁ die Amplitude der Grundfrequenzkomponenten, Ap die Amplitude der zweiten Harmonischen, A, die Amplitude der dritten Harmonischen und allgemein A die Amplitude der n-ten Harmonischen ist; Q₁, O₂, ^ ."bzw. ö die Phasenwinkel für die Grundfrequenz, die zweite, die dritte bzw» die n-te Harmoni-

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sche des Kondensatorstromes bezogen auf die Kondensatorstrom-wellenform sind, f die Frequenz des Kondensatorstromes und t die Zeit ist.

Es ist bekannt, daß die Spannung an einem Kondensator sich aus dem Strom durch den Kondensator nach folgender Gleichung ableitet: t

^vc = τ{ ¹C ^dt '

"o

wobei hier ν die Dauerzustandskondensatorspannung und c die Kapazität des Kondensators 23 sind. Wenn Gleichung (1) für i in den Ausdruck für v_ eingesetzt wird, ergibt sich:

¹ s in (27i ft +Öj 4

A_n

(η2'' ft

Ti lc

wobei hier keine G-Ieichstromkomponente der Kondensatoropannung unter Dauorzustandabedingungen auftritt. Die Gleichung (2) zeigt, daß die Kondensatorspannung nicht sinusförmig ist, wenn der Kondensatorstrom nicht sinusförmig ist.

Die Kapazität des Kondensators 23, die Windxingnzah'J der Primärwicklung 13, die Win-dung sz a M dor Sekundärwicklung 14, die Reluktanz der magnetischen Hebensohlußpfado, welche die I-förmigen Bleche 18 und 19 zusammen mit den niehtroagnetri schon Luftspaltcn 20 und 21 umfassen, und dje Reluktanz des von den

S09843/088 7

BAD

I-förmigen Blechen 17 und den nichtmagnetischen Luftspalten 22 gebildeten magnetischen Pfades werden auf solche Werte eingestellt, daß die Spannung über der Sekundärwicklung 14 im wesentlichen proportional zur zwöiten Ableitung der Spannung ist, die über dem Kondensator 27 auftritt. Die Spannung, die an der Wicklung 14 auftritt, hat deshalb einen hohen Gehalt an Harmonischen und besteht aus den gleichen Harmonischen, die in der Spannung an dem Kondensator 23 vorhanden sind. Darüber hinaus sind die Harmonischen in der Spannung über der Wicklung 14 in der Größe verstärkt und sie liegen in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden Harmonischen, die in der Spannung über dem Kondensator 23 erscheinen. Dieses wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es sei V₁. die Spannung über der Wicklung 14. Es wird angenommen, daß V-M proportional der zweiten Ableitung der Spannung über dem Kondensator 23 ist, wobei diese Annahme anschließend bestätigt werden wird, und man erhält folgende Gleichung:

«² v_p

^V14 = ^α Τ" ■ <5>

¹⁴ dir ■ ■

wobei α eine positive Proportionalitätskonstante und ν die Spannung über dem Kondensator 23 ist, die durch die Gleichung (2) gegeben ist. Durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (3) erhält man:

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₃ Tft + &₃) - ... - A_nn2Tf sin(n2iTft + G_n)

(4)

Ein Vergleich der Gleichungen (4) und (2)zeigt, daß V₁. nicht sinusförmig ist und die gleichen Harmonischen enthält wie ν · Darüber hinaus sind die Harmonischen von V₁₄ in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden Harmonischen von v. , und die Amplitude der η-ten Harmonischen von

0 0 0

V₁₄ ist um den Faktor η 47Tf α verstärkt im Vergleich zu der Amplitude der entsprechenden Harmonischen in V_n.

Nun ist in Pig. 1a die Spannung über der Lastschaltung gleich der Summe aus der Spannung über dem Kondensator 23 und der Spannung über der Transformatorsekundärwicklung 14. Wegen der entgegengesetzt gerichteten Phase und der Erhöhung der Harmonischen in der Spannung über der Wicklung 14, werden sich die harmonischen Spannungen von ν und V₁₄ bei Regelung von α gemäß der Erfindung im wesentlichen gegenseitig auf Null bringen, ohne die Amplitude der Grundfrequenz der Ausgangsspannung in irgendeinem großen Maße zu verringern. Auf diese Weise kann die über der Lastsehaltung 11 auftretende Spannung im wesentlichen sinusförmig bei der Grundfrequenz gemacht werden«, Dieses Ergebnis wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es sei V₁₁ die Dauerzustandsspannung über der Lastschaltung 11, dann gilt:

= ^vc ^{+ V}14

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-ΙΟ-Wenn für v_c der durch die Gleichung (2) und für V₁, der durch die Gleichung (4)· gegebene Wert eingesetzt werden, ergibt sich:

- 4^/iT²f²a)sin(2iTft + ^₁)+ A₂(^ - 8/T²f²a)

sin (4iTft + O₂) + A₃(^ - 12'i]~²f²a)sin(67rft + O₃) + ... + A_n(~ - n4T^f²Ct) sin(n2iTft + ^_n)+... 1 ₍₆₎

Gleichung (6) zeigt, daß man bei richtiger Auswahl von α die Größen der vorherrschenden harmonischen Bestandteile, die über der Lastschaltung erscheinen, stark verringern kann. Es ist zu bemerken, daß, da die Spannung V₁. niemals exakt gleich der zweiten Ableitung von v„ ist und da nichtlineare Effekte auftreten, die bewirken, daß α keine echte Konstante ist, insbesondere für höhere Frequenzanteile, die Gleichung (6) nur für die ersten zwei oder drei Harmonischen genau ist· Da jedoch die ersten zwei oder drei harmonischen Bestandteile gewöhnlich die vorherrschenden Bestandteile sind, ist die Gleichung (6) von Wert, da sie die Wirkung der Erfindung auf die Größe dieser Bestandteile zeigt.

Eine mathematische Analyse der Schaltung der Fig. 1a zeigt deutlicher die funktionale Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Kondensatorspannung. Die Schaltung der Fig.1c, auf die jetzt Bezug genommen wird, ist gleich der Fig. 1a, wobei zusätzliche Symbole verwendet wurden, um die für die Analyse benötigten elektrischen und magnetischen

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Größen zu kennzeichnen. Weiterhin ist die Schaltung der Pig. 1d, auf die Bezug genommen werden wird, eine magnetisch äquivalente Schaltung für die in Fig· 1a dargestellte Schaltung, und sie wird auch für die Analyse benötigt.

Die Größen sind folgendermaßen definiert: i - Augenblicksstrom von der Versorgungsquelle i..~ ■■- In Wicklung 13 fließender Augenblicksstrom N₁, - Windungszahl der Wicklung 13 i... - In Wicklung 14 fließender Augenblicksstrom N₁ . - Windungszahl der Wicklung 14 R₂Q - Magnetische Reluktanz des Luftspaltes 20 R₂₂ - Äquivalente magnetische Reluktanz des Mittelluftspaltes 22 plus eines der beiden Seitenluftspalte ν - Augenblicksspannung an dem Kondensator 23 c - Kapazität des Kondensators 23 V₁, - Augenblicksspannung der Wicklung 14 JZL - Augenblicklicher magnetischer Fluß, der die Wicklung 13 verkettet
02 - Augenblicklicher magnetischer Fluß, der durch die

magnetischen Nebensehlußpfade 18 und 19 fließt 0, - Augenblicklicher magnetischer Fluß, der die Wicklung 14 verkettet

V₁₁ - Augenblicksspannung an der Lastschaltung 11 V₁, - Augenblicksspannung an der Wickung 13, die die gleiche wie V₁₁ ist.

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Die folgenden Annahmen werden gemacht:

1) Alle Schaltungswiderstände werden vernachlässigt«

2) Der Transformator 12 ist magnetisch symmetrisch zur senkrechten Mittellinie, so daß die Reluktanzen symmetrisch angeordneter Luftspalte gleich sind.

3) Die Reluktanzen der magnetischen Teile des Transformators werden als klein im Vergleich zu den Reluktanzen der Luftspalte 20, 21 und 22 angenommen.

Es können die folgenden Gleichungen unter Verwendung der Schaltungen der Fig. 1c und 1d aufgestellt werden:

^V11 ~ ^vc ^{+ V}H \n

0 =0+0 (8)

N₁₃I₁₃ = R_2o0₂/2 (9)

N₁₃i₁₃ + N₁₄i₁₄ = Έ.₂₂0τ/2 (10)

i₁₄ = c dv_c/dt (11)

V₁₃ = N₁₃ ά.0_Λ/ά% (12)

V₁₄ = N₁₄ d0₃/dt " (13)

Die Kombination der Gleichungen (7) bis (13) ergibt bei Auflösung nach V₁₁, d.h. der Ausgangsspannung:

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1	R₂₂	^N14^R20	^vc ⁺	— -
•I	, ^R20	^N13^R22		N₁₄R₂₀
I	"- ^ß22		^{22 20 N}13

dt

(14)

Auf diese Weise sagt die Gleichung (14), daß die Spannung über der Lastschaltung 11 eine lineare Kombination der Spannung an dem Kondensator 23 und der zweiten Ableitung der Spannung an dem Kondensator 23 ist. Darüber hinaus wird die Gleichung (14), wenn der Transformator 12 so entworfen ist, daß N₁₄R₂₀ <^< ^Ni3^R22 ' ^{zu fol}S^eö<ier Gleichung:

22

^R20 " ^ΰ14^Η20 N₁₃

d²v.

dt

2.

(15)

Ein Vergleich der Gleichungen (15) und (7) zeigt, daß

- N₁₄R₂₀

(16)

dt'

Schließlich bestätigt ein Vergleich der Gleichung (16) mit der Gleichung (3) die oben gemachte Annahme, da folgendes sein kann:

α =

^R22 ^{+ R}20

5SÖ

(17)

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Da die Spannung V₁₄ niemals exakt gleich der zweiten Ableitung von ν ist und da nicht lineare magnetische Effekte auftreten, die zur Vereinfachung dieser Analyse vernachlässigt wurden, wird die Gleichung (16) nur für die ersten zwei oder drei harmonischen Bestandteile sehr genau sein. Da jedoch die ersten zwei oder drei harmonischen Bestandteile gewöhnlich die vorherrschenden Bestandteile sind, wird die Analyse gemäß der Erfindung praktisch richtig sein. Die Regelung der Amplituden der höheren harmonischen Bestandteile, die in der Transformatorsekundärspannung V₁₄ auftreten, wird darüber hinaus durch die den richtigen Entwurf der Transformatorprimärwicklung 13, der Nebenschlußpfade 18 und 19 und der Luftspalte 20 und 21 erzielt.

Es wird jetzt auf die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, in der ein ferroresonanter Spannungsregler 24 vorgesehen ist, dessen Kerngebilde aus den äußeren O-förmigen Blechen 25 und den inneren T-förmigen Blechen 26 besteht. Die Wicklungen 27, 28, 29 und 30 werden auf den Stapeln der T-förmigen Bleche 26 wie gezeigt angeordnet, und die Zusammenstellung der T-förmigen Bleche 26 und der Wicklungen 27, 28, 29 und 30 wird dann in die Lage in dem gleichen Stapel der O-förmigen Bleche 25 eingepreßt. Luftspalte 31 und 32 liegen in einem Nebenschlußpfad für magnetischen Fluß. Die Wicklung 27 ist mit einer herkömmlichen Wechselstromquelle 33 verbunden, die z.B. 115 Volt bei 60 Hertz liefern kann.

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Weiter ist ein Transformator 35 vorgesehen, der einen Kern aus einem 66,675 mm dicken Stapel von EI-175» 29 gauge Blechen 36 und 37 aus kornorientiertem Si-Stahl, die stumpf mit einem Luftspalt 38 von 1,27 mm anstoßen, aufweist. Eine Primärwicklung 39 und eine Sekundärwicklung 40 sind auf den Mittelschenkel des dreischenkeligen, aus den Blechen 36 und 37 gebildeten Kerns aufgewiekelt. Die Wicklung 39 hat 400 Windungen von No. 22-Draht und die Wicklung 14 hat 286 Windungen von No. 17-Draht. Es sind magnetische Nebenschlußpfade 41 und 42 vorgesehen, die jeweils aus einem 15,875 mm dicken Stapel, aus 29 gauge kornorientierten Si-Stahl-Blechen bestehen, welche jeweils zwischen den Wicklungen 39 und 40 angeordnet sind. Jedes einzelne Blech, welches die Nebenschlußpfade 41 und 42 bildet, hat die Abmessungen 69,85 x 21,97 χ 0,3556 mm, wobei 21,97 mm-Abmessung zwischen dem Mittelschenkel und einem Außenschenkel des Bleches 36 liegt. Die Luftspalte 43 und 44 betragen jeweils 0,254 mm.

Ein Kondensator 45 mit einer Kapazität von 10 uP (mfd) liegt mit der einen Klemme am Anfang S der Wicklung 29» am Anfang S der Wicklung 39 und am Ende P der Wicklung 28. Die andere Klemme des Kondensators 45 ist mit dem Anfang 3 der Wicklung 40 verbunden. Das Ende P der Wicklung 40 ist mit dem Ende P der Wicklung 30 und dem Ende F der Wicklung 39 verbunden. Die Lastschaltung 46, die z.B. sowohl Wirk- als auch Blindlast darstellen kann, ist mit dem Anfang S der Wicklung 28 und dem Ende P der Wicklung 29 verbunden. Der Kondensator 45 dient einem zweifachen Zweck, indem er zum einen als Re-

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sonanzkondensator für den ferroresonanten Transformator 24 und zum zweiten in Verbindung mit dem Transformator 35 als ein Teil der Wellenforaverbesserungsschaltung dient, die oben in Verbindung mit Fig. 1a beschrieben wurde« Die Kombination des Kondensators 45 mit den· Wicklungen 29 und 30 erzeugt einen ferroresonanten Arbeitszustand in dem Regler 24ο

Es ist bekannt, daß ferroresonante Regler der in Pig_e2 dargestellten Type bei Betrieb mit konstanter Frequenz eine praktisch konstante Ausgangseffektivspannung unabhängig von " großen Änderungen in der Eingangsspannung oder großen Änderungen in der Lastimpedanz aufrecht erhalten. Dies gilt besonders, wenn die in Fig. 2 gezeigte Wicklung 28, die oft'als Kompensationswicklung bezeichnet wird, wie gezeigt verwendet wird, um die Regulierung der Ausgangs spannung zu verbessern«,

Es ist auch bekannt, daß ferroresonante Regler der in Figo 2 gezeigten Type eine Ausgangsspannungswellenform erzeugen, die nicht sinusförmig ist und eine Vielzahl harmonischer Bestandteile enthält. Eine harmonische Analyse bei Vollastzustand würde z.B. typischerweise die folgenden harmonischen Maximalspannungen anzeigen, die in Prozent der Maximalspannung der Grundfrequenz ausgedrückt sind, und zwar dritte Harmonische 19,7 $>, fünfte Harmonische 8,9 #, siebente Harmonische 3,4 fo_f neunte Harmonische 2,2 ^, elfte Harmonische 1,4 ■#·

Die neuartige Kombination des ferroresonanten Transformators 24, des Kondensators 45 und des Transformators 35

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-17-er zeugt eine Ausgangsspannungsweilenform, die nicht nur praktisch sinusförmig, sondern auch praktisch konstant unabhängig von großen Änderungen in der Eingangsspannung/oder großen Änderungen in der lastimpedanz ist. Die Spannung an der Wicklung 40 ist von sehr hohem Gehalt an Harmonischen und ist praktisch proportional zur zweiten Ableitung der Kondensatorspannung. Die Reihenkombination der Spannung an dem Kondensator 45 und der Spannung an der Wicklung 40 ergibt wegen des zu Null machenden Effekts der entsprechenden harmonischen Bestandteile, wie in der Beschreibung zur Pig· 1a ea?te± erklärt, eine nahezu sinusförmige Spannung an den Wicklungen 29 und 30·

Die Spannung an der Wicklung 29 hat selbstverständlich die gleichen Wellenformen wie die Spannung an der gesamten Wicklung 29 und 30. Demnach ist die Spannungswellenform an der last 46, die die Summe der Spannung an den Wicklungen 29 und 28 ist, auch im wesentlichen sinusförmig, da die Spannung an der Wicklung 28 die gleiche Wellenform wie die Eingangsspannung haben wird und deshalb im wesentlichen sinusförmig sein wird und da von der Spannung an der Wicklung 29 schon gezeigt wurde, daß sie im wesentlichen sinusförmig ist, und es ist bekannt, daß die Augenblickssumme irgendwelcher zweier sinusförmiger Spannungen der gleichen Frequenz auch eine sinusförmige Spannung derselben Frequenz ist«,

Die Schaltung der Fig. 2 wurde zuerst im Leerlauf und dann bei voller last für Eingangsspannungen von 115 und 126 Volt, 60 Hertz geprüft, welche konstant gehalten werden.

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Die folgende Tabelle gibt Ausgangseffektivspannungen und die Maximalwerte der 3·, 5., 7.» 9., 11«, 13. und 15. Harmonischen in der Ausgangsspannung an, ausgedrückt als Prozentsatz des Maximalwertes der Grundfrequenzkomponenten der Ausgangsspannung, die willkürlich mit 100 io angesetzt wurde«

Eingangs-

ti*-

Aus-

spannSng
,Volt

Aus- I ;

gangs— io j io io io io °/o io

effek-:GrundH 3. 5. 7. 9. 11. 13. : ti ν- frequ.j Harm. Harm. :Harm. Harmi Harm. Harm. Harm, ! strom ι ;

Ampere

115 115,4 ' 0 100

115 112,5 3,50 100

126 117,8 0 100

126 115,5 3,57 100

1,39 2,78 1,47 0,98 0,32 0,22 0,10

1,48 1,96 0,98 0,71 0,29 0,06 0,04

1,11 3,54 1,87 1,05 0,18 0,37 0,14

1,25 2,81 1,41 0,84 0,23 0,16 0,09

Bei diesem Versuch war die Last eine V/irklast. Zusätzliche Versuche zeigen jedoch, daß induktive Blindlasten die gesamte harmonische Verzerrung verringern, wenn bezogen wird auf eine äquivalente reine Wirkbelastung, wobei alle anderen Variablen gleich bleiben.

Eine mathematische Analyse der in Fig. 2 gezeigten Schaltung, die ähnlich wie die mathematische Analyse durchgeführt wird, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1a besprochen wurde, ergibt die folgenden Gleichungen für V₂Q , die Dauerzustandsspannung an der Wicklung 29, und v.,- , die Dauerzustandsspannung an dem Kondensator 45.

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29

30

+

R^

38

+ 's— 38,

45

■ ^R38 + ^R43

^F40^R43

39

Cl²V

45

df

Hierin ist

'29 "'

^f30 "

'4O "

i₃₉ -

^?43 *

38 -

Windungszahl der Wicklung 29 Windungszahl der Wicklung 30 Windungszahl der Wicklung 40 Windungszahl der Wicklung 39

Reluktanz des Luftspaltes 43, die als gleich der Reluktanz des Luftspaltes angenommen wird.

äquivalente Reluktanz des Mittelluftspaltes 38 plus eines der Seitenluftspalte

Gleichung (18) besagt, daß die Spannung an der Wicklung 29 eine lineare Kombination der Spannung am Kondensator 45 und der zweiten Ableitung der Spannung am Kondensator 45 ist. Wenn darüber hinaus der Transformator 3 5 so entworfen ist, daß

N₄₀R₄₃

38

, dann wird die Gleichung (18) zu

29

ir

29

'30

	R	38	^2N40	²G	^N40^H43	dt^{2 !}
^V45		^{+ R}4	3 ~

(19)

'39

Es ist aus Fig. 2 jedoch klar, daß

BADORI^fNAL

3/0887

/b

29

45

4O

(20)

wobei V_{40 die Spaniiun}g an der Wicklung 40 ist. Ein Vergleich der Gleichung (19) mit der Gleichung (20) zeigt, daß

38 + R

43 "

'39

d²v

dt'

(21)

Aus der Gleichung (21) ist zu ersehen, daß die Spannung an der Wicklung 40 im wesentlichen gleich der zweiten Ableitung der Spannung an dem Kondensator 45 sein wird«

Wie wiederum Fig. 2 zeigt, ist es oft zweckmäßig, das Ende der Wicklung 39 mit dem Anfang der Wicklung 40 zu verbinden, wie es durch die gestrichelte Verbindung 47 angedeutet ist, anstatt das Ende der Wicklung 39 mit dem Ende der Wicklung zu verbinden, wie es die durchzogene Verbindung zeigt. Die Gleichung für VpQ und v.r für diese Verbindung ist gegeben

durch

N,

29

1 +

45

^2N39^N40

d²v

45

dt

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l/D

Die gestrichelt angezeigte Verbindung 47 ist oft wirkungsvoller, die höheren Harmonischen zu unterdrücken, als die fest durchgezogene Verbindung·

- Wie wiederum Fig· 2 zeigt, ist es, wenn die Verbindungen der Wicklung 39 ausgetauscht sind, d,h, wenn der Anfang der Wicklung 39 mit dem Ende der Wicklung 30 und das Ende der Wicklung 39 mit dem Anfang der Wicklung 29 verbunden ist, auch möglich durch richtige Wahl der Windungszahl der Wicklung 39, der Windungszahl der Wicklung 40 und der Reluktanzen der Luftspalte 38 und 43 eine Verringerung des Gehalts an Harmonischen der Ausgangsspannung an der Lastschaltung 46 zu erzielen· Die Gleichung für v™ und V₄,- für diese Verbindung ist

^N29	V W	^V45 ⁺	2N_2C	+ Jf	N₄₀R₄₃	^d%5
^a2S 30	40 43		^N29	+ R₄₃ +	N₃₉	dt²
*+ ⁴³**	N₃₉R₃₈	^R38
• ^R38

• Diese Verbindung ist oft wirkungsvoller bei der Unterdrückung der höheren Harmonischen als die in Fig· 2 gezeigte Verbindung·

Eine andere Ausführungsform der Stromversorgungsschaltung der Fig_o 1a wird in Fig. 3 gezeigt«, In Fig. 3 besteht d/er ferroresonanjite Netzregler aus dem linearen oder mit Luftspalt versehenen Induktor 48, dem nicht linearen oder nicht mit einem Luftspalt versehenen Transformator 49 und dem Resonanz-

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kondensator 50. Die Wellenformverbesserungsschaltung umfaßt den Transformator 51 und teilt die Funktion des Kondensators 50 mit dem ferroresonanjiten Netzregler.

Es ist bekannt, daß der'in Fig. 3 dargestellte ferroresonante Netzregler sich hinsichtlich seiner Eingangs- und Ausgangsklemmen identisch mit dem ferroresonanten Netzregler der Fig. 2 verhält. So arbeitet die Kombination des Transformators 51 und des Kondensators 50, wenn sie, wie in Fig. 3 gezeigt, verbunden ist, elektrisch auf eine Weise, wie sie genau in der Schaltung der Fig. 2 beschrieben wurde, d„h. die an der Wicklung 52 des Transformators 51 auftretende Spannung wird einen hohen harmonischen Gehalt haben und im wesentlichen proportional zur zweiten Ableitung der Spannung an dem Kondensator 50 sein. Die Kombination der Spannungen an dem Kondensator 50 und der Wicklung 52 wird eine im wesentlichen sinusförmige Spannung an den Wicklungen 53 und 54 des Transformators 49 erzeugen. Die Spannung an der Last 55 wird die Summe der praktisch sinusförmigen Spannung an der Wicklung 53 und der Spannung an der Wicklung 56 des linearen Induktors 48 sein.

Die Spannung an der Wicklung 56 wird als eine Kompensationsspannung auf eine Weise verwendet, die ähnlich der der Wicklung 28 in Fig. 2 ist. In Fig. 3 ist jedoch die Spannung, die an der Wicklung 56 auftritt, im allgemeinen nicht sinusförmig, obwohl die Größe dieser Spannung üblicherweise geringer als 10 io der Spannung an der Wicklung 53 ist„ Wegen der nicht

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sinusförmigen Art der Spannung an der Wicklung 56 ist es oft notwendig, die Spannung an der Wicklung 53 in dem harmonischen Gehalt überzukorrigieren, so daß die Kombination der Spannungen an den Wicklungen 53 und 56 danach strebt, ihre harmonischen Komponenten auszulöschen und so dennoch eine im wesentlichen sinusförmige Spannung an der Lastschaltung 45 erzeugt. Diese Überkompensation kann durch Einstellung der Windungszahlen der Wicklungen 59 oder 52 des Transformators 51» der Luftspalte 60 und 61 des Transformators 51 oder durch Verwendung der anderen Verbindung 62 (wie es bei der Erörterung der Fig.2 erklärt wurde) oder durch eine Kombination dieser Methoden bewirkt werden.

Eine Abänderung der Stromversorgungsschaltung der Fig. wird in Figo 4- gezeigt. Es bestehen folgende Unterschiede zwischen diesen Figuren 4 und 2.

1. Die Schaltung der Fig. 4 hat mehr als einen Ausgang, wobei jeder Ausgang seine besondere Last versorgt.

2. Die Lastschaltungen der Fig. 4 sind elektrisch voneinander und von der Wellenformverbesserungsschaltung isoliert, wodurch ein Sicherheitsmerkmal geschaffen wird, da die hohe Spannung des Kondensators von allen Lastschaltungen isoliert ist. Außerdem können die Lastschaltungen unabhängig geerdet sein.

3. Die Kompensationswicklung kann gegebenenfalls in Kombination mit einer Ausgangswicklung verwendet werden.

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Das Prinzip der Erfindung ist zu verwenden für Regler, die von Mehrphasenquellen eines Wechselstroms erregt werden, wie in der Ausführungsform der Erfindung in Fig· 5 gezeigt wird.

Fig. 5 stellt eine Abänderung der in Fig· 2 gezeigten Erfindung dar, die für einen Dreiphasenbetrieb eingerichtet ist. Es sind drei ferroresonante Spannungsregler 24a, 24b und 24c vorgesehen, von denen jeder gleich dem Regler 24 der Fig.t ist.

Die Wicklungen 27a, 27b und 27c der entsprechenden ferroresonanten Regler sind im Dreieck mit den Phasen 33a, 33b bzw, 33c einer herkömmlichen Dreiphasenwechselstromquelle verbunden. Es sind drei Transformatoren 35a, 35b und 35c vorgesehen, und drei Resonanzkondensatoren 45a, 45b und 45c liegen in jeder Phase auf die gleiche Weise, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die drei Ausgangswicklungen 29a, 29b und 29c mit ihren entsprechenden in Reihe verbundenen Kompensationswicklungen 28a, 28b und 28c Sind im Stern verbunden und speisen eine Lastsohaltung 46, die z.B. sowohl eine Wirklast als auch eine Blindlast sein kann.

Eine andere Abänderung der Stromversorgungsschaltung der Fig. 2 wird in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 6 wird der ferroresonance Netzregler 24 von einer Versorgungsquelle 63 gespeist und erzeugt an seinen Ausgangsklemmen eine Spannung mit einer Wellenform, die jjn wesentlichen nicht sinusförmig ist, d.h. eine Vielzahl harmonischer Komponenten enthält. Ein Beispiel für eine solche Versorgungsquelle wird in Fig. 7 gezeigt.

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Pig· 7 stellt eine bekannte Type einer transistorierten Rechteckwellen-Inverterschaltung dar. In Pig· 7 ist eine Gleiehspannungsquelle 64 vorgesehen, die als Energiequelle für den'Inverter arbeitet. Die Frequenz des Inverters -wird hauptsächlich von der Sättigungscharakteristik des Transformators 65 bestimmt, der einen Kern mit einer praktisch rechteckigen Hysteresiskurve besitzt. Die pnp-Transistoren 67 sind abwechselnd gesperrt und führen Strom von der Quelle 46 durch die entsprechenden Wicklungen 70 und 71 des Transformators 66, der nicht sättigt. Die Sekundärwicklung 72 des Transformators 66 ist mit der Eingangswicklung 27 des in Pig. 6 gezeigten ferroresonanten Transformators 24 verbunden. Die an der Wicklung 72 des Transformators 66 der Pig. 7 auftretende Spannung, die identisch mit der Spannung an der Wicklung 27 des Transformators 24 der Pig. 6 sein wird, wird im wesentlichen eine Rechteckwechselspannung sein· Bei richtiger Einstellung wird die Schaltung der Pig„ 6 dennoch eine im wesentlichen sinusförmige Wellenform an ihren Ausgangsklemmen liefern, obwohl die Eingangswellenform an der Wicklung 27 des Transformators eine Rechteckwellenform ist. Die folgende Tabelle gibt Versuchsdaten an, die die Verbesserung im harmonischen Gehalt der Ausgangsspannung der Schaltung der Pig. 6 darstellen, wenn die Eingangsspannung zur Wicklung 27 des Transformators 24 eine praktisch rechteckige Wellenform hat, die von einer transistorierten Inverterschaltung, wie dem transistorierten Inverter der Pig. 7» erzeugt wird. Die Höchstwerte der harmonischen

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Komponenten der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Schaltung der Fig« 6 sind als Prozentsatz des Höchstwertes der Grundfr equenzkomponent en dieser entsprechenden Spannungen angegeben, der willkürlich mit 100 $ angesetzt wurde.

Grund- 2· fre- ; Herrn, quenz

3. Harm

4. Harm.

J
6.

5. Hai* Harm «Harm ./Harm «Harn ·

7.

8.

9.

11. lärm.

Eingangsrechteokwelle

100S* ,1,62

37,5|0,52

21,1 (0,30

14,31

- 111,7

8,75

Ausgangswelle j 100$ ; 1,83 1,38 0,31 J1,38 ! - 0,55

- 0,04 0,32

Diese Daten wurden mit einer Wirklast aufgenommen. Die Schaltung der Fig. 6 behält selbstverständlich noch ihre guten Regelungseigenschaften bei wesentlichen Änderungen in der Größe der Eingangsspannung oder bei wesentlichen Änderungen in der Impedanz der Lastschaltung·

Es ist auch zu bemerken in Bezug auf Pig. 2, daß, wenn Verbindungen der Wicklung 40 des Transformators 35 umgekehrt werden, so daß die in der Wicklung 40 erzeugten Harmonischen zu den in der Spannung an dem Kondensator 45 vorhandenen Harmonischen addiert (anstatt subtrahiert) werden, dann wird der harmonische Gehalt der Ausgangsspannung wesentlich verstärkt. Darüber hinaus ist es durch richtigen Entwurf des Transformators 35 möglich, die Harmonischen in einem solchen Maße zu . vergrößern, daß die Ausgangsspannung eine praktisch rechtwinklige Wellenform hat. Bei diesen Abänderungen könnte die

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Schaltung der Pig. 2 dazu verwendet werden, eine Wechselstromleistung mit hoher Wirksamkeit zu liefern, die eine regulierte und im wesentlichen rechtwinklige Ausgangswellenform hat, welche von einer praktisch sinusförmigen Eingangswellenform abgeleitet ist«

Der Wellenformverbeeserungstransformator der Erfindung kann außer, daß er in neue Systeme eingebaut wird, leitend mit vorhandenen Systemen verbunden werden, um die Verringerung des harmonischen Gehalts in der Ausgangsspannung dieser Systeme zu erzielen, wodurch eine wandlungsfähige Anordnung geschaffen wird, was eine Kostenersparnis zur Folge haben kann, da die Zuführung des Wellenformverbesserungstransformators zu einem vorhandenen System wirtschaftlicher als das Ersetzen des vorhandenen ferroresonanten Transformators durch einen komplizierten Transformator ist.

Obwohl nur bestimmte Ausftihrungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, ist ersichtlich, daß Abänderungen darin vorgenommen werden können. Dementsprechend sollen die beiliegenden Ansprüche alle solche Abänderungen und andere Möglichkeiten decken, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen können·

- Patentansprüche -

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Claims

-28- T 693

Dr.

Patentansprüche:

Korrigierender Transformator, um eine im wesentlichen sinusförmige, von Harmonischen freie Ausgangsspannungswellenform in einer Last zu erzeugen, die von einer Wechselstromversorgungsquelle versorgt wird, mit deren Klemmen der Transformator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ' Primärwicklung des Transformators direkt mit den Klemmen der Stromversorgungsquelle verbunden ist, während.seine Sekundärwicklung über einen Kondensator mit den Klemmen verbunden· ist, wobei der Kern des Transformators mit magnetischen Nebenschlußpfaden so versehen ist, daß ein Teil des von der Primärwicklung erzeugten Magnetflusses abgeleitet wird, ohne durch die Sekundärwicklung hindurchzugehen, wobei die Magnetpfade für die entsprechenden Magnetflüsse eine hohe Beluktanz haben.
2. Korrigierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Kondensators, die Windungszahlen der Primär- und der Sekundärwicklungen und die Reluktanz des ersten und des zweiten Pfades so gewählt sind, daß die an der Transformator-Sekundärwicklung auftretende Spannung im wesentlichen proportional der zweiten Ableitung der Spannung ist, die an dem Kondensator auftritt.
3. Korrigierender Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen aus E-förmigen Blechen geschichteten Kern aufweist, dessen Mittelschenkel mit

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Verlängerungen versehen ist, die quer zum Mittelschenkel angeordnet sind, um den Teil des Magnetflusses abzulenken, der von der Primärwicklung erzeugt wird und nicht durch die Sekundärwicklung gehen soll, wobei die Verlängerungen Luftspalte mit den Außenschenkeln des E-förmigen Kernes "bilden, während der magnetische Pfad, der den restlichen Seil des Magnetflusses durch die Sekundärwicklung leitet, einen getrennten aus Blechen geschichteten langgestreckten Kernteil in einem Abstand von den Enden des E-förmigen Kernes aufweist.
4. Korrigierender Iransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Transformators und die Größe des Kondensators so gewählt sind, daß harmonische Spannungen in der Sekundärwicklung geschaffen werden, die im wesentlichen die entsprechenden harmonischen Spannungen auslöschen, welche über dem Kondensator auftreten.
5. Strpmversorgungsschaltung mit einem korrigierenden Transformat or nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle einen ferroresonanten Transformator enthält, der mit der Wechselstromversorgungsquelle verbunden ist.
6. Stromversorgungsschaltung mit einem korrigierenden Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Transformators in einer solchen Richtung verbunden ist, daß .sie eine Spannung

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liefert, die von der Spannung an den Kondensator abgezogen wird.
7. Stromversorgungsschaltung mit einem korrigierenden Transformator nach einem der Ansprüche 1 Isis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Transformators in einer solchen Richtung verbunden ist, daß si« eine Spannung liefert, die sich zu der Spannung an dem Kondensator addiert.
8. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärwicklung parallel über zumindest einem Teil der Sekundärwicklung des ferroresonant en Transformators verbunden sind, wobei die Last über zumindest einem Teil derselben Sekundärwicklung verbunden ist.
9. Stromversorgungssohaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der ferroresonant^ Transformator eine Kompensationswicklung aufweist, die in Reihe mit der Sekundärwicklung liegt und in Bezug auf diese eine entgegengesetzte Polarität aufweist.
10. Stromvers orgungs schaltung für Dreiphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stromversorgungsschaltung gemäß Anspruch 8, zwei zusätzliche ferroresonante Transformatoren und zwei zusätzliche korrigierende Transformatoren aufweist, wobei die Primärwicklungen der ferroresonanten Transformatoren im Dreieck mit der Quelle des Dreiphasenwechselstromes und die Ausgangssohaltungen der ferroresonanten Transformatoren im Stern mit den Leitern der Dreiphasenlast verbunden sind.

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ORIGINAL

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