DE1538176B2

DE1538176B2 - Korrigierender transformator

Info

Publication number: DE1538176B2
Application number: DE19641538176
Authority: DE
Inventors: Richard E Columbus Ohio Kuba (V St A )
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1963-02-11
Filing date: 1964-02-05
Publication date: 1972-03-02
Also published as: FI42593C; FI42593B; BE643647A; GB1028925A; FR1386702A; NL6401018A; US3286159A; DE1538176A1; NO115672B

Description

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Die Erfindung betrifft einen korrigierenden Transformator mit einer Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung, um eine im wesentlichen sinusförmige, von Oberwellen freie Spannungswellenform in einer Last zu erzeugen, die von einer Wechselstromversorgungsquelle versorgt wird, mit deren Klemmen der Transformator verbunden ist.

Derartige Transformatoren sind bekannt, jedoch werden die verschiedensten Schaltungen angewendet, um in einer Last eine im wesentlichen sinusförmige, von Oberwellen freie Spannungswellenform zu jerzeugen. So werden z. B. Kondensatoren benutzt, die der Last im Sekundärkreis vorgeschaltet werden, wobei der aus mehreren Kapazitäten gebildete Kondensator durch vom Laststrom abhängiges Zuschalten einer weiteren Kapazität veränderbar ist (vgl. die deutsche Patentschrift 542 673), oder eine feste Kapazität wird wahlweise an verschiedenen Anzapfungen der Sekundärwicklung gelegt (vgl. die F i g. 3 der deutschen Patentschrift 527060). Mehrere Anzapfungen der Sekundärwicklung, zu denen jeder und zur Last ein Kondensator parallel geschaltet ist, zeigt die Fig. 1 der deutschen Patentschrift 564689. Transformatoren mit mehreren Primär- und Sekundärwicklungen mit zum Teil der Last vorgeschaltetem Kondensator zeigen die deutsche Patentschrift 649 767 in F i g. 5 und 671 310 in F i g. 2 bzw. die deutsche Patentschrift 930 885 in F i g. 2 und die Siemens-Zeitschrift vom Mai 1935, S. 178, in F i g. 1. Teilweise wird auch der Primärwicklung ein Kondensator vor- V geschaltet (s. die französische Patentschrift 733 427 in Fig. 2).

Alle diese Lösungen befriedigen jedoch nicht, weil sie nicht konstant unabhängig von Veränderungen der Größe oder Wellenform der Eingangsspannung in einem bestimmten Bereich bzw. von Veränderungen in der Impedanz der zu versorgenden Last sind.

Die Erfindung hat es sich demgegenüber zur Aufgabe gestellt, im wesentlichen konstanten Strom an eine Last aus einer Wechselstromversorgungsquelle zu liefern, die eine Vielzahl von Frequenzkomponenten enthält, bei der also Amplitude, relative Phasenlage und die Frequenz selbst schwanken, wie auch Widerstand und magnetischer Widerstand der Last. Dabei kann z. B. der Wechselstrom dem Ausgang eines Netzspannungsreglers entnommen werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Primärwicklung des Transformators direkt mit den Klemmen der Wechselstromversorgungs- A quelle 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 ohne durch die Sekundärwicklung hindurchzugehen abgeleitet wird, wobei die magnetischen Nebenschlußpfade einen hohen magnetischen Widerstand besitzen.

Der durch die Erfindung erzielbare Vorteil besteht in der Erzeugung eines gleichbleibenden Stromes und der daraus resultierenden gleichmäßigeren Belastung der Versorgungsquelle.

Der korrigierende Transformator nach der Erfindung läßt sich außer in neue Systeme auch in vorhandene Systeme ohne weiteres einbauen, um den Oberwellengehalt in der Ausgangsspannung dieser Systeme zu verringern und so eine wandlungsfähige Anordnung zu schaffen, um Kosten zu ersparen; die Einführung des Wellenformverbesserungstransformators in ein vorhandenes System ist wirtschaft- ! licher als das Ersetzen des vorhandenen ferroreso- j nanten Transformators durch einen komplizierten j Transformator. !

3 4

Der grundsätzliche Aufbau des Gegenstandes der Kern 15 aufgewickelt sind, wobei dieser Kern aus

Erfindung besteht aus einer zwischen den Polen lamellierten Blechen der gezeigten Form hergestellt

einer Versorgungsquelle liegenden Versorgungsquelle. sein kann, die aus geeignetem Material bestehen,

Ein Kondensator ist mit der Sekundärwicklung des z. B. einem kornorientierten Si-Stahl.

Transformators in Reihe geschaltet. Von der Ver- 5 Der Kern besteht, wie gezeigt, aus E-förmigen

sorgungsquelle oder dem Netzregler-wird Strom Blechen 16, während I-förmige Bleche 18 und 19

auf einen Nebenschlußstrompfad geleiert, der in an dem Mittelschenkel der E-förmigen Bleche stumpf

Reihenschaltung die Sekundärwicklung des Trans- zusammenstoßen und quer zur Richtung des Mittel-

formators und den Kondensator umfaßt. Die Last schenkeis der E-förmigen Bleche 16 verlaufen. Die

liegt in Nebenschluß zu der Reihenkombination des io I-förmigen Bleche 18 und 19 bilden einen magne-

Kondensators mit der Sekundärwicklung des Trans- tischen Nebenschlußpfad, der zwischen der Primär-

formators. wicklung 13 und der Sekundärwicklung 14 angeordnet

Die Kapazität des Kondensators, die Windungs- ist. Es sind, nichtmagnetische Luftspalte 20 und 21 zahl der Primärwicklung des Transformators, die vorgesehen, um den magnetischen Widerstand der Windungszahl der Sekundärwicklung des Transfer- 15 Nebenschlußpfade, die von den I-förmigen Blechen 18 mators, der magnetische Widerstand des Neben- und 19 gebildet werden, einzustellen. Ein nicht magneschlußpfades und der magnetische Widerstand des tischer Luftspalt 22 trennt die E-förmigen Bleche 16 Rückkehrpfades besitzen Werte, die so gewählt sind, von den I-förmigen Blecheri 17, um den magnetischen daß die über der Transformator-Sekundärwicklung Widerstand des Pfades einzustellen, der einen Rückauftretende Spannung im wesentlichen proportional 20 kehrpfad für magnetischen Fluß bildet, welcher die der zweiten Ableitung der Spannung ist, welche über Sekundärwicklung 14 verkettet. Die Primärwicklung dem Kondensator auftritt. Wegen dieser Beziehung 13 liegt an der Versorgungsquelle 10. Ein Kondenüber die zweite Ableitung wird die Spannung der sator 23, der mit der Sekundärwicklung 14 in Reihe Transformator-Sekundärwicklung die gleichen har- liegt, bildet einen Nebenschlußstrompfad zur Vermonischen Oberwellen-Spannungen enthalten, wie 25 sorgungsquelle 10.

die Kondensatorspannung. Darüber hinaus werden F i g. 1 b ist eine schematische Darstellung des in die Oberwellen-Spannungen der Transformator-Se- F i g. 1 a dargestellten Transformators,
kundärwicklungen in der Größe verstärkt sein und Das Prinzip der Arbeitsweise der Erfindung kann in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden folgendermaßen unter Bezugnahme auf F i g. 1 a beOberwellen-Spannungen der Kondensatorspannung 30 schrieben werden. Ein Teil des nicht sinusförmigen liegen. Die über der Transformator-Sekundärwicklung Wechselstromes, der von der Stromversorgungsquelle auftretenden Oberwellen-Spannungen werden gemäß 10 geliefert wird, wird durch den Kondensator 23 der Erfindung im wesentlichen die über dem Konden- fließen und dabei eine Spannung über dem Kondensator auftretenden Oberwellen-Spannungen auslö- sator 23 erzeugen, die auch nicht sinusförmig ist. sehen, so daß die Reihenkombination der Konden- 35 Dies wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es satorspannung und der Transformatorsekundärspan- sei i_c der Teil des Stromes von der Wechselstromnung im wesentlichen sinusförmig mit der Grund- quelle 10, welcher durch den Kondensator 23 fließt, frequenz sein wird und wird daher eine von Ober- Da i_c periodisch sein soll, kann er mathematisch wellen nahezu freie Ausgangsspannungswellenform durch den Fourier-Reihenansatz dargestellt werden, an der Last erzeugen. 40 Demnach ist

Die Merkmale der Erfindung dürften am besten

unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung _i ₌ _{A 00&(2π} f_t + 0) + Acos

in Verbindung mit den Zeichnungen verstanden ^c * ^v ' ^1> ²
werden. In den zahlreichen Figuren kennzeichnen

gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. 45 (4-^ Ji + Q₂) + A₃cos (1)

F i g. 1 a ist eine Teilansicht einer Stromversorgungsschaltung, die diese Erfindung verkörpert; ^⁷¹J¹ + 6>₃) + ... + A_ncos(n2nj t + &„) + ...,

F i g. 1 b ist eine schematische Darstellung der
in F i g. la gezeigten Stromversorgungsschaltung;

F i g. 1 c und 1 d sind Diagramme, auf die bei der 50 wobei A₁ die Amplitude der Grundfrequenzkom-

Erklärung der Arbeitsweise der Erfindung Bezug ponenten, A₂ die Amplitude der zweiten Oberwelle,

genommen wird. ^₃ die Amplitude der dritten Oberwelle und allgemein

In Fig. la wird eine Quelle 10 eines nicht sinus- A_n die Amplitude der η-ten Oberwelle ist; G₁, Q₂, förmigen Wechselstroms gezeigt, um Strom an eine O₃ bzw. Q_n die Phasenwinkel für die Grundfrequenz, Last 11 zu liefern. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, 55 die zweite, die dritte bzw. die n-te Oberwelle des daß die Quelle 10 eine Quelle von nicht sinusförmigem Kondensatorstromes, bezogen auf die Kondensator-Strom und nicht eine Quelle nicht sinusförmiger Stromwellenform, sind, / die Frequenz des Konden-Spannung ist, d. h., die Quelle 10 liefert einen Strom satorstromes und t die Zeit ist.
an ihren Ausgangsklemmen, der eine Vielzahl von Es ist bekannt, daß die Spannung an einem Konden-Frequenzkomponenten enthält. Die Spannung an 60 sator sich aus dem Strom durch den Kondensator der Quelle 10, die die gleiche wie die Spannung an nach folgender Gleichung ableitet:
der Last 11 ist, kann in ihrem Oberwellengehalt

durch die Arbeitsweise einer Schaltung 10a, die par- j i

allel zur Quelle 10 fliegt, frei eingestellt werden, " v_c = — I i_c dr,

wobei diese Schaltung' jetzt beschrieben werden wird. 65 ^c 5

Wie in F i g. 1 a gezeigt wird, enthält die Vorrichtung einen Transformator 12 mit einer Primärwick- wobei hier v_c die Kondensatorspannung und c die lung 13 und einer Sekundärwicklung 14, die auf einen Kapazität des Kondensators 23 sind. Wenn Gleichung

(1) für i_c in den Ausdruck für v_c eingesetzt wird, ergibt sich:

v_c = ^k sin (2 π/ί + O₁)

nlnfc

sin (n2n/i + 6>„)

(2)

wobei hier keine Gleichstromkomponente der Kondensatorspannung auftritt. Die Gleichung (2) zeigt, daß die Kondensatorspannung nicht sinusförmig ist, wenn der Kondensatorstrom nicht sinusförmig ist. Die Kapazität des Kondensators 23, die Windungszahl der Primärwicklung 13, die Windungszahl der Sekundärwicklung 14, der magnetische Widerstand der Nebenschlußpfade, welche die I-förmigen Bleche 18 und 19 zusammen mit den nicht magnetischen Luftspalten 20 und 21 umfassen, und der magnetische Widerstand des von den I-förmigen Blechen 17 und den nicht magnetischen Luftspalten 22 gebildeten magnetischen Pfades werden auf solche Werte eingestellt, daß die Spannung über der Sekundärwicklung 14 im wesentlichen proportional zur zweiten Ableitung der Spannung ist, die über dem Kondensator 23 auftritt. Die Spannung, die an der Wicklung 14 auftritt, hat deshalb einen hohen Gehalt an Oberwellen und besteht aus den gleichen Oberwellen, die in der Spannung an dem Kondensator 23 vorhanden sind. Darüber hinaus sind die Oberwellen in der Spannung über der Wicklung 14 in der Größe verstärkt, und sie liegen in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden Oberwellen, die in der Spannung über dem Kondensator 23 erscheinen. Dieses wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es sei V₁₄. die Spannung über der Wicklung 14. Es wird angenommen, daß V₁₄. proportional der zweiten Ableitung der Spannung über dem Kondensator 23 ist, wobei diese Annahme anschließend bestätigt werden wird, und man erhält folgende Gleichung: der η-ten Oberwelle von V₁₄. ist um den Faktor r?A²f²a verstärkt im Vergleich zu der Amplitude der entsprechenden Oberwelle in v_c.

Nun ist in F i g. 1 a die Spannung über der Last 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 Oberwelle in der Spannung über der Wicklung 14 werden sich die Oberwellenspannungen von v_c und U₁₄ bei Regelung von der Proportionalitätskonstanten a 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 Last 11 auftretende Spannung im wesentlichen sinusförmig gemacht werden. Dieses Ergebnis wird mathematisch wie folgt dargestellt: Es sei C₁₁ die Spannung über der Last 11, dann gilt:

V₁₄. = a-

(3)

O₁, = V₁. + 0.

'14 ·

(5)

Wenn für v_c der durch die Gleichung (2) und £ für V₁₄. der durch die Gleichung (4) gegebene Wert v" ^ eingesetzt werden, ergibt sich:

Oi, =

11 ~~ ~ö ~r~ 2 τι j c

U₁(I -4 n²f²a) sin

{luft + O₁) + A₂ (i- - 8π²/²«) ₍₆₎

sin (Απ ft + θ₂) + A₃ f-j - 12π²/²α)

sin (6ττ ft + <9₃) + ... + A_n (^- - nA^f²a)

sin (η2π ft+ &„) + ...].

wobei α als Proportionalitätskonstante positiv und v_c 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:

V₁₄ = -^- [- /I₁2 π / sin (2nft + O₁) ^

— Α₂Ατι f sin (Anft+ O₂) — A₃6π f sin
(6nft + <9₃) - ... - A_nn2nf sin (n2nft + &„) +...].

Ein Vergleich der Gleichungen (4) und (2) zeigt, daß O₁₄ nicht sinusförmig ist und die gleichen Oberwellen enthält wie v_c. Darüber hinaus sind die Oberwellen von U₁₄ in der Phase entgegengesetzt zu den entsprechenden Oberwellen von v_c, und die Amplitude Gleichung (6) zeigt, daß man bei richtiger Auswahl von der Proportionalitätskonstanten a die Größen der vorherrschenden Oberwellenbestandteile, die über der Last erscheinen, stark verringern kann. Es ist zu bemerken, daß die Spannung V₁₄. niemals exakt gleich der zweiten Ableitung von v_c ist, da nichtlineare Effekte auftreten, die bewirken, daß α insbesondere für höhere Frequenzanteile keine echte Konstante ist und die Gleichung (6) nur für die ersten zwei oder drei Oberwellen genau ist. Da jedoch die ersten zwei oder drei Oberwellenbestandteile gewöhnlich die vorherrschenden Bestandteile sind, ist die Gleichung (6) trotzdem geeignet, die erfindungsgemäße Wirkung auf die Größe dieser vorherrschenden Bestandteile zu zeigen.
Eine mathematische Analyse der Schaltung der F i g. 1 a zeigt deutlicher die funktionale Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Kondensatorspannung. Die Schaltung der F i g. 1 c ist gleich der Fig. la, wobei zusätzliche Symbole verwendet wurden, um die für die Analyse benötigten elektrischen und magnetischen Größen zu kennzeichnen. Weiterhin ist die Schaltung der F i g. 1 d eine magnetisch äquivalente Schaltung für die in F i g. 1 a dargestellte Schaltung, und sie wird auch für die Analyse benötigt.

Die Größen sind folgendermaßen definiert:

ι = Augenblicksstrom von der Versorgungsquelle,

1₁₃ = in Wicklung 13 fließender Augenblicksstrom, N₁₃ = Windungszahl der Wicklung 13,

1₁₄ = in Wicklung 14 fließender Augenblicksstrom, N₁₄ = Windungszahl der Wicklung 14, " _%*

R₂₀ = Magnetischer Widerstand des Übftspaltes 20, R₂₂ = Äquivalente magnetischer Widerstand des Mittelluftspaltes 22 plus eines der beiden Seitenluftspalte 22,

v_c = Augenblicksspannung an dem Kondensator 23, c = Kapazität des Kondensators 23,
U₁₄ = Augenblicksspannung der Wicklung 14,
Φ₁ = Augenblicklicher magnetischer Fluß, der die

Wicklung 13 verkettet,
Φ₂ = Augenblicklicher magnetischer Fluß, der durch die magnetischen Nebenschlußpfade 18 und 19

fließt,
Φ₃ = Augenblicklicher magnetischer Fluß, der die

Wicklung 14 verkettet,
u_u = Augenblicksspannung an der Last 11,
u₁₃ = Augenblicksspannung an der Wicklung 13, die die gleiche wie U₁₁ ist.

Die folgenden Annahmen werden gemacht:

1. Alle Schaltungswiderstände werden vernachlässigt.

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

3. Die Widerstände der ferromagnetischen Teile des Transformators 12 werden als klein im Vergleich zu den magnetischen Widerständen der Luftspalte 20, 21 und 22 angenommen.

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

U₁₁ = V_c + U₁.

^Φ3

I₁₄ = c du_c/di
U₁₃ = N₁₃ d Φ J at v₁₄ = N₁₄d0₃/di

(7)

(8)

(9)

(10)

(H)
(12)

(13)

Die Kombination der Gleichungen (7) bis (13) ergibt bei Auflösung nach U₁₁, d. h. der Ausgangsspannung: ^

■^20

Vi, =

1 +

■20

■22

N₁₄K₂₀
N₁₃R₂₂

2 N,,² C

R-22 + R-20 ~~

ä²y_c dt²

(14)

Auf diese Weise sagt die Gleichung (14), daß die Spannung über der Last 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 ■< N₁₃R₂₂, zu folgender Gleichung:

U_n = V, +

■21

"13

(15)

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

2N₁₄ ²C

R₇₁ + R₂₀ —

N₁₄R₂₀
N.

(16)

Schließlich bestätigt ein Vergleich der Gleichung (16) mit der Gleichung (3) die oben gemachte Annahme durch folgende Gleichung:

a =

2N₁₄ ²C

Rl! +

20

13

(17)

Da die Spannung U₁₄ niemals exakt gleich der zweiten Ableitung von v_c ist und da nichtlineare magnetische Effekte auftreten, die zur Vereinfachung dieser Analyse vernachlässigt wurden, ist die Gleichung (16) nur für die ersten zwei oder drei Oberwellenbestandteile sehr genau. Da jedoch die ersten zwei oder drei Oberwellenbestandteile gewöhnlich die vorherrschenden Bestandteile sind, ist die Analyse gemäß der Erfindung praktisch richtig. Die Regelung der Amplituden der höheren Oberwellenbestandteile, die in der Transformatorsekundärspannung U₁₄ auftreten, wird darüber hinaus durch die den richtigen Entwurf der Transformatorprimärwicklung 13, der Nebenschlußpfade 18 und 19 und der Luftspalte 20 und 21 erzielt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209510/40

Claims

Patentansprüche:

1. Korrigierender Transformator mit einer Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung, um eine im wesentlichen sinusförmige, von Oberwellen freie Spannungswellenform in einer Last zu erzeugen, die von einer Wafchselstromversorgungsquelle versorgt wird, mit deren Klemmen der Transformator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (13) des Transformators direkt mit den Klemmen der Wechselstromversorgungsquelle (10) verbunden ist, während seine Sekundärwicklung (14) über einen Kondensator (23) mit den Klemmen verbunden ist, wobei der Kern (15, 16) des Transformators mit magnetischen Nebenschlußpfaden (18 bis 21) so versehen ist, daß ein Teil des von der Primärwicklung erzeugten Magnetflusses, ohne durch die Sekundärwicklung hindurchzugehen, abgeleitet wird, wobei die magnetischen Nebenschlußpfade einen hohen magnetischen Widerstand besitzen.

2. Korrigierender Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Kondensators, die Windungszahlen der Primär- und der Sekundärwicklungen und der magnetische Widerstand eines ersten und eines zweiten Nebenschlußpfades 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 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 Teil des von der Primärwicklung erzeugten 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 Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Transformators und die Größe des Kondensators so gewählt sind, daß oberwellenhaltige Spannungen in der Sekundärwicklung auftreten, die im wesentlichen entsprechende oberwellenhaltige Spannungen auslöschen, welche über dem Kondensator auftreten.