DE1955153C - Schutzeinrichtung zur Vermei dung einer vollständigen Sättigung eines Transformators mit zusammen gesetztem Magnetkern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung zur Vermeidung einer vollständigen Sättigung eines Transformators mit zusammengesetztem Magnetkern, aus einem ersten und zweiten Kern aus sättigungsfähigem magnetischen Material, die elektromagnetisch parallel geschaltet sind und die beide von gemeinsamen Primär und Sekundärwicklungen umwickelt sind, die zusammenwirken, um ein sekundäres Ausgangssignal zu erzeugen, erste und zweite Schalteinrichtungen, die mit den gemeinsamen Primärwicklungen verbunden sind, Einrichtungen zum Speisen der Primärwicklungen, Vormagnetisierungswicklungen, die um den ersten bzw. zweiten Kern gewickelt sind und die in Reihe und einander entgegengesetzt geschaltet sind, und Einrichtungen zum Speisen der Vormagnetisierungswicklungen.

Transformatoren sind die hauptsächliche Ursache von Fehlern bei Wechselrichterschaltungen infoige der Überhitzung der Schalttransistoren infolge der Transformatorsättigungsströme. Dieses tritt ein, weil der Magnetisierungsstrom am Ende jedes Schaitzyklus schädliche Spitzen hat.

F i g. 3 zeigt einen typischen Magnetisierungsstrom in einem Parallelwechselrichtertransformator mit sättigunesfähigem Kern, wobei die Zeit T_d das Intervall zwischen der Übertragungeines Sättigungssignales und dem öffnen des Primärkreises darstellt.

Der Magnetisierungsstrom /_m wächst während der Zeit Ta an auf Grund der wachsenden Sättigung des Magnetkerns des Transformators. Es ist aus diesem Grunde wünschenswert, die bevorstehende Transformatorsättigung früh genug feststellen zu können, um eine Reserve an Gegen-EMK zu haben, um während des Abschaltprozesses des Transistorschalter* eine Stromspitze zu verhindern.

Frühere Versuche die Energie zu verringern, welche auf Grund der Stromspitzen in die Schaltelemente gelangte und dort die Schalttransistoren allmählich zerstörte, bestanden darin:

1. Eliininie.-ung des üblicherweise verwendeten Luftspaltes durch Verwendung von kontinuierlichen (ungeschnittenen) Leistungstransformatorkernen:

2. Begrenzung der Streuinduktivität durch sorgfältige Konstruktion des Leistungstransformators;

3. Verbesserung der Halbleiterschaltcharakteristikcn insbesondere der Abschaltzeit.

Die Benutzung eines ungeschnittenen Leistungstransformatorkerns hat jedoch Kurzschlußströme zur Folge, die während vorübergehender Phase der Magnetkernsättigung erzeugt werden. Die Begrenzung der Streuinduktivität durch sorgfältige Konstruktion ist schwierig, da die Erzeugung von magnetischen Kraftlinien, die nur die Primär- oder Sekundärwicklungen einschließen, nicht vollständig erreicht werden kann. Die Herabsetzung der Leistungstransformatorabschaltzeit (was auch für gesteuerte Silicium-Gleichrichter oder andere Schalteinrichtungen gilt) unter die Größenordnung von Mikrosekunden kann nicht die gewünschten Ergebnisse bringen, da die Abschaltzeit durch die Zeitkonstanten der tatsächlichen Schaltung mehr bestimmt ist als durch ein rein widerstandsbehaftetes Netzwerk.

Weiterhin sind in der Wandler'echnik zahlreiche Schaltungen bekannt geworden, die zum Ziel haben, den Fehlstrom eines Stromwandlers zu kompensieren. So ist insbesondere ein Stromwandler mit zwei Kernen und Fehlerkompensation durch einen elektronischen Verstärker bekanntgeworden (deutsche Auslegeschrift 1 076 260), der noch einen dritten Kern mit einer Sekundärwicklung aufweist, die zur Lieferung der Stromversorgungsenergie für den vorzugsweise als Transistorverstärker ausgebildeten elektronischen Verstärker dient. Nachteilig ist es aber auch hier, daß dieser Transformator keinerlei Vorrichtungen zur Vermeidung einer vollständigen Sättigung enthält.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schutzeinrichtung zur Vermeidung einer vollständigen Sättigung eines Transformators mit zusammengesetztem Magnetkern der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, die, in den Transformator integriert, seine vollständige Sättigung vermeidet und eine graduelle Zerstörung von Schalttransistoren

Ι 955

Μία Transformatorsättigungsströmen verhin-

Diese Aufaabe wird bei der eingangs beschriebenen Schutzeinrichtung erfindungsgemäß gelöst durch erste ,nrf zwei'c in Reihe und einander entgegengesetzt lt um den ersten und den zweiten Kern c-· ie Lesewicklungen und durch an den Ausdt-Lesewicklungen angeschlossene Schwellwert- -·■ 'cn solcher Bemessung, daß sie ein Aus-.;^ abgeben, um vor eine, bevorstehenden ^he.» Sättigung zu warnen, oder um die ^r geschlossenen Schalteinrichtungen ein/u-

liehen

üii einer Ausgestaltung der Erfindung ist es ,,eckmäßig, daß das Produkt aus der Anzahl NVi.Ju.igen der Vormagnetisienmgswicklung des ,-ms mal der ^(sachlichen Querschnittflache r Anzahl der Windungen der Vormagnetiv.icklung des /weiten Kernes mal der tatsächiciM-liriittStlächc uICSCS ivCfüS ist. UHu uulJ UuS -o

.us der Anzahl der Windungen der Lesewick- ; ersten Kerns mal dessen tatsächlicher Quer-

sierungs\yicklung W_n, W_r-, und einer Lesewicklung du W_d, umwickelt. Die Kerne sind mittels einer Primarwicklung mit MittelabgrirT miteiaander gekoppelt, ^ mit Eingabeleitungen 30, 32 und 34 verseilen ι , die Verbindung zu den beiden Schaltern a, unu, , und der Batterie £s herstellen; die beiden K.cne sin

weiterhin mittels einer Sekundärwicklung mn μ . abgriff gekoppelt, welche Ausgangsleitungen^w, und 44 aufweist. Diese gemeinsamen Wicklungen s.jiu so angeschlossen, daß die Einze kerne paralleJ zue.n ander arbeiten, wobei sie jedoch innerhalb des gleichen

Transformators einen Einzelkern bilden.

^Ein Gleichstrom \on der Batter.e Er ^wird J magneiisierungswicklung (^r₂ des Kernes

die Leitung 12 zugeführt ^und .^ver

durch die Leitung 14, von wo der

die Leitung 16 in die.Vormagnetis.erungsw.cklun

des Kernes 10 eintritt die er du£^{h die L}^^u^

verläßt, bevor der durch den Widerstand R_T an M

Die Lesewicklungen W*_y und W „,sind so daß der Strom in die ^^

^SSSft^^^ daß die „den _Kcr!i; ,„Stoffen aufgebaut sind, weiche vergleichbare _mag.Ki.schc Eigenschaften haben.

Din {--rfindung wird nunmehr an Hand der Zeich-„ungiM. näher beschrieben. Es zeigt

ΐ\ ι· I eine isometrische Schemaansicht von zwei MaVncikernen. die zur Bildung des zusammengesetzten K-rncs miteinander verdrahtet sind,

F i u. 2 ein Schematisches Schaltbild der Erfindung. _als IcI eines Para.lelwecliselrichters innerhalb emes Gleichslrom-Gleichstrom-Umformers,

F i u. 3 eine Kurve einer typischen Magnet.s.crungsstromwe.lenform bei Parallelwechselrich.ern mit satt,-Buncsfähigcm Kerntransformator, i 4 d 4b Kn von

uncsfähigcm Kerntransformator, ke.ner de g

Fig. 4a und 4b Kurven von einzelnen Hysterese- 40 Gleichungen gültig sind, id Khälft d ]

SS den Wider-

^,^^Α Vormagnctisierungswick-, _n J/ ^n V erzeimt eine Vormagnetisierung, lungen W₁, . nd M _r, erze J η b ^

derart, daß die Hysteresesch e.le_^"^c , _des

nahe des entgegengesetzten Satligungsnm! anderen Kern« an*hlje^n ^ der entgegengesetzten Richtung, Jungen angesch ossen «nd. Erfindung bei

_ei^_m%J_ra^_n^_cfÄ, wobei die Polarität einem _Faraileiwecnsei" _{zeigt ist}. Am Last-

der W.cklunge^nd^^ch'."^nk _s\^e *",%,, auftreten, wenn widerstand R< jirdI kem S gna! « _{dje en}

ke.ner der Kerne gesättigt isi,
l d

g und

50

Fig. 4a und
schleifen der beiden Kernhälften und _AN ^

F i g. 4c eine Kurve, welche die Wirkung der überlagerung der beiden Hystereseschleifen nach F i g. 4a ^

und 4b wiedergibt, einschließlich der Wirkungen der sich gegenseitig beeinflussenden magnet.schen Feldstärken in den Einzelkernen,

Fig 5a 5b und 5c Kurven der Flußdichten, B₁ und'ßj in den zwei Kernen und der durch die Lese-Wicklungen erzeugten Differenzspannung e* und

F i g. 6a, 6b und 6c die Bez.ehung zwischen

a) dem Magnetisierungsstrom in einer Kernhälfte. während eines Betriebshalbzyklus, und zwar normiert bezogen auf den Magnet.s.erungsstrom im nicht gesättigten Zustand und

b) die entsprechende Hystereseschleife, wöbe, die Magnetisierung auf ihre Koerm.vkraft I_n im nicht gesättigten Zustand normiert ,st, und

c) die magnetische Flußdichte in der gleichen Kern- ^ hälfte.

Wie in F i g. 1 dargestellt, besteht der zusammengeSite Kern'lOO auf zwei übereinander gelagerten ringförmigen, sättigungsfähigen unzerschnittenen Magn'tkernenlO und 20. Jeder dieser Kerne kann aus einem geeigneten magnetischen Material, wie z. B.

SAt einer Vormagnet,- _{A%Ndt ιιη(}] A₁N_n = A₂N_r2, wobei

Querschnittsflächen _der Kerne 10

Windungen in den ^^^ ^₂ und

^ An/ahl der Windungen der

,V_n und N_n sind die Anzam aer v> β

Wicklungen W_n bzw. W_n.

_{je £ fließt durc}h die in £ ^ vormagnetisierungswicklungen^W

und W_n und den Strombf^^ _und der Strom '*:rd nu ^ ^

ßattene E_e ™^ά.^ά™};*"™?™%" Magnetkernen Der Strom f_Ä erzeugt " ^_ζ1 ^Β _vormagneti. un d M ^ ce J^ ^g * g ^ jerte Magi ^et«l« _{k y jn dem Kern} ,_{st de}

1"S Summe der jeweiligen Vormagnetisic- ^f _{sfeldstärkenkornp}onente //„, oder H_H und der magnetischen Feldstärkenkomponente Hs₁. und zwar infolge des Magnet.sie^ ' d£"bebende

n^Tesusarmenges Trans

ng _vorausgeSetzt, daß die

W_n und

; J ^/Eing sind und daß keiner

der beiden Magnetkerne gesättigt ist.

Die einzelnen Hystereseschleifen der beiden Magnetkerne 10 und 20 sind in den F i g. 4a und 4b dargestellt, welche zeigen, daß erstens die Schleifen im wesentlichen ähnlich sind, solange die oeiden Kerne nicht gesättigt sind, und daß zweitens die Schleifen nahezu die doppelte Breite haben, wenn ein Kern gesättigt ist und der andere Kern damit fortfährt. Voltsekunden aufzunehmen, jedoch jetzt mit der zweifachen Geschwindigkeit wie vorher. Die Wellenformen der Flußdichten B₁ und B₂ als Funktion der Zeit sind in den F i g. 5 a und 5 b abgebildet.

Der Unterschied in der magnetischen Feldstärke Δ Η zwischen den beiden Kernen ist in F i g. 4c dargestellt, wobei angenommen ist, daß zwischen den beiden Kernen keine gegenseitige Beeinflussung vorhanden ist. Der wesentliche Effekt infolge der entgegengesetzten magnetischen Feldstärken Hb-i und Hb₂ in den einzelnen Kernen liegt darin, daß Sättigung in einem der Kerne auftritt, bevor sie beim anderen auftritt, nachdem beide Kerne die Voltsekunden absorbieren, die ihnen durch ihre gemeinsamen Primärwicklungen über die Leitungen 30, 32 und 34 aufgeprägt werden.

Die Veränderungsgeschwindigkeit der magnetischen Flußdichte in den einzelnen Kernen infolge des Anlegens von <?, Volt an die Primärwicklungen W₁₁ und W₁₂ beträgt.

= eJ2 A_eN, wenn 0 < / < Tn

dt

dB

dt

= eJAiN, wenn T_n < t < Tk-

Wie in den F i g. 5 b und 6 c dargestellt, fährt die magnetische Flußdichte B₂ in dem Kern 20 darin fort, sich zu verändern, nachdem der Kern 10 seine Sättigung Bs (das maximale Flußdichteniveau) zur Zeit Tj erreicht hat (s. auch die F i g. 5a und 6a). Die F i g. 6a, 6b und 6c zeigen das Verhältnis zwischen dem Magnetisierungsstrom, der Hystereseschleife und der magnetischen Flußdichte im Kern 10 unter den oben angegebenen Betriebsbedingungen.

Während des Zeitintervalls 7> / T_K findet die gesamte Flußdichteänderung im Kern 20 mit der zweifachen Geschwindigkeit statt wie vorher. Das entgegengesetzte findet statt während des entgegengesetzten Betriebszyklus.

Ein Signal ea erscheint am Lastwiderstand Ra jedesmal, wenn einer der beiden Kerne 10 oder 20 sich sättigt. Dies resultiert daraus, daß die EMK, welche in der Lesewicklung des ungesättigten Kerns entwickelt wird, jetzt keine Gegenphase von der Gegenwicklung des gesättigten Kerns hat. Die einzelnen Impulslängen Ta, der in den Wicklungen W_äl oder W_äi erzeugten Spannung ed sind in Fig. 5c dargestellt. Die Größe der Spannung e,/ steht zu e_t gemäß der Gleichung ea —- «■>, WdJWa_nIn Beziehung. Das Signal e,j wirkt auf den. Umformerschaltkontrollmechanismus ein, um das öffnen des stromführenden Primärkreises in die Wege zu leiten, wodurch der Betriebszyklus nach einer Verzögerungszeit Ta beendet wird und dadurch die volle Sättigung des zusammengesetzten Kerns verhindert wird.

ίο Gemäß F i g. 2 sind eine logische Schwellwertschaltung 50 (ζ. B. ein Schmitt-Trigger oder hochverstärkender Differentialverstärker) und eine getriggerte elektronische Programm- und Steuerschaltung 60 (ζ. Β. ein bistabiler Multivibrator) an den Lastwiderstand Ra und Hie· Basisanschlüsse der Schalttransistoren Q₁ und Q₂ angeschlossen. Die Schalttransistoren Q₁ und Q, werden gespeist beziehungsweise gesteuert, um den Wechselrichterbetrieb in Gang zu setzen, und zwar durch Schließen der Primärkreishälften um den

so Magnetkern 10 in einer abwechselnden Betriebsweise. Ein Signal ea wird nicht am Lastwiderstand Ra zu irgendeiner Zeit auftreten, wenn kein Vormagnetisierungsstromfluß in den Wicklungen W_n und W_r2 ist. Wenn Strom in den Vormagnetisierungswicklungen fließt, wird das Signal ea so lange noch nicht am Widerstand Ra erscheinen, wie keiner der Kerne 10 oder 20 gesättigt ist, da die Steuerwicklungen Wa₁ und Wa₂ gleiche Windungsanzahl und entgegengesetzte Polarität haben. Wenn jedoch einer der beiden Kerne 10 oder 20 gesättigt ist, wird das gesamte nicht entgegengesetzte Potential der ungesättigten Transformatorhälfte am Widerstand «_c> als ein Potential ca erscheinen. Dieser Spannungsimpuls ca schaltet den Schalter ab, der die Primärwicklung über j die logische Schwellwertschal-

tung 50 und die Programmschallung 60 speist. Zwei UND-Gatter 52 und 54 schließen die beiden Schaltungen 50 und 60 an und dienen dazu, den Anfang der Wechselrichterzyklen entgegengesetzter Polarität zu verhindern, bis der Gegenschahcr tatsächlich geöffnet worden ist.

Ein Paar Dioden D₁ und D₂ sind angeschlossen, um den Wechseistromausgang des Transformators gleichzurichten. Ein Tiefpaßfilter mit einer Eingangsspule L_f und einem Kondensator C₀ verringert die Welligkeit

der in den Sekundärwicklungen induzierten Ausgangswelle, bevor diese an eine Last R_L angelegt wird.

Bei den folgenden Frequenzen können die Leistungstransistoren beispielsweise Abschaltzeiten in der Größe von 3 bis 4 Mikrosekunden haben. Der Wechsclrichtet kann als Teil des Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Umformers gemäß der Spannungsuntersetzungs-Rechteckwellenbetriebsweise bei einer Frequenz von 1 bis 10 KHz von einer 24 bis 34 Volt Gleichstromquelle und bei einem Leistungsniveau von etwa 100 Wall arbeiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung zur Vermeidung einer vollständigen Sättigung eines Transformators mit zusammengesetztem Magnetkern aus einem ersten und zweiten Kern aus sättigungsfähigem magnetischem Material, die elektromagnetisch parallel geschaltet sind und die beide von geme^:nsamen Primär- und Sekundärwicklungen umwickelt sind, die zusammenwirken, um ein sekundäres Ausgangssignal zu erzeugen, erste und zweite Schalteinrichtungen, die mit den gemeinsamen Primärwicklungen verbunden sind, Einrichtungen zum Speisen der Primärwicklungen, Vormagnelisierungswieklungen, die um den ersten bzw. zweiten Kern gewickelt sind und die in Reihe und einander entgegengesetzt geschaltet sind, und Einrichtungen zum Speisen der Vormagnetisierungswicklungen, gekennzeichnet durch erste und /weite in Reihe und einander entgegengesetzt geschaltete, um den ersten und den zweiten Kern (10, 20) angeordnete Lesewicklungen (W_dl, Wa₁) und durch an den Ausgang der Lesewicklungen (Wm, W^) angeschlossene Schwellwerteinrichtungen solcher Bemessung, daß sie ein Ausgangssignal abgeben, um vor einer bevorstehenden magnetischen Sättigung zu warnen, oder um die öffnung der geschlossenen Schalteinrichtungen einzuleiten.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Anzahl der Windungen der Vormagnetisierungswicklung (W_n) des ersten Kernes (10) mal der tatsächlichen Querschnittsfläche gleich der Anzahl der Windungen der Vormagnetisierungswicklung (W_r2) des zweiten Kernes (20) mal der tatsächlichen Querschnittsfläche dieses Kernes ist, und daß das Produkt aus der Anzahl der Windungen der Lesewicklung (Wm) des ersten Kernes (10) mal dessen tatsächlicher Querschnittsfläche gleich der Anzahl der Windungen der Lesewicklung (Wa₂) des zweiten Kernes (20) mal dessen tatsächlicher Querschnittsfläche ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kerne aus Stoffen aufgebaut sind, welche vergleichbare magnetische Eigenschaften haben.