DE3880853T2

DE3880853T2 - Stromversorgungsgeraet mit negativer rueckkopplung.

Info

Publication number: DE3880853T2
Application number: DE8888300676T
Authority: DE
Inventors: Kitamura Fumio; Tajima Toshitsugu
Original assignee: KITAMURA KIDEN KK
Current assignee: KITAMURA KIDEN KK
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2008-01-28
Also published as: EP0490880A2; DE3854605T2; DE3880853D1; JPS63187609A; DE3854605D1; EP0278635B1; EP0490880B1; KR910008546B1; KR880009399A; HK116693A; EP0278635A1; US5122725A; US4866366A; JPH0713932B2; EP0490880A3; HK105396A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung für eine Last mit negativer Rückkopplung. Beispielsweise bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Untersuchen der Wechselstrommagnetisierungseigenschaften eines toroidischen Kernes oder eines geschnittenen Kernes.
Um die Untersuchung der Wechselstrommagnetisierungseigenschaften einer großen Zahl von toroidischen Kernen durchzuführen, wie beispielsweise von Erregerströmen und eines Kernverlustes, wie eines Wirbelstromverlustes und eines Hystereseverlustes, ist es erforderlich, für jeden Test Wicklungen auf einen Kern zu wickeln.
Ein Beispiel einer derartigen Testvorrichtung ist in PROC. IEE, Band 121, Nr. 11, November 1974, Seiten 1419, 1420 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt eine Anordnung zur Untersuchung der Flußverteilung und Kernverluste in den Eckverbindungen von Transformatoren großer Leistung. Der zu testende Kern wird durch eine verteilte Wicklung erregt, und der Kernfluß wird über eine zweite Flußdetektionswicklung abgetastet. Das Ausgangssignal der zweiten Wicklung kann relativ zur Zeit integriert werden, um eine genaue Darstellung des Kernflusses zu erhalten. Eine Rückkopplungsschaltung wird benutzt, um einen sinuförmigen Fluß sicherzustellen. Wenn eine derartige Rückkopplungsschaltung nicht vorhanden ist, ist der Fluß infolge der Verzerrung der Wellenform des Stromes infolge des Widerstandes der Wicklungen nicht ganz sinusfürmig. Alternativ dazu kann die Rückkopplungsschaltung verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Erregerspulenspannung oder der entsprechende Strom auf Kosten der Flußdetektionsspulenspannung sinusfürmig gehalten werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromversorgungsvorrichtung zum Testen eines Kernes zur Verfügung zu stellen, bei der ein Wickelvorgang nicht erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Testen eines Kernes geschaffen, die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, an die Primärwicklung angeschlossene Einrichtungen zum Anlegen eines Eingangsstromes an die Primärwicklung und an die Sekundärwicklung angeschlossene Einrichtungen zum Detektieren einer Ausgangsspannung, die in der Sekundärwicklung induziert wird, sowie negative Rückkopplungseinrichtungen umfaßt, welche an die Einrichtungen zum Anlegen eines Eingangsstromes angeschlossen sind und in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung für die Primärwicklung eine negative Rückkopplung vorsehen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung zur Montage der Wicklungen an dem zu testenden Kern pro Windung nur einen Verbindungsklemmenkontakt aufweisen.
Durch die Anordnung der Kontakte vom Verbindungsklemmentyp können Wicklungen an der Spule hergestellt werden, ohne daß ein Wicklungsvorgang durchgeführt werden muß.
Durch die Verwendung der negativen Rückkopplungsschaltung ist eine Einstellung der Eingangsspannung selbst dann nicht erforderlich, wenn der Gleichstromwiderstand und die äquivalenten Wechselstrom- und Gleichstromwiderstände der Primärwicklung durch die Kontakte geändert werden. Darüber hinaus wird keine Verzerrung in der Magnetflußdichte des Kernes erzeugt, wodurch eine korrekte und stabile Messung ermöglicht wird.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm, das vorgeschlagene Testbeispiele von Wicklungen zeigt;
Figur 2 einen Schaltplan, der eine vorgeschlagene Vorrichtung zum Testen eines toroidischen Kernes zeigt;
die Figuren 3A und 3B äquivalente Schaltpläne der Vorrichtung der Figur 2;
Figur 4 ein Diagramm, das die Ausgangseigenschaften der Vorrichtung der Figur 2 zeigt;
Figur 5 einen Schaltplan einer Ausführungsform der Stromversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 einen äquivalenten Schaltplan der Vorrichtung der Figur 5; und
Figur 7 ein Diagramm, das ein in der Vorrichtung der Figur 5 erzeugtes Oszillationsphänomen zeigt.
Als erstes wird eine vorgeschlagene Vorrichtung zum Testen eines toroidischen Kernes erläutert, die die Kontakte vom Verbindungsklemmentyp, jedoch nicht die Rückkopplungsschaltung umfaßt.
Wie in Figur 1 gezeigt, können zum Testen eines toroidischen Kernes 1 Testwicklungen W&sub1; und W&sub2; auf den Kern 1 gewickelt werden. In diesem Fall finden zum Vereinfachen des Wicklungsvorganges Kontakte CW&sub1; und CW&sub2; vom Verbindungsklemmentyp Verwendung, um die Desorption der Wicklungen W&sub1; und W&sub2; zu reduzieren. Da bei tatsächlichen Ausführungsformen von Transformatoren u. a. die Dicke der Wicklungen so groß wie möglich ist, um deren Widerstandswert zu reduzieren, und die Zahl der Windungen der Wicklungen so groß wie möglich ist, ist ein durch diese fließender Strom gering, und die Potentialreduktion sowie Wärmeerzeugung durch die Widerstandskomponente der Wicklungen ist ebenfalls klein. Da jedoch gemäß Figur 1 der Raum zum Installieren der Verbindungsklemmenkontakte CW&sub1; und CW&sub2; beschränkt ist, ist die Dicke der Wicklungen gering und die Zahl der Windungen der Wicklungen klein. Folglich ist es erforderlich, einen der Primärwicklung W&sub1; zugeführten Erregerstrom oder Teststrom zu erhöhen. Darüber hinaus wird ein derartiger Strom durch die Widerstände der Wicklungen W&sub1; und W&sub2; der Kontakte CW&sub1; und CW&sub2; beeinflußt. Wie in Figur 1 gezeigt, sind obere und untere Kontakte der Verbindungsklemmenkontakte CW&sub1; und CW&sub2; voneinander getrennt, wenn der Kern 1 eingesetzt wird, und aneinander angeschlossen, wenn ein Test (Meß)-Vorgang durchgeführt wird. Somit ist ein Wickelvorgang der Wicklungen W&sub1; und W&sub2; nicht erforderlich.
In Figur 2 ist eine Testvorrichtung für den toroidischen Kern 1 mit den Testwicklungen W&sub1; und W&sub2; dargestellt. In Figur 2 sind mit 2 eine Wechselstromversorgung, mit 3 ein Wechselstrommesser, mit 4 ein Wechselstromspannungsmesser, mit P&sub1; und P&sub2; Klemmen für den Anschluß der Primärwicklung W&sub1; und mit S&sub1; und S&sub2; Klemmen für den Anschluß der Sekundärwicklung W&sub2; bezeichnet. Gemäß dieser Schaltung wird eine Messung eines Primärstromes IP und eine Messung des Kernverlustes am Umfang eines gesättigten Magnetflusses des Kernes 1, bei der es sich um einen der Tests der Wechselstrommagnetisierungseigenschaften handelt, durchgeführt. Die Messung des Kernverlustes wird über einen Strommesser W vorgenommen.
Um die Schaltung der Figur 2 leicht zu verstehen, ist eine äquivalente Schaltung davon in Figur 3A und eine vereinfachte äquivalente Schaltung in Figur 3B dargestellt. Der Strommesser W ist in den Figuren 3A und 3B weggelassen worden. In Figur 3A ist mit T ein idealer Transformator, mit Rp ein äquivalenter Gleichstromwiderstand der Primärwicklung W&sub1;, mit RC ein äquivalenter Kontaktgleichstromwiderstand des Verbindungsklemmenkontaktes CW&sub1; und mit RZP ein äquivalenter Wechselstromwiderstand der Primärwicklung W&sub1; bezeichnet. Die Widerstände der Sekundärwicklung W&sub2; und des Kontaktes CW&sub2; sind vernachlässigbar. Beispielsweise sind der äquivalente Gleichstromwiderstand RP und der äquivalente Gleichstromwiderstand RC unbeständig. Mit anderen Worten, der Widerstand RP schwankt von 1 bis 1,2 Ω infolge der Wärmeerzeugung durch den Erregerstrom IP, und der Kontaktgleichstromwiderstand RC schwankt von 0 25 bis 0,8 Ω infolge des Zustandes des Kontaktes CW&sub1;. Auch der äquivalente Wechselstromwiderstand RZP schwankt von ∞ bis 0,5 Ω infolge der Sättigungseigenschaften des Kernes 1. Wenn daher die Spannung der Wechselstromversorgung 2 1 V beträgt und der Primärwicklung W&sub1; ein Erregerstrom IP zugeführt wird, beträgt die Ausgangsspannung ES der Sekundärwicklung W&sub2; 1 V, wenn RP 1 Ω , RC = 0 Ω und RZP = ∞ Ω betragen, und 0,2 V, wenn Rp = 1,2 Ω , RC = 0,8 Ω und RZP = 0,5 Ω betragen, was bedeutet, daß die Schwankung der Ausgangsspannung ES groß ist. Desweiteren bewirkt am Umfang einer gesättigten Magnetflußdichte des Kernes 1 ein örtlich bei einem Zyklus des Wechselstromes erzeugter außergewöhnlicher Strom eine spontane Reduktion im äquivalenten Wechselstromwiderstand RZP. Als Folge davon wird die Wellenform der an der Sekundärwicklung W&sub2; erzeugten Ausgangsspannung ES stark verzerrt. Diese große Schwankung und Verzerrung führt zur Erzeugung einer großen Schwankung und Verzerrung des Magnetflusses des Kernes 1, was im Hinblick auf das Erfordernis des Erhaltes eines definitiven Wechselstrommagnetflusses sehr nachteilig ist. Um daher die Ausgangsspannung ES konstant zu halten, wenn die Spannung der Wechselstromversorgung 1 verstellt wird, um die in der Sekundärwicklung W&sub2; erzeugte Spannung ES zu korrigieren, verbleibt die Verzerrung der Magnetflußwellenform, d. h. die Verzerrung der Ausgangsspannung ES, in dem in Figur 4 gezeigten Zustand und der Spitzenstromabschnitt des Erregerstromes IP wird gleichzeitig unterdrückt. Daher ist es unmöglich, eine korrekte Messung durchzuführen.
In Figur 5, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die bei einer Testvorrichtung für einen toroidischen Kern Anwendung findet, ist zu den Elementen der Figur 2 eine eine analoge negative Rückkopplungsschleife verkörpernde Schaltung zugefügt. Mit anderen Worten, die Elemente der Figur 2 sind durch einen Verstärker 5, einen Rückkopplungswiderstand 6 und eine Phaseneinstellschaltung 7, die durch einen Kondensator 71 und einen Widerstand 72 gebildet wird, ergänzt. Figur 6 zeigt einen äquivalenten Schaltplan der Vorrichtung der Figur 5.
Wenn keine negative Rückkopplungsschaltung vorhanden ist, ist der Verstärkungsfaktor F des Verstärkers 5 mit einer Ausgangsimpedanz von 0 = 100, und die Spannung der Wechselstromversorgung 2 beträgt 1 V x 1/100 = 0,01 V. Dann entspricht die Schaltung der Figur 5 im wesentlichen der der Figur 2. Wenn die Werte des äquivalenten Gleichstromwiderstandes RP, des äquivalenten Kontaktwiderstandes RC und des äquivalenten Wechselstromwiderstandes RZP die gleichen sind wie in Figur 3A, ändert sich auch die Ausgangsspannung E5 von 1 auf 0,2 V. Mit anderen Worten, wenn ein Gesamtverstärkungsfaktor A' durch das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung (= 0,01 V) der Wechselstromversorgung 2 und der Ausgangsspannung ES festgelegt wird, schwankt der Faktor A' um
A' = 100 20.
Als nächstes wird vom Vorhandensein der negativen Rückkopplungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgegangen. Hier wird das Rückkopplungsverhältnis F durch den Rückkopplungswiderstand 6 auf 0,99 gesetzt. Die Ausgangsspannung ES kann wiedergegeben werden durch
wobei E&sub1; die Ausgangsspannung der Wechselstromversorgung 2 ist und in diesem Falle 1 V beträgt. Daher beträgt das Maximum der Ausgangsspannung ES
= 1,00 V,
während das Minimum der Ausgangsspannung ES
= 0,96 V
beträgt.
Somit ist die Schwankung der Ausgangsspannung ES im Vergleich zu dem Fall der Figur 3A (Figur 3B) reduziert. Selbst wenn daher der Gleichstromwiderstand durch die Kontakte und die äquivalenten Wechselstrom- und Gleichstromwiderstände der Primärwicklung W&sub1; schwanken, ist keine wesentliche Einstellung der Eingangsspannung erforderlich, so daß die Verzerrung der Magnetflußwellenform im Kern 1, d. h. die Verzerrung der Ausgangsspannung ES, reduziert wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 5 zur Erhöhung des Rückkopplungsfaktors F erhöht wird, kann die Stabilität der Ausgangsspannung ES verbessert werden. Wenn jedoch der Rückkopplungsfaktor F erhöht wird, kann infolge der Leckwiderstände der Wicklungen ein Oszillationsphänomen auftreten. Ein derartiges Oszillationsphänomen kann durch Verstellung des Widerstandes 71 und/oder des Kondensators 72 der Phaseneinstellschaltung 7 in einem gewissen Ausmaß unterdrückt werden.
In der Schaltung der Figur 5, die eine analoge negative Rückkopplungsschaltung besitzt, kann eine genaue Messung für einen gerichteten Siliziumstahlkern mit einer Magnetflußdichte von etwa 17000 Gauss erhalten werden. Wenn ein extrem verzerrter Erregerstrom IP an die Primärwicklung W&sub1; gelegt und dadurch eine gesättigte Magnetflußdichte von etwa 18000 bis 20000 Gauss im Kern 1 erzeugt wird, müssen sowohl der Rückkopplungsfaktor F als auch der Verstärkungsfaktor A' erhöht werden, um eine besonders genaue und stabile Messung zu erhalten. In diesem Fall tritt jedoch immer ein Oszillationsphänomen auf. Mit anderen Worten, wenn der Verstärkungsfaktor A' größer ist als 1 und die Phasenverschiebung in der negativen Rückkopplungsschleife größer als 180º ist, können die Oszillationsbedingungen zufriedenstellend sein. Eine solche Phasenverschiebung wird üblicherweise durch die Kapazitätskomponente in der negativen Rückkopplungsschleife in einem relativ hohen Frequenzbereich erzeugt. Es ist schwierig, eine solche Phasenverschiebung durch die Phaseneinstellschaltung 7 vollständig einzuregeln. Es ist ferner schwierig, diese Phasenverschiebung einzustellen, wenn eine Induktanzkomponente aufgrund der Wicklungen und die Leckinduktanzen dazwischen der negativen Rückkopplungsschleife hinzugefügt werden.
Somit ist bei dem Kern 1 mit einer relativ hohen Magnetflußdichte selbst bei Verwendung einer analogen negativen Rückkopplungsschleife die Ausgangsspannung ES der Sekundärwicklung W&sub2; immer noch verzerrt und unstabil. Mit anderen Worten, in der Schaltung der Figur 5 wird nach dem Erreichen von zufriedenstellenden Oszillationsbedingungen in der analogen negativen Rückkopplungsschleife eine positive Rückkopplungssteuerung bei einer speziellen Frequenz von etwa 10 KHz bis 1 MHz durch Differentialrauschen o. ä. ausgelöst. Als Folge hiervon wird die Amplitude der an den Kern 1 gelegten Eingangsspannung rasch erhöht, wie in Figur 7 gezeigt.

Claims

1. Vorrichtung zum Testen eines Kernes (1) mit einer Primärwicklung (W&sub1;) und einer Sekundärwicklung (W&sub2;), an die Primärwicklung (W&sub1;) angeschlossenen Einrichtungen zum Anlegen eines Eingangsstromes (IP) für die Primärwicklung (W&sub1;) und an die Sekundärwicklung (W&sub2;) angeschlossenen Einrichtungen zum Detektieren einer in der Sekundärwicklung (W&sub2;) induzierten Ausgangsspannung (ES) sowie an die Einrichtungen zum Anlegen eines Eingangsstromes angeschlossenen negativen Rückkopplungseinrichtungen (5, 6, 7), die in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (ES) für die Primärwicklung (W&sub1;) eine negative Rückkopplung vorsehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung und Sekundärwicklung (W&sub1;, W&sub2;) zur Montage der Wicklungen (W&sub1;, W&sub2;) am zu testenden Kern (1) jeweils nur einen Verbindungsklemmenkontakt (CW&sub1;, CW&sub2;) pro Windung aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die Verbindungsklemmenkontakte (CW&sub1;, CW&sub2;) innerhalb einer vom Kern (1) gebildeten Öffnung befinden, wenn die Kontakte (CW&sub1;, CW&sub2;) an die sich um den Kern (1) erstreckenden Wicklungen (W&sub1;, W&sub2;) angeschlossen sind.

3. Vorichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die negativen Rückkopplungseinrichtungen (5, 6, 7) Einrichtungen zur Erzeugung einer Basissinuswellenspannung und Einrichtungen umfassen, die an die Erzeugungseinrichtungen für die Basissinuswellenspannung und die Ausgangsspannungsdetektionseinrichtungen angeschlossen sind, um eine Spannungsdifferenz zwischen der Basissinuswellenspannung und der Ausgangswellenspannung zu detektieren und auf diese Weise den Eingangsstrom an den Kern (1) zu legen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die negativen Rückkopplungseinrichtungen eine Phaseneinstellschaltung (7) umfassen, die zwischen die Ausgangsspannungsdetektionseinrichtungen und die Spannungsdifferenz der Detektionseinrichtungen geschaltet ist.