NO115672B - - Google Patents

Description

Overtonefilter.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et

overtonefilter som omfatter en kondensator og

en transformator med en primærvikling og en

sekundærvikling for i en av en vekselstrømskilde

matet belastningskrets å tilveiebringe en overtonefri sinusformet vekselspenning, hvor transformatorens sekundærvikling i serie med kondensatoren er beregnet på å tilkobles klemmene

på vekselstrømskilden.

Et ytterligere formål med den foreliggende

oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning som

gir en utgangsspenning som foruten å være sinusformet, også er konstant, uavhengig av be-grensede variasjoner i den påtrykte spenningen

og uavhengig av variasjoner i belastningsimpe-dansen.

Innenfor elektronikken anvendes i stadig

større utstrekning kretser som for å funksjonere

på tilsiktet måte, krever matning med konstant

spenning. En mengde konstantspenningsanord-

ninger er blitt utviklet, men disse har som regel den ulempe at de gir opphav til sterke overtoner som kan virke forstyrrende på det elektroniske utstyrs funksjoner og på levetiden av visse av de komponenter som inngår i utstyret.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse elimi-neres denne ulempe ved at transformatorens primærvikling er direkte tilkoblet vekselstrømskil-dens klemmer, idet transformatorens kjerne er forsynt med magnetiske shunter på en slik måte at en del av primærviklingens magnetiske fluks avledes uten å passere gjennom sekundærviklingen, samtidig som de respektive fluksers magnetkretser har høy reluktans ved at det er innlagt umagnetiske gap i magnetkretsene.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor samme henvls-mngsnummer angir samme detalj og hvor: Fig. la er en prinsippskisse som viser så vel korreks jonstransf orma torens tilkobling til strømkilden og belastningen som transformator-kjernens oppbyggning. Fig. lb er prinsipielt lik la med unntagelse av at for oppfinnelsens beskrivelse er nødven-dige størrelser innført. Fig. lc viser det ekvivalente skjema for transformatorens magnetkrets, i hvilket er inn-ført de størrelser som hører til magnetkretsen.

I fig. la betegner 10 en vekselstrømskilde som avgir en ikke sinusformet vekselstrøm til en belastningskrets 11. Det er viktig å legge merke til at 10 er en vekselstrømskilde og ikke en veksel-spenningskilde. Dette innenærer at strømmen fra strømkildens klemmer inneholder en hel del overtoner, mens spenningen over klemmene, som er den samme som spenningen over belastningskretsen 11, kan justeres med hensyn til innhol-det av overtoner ved den med strømkilden pa-rallellkoblete krets 10a.

Som det fremgår av fig. la, inneholder kret-sen 10a en transformator 12 med primærvikMng 13 og sekundærvikling 14 viklet på kjernen 15, hvilken kjerne består av en E-formet lamellert del 16 og en avlang, likeledes lamellert del 17 samt fra den E-formete delens midtben perpen-dikulært fra dette fremragende lamellerte kjer-nedeler 18 og 19. Delene 18 og 19, som er anbrakt mellom primær- og sekundærviiklingene danner magnetiske shunter og størrelsen av reluktansen i shuntkretsene bestemmes av de umagnetiske gap 20 og 21 mellom kjernedelene og respektive motstående ytterben.

Reluktansen i den del av magnetkretsen, som passerer sekundærvikllngen bestemmes av gap-

ene 22 mellom kjernedelene 16 og 17. Primærviklingen 13 er direkte tilkoblet strømkildens 10 klemmer,, mens sekundærvikllngen er koblet til disse over en kondensator 23.

Anordningen ifølge oppfinnelsen virker på følgende måte. En del av den ikke sinus-formete vekselstrøm, som leveres av strømkilden 10 vil flyte gjennom kondensatoren 23 og foranledige en ikke sinusformet spenning over denne. Dette kan vises matematisk på følgende måte: Anta at icer den del av den innsvingte strøm fra strøm-kilden som passerer kondensatoren 23. Da i(. ved uforandrete betingelser er periodisk kan den representeres matematisk med en Fourier-rekke.

ic= A,cos (2jt ft+Ø^-i-A^os (4it ft+09) + A.,cos

(6jt ft+03) + ... +Ancos (n2 jt ft+0„)"+ ...' (1)

1 hvilket uttrykk Ajer grunntonens amplityde,

A, den annen overtones amplityde, A3tredje overtones amplityde og An amplityden for n'te overtonen; @v 02, ©3og Øn er fasevinklene for henholdsvis grunntonen, andre, tredje og n'te overtone i kondensatorstrømmen (med hensyn til kondensatorstrømmens bølgeform), f er fre-kvensen og t er tiden.

Det er ålment kjent at forholdet mellom spenningen over en kondensator og kondensator-strømmen kan uttrykkes med ligningen:

1rt

vc = —- i(.dt, i hvilken vc er den innsvingte c J o spenning over kondensatoren og c kondensatorens kapasitet. Innsettes ligning (1) i uttrykket for vcfåes:

hvorved ikke finnes noen likespenningskompo-nent i kondensatorspenningen i innsvinge* til-stand.

Ligning (2) viser at kondensatorspenningen ikke er sinusformet hvis kondensatorstrømmen ikke er sinusformet.

Kondensatorens 23 kapasitans, antall vik-lingsvindinger i primærviklingen 13 og sekundærvikllngen 14, reluktansen i den magnetiske shuntkrets omfattende kjernedelene 18 og 19 samt gapene 20 og 21, og reluktansen i den res-terende magnetkrets, som omfatter den avlange kjernedelen 17 og gapene 22, er gitt sådanne ver-dier, at spenningen over sekundærvikllngen 14 er stort sett proporsjonal med den annen deriverte av spenningen over kondensatoren 23. Spenningen over viklingen 14 inneholder samme overtoner som spenningen over kondensatoren 23, men disse er forsterket og ligger i mot-'fase i forhold til tilsvarende overtoner i kondensatorspenningen. Dette kan Vises matematisk:

La vI4være spenningen over viklingen 14 og an-ta derpå at v]4er proporsjonal med den annen deriverte av spenningen over kondensatoren 23, hvilken antagelse skal verifiseres i det følgende. Dette gir ligningen: i hvilken a er en positiv proporsjonalitetskon-stant og vcer kondensatorspenningen ifølge ligning (2). Innsettes ligning (2) i ligning (3) fåes:

En sammenligning'mellom ligningene (2)bg (4) viser at v14ikke er sinusformet, men inneholder samme overtoner som vc. Videre er overtonene i v14 fasedrelet 180° i forhold til tilsvarende overtoner i vcog amplityden av den n'te overtonen i v14er forsterket med faktoren n<2>4jt<2>f<2>sammenlignet med tilsvarende overtone i vc.

I fig. la er spenningen over belastningskretsen lik summen av spenningene over kondensatoren 23 og sekundærviklingen 14. På grunn av motfasen ogøkningen av overtonene i spenningen over viklingen 14, kan overtonespenningene i vcog v14ved regulering av a ifølge oppfinnelsen bringes til stort sett å utligne hverandre uten at grunntonen i utgangsspenningen reduseres i nevneverdig grad. Dette innebærer med andre ord at spenningen over belastningskretsen 11 kan gjøres praktisk talt sinusformet ved grunn-frekvensen, hvilket Vises matematisk i det følg-

ende: Om vner den innsvingte spenning over belastningskretsen 11, så er:

Innsettes i ligningen uttrykket for vcifølge ligningen (2) og uttrykket for v14ifølge ligningen (4) fåes:

Ligning (6) viser at ved riktig valg av a kan man i vesentlig grad redusere størrelsen av de dominerende overtoner, som opptrer over hele belastningskretsen. Det skal påpekes at ligning (6) har sin største nøyaktighet ved de første to eller tre overtoner, på grunn av at v14aldri er nøyaktig lik den annen deriverte av vc, samtidig som visse ikke lineære effekter påvirker a, spe-sielt ved høye frekvenskomponenter. Da imidler-tid de første to eller tre overtoner er de dominerende, er ligning (6) verdifull, ved at den viser virkningen ifølge oppfinnelsen på disse overto-ners størrelse.

En matematisk analyse av skjemaet ifølge fig. la, viser klarere utgangsspenningens funk-sjonelle avhengighet av kondensatorspenningen. I skjemaet ifølge fig. lb, som stemmer overens med det ifølge fig. la, er innført de symboler som er nødvendige for å identifisere de elektriske og magnetiske størrelser. Fig. Ic viser det ekvivalente skjema for den magnetiske krets i fig. la.

De i fig. lb og lc anvendte betegnelser har følgende definisjoner: i — den momentane strøm fra strømkilden 113 — den momentane strøm gjennom vikling 13 114 — den momentane strøm gjennom vikling 14 N13— antall vindinger i vikling 13

N14antall vindinger i vikling 14

R2l) — reluktansen i luftgapet 20

R22 — reluktansen i midtluftgapet 22 pluss en av sidegapene 22

c — kapasitansen i kondensatoren 23

vcmomentanspenningen over kondensatoren 23

vnmomentanspenningen over belastningen 11

v,,, momentanspenningen over vikling 13

v]4— momentanspenningen over vikling 14

0, — den momentane-'magnetiske fluks gjennom vikling 13

02— den momentane^magnetiske fluks gjennom shuntene 18 og 19

0;) — den momentane magnetiske fluks gjennom Vikling 14.

Følgende antagelser er gjort:

1) Alle kretsmotstander er sett bort fra.

2) Transformatoren 12 er magnetiskt syrnetrisk omkring en vertikal symmetrildnje, slik at re-luktansene av de symmetriskt anbrakte luft-gap er like store. 3) Reluktansen i transformatorens 12 kjernede-ler er liten i sammenligning med reluktansen i luftgapene 20, 21 og 22.

Følgende ligninger kan da oppstilles for kret-sene i fig. lb og lc:

Kombineres ligningene (7) til (13) fåes følg-ende utrykk for utgangsspenningen:

Ligning (14) viser at spenningen over belastningskretsen 11 er en lineær kombinasjon av spenningen over kondensator 23 og den annen deriverte av samme spenning. Hvis transforma-toren 12 videre er utført således at N14R20« N^R^ kan ligning (14) skrives: sammenligning av ligningene (15) og (7) viser at Sammenlignes ligning (16) med ligning (3) verifiseres antagelsen da man kan sette

Med hensyn til nøyaktigheten av ligning (16)

gjelder i likhet med hva som tidligere er anført

i forbindelse med ligning (6), nemlig at den er

størst for de første to eller tre overtoner, og da

disse er dominerende er analysen på det nær-meste korrekt. For øvrig kan amplityden av de

høyere overtoner i sekundærspenningen v14re-guleres ved passende dimensjonering av transformatorens primærvikling 13, shuntkretsene 18

og 19 med luftgapene 20 og 21.

Claims (3)

1. Overtonefilter omfattende en kondensator og en transformator med en primærvikling

og en sekundærvikling for i en av en veksel-strømskilde matet belastningskrets å tilveiebringe en overtonefri sinusformet vekselspenning, hvor transformatorens sekundærvikling i serie med kondensatoren er beregnet på å tilkobles klemmene på vekselstrømskilden, karakteri sert ved at transformatorens primærvikling er direkte tilkoblet vekselstrøinkildens klemmer, idet transformatorens kjerne er forsynt med magnetiske shunter på en sådan måte at en del av prlmærviklingens magnetiske fluks avledes uten å passere gjennom sékundærviklingen, samtidig som de respektive fluksers magnetkretser har høy reluktans ved at det er innlagt umagnetiske gap i magnetkretsene.

2. Overtonefilter som angitt i krav 1, i hvilket kapasitansverdien for nevnte kondensator, antall vindinger i primær- og sekundærviklin-gene og reluktansen i magnetkretsens begge gre-ner er sådan at spenningen, som oppstår over transformatorens sekundærvikling er proporsjonal med den annen deriverte av spenningen over kondensatoren, hvorved de overtonespenninger som oppstår i sekundærvikllngen, stort sett sluk-ker overtonespenningene i kondensatoren.

3. Overtonefilter som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat det har en E-formet lamellert kjerne på hvis midtben i tverr-retning mot dettes akse fremragende deler er anbragt, hvilke danner magnetiske gap med kjernens ytre ben for avledning av en del av primærviklingens fluks som ikke passerer gjennom sekundærvikllngen, idet den annen magnetiske krets, som leder fluksens igjenværende del gjennom sékundærviklingen, omfatter en separat av lameller bestående avlang kjernedel på avstand fra den E-f ormede kjernens ender.