Elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung einer von einer Eingangswechselstromgrösse eindeutig abhängigen Ausgangswechselstromgrösse Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrichtung, die beispielsweise zur Spannungsstabilisierung, zur Regelung oder Kontrolle von elektrischen Vorgängen, zur Spannungs-, Strom- oder Frequenztra.nsformation, zur Fehlermeldung in Spannungskreisen, oder für magnetische Verstärker mit einen magnetischen Fluss er möglichenden Kernen verwendet werden kann.
Die Erfindung besteht in der Verwen dung und Kombination von ferromagne- tischen Materialien, welche verschiedene Kominutierungskurven besitzen. Die Ver- sehiedenartigkeit dieser Kurven und vorzugs weise die Lage ihres Kreuzungspunktes er möglichen die Festlegung eines Bezugspunk tes beim Betrieb derartiger Vorrichtungen.
.Ale selbsttätig wirkenden, selbstkorrigieren den Apparate benötigen einen Bezugspunkt von feststehendem Wert zum Vergleich der Nutzwerte mit. einem nominellen, gewählten Wert, so dass die sich ergebenden positiven oder negativen Abweichungen. für die er wünschte selbsttätige Ausgleichung des Feh leis benützt werden können.
Die bis heute bekannten Apparate für ähnliche Zwecke erzeugen ihre Ausgangslei stung durch eine Kombination von gesättigten und ungesättigten Kernelementen aus dein gleichen Material, die entweder einen Luft- spalt in dem ungesättigten Kern oder we sentlich verschiedene Windungszahlen auf weisen, oder bei denen die Kerne wesentlich verschieden dimensioniert sind. Infolge die ser Verschiedenheiten kommen derartige Kon struktionen verhältnismässig teuer zu stehen und sind auch vom Gesichtspunkt der magne tischen und elektrischen Ausgangsleistung aus gesehen weniger vorteilhaft.
Natürlicher weise besitzen diese bekannten Konstruktio- nen, welche immer dasselbe Kernmaterial be nützen, keine sich kreuzenden umgleichen charakteristischen B-II-Kurven, da ein ge wisses Material nur eine einzige B -H-Kurve besitzt, welche sich selbst nicht. kreuzen kann.
Von diesen bekannten Vorrichtungen unterscheidet sieh die erfindungsgemässe Vor richtung nun dadurch, dass sie durch minde stens einen 'Magnetkreis, der Kernteile mit .in ihrem vorbestimmten Arbeitsbereich verschie den verlaufenden Kommutierungskurven auf weist.
In der Zeichnung sind Ausführungsfor men des Erfindungsgegenstandes beispiels weise dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 die sogenannte Kommutierungs- kurve, welche die Endpunkte der verschie denen Hysteresisschleifen verbindet, Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 das elektrische Analogieschema des magnetischen Flusskreises von Fig. 2, Fig. 4 bis 7, 9 und 11 weitere Ausfüh rungsformen.
Die Kurven a. und b der Fig. 1 stellen die sogenannten Kommutierungskurven dar, wobei die Amplituden von B in Funktion der Amplituden von H dargestellt sind. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Einfluss der Kernverluste vernachlässigt, da die Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele auf diese vereinfachte Weise besser erklärt werden kann. Zum Beispiel kann eine Bezugs grösse, welche der Schnittpunkt zweier Kur ven darstellt, angenommen werden.
Für den entsprechenden _VTert der Erregung H sind zwar die Amplituden der Induktion B gleich, jedoch wird der zeitliche Flussverlauf für die beiden :Materialien verschieden sein, so da.ss sieh die Flüsse nicht weiter kompensieren kön nen.
Aus Fig. 1 geht hervor, dass bei einer ma,-netisehen Intensität Ho, Ba <I>=</I> Bb, und ,ua, <I>=</I> yb ist. Daher ist bei Ho der magnetische Widerstand der beiden Kernmaterialien Gleich, also: Ra = Rb, wobei der Einfachheit. halber Kerne gleicher Abmessungen voraus gesetzt sind.
Dagegen ist bei einer magne tischen Intensität von H', welche kleiner ist als Ho, Ba <I> < </I> Bb, ,u, <I> < </I> ,ub und Ra > Rb und bei einer magnetischen Intensität H", grösser als H., ist Ba > Bb, ,ua <I>></I> ,ub und R., < Rb. Dementsprechend besteht.
bei H' eine Fluss- dichtedifferenz dB' <I>=</I> Ba <I>-</I> Bb und bei<I>H"</I> besteht eine Plussdiehtedifferenz dB" <I>=</I> Ba <I>-</I> B,, und da Ba kleiner ist als Bb bei H' und grösser als Bb bei H", wird dB' eine nega tive Grösse, während dB" eine positive Grösse ist.
Wenn also Kerne verschiedener tl;lateria- Iien a und b verwendet werden, so ergibt sich ein fester Bezugspunkt 0 der beiden Intensitätskurven a., <I>b</I> und jegliche Abwei- ehuna davon sowie auch die Richtung dieser Abweichung wird sofort wahrgenommen als Differenz der Flussdichte, der Permeabilität und des Widerstandes.
Fig. 1 zeigt auch Kur ven (a+b) und (b-a) als Fhisssummen und Flussdifferenzen, welche unterhalb des Schnittpunktes 0 zu Stahilisierungsz-,veeken verwendet werden können, wobei eine weit gehend stabilisierte Flussdifferenz d (.b-a-) als Ausgangsnutzleistung z. B. sekundäre Nutzspannung, auftritt, während die Ein gangsspannung entsprechend der Flusssumme sich beträchtlich ändern kann.
Es versteht sich auch, dass beim Arbeiten über den linea ren Teilen der Kernmaterialkurven hinaus verhältnismässig starke harmonische Oberwel len erregt werden, welche entweder als un erwünscht unterdrückt, oder aber, wenn es sich um einen Frequenztransformator han delt., verstärkt werden können.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird ein Kern 1 aus a--Material und ein Kern 2 aus b-Material verwendet, wobei diese Kernmaterialien Kommutierungskur- "en be sitzen, wie sie in FiG. 1 dargestellt sind und wobei die beiden Kerne die gleichen Abmes sungen aufweisen. An die Eingangsspannung <I>E </I> AE werden über die Klemmen<I>C, D</I> die je gleichviel Windungen aufweisenden Kernwicklungen 3 und 4 angeschlossen.
Ein gemeinsamer Kernteil 5. welcher zwischen den Stellen @i und F an-eordnet ist, stellt den mittleren Schenkel des Magnetkreises dar und dient, wie naelistehend noch erläutert, wird, zur Feststellung der Flu.ssdifferenz.
Angenommen, im Kern 1 herrsche ein Fluss 0a, und im Kern 2 ein Fluss Ob. So lange die magnetische Feldstärke in den Ker nen 1 und 2 gleich Ho ist., ist ha <I>=</I> eb, so dass im Kern 5 praktisch kein resultierender Fluss vorhanden ist. Sobald jedoch die Span nung E um 4E variiert, ändert sieh die magnetmotorische Kraft der beiden Kerne 1 und 2 entsprechend, wobei im Kern 5 der ent sprechende DifferenzfIuss 0@ (Pb auftritt.
Als Beweis hierfür wird auf das elektri sche Analogieschema des Magmetkreises der Fig. 2 verwiesen, welcher Stromkreis in Fig. 3 dargestellt ist. Aus Fing. 3 geht hervor, dass dort keine Potentialdifferenz zwischen den Punkten<I>X</I> und<I>Y</I> besteht, solange die Wider stände Ra und Rb einander gleich sind, wo bei jegliche Änderung des Widerstandes, ent sprechend Ra, > < Rb, zwischen X und Y eine entsprechende Potentialdifferenz ergibt.
Dasselbe gilt für Fluss- und magnetische Po tentialdifferenz im Magnetkreis der Fig. 2.
Der im Kern 5 auftretende Differenzfluss kann dazu benützt werden, um beispielsweise eine Fehlermeldevorrichtung zu erstellen. Jegliehe BE-Variation wirkt sich aus in einer Flussdifferenz 4OZy, welche durch den Kern .5 hindurchgeht, und dieser Fluss dfh", erzeugt in der Ausgangswicklung 6 eine Spannung, entsprechend <B><I>JE.</I></B> Diese Span nung ist messbar und steht zu jedeirt ge- wünsehten Zweck zur Verfügung. So kann z.
B. diese Spannung an die Klemmen 11T-iV (Fug,. \?) abgegeben werden, um die Span- nu,ngsa.bweiehung 4E zu kompensieren, wo bei die Vorriehtung als Spannungsregler für die Leistungspannung E 0 an den Klem- tnen EF wirkt.
Während die vorstehende Beschreibung sieh auf eine symmetrische Anordnung des maanetisehen und des elektrischen Teils be zieht, versteht es sieh, dass Unterschiede in den Kernabmessungen und den Magnetisie- mingskurven ausgeglichen werden können durch entsprechende Änderung der Anzahl der Kernwindungen, so dass die Leistungskurven der e-ntsprechendenelektromagnetischen Irreise am gewünschten Punkte miteinander zum Schnitt, kommen.
Es können auch andere Kerntypen, wie z. B. aus Bandmaterial spiralförmig gewun dene Kerne, oder Kerne aus gesintertem Eisenpulver in beliebigen Kombinationen ver wendet werden, bei denen die Ungleichheit der Kurven ihrer Magnetisierungscha.rakte- ristik den Forderungen nach der Lage des Schnittpunktes genügen.
So zeigen Fig. 4 und 5 schematisch Dop- pelma,netkreise, welche aus üblichen Magnet- kernpresslingen gebildet sind. Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung unter Verwendung zweier Speise- wieklungen 7 und 8 und einer gemeinsamen Ausgangswicklung 9, während Fig. 5 eine Vorrichtung mit. getrennten Speisewicklungen 10 und 11 und in Reihe geschalteten Aus- gangswieklungen 12 und 13 zeigt.
Bei jeder dieser Anordnungen ist. das Prinzip der Wir- kung dasselbe wie dasjenige, welches vor stehend beschrieben wurde, und diese magne tischen Kreise können in jeder der vorer wähnten Vorrichtungen verwendet werden.
Die gezeichneten Anordnungen der Wick lungen und Kerne können auch als Frequenz multiplikatoren verwendet werden.
Fig. 6 zeigt einen dreischenkligen Ma gnetkreis mit einer gemeinsamen Speisewick lung 14 und parallel geschalteten Ausgangs- wicklungen 15 und 16, wobei an den Punkten <I>m</I> und<I>n</I> eine Spannungsdifferenz -1- 4E auf tritt. Auch hier bleibt das Arbeitsprinzip dasselbe.
Der einfache magnetische greis nach Fig. 7 und 9 besteht aus zwei in Reihe ge schalteten -Winkelschenkeln aus ungleichem Material a und b. Der Magnetkreis nach Fig. 7 weist in Reihe geschaltete Speisewick lungen 17 und 18 auf, um Speisestrom als die unabhängige Variable zu, benützen, wie durch die Flusskurven in Fig. 8 dargestellt, wobei eine entsprechende Differenzspannung an der Wicklung 19 auftritt.
Nach Fig. 9 sind die Speisewicklungen 17 und 18 parallel geschaltet, so dass die Span nung die umabhängige Variable darstellt, wie durch,die Flusskurven in Fig. 10 dargestellt. Bei diesem Beispiel wird das Fehler- Signal <I> </I> 4E über die Punkte<I>k</I> und l -Lind von den beiden identischen Brückenarmen Zk abge nommen.
Fig. 11 zeigt einen üblichen Transforma tor, welcher mit einer Speisespannung von EP, <B>JE</B> und einer Austrittsspannung von E$ 0 arbeitet und mit einer Primärwick lung 20 und einer Sekundärwicklung 21 ver sehen ist. Durch die Wicklungen 22 wird in diesem Beispiel eine den Fehler kompensie rende Spannung in den Sekundärkreis 21 ein geführt..
Wie aus Fig,. 11 ersichtlich, ist <B><I>JE</I></B> in der Primärwicklung vorhanden, der Span nungsfehler wird aber in der Sekundärwick- liung 21 sowie in der Wicklung 22 korrigiert.
Ein Kondensator 23 kann über die Wick lung 8 der Fig. 4 zwecks Verbesserung der Wellenform oder der Phasenbeziehung an geschlossen werden. So kann auch .ein Gleich- ricliterelement 24 in die Fehleriueldeleitung der Fig. 5 zwecks Erleichterung der Verwen dung der Steuergrösse 4E eingeschaltet werden. Damit ist auch eine Verbesserung in Vorrichtungen vom Typ der magnetischen Verstärker möglich.
Trotzdem die symme trische Anordnung von Kern- und Wicklungs- elementen, wie sie aus den erläuterten Bei spielen ersichtlich ist, wegen verschiedener Fabrikationsvorteile vorgezogen wird, ist diese Forderung für die Wirkungsweise nicht we sentlich. Daher können Anordnungen gewählt werden, bei welchen die Kern- und die Wick lungselemente ungleich dimensioniert. und un. symmetrisch angeordnet sind.
Die Erfindung ermöglicht es, eine Span- nungsfehlermeldevorriehtung zu seha.ffen, welche keinerlei Sondermaterialien benötigt, sondern bei welcher bekannte verschieden artige Magnetkernma.terialien mit. normalen, einander schneidenden Kommutiertingskurveu und Kerntypen üblicher Art verwendet wer den können.
Im Falle der Anwendung der zweiten Wir kungsweise, wobei der Arbeitspunkt etwa im Maximum der (b - a) -Kurve (Fig. 1) liegt, wird der weitgehend stabilisierte Differenz fluss direkt als Ausgangsleistung verwendet. Mit den in den verschiedenen Figuren be- sehriebenen Vorrichtungen kann der Arbeits bereich so gewählt werden, dass der resultie rende Differenzfluss bei einer bedeutenden Variation der Eingangsspannung praktisch konstant bleibt.
Bei diesen Verhältnissen stellt die Bezeichnung 4E in den verschiedenen Figuren nicht eine ,etwaige Abweichung von einem nominellen Wert, sondern den vollen stabilisierten Nutzeffekt dar, mit der Aus nahme der Fig. 2, in welchem Falle die Nutz- oder Ausgangsleistung zwischen den Ausgangspunkt !1T und<I>N</I> anstatt zwischen E und F abzunehmen wäre.
Es folgt. aus Fig. 1, dass für diese zweite Wirkungsweise auf einem Schnittpunkt der charakteristischen B -H-Kurven innerhalb des Arbeitsbereiches verzichtet werden kann, solange die gewünschte stabilisierte Differenz kurve b--a- durch einen parallelen Verlauf der a- und b-Kurven in diesem Bereich er zielt werden kann.. In diesem Falle spielt daher der Schnittpunkt der Kurven keine wesentliche Rolle. Dadurch kann man auf die Verwendung von Nirkeleisenlegierungen ver zichten und die bedeutend billigeren Kombi nationen, z.
B. gewöhnliehe Transformatoren bleche mit. sogenannten kornorientierten Ble chen, welch letztere bedeutend billiger als Nickel-Eisen sind, kombinieren. Hiedurch kann auch die Notwendigkeit der höheren Anfangspernreabilitä.t einer der Materialien unberücksichtigt gelassen werden.