DE801160C - Nach dem Transformatorprinzip arbeitende Anordnung zur Umformung von Wechselstrom inpulsierenden Gleichstrom - Google Patents

Description

• Nach dem Transformatorprinzip arbeitende Anordnung zur Umformung von Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom Gegenstand der Erfindung ist eine nach dem 7'ransforrnatorprinzip arbeitende Anordnung, die die Umwandlung von Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom und die Tra»sformation von Gleich-und Wechselstrom erin<iglicht und überall da mit Vorteil ange,#vendet «-erden kann, wo das Traiisformatorprinzip in der Technik Anwendung findet, also z. B. in Motoren, Generatoren und Transformatoren. Das Wesentliche der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß sie, gegebenenfalls zusätzlich mittels Erregung durch die Nutzspannung, in einer Frequenz erregt wird, die größer als die Frequenz der Nutzspannung ist, und daß die die Nutzspannung führende Wicklung im Rhythmus der Erregerfrequenz so kurzgeschlossen und geöffnet wird, daß in ihr keine Spannungsspitzen hervorgerufen werden, die der jeweiligen Richtung der Nutzspannung entgegengerichtet sind. Es sind die Nutzwicklung, d. 1i. die die pulsierende Gleichspannung liefernde Wicklung, bzw. die Transformatorwicklungen, auf einem Steg eines mehrstegigen Transformatorkernes angeordnet und auf einem oder zwei weiteren Stegen die Erregerwicklung angebracht, die vorzugsweise aus zwei in Serie liegenden Spulen verschiedener Windungszahl besteht, die in dem die Nutzwicklung tragenden Steg entgegengesetzt gerichtete Kraftlinienflüsse erzeugen. Auf dem Steg der Nutzwicklungen ist ferner eine weitere Wicklung, die Schaltwicklung, vorgesehen, die itn Rhythmus des Erregerstromes so geöffnet und kurzgeschlossen wird, daß in den Nutzwicklungen keine Spannungsspitzen hervorgerufen werden, die der jeweiligen Richtung der Nutzspannung entgegengesetzt gerichtet sind. Statt auf induktivem Wege kann aber der Kurzschluß der Nutzwicklung auch direkt bewirkt werden, wobei dann die besondere Schaltwirkung fortfällt.
• j .,lufbatt und Wirkungsweise der erfindungsmäßigen Anordnung werden an Hand der Abbildungen beschrieben, die sich auf ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung beziehen, (las der Erzeugung pulsierenden Gleichstromes aus "'ecliselstrom und der Transformation von Gleichstrom dient.
• Die Abb. i zeigt den prinzipiellen Aufbau. Auf einem Transformatorkern K mit drei (oder mehr) Stegen gleicher oder verschiedener Preite liegen auf zwei Stegen die beiden Erregerwicklungen i und 2. Diese beiden Wicklungen sind so angeordnet, daß sie in dem dritten Steg entgegengesetzt gerichtete Kraftlinienflüsse erzeugen. Ihre Windungszahl ist verschieden, und es werden sich daher ihre Kraftlinienflüsse in dem dritten Steg nicht aufheben, son-(lern resultierendenKraftlinienfluß ergeben. Der erregende Strom wird den beiden in Serie liegenden Spulen über die Klemmen a und b zugeführt. Der dritte Steg trägt die beiden Transforrnatorwicklungen 3 und .L, die ein beliebiges übersetzungsverhältnis aufweisen können mit ihren Anschluß-# leninieii c und d bzw. e und f. Für die folgenden ietrachtungen soll dieses Übersetzungsverhältnis aber zunächst mit i : i also beide Säulen unter Vernachlässigung der Verluste mit der gleichen Windungszahl angenommen werden. Auf dem gleichen Schenkel liegt noch eine dritte Wicklung beliebiger M'indungszahl, die durch einen Schalter S kurzgeschlossen werden kann. Es ist grundsätzlich gleich, welche der Stege mit den einzelnen Wicklungen belegt werden. Es könnten also z. 13. auch die beiden Erregerwicklungen auf den beiden äußeren Stegen und die M'icklungen 3, :I und 5 auf dem mittleren Steg angeordnet sein. Auch besteht die Möglichkeit, statt eines geschlossenen Kernes deren zwei zu verwenden, wobei jeder Kern mit einer der Erregerwicklungen versehen wird und die Nutzwicklungen wie die Schaltwicklung unter entsprechender Hintereinanderschaltung der Teilspulen auf beide Kerne verteilt werden.
• Legt man nun an die Klemmen a und b eine \G'ecliselsl>annung, so wird bei geschlossenem Schalter S', also bei kurzgeschlossener Spule 5, an den Wicklungen 3 und :1. keine Spannung auftreten, wohl aber bei geöffnetem Schalter S. Diese Spannung ist eine @,#'echselspannung. Wird nun der Schalter S beim Nulldurchgang des resultierenden Kraftlinienflusses 4 (A in Abb.2) geöffnet und beim Nulldurchgang der erregenden Spannung U (ß in .l1bb. 2) geschlossen, so tritt an den Spulen 3 und :L eine Spannung auf, die ihre Polung nicht wechselt. (Abb. 2a.) blan erhält auf diese Weise einen pulsierenden Gleichstrom, dessen einzelne Itnpulse aber nur eine Viertelwellenlänge der erregenden Spannung umfassen. Man hat also eine Anordnung zur Erzeugung von pulsierendem Gleichstrom aus Wechselstrom ohne Verwendung eines gleichrichtenden Elementes. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Anordnung noch verhältnismäßig gering.
• Eine Verschiebung des Öffnungszeitpunktes würde zur Folge haben, daß im Augenblick des Öffnens eine Spannungsspitze entsteht, deren Richtung der des Kraftlinienflusses entspricht. Diese Spannungsspitze, die bei einer Vergrößerung des zeitlichen Abstandes zwischen Öffnen und Schließen des Schalters S dem erzeugten Gleichspannungsimpuls entgegengesetzt gerichtet ist (Abb. 21», kann dadurch vermieden werden, daß man den Schalter S kapazitiv überbrückt oder einer oder beiden Erregerwicklungen einen Widerstand beliebiger Art, z.13. eine Kapazität, eine Selbstinduktion oder einen Ohmscheu Widerstand, parallel legt. Als besonders günstig hat sich die`'erwendung vonWiderständen mit einem Gleichrichtereffekt, z. B. einer Diode, erwiesen. Bei Anwendung eines solchen Widerstandes läßt sich der Öffnungszeitpunkt des Schalters S bis auf den vorhergehenden Nulldurchgang der Erregerspannung verschieben (C in Abb. 2). Die Öffnung des Schalters S erfolgt also bei dem einen, C, und die Schließung bei dem darauf folgenden Nulldurchgang der Erregerspannung B. Der Gleichspatinungsimpuls erstreckt sich dann über eine halbe Wellenlänge der Erregerspannung. Für die Öffnung des Schalters kann an sich auch ein zwischen den Nulldurchgängen von Spannung und Kraftlinienfluß C und A liegender Zeitpunkt benutzt werden, wobei darin aber die Länge des Gleichspannungsimpulses kleiner als eine halbe Wellenlänge wird.
• Eine weitere Wirkungsverbesserung kann durch gleichzeitige Verwendung mehrerer Anordnungen nach Abb.i bei Benutzung eines zwei- oder mehrphasigen Drehstromes zur Erregung erzielt werden. Wie in Abb. 3 dargestellt, werden in diesem Falle die Primärwicklungen 3, 3', 3" sowie die Sekundärwicklungen ,4, :L', d" der Einzelanordnungen i, 2, i', 2', i", 2" der einzelnen Anordnungen von je einer Phase gespeist werden. Auch muß für jede Einzelanordnung eine besondere Schaltwicklung 5, 5', 5" mit Schalter S, S', S" vorgesehen sein. Die von den einzelnen Phasen erzeugten Gleichspannungsimpulse überlagern sich darin, wie im unteren Teil der Abb..I für einen dreiphasigen Drehstrom gezeigt. Der obere Teil der Abb. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der drei Phasen P,, I':2, P3. llan erkennt, daß die Gleichspannung hier zu keinem Zeitpunkt mehr den Wert 1\'u11 erreicht. Man erhält also eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselstromspannung.
• Alle diese Anordnungen können also zur Erzeugung pulsierenden Gleichstromes verwendet werden mit mehr oder weniger hohem Wirkungsgrad. Der Gleichstrom wird dabei entweder der Primärwicklung an den Klemmen c und d (Abb. i und 3) oder der Sekundärwicklung an den Klemmen e und f entnommen. Es genügt auch für die Entnahme des Gleichstromes das Vorhandensein nur einer der Eieiden TransformatorNvicklungen.
• Die beschriebenen Anordnungen können auch zur Transformation von Gleichstrom Verwendung finden. Eine solche Anordnung ist in Abb.5 dargestellt. A bezeichnet eine der vorbeschriebenen :@nordnungen, wie sie z. 13. in der Abb. 3 dargestellt ist. An den Klemmenpaaren c, d und e, f tritt dann die gleiche pulsierende Gleichspannung auf. Legt man nun an die Klemmen c, d eine Gleichspannung Ei, die kleiner ist als der Spitzenwert der erzeugten

  pulsierenden Gleichspannung, mit der gleichen l'o-

  lung wie diese an, sog \@.-ird diese bis auf deti \\-ert

  der Glianin;ng Ist zt::an;mcitsinl;en. In gleicher

  Weise ;iiidert sich die Spannung E, an den Klein

  men c#, ( der @ehu.tid@ir@@: icklnng. I)ie pulsierende

  Gleichspannung erfahrt dadurch eine weitere I3e-

  ruhigung, die sich s@@r<tr hui \'ci-weticlttng von ZeNei-

  phasensti-otn in Bitter _\usfiilhing der zwischen den

  beiden Ilalltwellett licgencien Nullstelle bemerkbar

  macht. Das _\ttlecu der Wichspannung bewirkt

  auch die L`nterdriickting fle r unerwünschten Sp<.n-

  nungssl#itze (_\lßli. ltl uiul macht <alter die 1'amllel-

  schaltunt;- eine: \\'i<lerstaitdes zu den I?rr@g@nv@ck-

  lungen ülwrHiissig. Man wird diesen aber, um in der

  vollständigen 1 tnerdrncknng der Spannungsspitze

  sicherzugehen, vorteilhaft beibehalten. Wird nun

  die @el:unclürwiclclun:; durch einen Verbraucher I -

  belasWL so) AM (lie Spannung an der Sel;undär-

  tvicklung zum Teil zttaittitnet;l»-erhen. Das gleiche

  geschicitt niit der Spannung an der 1'htnärwickltuy

  Infolgedessen wird voti der Spannungsduelle I?,

  nunmehr ein Stroh in die 1'riniänl-icklung flief)en,

  der so weit ansteigt, dafi <leg primär- und sekundär-

  seitige Leistungsverbrauch wieder im Gleichgewicht

  sind. Auf jeden Fall bleibt <las Slennnngsverhähni.

  an den Klemmcri c, c7 und c#. f das gleiche wie zuvor.

  Dies gilt auch für dc@n Fall, dal.l das Wilidungs-

  verhältnis zwischen 1'riin<ir- und @ekundärwicl<-

  hing anders als i : i ist, z. H. i : tt. In diesem Falle

  wird zwischen c° und f die n-fache Spannung wie

  zwischen c und (7 auftreten, und dieses Ltber-

  setzungsverhä ltnis bleibt auch hei Belastung der

  Sel;ttndürseite erhalten. 1 )er die I'rimärsehe dttrch-

  Hießende Ström lw\\irkt auch gleichzeitig einen ge-

  wissen Ausgleich des durch die IMastung des Se-

  kundärkrci-.es verurs;,chten Spannungsverlustes, so

  daß auch die an (Kn Klenunen c^ und f vorhandene

  Leerlaufspanntttt14 nach Anschalten des Verbrau-

  chers im wesentlichen tiiige:iliclei-t bleibt.

  Auch zur "I'ra»stirmatiiii von Wechselstrom

  kann die ertlltdungsgemüße Anordnung benutzt

  werden. Hier ist es vmt lßescniderem Wert, die Fre-

  quenz der I@rregersl@atittung wesentlich griil.ler zu

  machen als die «er z u tramtwmimeiuIen Spannung.

  Ilesondcrs v@>rteilhaft ist die Verwendung einer

  lioclifre(lttciiteit I:i-regerslßatnnnig (i MHz Lind

  liiilier). die <langt natürlich die Verwendung von

  Ilochfretluenzkernett. z. 11. Ferritkernen, für den

  "hransformatorkern zur \ oraussetzu»g hat. ]e höher

  die Erregertretluenz ist. um so> kleiner können die

  Dimensionen der Aum-<htung bei gleicher Leistung

  gehalten werden. Die zu transfoßrnlieretlde Wechsel-

  spannung 7:t wird bei der Anordmmg nach MA ;

  an Stelle der (ileichslen»ung an die hlemmeti c. d

  gelegt. \\-ä hrend <leg li()siti\ elt Halbwelle der zu

  transformierenden Spannung, sind die Vorgänge die

  gleichen Nvie beim Gleichstrointransforniator, und

  der ilometitanwert (leg \\ egge bestimmt Jeweils den

  Wert der an den Transftirinatorwicklungen auf-

  tretenden SI>a»nungeti. 1)ie Amplitude der zu trans-

  forinierendett Spannung inufi daher gleich oder

  kleiner sein als <leg Spitzenwert der durch die Er-

  regung :111 der 1'ritti;irv@-icklung erzeugten pulsieren-

  den Gleichspanung. Während der negativen Ilalli-

  welle der zu transformierenden Slmlniung würde

  alwr die Anordnung außer Wirkung treten. L`tn

  auch sie zu übertragen, maß eine zweite Schalt-

  \\ ieklung vorgesehen «-erden, bei der die Ö ffnuugs-

  and Iturzscldußzeit gegenüber der ersten vertauscht

  sind. Die eine Schaltwicklung tritt mir während der

  positiven Hallnvelle, die andere nur wiihrend der

  negativen Halbwelle in Wirkung.

  I)ie Schließung und Öffnung der Schahwiclaung

  kann beispielsweise mittels einer I?lektronenröhre

  in Gleichrichterschaltung bewirkt werden, deren

  Gitter durch die Erregerspannung gesteuert wird

  und die in dein @\tißclil;reis einer stromführenden

  I.lehtrode die Schaltwicklung entli@ilt.

Claims (1)

1. I'ATL'1TA\SPUCCUE: t. Nach (lern Traiisforniatorlii-itizili arbeitende Anordnung zur l'inforinung von Wechselstrom in ptfsierenden Gleichstrom oder von Gleich- stroin in solchen anderer Spaimung, dadurch ge- kennzeichnet, daß sie - gegebenenfalls zusätz- lich mittels Erregung durch die \ utzsl>annung- in einer Frequenz erregt wird. die grißer als die Fraluetn der Nutzspannung ist. und <aß die Ntitztvicl;luiig im khythinus der lrreger- freduenz so kurzgeschlossen und gei>finet wird, dafl in den Nutzevicklungen keine Spannnilgs- slützen hervorgerufen «erden, die der jeweHi- geti Richtung der Nutzspantittn entgegen- gerichtet sind. ?. Anordnung nach Anspruch r, dadurch ge- keinizeichnet, daß auf getrennten Stegen des Tralisforinatorkernes zwei zusätzliche, in Serie liegende I?rregerwicklungen vorgesehen sind, die in dein die Nutzwicklungen, z. 13). die beiden Transforinatorwicklungen, tragende» Steg ent- gegeiigesetzt gerichtete Kraftlinienflüsse er- zeugen. 3. :\uordnung nach den -Ansprüchen i oder a. clit<lurcli gekennzeichnet, (121l3 cIer Kur zschlnfi der Nutzwicklung induktiv mittels einer auf dem Steg der Nutzwicklungen angebrachten be- sonderen Schaltwirkung erfolgt. d. Anordnung nach einem (ei- .\iisprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, dali die Schalt- wirkung leim Nulldurchgang des resultieren(len hraftlinienflusses geiiffnet und bei (lein darauf- folgenden Nulldurchgang der Erregerspannung l;tirzgesclllossen wird. Anordnung nach einem der Ansprüche i 1>i: -1, dadurch gekennzeichnet, daf.l der Schalter der Schaltwicklmig kaliazidv ist cßcier einer oder beide I:ri-egerwickltnigeti ein Wirk- oder Windwiderstand, insbesondere ,nit gleichrichtender Wirkung, z. 13. eine 1)ioden- strecke, parallel liegt und daß die Schaltwicl<- hing bei einem Nulldurchgang der Errcgerspa.n- nung geöffnet und beim darauffolgenden \ ull- durchgang lzttrzgmchlosmn wird. G. Nach deniTransformatorprinzip arbeitende \nordmmg unter Verwendung mehrerer Anord- nungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß als Erregestrom Ürelistrom verwendet ist, dessen einzelne Phasen die Erregerwicklungen je einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5 speisen, während die Primärwicklungen wie auch die Sekundärwicklungen aller Kerne hintereinander geschaltet sind. 7. Anordnung zur Erzeugung von pulsierendem Gleichstrom aus Wechselstrom unter Verwendung von Anordnungen nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Gleichstrom der bzw. den Primär-oder Sekundärwicklungen entnommen wird. B. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Nutzwicklung vorgesehen ist. g. Anordnung nach einem der Ansprüche i bis 6 zur Transformation von Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Klemmen der Primärwicklung gelegte, zu transformierende Gleichspannung gleich oder kleiner ist als der Spitzenwert der durch die Erregung erzeugten pulsierenden Gleichspannung. io. Anordnung nach einem der Ansprüche t bis 6 zur Transformation von Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der an die Primärwicklung gelegten, zu transformierenden Wechselspannung kleiner ist als der Spitzenwert der durch die Erregung erzeugten pulsierenden Gleichspannung und daß zwei Schaltwicklungen vorgesehen sind, von denen die eine während der positiven und die andere während der negativen Halbwellen der zu transformierenden Spannung in Wirkung tritt. i i. Anordnung nach einem der Ansprüche i bis io, gekennzeichnet durch Benutzung eines hochfrequenten Erregerstromes bei Verwendung eines Hochfrequenzkernes. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Öffnung und Schließung der Schaltwicklung eine Elektronenröhre in Gleichrichterschaltung verwendet ist, deren Gitter durch die Erregerspannung gesteuert wird und die in ihrem Anodenkreis die Schaltwicklung enthält.