Regelbarer Transformator. Die Änderung des Übersetzungsverhält nisses von Transformatoren mit Anzapfungen oder von Zusatztransformatoren erfordert, wenn es sich um Änderungen unter Span nung oder unter Last handelt, kostspielige und komplizierte Schaltapparate.
Erfindungsgemäss wird dieser Nachteil dadurch behoben, dass zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Transforma tors dessen Kerne in mindestens zwei Teil kerne aufgeteilt und ferner Steuerwicklungen vorgesehen sind, welche den Nutzfluss auf diese Teilkerne beliebig zu verteilen ge statten. Der Regelungseingriff ist demnach hier aus der Primär- oder Sekundärwicklung in die Steuerwicklungen verlegt. Infolgedessen ergibt sich der grosse Fortschritt, dass nur niedrige Spannungen oder niedrige Ströme zu steuern sind.
Die schematische Zeichnung stellt Teil stücke verschiedener Beispiele des Erfindungs gegenstandes dar.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbei spiel. Der Schenkel oder gern eines Ein- oder Mehrphasentransformators wird in die beiden Teilkerne ai und a2 aufgeteilt. Die Primärwicklung, welche beide Teilkerne ge meinsam umfasst, ist durch c, die Sekundär wicklung durch di. und da angedeutet. f1 und f 2 sind die Steuerwicklungen.
Die beiden Hälften der Sekundärwicklung di und d2 sind gegeneinander geschaltet; die beiden Steuerwicklungen fi und f2 können sowohl in Serie gegeneinander, wie in Fig. 1 gezeichnet, als auch in Serie hintereinander geschaltet werden.
Bei konstanter, an der Primärwicklung e herrschender Spannung ist der gesamte, die Teilkerne passierende Fluss N konstant. Be kanntlich lässt sich im Falle von Wechsel strom der magnetische Fluss durch folgende .
Gleichung ausdrücken:
EMI0001.0016
worin'n die Periodenzahl und s die Windungs- zahl bedeutet. Daraus ergibt sich allgemein die Spannung E=N.4,44.n.s.10-s. Für die Windungszahl ssi der Steuerwicklung fi auf dem Teilkern ai mit dem Teilfluss Ni ist die Spannung F,1= Ni <I>.4,44.n</I> .
ssi .10-s. Für die Windungszahl sag der Wicklung f2 auf dem Teilkern a2 mit dem Teilfluss N2 ergibt sich die Spannung E'2= <I>N2</I> . 4,44 n .sag .10-8. Unter der Voraussetzung, dass der ohmsche Widerstand und die Streureaktanz der Wick lungen fi, f2 vernachlässigt werden, was füglich zulässig ist, kann die Spannung Ei = E2 gesetzt werden.
Daraus ergibt sich Ni <I>. 4,44 n.</I> s31 .10-$ = N2 . 4,44.n .sag .10-\ . oder Ni. sai.=N2.ss2.
Aus dieser Gleichung folgt, dass sich der ge samte Fluss A' in die zwei Teilflüsse Ni und <I>N2</I> im - umgekehrten Verhältnis der Win- dungszahlen s31 und s32 der Steuerwicklungen f i und f 2 auf die Teilkerne ai und a2 ver teilt, also:
EMI0002.0021
Bezeichnet man mit <I>E = k N</I> s22 = konstant (4) die fiktive EMK, die vom Gesamtfluss <I>N</I> in der Windungszahl <I>s22</I> der Sekundärwicklung <I>d2</I> des Kernes a2 induziert wurde,
weiterhin mit E2i <I>= k</I> Ni sei die vom Teilfluss Ni in der Sekundärwick lung d1 mit der Windungszahl sei und mit E22 <I>= k</I> 372 S22 die vom Teilfluss N2 in der Sekundärwick lung d2 mit der Windungszahl s22 induzierte Spannung, so wird unter Berücksichtigung von Gleichungen (2) und (3)
EMI0002.0036
An der Gegenschaltung- von di und d2 erscheint als Sekundärspannung
EMI0002.0038
Werden die Windungszahlen der beiden Sekundär-Teilwicklungen einander gleich ge macht s21 -- s22, so nimmt Gleichung (7) die vereinfachte Form
EMI0002.0042
an. Die nachstehende Tabelle zeigt, beispiels weise für den Fall der Gleichung (8), in welcher Weise die Änderung der 1Vindungs- zahlen ssi und s32 die Sekundärspannung be einflusst.
EMI0002.0047
<I>Tabelle</I>
<tb> Gesamtspannung <SEP> Teilspannung
<tb> ssi <SEP> s9- <SEP> L@: <SEP> E22 <SEP> - <SEP> <B><I>E'</I></B> <SEP> 21
<tb> 1) <SEP> -3 <SEP> 1 <SEP> 2,0 <SEP> E <SEP> 1,50 <SEP> E <SEP> -0,50 <SEP> E
<tb> 2) <SEP> -5 <SEP> 1 <SEP> 1,5 <SEP> E <SEP> 1,25 <SEP> E' <SEP> -0,25 <SEP> E
<tb> 3) <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 1,0 <SEP> E <SEP> 1,00 <SEP> E <SEP> 0
<tb> 4) <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> 0,5 <SEP> E <SEP> 0,75 <SEP> E <SEP> -r0,25 <SEP> .E
<tb> 5) <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0,50 <SEP> E <SEP> -r0,50 <SEP> E
<tb> g) <SEP> 1 <SEP> 3 <SEP> _.0,5 <SEP> E <SEP> 0,25 <SEP> E <SEP> -f-0,75 <SEP> E
<tb> 7) <SEP> 1 <SEP> <B>--x)</B> <SEP> ---1,0 <SEP> L' <SEP> 0 <SEP> -+-1,00 <SEP> E
<tb> 8) <SEP> 1 <SEP> -5 <SEP> --1,5 <SEP> E <SEP> -0,25 <SEP> E <SEP> -f-1,25 <SEP> E
<tb> 9) <SEP> 1 <SEP> -3 <SEP> -2,0.E <SEP> -0,50 <SEP> E <SEP> -f-1,
50 <SEP> .E Auf Stufe 5 des Beispiels sind die Flüsse in beiden Teilkernen gleich. Auf Stufe 3 ist die Steuerwicklung<I>f</I> i kurzgeschlossen,<I>f 2</I> offen. Auf Stufe 1, 2 und 8, 9 ist die Serie- Gegenschaltung von f, und j'2 in eine nor male Reihenschaltung übergegangen. Eigen artig ist hierbei der Verlauf des Flusses, der sich in einem der Teilkerne umkehrt.
Auf Stufe 2 zum Beispiel führt der Teilkern ai den Fluss Ni = -0,25 1V, der Teilkern a2 den Fluss 11$ _ -f- 1,25 N; der Gesamt fluss ist nach wie vor IV.
Die durch Gleichung (7) beschriebene grosse Regulierfähigkeit lässt sich dadurch er weitern, dass die beiden Steuerwicklungen nicht direkt, sondern über einen gewöhn lichen Transformator oder einen Spartrans formator mit veränderlichem Übersetzungs verhältnis gekoppelt werden. Dieses Über setzungsverhältnis werde definiert durch die Gleichung Es2 <I>=</I> ct <I>.</I> 1':31 Hierin ist E,92 die Spannung der an<B>f:"</B> Esi die Spannung der an fi angeschlossenen geite cl-;
?wiselieiitrausformators. Der Faktor a kann jeden beliebigen positiven und negativen Wert erhalten.
Die Spannung der Sekundärwicklung wird i n dieser Schaltung für den Fall, dass s2i=s22 ist,
EMI0003.0003
Beide Möglichkeiten der Regelung, näm lich Veränderung von ssi und s32 oder Ver änderung von a können getrennt oder gemein sam Anwendung finden. Das Gleiche gilt für die folgende Schaltung. Die Einführung einer Zusatzspannung E7 in den Steuerkreis gibt nämlich weitere Regelungsmöglichkeiten, die durch folgende Gleichung
EMI0003.0007
für den Fall, dass s22 = sei ist, beschrieben, werden.
Dieser Fall kommt beispielsweise' auch dann zur Geltung, wenn die Steuer wicklungen eines Mehrphasentransformators untereinander verkettet werden. In Glei chung (10) kann EZ jede beliebige vektorielle Lage erhalten.
Es sei noch erwähnt; dass Widerstände, Drosselspulen oder Kapazitäten, die sowohl in den Verbindungen zwischen fi und<B>f2,</B> als auch parallel zu fi und f2, oder zu Teilen beider liegen, zur Regelung herangezogen werden können.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Hierin ist die Sekundär-Teilwicklung di weggelassen worden; im übrigen zeigt sie mit den Teilkernen ai und a2, der Primär wicklung c, den Steuerwicklungen fi und f ä die gleichen Bestandteile wie Fig. 1. b, b sind die Joche des Ein- oder Mehrphasen transformators.
Das Verfahren der Regelung ist das gleiche wie vorher. Mit Hilfe der Steuer wicklungen wird der gesamte Fluss N, der konstant bleibt, in willkürlichem Verhältnis auf die beiden Teilkerne ai und a2 aufgeteilt.
Der Gleichung(8) entspricht die Gleichung
EMI0003.0028
der Gleichung (9)
EMI0003.0029
der Gleichung (10)
EMI0003.0030
dieser vereinfachten Schaltung.
Über den Gang der Regelung bei diesem Ausführungsbeispiel unter der Annahme des Beispiels der obigen Tabelle gibt die Spalte "E22" derselben Aufschluss. E2 nach Glei chung (11) ist identisch mit der Teilspannung .L22 der Wicklung d2 des Teilkernes a2 in der Anordnung gemäss Fig. 1.
In den weiteren Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und 4 ist der gern in zwei Teil kerne ai und a2 (Fig. 3) beziehungsweise in drei Teilkerne ai, a2, as (Fig. 4) zerlegt, die durch magnetische Brücken hi, h2 verbunden sind. In dem einfachsten Beispiel nach Fig. 3 trägt nur der eine gern, a2, die Spulen di, d2, d3 der Sekundärwicklung.
Die Steuer wicklungen werden durch fi und f'2, ,gi und g2, 1i und 12 angedeutet. c ist die Primär wicklung, b das Joch.
In diesen Ausführungsbeispielen kann der Fluss, welcher die Sekundärspulen induziert, in jeder Teilspule völlig unabhängig von den anderen Teilspulen verändert werden. Im Nachfolgenden zu Fig. 3 sei stets g2, 12 kurz geschlossen. Ist nun z. B. f2 kurzgeschlossen, fi offen, so passiert der Fluss ausschliesslich den Kernteil ai.
Durch Serie-Gegenschaltung von fi und f 2 wird der Fluss, wie bei Fig. 1 und Fig. 2, beide Kernteile ai und a2 des obersten Ab schnittes durchsetzen. Wird-, schliesslich f i kurzgeschlossen und f2 geöffnet, so passiert der gesamte Nutzfluss die Spule di (Fig. 3) und nimmt über die Brücke hi den in Fig. 3 eingezeichneten Weg.
In sinngemässer Weise kann der Fluss, der die Spulen d2, da durch setzt, in beliebigen Sprüngen von ai auf a2 verschoben werden.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 0' sind b, b die Joche eines Ein- oder Mehrphasentransformators, ai, a2 die Teil kerne des aufgelösten Schenkels, h eine Ver bindungsbrücke zwischen diesen- Teilkernen c die Primärwicklung des Schenkels, d die auf der Verbindungsbrücke h sitzende Se kundärwicklung,<I>e, f, i</I> und k die Steuer wicklungen.
Im spannungslosen Zustande der Sekun därwicklung d sind die Steuerwicklungen e und f, sowie i und k mit gleichen Windungs- zahlen gegeneinander geschaltet. Der Nutz floss passiert die Teilkerne ai und a2, die Brücke<I>da.</I> ist flossfrei. Soll d in voller Höhe durch den Nutzfloss induziert werden, so müssen e und<I>k</I> kurzgeschlossen,<I>f</I> und i dagegen gegeneinander geschaltet werden. Der Fluss nimmt seinen Weg durch f' über h und durch i.
Werden dagegen<I>f</I> und i kurzgeschlossen und e und k gegeneinander geschaltet, so verläuft der Fluss in entgegen gesetzter Richtung wie vorher durch h.
Die annähernd stetige oder stufenweise Regelung der Spannung an d erfolgt sinn gemäss wie bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 oder 2. Die Steuerwicklungen e und k einerseits und<I>f</I> und<I>i</I> anderseits haben hierbei korrespondierende Eigenschaf ten, sie können deshalb unter sich, nämlich e und 1c einerseits und<I>f</I> und<I>i</I> anderseits zu je einer Wicklung entsprechend fi und FL in Fig. 1 und 2 zusammengeschlossen werden.
Bei der Anwendung der Erfindung auf die Drosselspule, die ja ein leerlaufender Transformator (ohne Sekundärwicklung) ist, fällt z. B. in der Ausführung nach Fig. 1 und 2 die Sekundärwicklung di, dz fort.
Die Teilkerne ai, a2 müssen in diesem Falle mit verschiedenen magnetischen Wider ständen ausgeführt werden. Hat beispielsweise ai einen geringen mag netischen Widerstand, während a2 einen hohen magnetischen Widerstand aufweist, so wird die Primärwicklung, wenn die Steuer wicklung den Fluss auf ai geschoben hat, eine grosse Reaktanz besitzen. Wird umge kehrt durch die Steuerwicklung der Fluss auf a:, verschoben, so sinkt die Reaktanz der Primärwicklung.
Wie jeder Transformator ist auch der vor liegende reversibel. Primär- und Sekundär wicklungen sind vertauschbar. So kann er beispielsweise auch zur Transformation von konstantem Strom (in der Wicklung dl, d2) auf konstante Spannung an der Wicklung c dienen.
Adjustable transformer. The change in the transformation ratio of transformers with taps or additional transformers requires expensive and complicated switchgear when it comes to changes under voltage or under load.
According to the invention, this disadvantage is remedied in that, to change the transformation ratio of a transformer, its cores are divided into at least two sub-cores and control windings are also provided which enable the useful flux to be distributed to these sub-cores as required. The control intervention is accordingly moved from the primary or secondary winding to the control windings. As a result, there is the great advance that only low voltages or low currents can be controlled.
The schematic drawing shows parts of various examples of the subject invention.
Fig. 1 shows a first game Ausführungsbei. The leg or like a single or multi-phase transformer is divided into the two partial cores ai and a2. The primary winding, which includes both partial cores together, is through c, the secondary winding through di. and there indicated. f1 and f 2 are the control windings.
The two halves of the secondary winding di and d2 are connected to one another; the two control windings fi and f2 can be connected in series against one another, as shown in FIG. 1, and in series one behind the other.
If the voltage prevailing at the primary winding e is constant, the entire flux N passing through the partial cores is constant. It is known that in the case of alternating current, the magnetic flux can be determined by the following.
Express equation:
EMI0001.0016
where'n is the number of periods and s is the number of turns. This generally results in the stress E = N.4,44.n.s.10-s. For the number of turns ssi of the control winding fi on the partial core ai with the partial flux Ni, the voltage F, 1 = Ni <I> .4,44.n </I>.
ssi .10-s. For the number of turns sag of the winding f2 on the partial core a2 with the partial flux N2, the voltage E'2 = <I> N2 </I> results. 4.44 n .sag. 10-8. Provided that the ohmic resistance and the leakage reactance of the windings fi, f2 are neglected, which is adequately permissible, the voltage Ei = E2 can be set.
This results in Ni <I>. 4.44 n. </I> s31 .10- $ = N2. 4.44.n. Says 10- \. or Ni. sai. = N2.ss2.
From this equation it follows that the entire flux A 'is divided into the two sub-fluxes Ni and <I> N2 </I> in the inverse ratio of the number of turns s31 and s32 of the control windings fi and f 2 on the cores ai and a2 distributed, so:
EMI0002.0021
<I> E = k N </I> s22 = constant (4) is used to denote the fictitious EMF generated by the total flux <I> N </I> in the number of turns <I> s22 </I> of the secondary winding <I > d2 </I> of the nucleus a2 was induced,
furthermore with E2i <I> = k </I> Ni that of the partial flux Ni in the secondary winding d1 with the number of turns and with E22 <I> = k </I> 372 S22 that of the partial flux N2 in the secondary winding d2 voltage induced with the number of turns s22, then, taking into account equations (2) and (3)
EMI0002.0036
At the opposite connection of di and d2 appears as a secondary voltage
EMI0002.0038
If the number of turns of the two secondary partial windings is made equal to each other s21 - s22, then equation (7) takes the simplified form
EMI0002.0042
at. The table below shows, for example for the case of equation (8), in which way the change in the 1V connection numbers ssi and s32 influences the secondary voltage.
EMI0002.0047
<I> table </I>
<tb> total voltage <SEP> partial voltage
<tb> ssi <SEP> s9- <SEP> L @: <SEP> E22 <SEP> - <SEP> <B><I>E'</I> </B> <SEP> 21
<tb> 1) <SEP> -3 <SEP> 1 <SEP> 2.0 <SEP> E <SEP> 1.50 <SEP> E <SEP> -0.50 <SEP> E
<tb> 2) <SEP> -5 <SEP> 1 <SEP> 1.5 <SEP> E <SEP> 1.25 <SEP> E '<SEP> -0.25 <SEP> E
<tb> 3) <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 1.0 <SEP> E <SEP> 1.00 <SEP> E <SEP> 0
<tb> 4) <SEP> 3 <SEP> 1 <SEP> 0.5 <SEP> E <SEP> 0.75 <SEP> E <SEP> -r0.25 <SEP> .E
<tb> 5) <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0.50 <SEP> E <SEP> -r0.50 <SEP> E
<tb> g) <SEP> 1 <SEP> 3 <SEP> _.0.5 <SEP> E <SEP> 0.25 <SEP> E <SEP> -f-0.75 <SEP> E
<tb> 7) <SEP> 1 <SEP> <B> --x) </B> <SEP> --- 1.0 <SEP> L '<SEP> 0 <SEP> - + - 1.00 <SEP> E
<tb> 8) <SEP> 1 <SEP> -5 <SEP> --1.5 <SEP> E <SEP> -0.25 <SEP> E <SEP> -f-1.25 <SEP> E
<tb> 9) <SEP> 1 <SEP> -3 <SEP> -2.0.E <SEP> -0.50 <SEP> E <SEP> -f-1,
50 <SEP> .E At level 5 of the example, the flows in both sub-cores are the same. At stage 3 the control winding <I> f </I> i is short-circuited, <I> f 2 </I> is open. At level 1, 2 and 8, 9 the series counter-connection of f and j'2 has changed into a normal series connection. The course of the river, which is reversed in one of the sub-cores, is peculiar.
At level 2, for example, the partial core ai carries the flux Ni = -0.25 1V, the partial core a2 the flux 11 $ _ -f- 1.25 N; the total flow is still IV.
The great regulating ability described by equation (7) can be extended by the fact that the two control windings are not coupled directly, but rather via an ordinary transformer or an autotransformer with a variable translation ratio. This transmission ratio is defined by the equation Es2 <I> = </I> ct <I>. </I> 1 ': 31 Here, E, 92 is the voltage of <B> f: "</B> Esi the voltage of the geite cl- connected to fi;
? wiselieiitrausformators. The factor a can have any positive or negative value.
The voltage of the secondary winding is in this circuit for the case that s2i = s22,
EMI0003.0003
Both possibilities of regulation, namely changing ssi and s32 or changing a, can be used separately or together. The same goes for the following circuit. The introduction of an additional voltage E7 in the control circuit gives further control options, which are represented by the following equation
EMI0003.0007
for the case that s22 = suppose to be described.
This case comes into play, for example, when the control windings of a polyphase transformer are concatenated with one another. In equation (10) EZ can have any vectorial position.
It should also be mentioned; that resistors, inductors or capacitances, which are located both in the connections between fi and f2, as well as parallel to fi and f2, or in parts of both, can be used for regulation.
A further embodiment is shown in FIG. 2. The secondary partial winding di has been omitted here; Otherwise it shows with the partial cores ai and a2, the primary winding c, the control windings fi and f ä the same components as Fig. 1. b, b are the yokes of the single or polyphase transformer.
The procedure of regulation is the same as before. With the help of the control windings, the entire flux N, which remains constant, is divided in an arbitrary ratio between the two partial cores ai and a2.
The equation (8) corresponds to the equation
EMI0003.0028
of equation (9)
EMI0003.0029
of equation (10)
EMI0003.0030
this simplified circuit.
The "E22" column provides information about the course of the control in this exemplary embodiment, assuming the example of the above table. E2 according to equation (11) is identical to the partial voltage .L22 of the winding d2 of the partial core a2 in the arrangement according to FIG. 1.
In the further exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4, the like is divided into two partial cores ai and a2 (FIG. 3) or into three partial cores ai, a2, as (FIG. 4), which are connected by magnetic bridges hi, h2 . In the simplest example according to FIG. 3, only one like, a2, carries the coils di, d2, d3 of the secondary winding.
The control windings are indicated by fi and f'2,, gi and g2, 1i and 12. c is the primary winding, b the yoke.
In these exemplary embodiments, the flux that induces the secondary coils can be changed in each sub-coil completely independently of the other sub-coils. In the following to FIG. 3, g2, 12 are always short-circuited. Is now z. B. f2 short-circuited, fi open, the flow only passes through the core part ai.
By connecting fi and f 2 in series, the flow will, as in Fig. 1 and Fig. 2, enforce both core parts ai and a2 of the top section from. If, finally, f i is short-circuited and f2 is opened, then the entire useful flux passes through coil di (FIG. 3) and takes the path shown in FIG. 3 via bridge hi.
In a similar manner, the flux that sets the coils d2, as through, can be shifted in arbitrary jumps from ai to a2.
In the further embodiment according to FIG. 0 ', b, b are the yokes of a single or multi-phase transformer, ai, a2 are the partial cores of the broken leg, h a connecting bridge between these partial cores, c the primary winding of the leg, d the one on the connecting bridge h seated secondary winding, <I> e, f, i </I> and k the control windings.
When the secondary winding d is de-energized, the control windings e and f as well as i and k are connected to one another with the same number of turns. The useful flow passes through the cores ai and a2, the bridge <I> da. </I> is flow-free. If d is to be induced in full by the useful raft, then e and <I> k </I> must be short-circuited, while <I> f </I> and i must be switched against each other. The river makes its way through f 'over h and through i.
If, on the other hand, <I> f </I> and i are short-circuited and e and k are switched against each other, the flow runs in the opposite direction as before through h.
The approximately constant or stepwise regulation of the voltage at d takes place in the same way as in the exemplary embodiments of FIG. 1 or 2. The control windings e and k on the one hand and <I> f </I> and <I> i </I> on the other here corresponding properties, they can therefore be combined with each other, namely e and 1c on the one hand and <I> f </I> and <I> i </I> on the other hand, to form a winding corresponding to fi and FL in FIGS. 1 and 2 will.
When applying the invention to the choke coil, which is an idle transformer (without secondary winding), z. B. in the embodiment of FIGS. 1 and 2, the secondary winding di, dz continued.
In this case, the partial cores ai, a2 must be designed with different magnetic resistances. For example, if ai has a low magnetic resistance, while a2 has a high magnetic resistance, the primary winding will have a large reactance when the control winding has pushed the flux onto ai. Conversely, if the control winding shifts the flux to a :, the reactance of the primary winding decreases.
Like every transformer, the one before you is reversible. Primary and secondary windings are interchangeable. For example, it can also be used to transform constant current (in winding d1, d2) to constant voltage on winding c.