DE19927355A1 - Transformator mit kapazitivem Widerstand - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator mit kapazitivem Widerstand, der aus einem weichmagnetischem Magnetkern (9) und um denselben zugeordneter Primärwicklung (10) und Sekundärwicklung (11) besteht, wobei mindestens die Primärwicklung (10) nach Art einer Spule aus Bandkondensator (A, B) auf dem Magnetkern (9) aufgewickelt ist. Der Bandkondensator besteht in seiner gesamten Länge aus zwei elektrisch leitenden Folien (2, 3), die parallel und beidseitig zu einem Dielektrikum (1) verlaufen und mit einem elektrischen Isolator (4) umhüllt sind und wird in eine Transformatorspule (10) gewickelt. Die Breite und die Länge des Bandkondensators (A, B) wird mit der Windungszahl so abgestimmt, daß der durch den Bandkondensator (A, B) schwingende Blindstrom in Wirkstrom umgewandelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft alle Transformatoren mit einer Primär­ wicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, insbesondere Transformatoren, die mit hoher Induktivität betrieben werden. In einem Stromkreis zwischen Kondensator und Spannungsquelle bzw. einer Induktionsspule, pendelt die elektrische Energie lediglich hin und her.

Wegen der Selbstinduktion wird nämlich ständig eine Urspannung induziert, die von der Klemmenspannung überwunden werden muß. Die Spule leistet induktiven Widerstand. Im rein induktiven Widerstand eilt die Spannung dem Strom um eine Viertelperiode voraus. Oder anders ausgedrückt, zwischen Strom und. Spannung besteht eine Phasenverschiebung von 90°. Bei hoher Frequenz nimmt der induktive Widerstand entsprechend zu. Bei einer sehr hohen Frequenz kann die Spule den Strom praktisch vollkommen abriegeln.

Für bestimmte Anwendungszwecke eines Transformators bzw. Übertragers ist ein hoher induktiver Widerstand ein großer Nachteil, insbesondere bei der Übertragung elektrischer Impulse, deren zeitlicher Verlauf nicht geändert werden soll.

Es gehört zum Stand der Technik, daß die Induktivität innerhalb eines Transformators in einem bestimmten Wertebereich veränderbar ist. Zum Beispiel ist die Induktivität durch Variometer oder relative Bewegung von Windungen oder durch Bewegung des Kerns oder durch das Ändern der Kern­ permeabilität oder mittels eines beweglichens Schirms und anderen tech­ nischen Mitteln veränderbar. Alle diese bisherigen technischen Mittel sind sehr schwerfällig, unpräzise und ändern den Wirkungsgrad des Transformators ungünstig. Ferner sind es technische Mittel, die nur bei Miniaturtransfor­ matoren oder kleinen Transformatoren und Induktoren anwendbar sind. Für den Einsatz bei großen Leistungstransformatoren sind jene technischen Mittel nicht anwendbar.

Im Stand der Technik ist unbekannt, daß die Induktivität eines Tranforma­ tors durch die hohe Kapazität der Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung zurücksubstrahiert wird.

In einem Stromkreis zwischen Transformator und anderen elektrischen Komponen­ ten schaltet man bekanntlich einen Kondensator ein, wodurch der gesamte induktive Widerstand im Schaltkreis kompensiert wird. Diese wohlbekannte Technik verlangt z. B. in den öffentlichen Leitungsnetzen große Kondensa­ toren, um den sogenannten Blindstrom zu kompensieren. Daher sind die Her­ stellungskosten hoch und man erhält dennoch eine unbefriedigende Leistung im Wechselstromkreis. Der sogenannte Wirkstrom wird dadurch nicht völlig erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator zu erschaffen, bei dem mindestens die Primärwicklung eine hohe Kapazität aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die induktiven und kapazitiven Blindwider­ stände in den Transformatorwicklungen gegenseitig zu kompensieren und dadurch den Blindstrom in Wirkstrom umzuwandeln.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeich­ nenden Merkmale des ersten Anspruchs.

Erfindungsgemäß wird ein Transformator geschaffen, bei dem mindestens die Primärwicklungen aus Bandkondensator gewickelt sind.

Bisher sind die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen von allen bekannten Transformatoren, Induktoren, Zündspulen u. a. aus isoliertem Draht gewickelt. Wenn man nach dem Stand der Technik einen kleinen kapazitiven Widerstand der Wicklungen schaffen will, muß man die einzelnen Drahtwick­ lungen genau in parallelen Abständen zueinander auf die Spule aufbringen oder wie in der DE-OS 24 45 143 beschrieben ist, die Drähte in ein Band­ kabel parallel einbinden. Trotz dieses technischen Aufwands ist der kapa­ zitive Widerstand der Spule sehr gering. Das Bandkabel ist in den Wicklungen nicht als elektrischer Kondensator bestimmt. Eine ähnliche Technik sind die sogenannten Kreuzwicklungen, die den kapazitiven Widerstand mildern sollen.

Durch den erfindungsgemäßen Bandkondensator erreicht man eine beliebig hohe Kapazität der Wicklungen, die durch die bekannten Drahtwicklungen nicht erreichbar ist. Der Bandkondensator ist im Prinzip ein elektrischer Konden­ sator, der in einem Fertigungsverfahren als Transformatorspule hergestellt wird. Die mittels des Bandkondensators gebildeten Wicklungen können mit hoher Windungszahl als Primär- und/oder als Sekundärspule gebildet werden. In dem elektrischen Schaltkreis wirkt eine so gefertigte Spule wie ein klassischer elektrischer Kondensator. Der in dem Kondensator schwingende Verschiebungsstrom wirkt in den Primärwicklungen des Transformators wie ein Magnetisierungsstrom.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Bandkondensator mit Anschluß an eine Wechsel­ spannungsquelle,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Transformator mit Primärwicklungen aus Bandkondensator und Sekundärwicklungen aus Drahtwicklungen,

Fig. 3 den Querschnitt durch einen Bandkondensator gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Bandkondensator mit mehreren Metall­ leitungen und elektrischen Anschlüssen.

Fig. 1 zeigt einen Bandkondensator A, der aus Dielektrikum 1 und Metall­ folien 2 und 3 und elektrischem Isolator 4 besteht. Mittels den elektri­ schen Anschlüssen 5 und 6 sind die Metallfolien 2 und 3 an Wechselspannungs­ quelle 7 angeschlossen. Bei einem solchen Schaltkreis schwingt bekanntlich elektrischer Verschiebungsstrom, auch Verschiebungsdichte genannt, über Dielektrikum 1. Der Verschiebungsstrom wird mit Amperemeter 8 gemessen. Ein solcher Bandkondensator wird, wie in Fig. 2 veranschaulicht, auf den Transformatorkern 9 als Primärspule 10 gewickelt. Die auf den Transformator­ kern 9 gewickelten Sekundärwicklungen 11 bestehen aus bekannten Drahtwick­ lungen, was ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Durch die elektrischen Anschlüsse 12 und 13 ist die Sekundärwicklung 11 an dem gewünschten elek­ trischen Schaltkreis angeschlossen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch Bandkondensator A mit denselben Symbolen wie in Fig. 1. Die Länge des Bandkondensators A wird so ausge­ wählt, daß diese für die Windungszahl der Spule eines Transformators ausreicht.

Fig. 4 zeigt eine andere Struktur des Bandkondensators B, die hauptsächlich für die Bildung der Wicklungen eines Miniatur- oder Kleintransformators zu nutzen ist. In Fig. 4 sind Metalleitungen mit Anschlüssen 14, 15, 16, 17, 18 erkennbar, die in einem guten Dielektrikum 19 eingegossen sind, wobei das Ganze mit dem elektrischen Isolator 20 umhüllt ist. Die Metalleitungen 14 bis 18 verlaufen parallel dicht nebeneinander und bilden elektrische Kondensatoren, die man elektrisch parallel miteinander schließen kann. Die elektrischen Anschlüsse sind wechselweise an beiden Enden der Metall­ leitungen angeordnet, zum Beispiel so, daß Anschluß 14 vorne an dem Band und Anschluß 15 am anderen Ende des Bandes angeordnet ist. Die anderen Anschlüsse 16, 17, 18 sind ebenso wechselweise angeordnet. Mit anderen Worten, jede Metalleitung hat nur einen elektrischen Anschluß. Der Ver­ schiebungsstrom schwingt dann wie in einem Kondensator zwischen Metall­ leitung 15 und 14 und 16. Der andere Kondensator ist zwischen 17 und 16 und 18 angeschlossen.

Die Breite des Bandkondensators A in Fig. 3 wird nach der Kapazität, der Leistung und der Windungszahl berechnet. Bei einer kleineren Windungszahl ist das Kondensatorband breiter und umgekehrt. Grundsätzlich wird die Windungszahl der Transformatorwicklungen aus Bandkondensator nach den gleichen Regeln bestimmt, wie es bei Drahtwicklungen der Fall ist. Der wichtigste physikalische Parameter ist der Verschiebungsstrom I, der bei voller Leistung durch die Primärwicklungen schwingt. Den Höchstwert des Verschiebungsstromes zeigt Gleichung [1]:

I = U (2π.f.C) [1]

wo:
U = Höchstwert der Spannung zwischen Metallfolie 2 und 3
π = Ludolfsche Zahl
f = Frequenz der Spannung
C = Kapazität des Bandkondensators

Ein numerisches Beispiel

Bei einer Kapazität C = 20 µF und bei einer Frequenz F = 50 Hz und bei einem Höchstwert der Spannung von 311 Volt ist der Höchstwert des Stromes I = 1,954 Ampere.

Ohne Selbstinduktion in einem rein kapazitiven Widerstand wird dieser Strom vor der Spannung um eine Viertelperiode vorauseilen, d. h., der Leistungs­ faktor cos ϕ 50 = cos 90° = 0. Die Transformatorwicklungen aus Bandkondensa­ tor besitzen nach dem Induktionsgesetz induktiven Widerstand. Bei der Berechnung der Windungszahl mit Bandkondensatorwindungen bestimmt man den Selbstinduktionskoeffizient nach bekannten Gleichungen, so daß der Phasen­ winkel ϕ zwischen Spannung und Strom zurücksubstrahiert wird, d. h., cos ϕ = cos 0° = 1. Physikalisch bedeutet dies eine Reihenschaltung von induktivem und kapazitivem Widerstand. Dazu gehört selbstverständlich ein kleiner ohmscher Widerstand der Metallfolien 2 und 3 in Fig. 1. In präziser Definition bedeutet dies: ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand in Reihe. Gleichung [2] zeigt die gesamte Klemmenspannung U an den Metall­ folien 2 und 3 des Bandkondensators:

wo
R = ohmscher Widerstand
L = Selbstinduktionskoeffizient

Die anderen Symbole in Gleichung [2] sind dieselben wie in Gleichung [1].

Gemäß der Erfindung berechnet man die Windungszahl und die Kapazität des Bandkondensators so, daß der Phasenwinkel ϕ zwischen Spannung und Strom cos ϕ = cos 0° = 1, d. h., der sogenannte Blindstrom ist damit in Wirkstrom umgewandelt worden. Gemäß der Erfindung schwingt dieser Wirkstrom wie ein Verschiebungsstrom in den Wicklungen des Transformators. Der erfindungs­ gemäße Transformator findet eine breite wirtschaftliche Nutzung. Zum Beispiel zur Herstellung von Miniaturtransformatoren in der elektronischen Industrie. Für diese Transformatorgröße benutzt man grundsätzlich den Bandkondensator B in Fig. 4. Die Breite des Bandkondensators wird dann so bestimmt, daß die gesamte Spulenoberfläche mit dem Band bedeckt wird. Für kleine und mittel­ große Transformatoren, wie für Radio und Fernsehen oder für Zündspulen für Verbrennungsmotoren oder für Leuchtstofflampen-Transformatoren benutzt man Bandkondensator A gemäß Fig. 1 und Fig. 3.

Für Leistungstransformatoren in der elektrischen Industrie, in der Energie­ industrie, im Transportwesen sowie in anderen wirtschaftlichen Zweigen benutzt man gleichfalls Transformatorwicklungen aus Bandkondensator A.

Gemäß der Erfindung wird hauptsächlich die Primärwicklung des Transforma­ tors mit Bandkondensator gebildet. Die Sekundärwicklungen werden aus bekannten Drahtwicklungen gebildet. Es gibt jedoch viele wirtschaftliche Anwendungen des Transformators, bei denen auch Sekundärwicklungen aus Bandkondensator Anwendung finden. Es gibt auch Bedarf, wo gemischte Wicklungen von Bandkondensator und Drahtwicklungen eingesetzt werden können.

Claims (6)

1. Transformator mit kapazitivem Widerstand, der aus einem weichmagne­ tischem Magnetkern um denselben zugeordneten Primär- und Sekundär­ wicklungen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kernkonstruktion (9) des Transformators mindestens die Primärwicklung (10) nach Art einer Spule al. s Bandkondensator (A, B) aufgewickelt ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkondensator (A) in seiner gesamten Länge aus zwei elektrisch leitenden Folien (2, 3) parallel und beidseitig zum Dielektrikum (1) verlaufend mit einem elektrischen Isolations­ material (4) umhüllt ist.

3. Transformator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrisch leitende Folie (2) an einem Ende des Bandkondensators (A) durch Wicklungsanschluß (6) an einem Pol einer Wechsel- oder pulsierenden Spannungsquelle (7) und die zweite elektrisch leitende Folie (3) an anderen Ende des Band­ kondensators (A) durch Wicklungsanschluß (5) am zweiten Pol der Wechsel- oder pulsierenden Spannungsquelle (7) angeschlossen ist.

4. Transformator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und die Länge des Bandkondensators (A, B) mit der Windungszahl so abgestimmt werden, daß der durch den Bandkondensator schwingende Blindstrom in Wirkstrom umgewandelt wird.

5. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkondensator (B) in seiner Gesamtlänge aus einer Mehrzahl von in einem Dielektrikum (19) eingegossenen, parallel laufenden elektrischen Leitungen (14-18) besteht und insgesamt mit einem äußeren elektrischen Isolator (20) umhüllt ist.

6. Transformator nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leitungen (14-18) durch elektrische Anschlüsse wechselweise (14, 16, 18) an einem Ende und wechselweise (15, 17) am anderen Ende des Bandkondensators (B) an einer Spannungsquelle angeschlossen sind.