DE164750C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Bekanntlich werden die Kerne gewöhnlicher Wechselstromtransformatoren aus einer großen Zahl von dünnen Blechen oder Eisendrähten gebildet, die untereinander isoliert sind, um die Bildung von Foucault'sehen Strömen zu vermeiden, welche sich in einer Abnahme des Wirkungsgrades des Transformators äußern. Die Verwendung derartiger Kerne ist teuer, um so mehr, als man

ίο nicht Gußstücke verwenden kann.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer bestimmten Art von Transformatoren der Kern nicht notwendigerweise ganz aus vielen Teilen bestehen muß, es also vorteilhaft ist, einen vollen Kern zu verwenden. Dies sind die Meßtransformatoren, d. h. Transformatoren mit einer Primärwickelung, die durch den Strom der Leitung, dessen Intensität, Kraft, Phase, Energie oder andere Größe gemessen werden soll, durchflossen und dessen Sekundärwickelung mit dem Meßinstrument vereinigt wird.

Die Erfindung betrachtet als zu dieser Klasse gehörig auch die Transformatoren, welche ebenfalls bei diesen Apparaten benutzt werden, gleich den automatischen Ein- und Ausschaltern, welche zwar selbst nicht eigentliche Meßinstrumente sind, aber dennoch in gewisser Abhängigkeit von den bestimmten Größen des Primärstromes arbeiten. Bei den für diese Apparate bestimmten Transformatoren, welche in Abhängigkeit von der Größe der Intensität des Primärstromes arbeiten, ist es vorteilhaft, daß die Primär-Intensität proportional der Sekundärintensität und möglichst unabhängig von der Periodenzahl des Stromes ist. Außerdem ist es bei den für diese Apparate bestimmten Transformatoren, deren Arbeiten ebenso sehr von der Größe wie von der Phase der Primär-Intensität abhängig ist, notwendig, die Phase des Sekundärstromes zu dem Primärstrom zu regeln.

Bei einem gewöhnlichen Transformator aus sorgfältig gewalztem Eisen ist, wenn nicht besondere Vorrichtungen vorgesehen sind, der Sekundärstrom in der Phase im Rückstand zum Primärstrom um einen Winkel unter 180°, und es ist, damit der mit dem Transformator verbundene Apparat genaue Angaben macht, notwendig, daß die Phasen genau entgegengesetzt sind, oder daß die Phase genau zur eigentlichen Phase des Meßapparates im bestimmten Verhältnis steht,

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist also, bei Transformatoren für Meß-, Kontroll- und Stellapparate ein Prinzip zu verwenden, durch welches man die genannten Resultate (Vergrößerung der Proportionalität des Sekundärstromes zum Primärstrom, Verringerung der Empfindlichkeit bei der Änderung der Periodenzahl des Primärstromes und schließlich Regelung des Phasenunterschiedes zwischen dem Primär- und dem Sekundärstrom) erhalten kann, indem man den Kern überhaupt nicht- oder ihn nur teilweise zerteilt.

Es möge ein Transformator angenommen werden, bei dem 1 und 2 die Primär- und Sekundärwickelung, welche durch die Ströme I₁

und z'₂ durchflossen werden, darstellen. Es möge dann noch ein dritter Hilfsstromkreis 3 angenommen werden, der aus einer einfachen, um den Kern angeordneten Wickelung, die im Kurzschluß liegt, besteht; i₃ sei der Strom, welcher diese Spirale durchströmt. Es mag nun mit

Ai₁₂ der Induktionskoeffizient zwischen den

Strömen

Af
mit

1 und 2,

₁₃ der zwischen den Strömen 1 und 3 und

M₂₃ der zwischen den Strömen 2 und 3 bezeichnet werden.

L₂ sei der Koeffizient der Selbstinduktion des Stromkreises 2, welcher gleichzeitig die Induktanz des Apparates enthält.

L₃ sei der Koeffizient der Selbstinduktion des Stromkreises 3, der auf eine einzige Wickelung beschränkt ist.

Z₁ = J₁ sin to t,

r₂ J₂ -J- M₁₂ J₁ w cos w t -\- M₂,

r₂ sei der Totalwiderstand des Stromkreises 2,

r₃ der des Stromkreises 3.

J₁, J₂, J₃ seien die größten Werte der Ströme in den drei Stromkreisen,

Z₁, z₂, Z₃ die entsprechenden augenblicklichen Werte.

27Γ

oder

r_s J₃ -J- M₁₃ J₁ ω cos ω t -J- M₂,

L₂ r₃ -J- L₃ r₂ d Z₂

dt di₂ wobei -=- die Periodenzahl des Stromes ist.

φ = der Phasendifferenz zwischen J₁ und J₂.

Die Zeichen der verschiedenen Ströme sind auf die von J₁ bezogen.

Die allgemeinen Gleichungen, welche die Werte der Variabein bestimmen, sobald der Stromkreis 1 von einem Strom durchflossen wird, sind folgende:

dt

dt

= ο

dt'²

-JZ ι "2 ' 3

.2 ~T"

r, r.

L₂L₃-M_nJ dt

-M₂₃-M₁₃; .

L₂L₃-M₂₃"

sin ω t- w r₃ M₁₂

cos

[—u.²;² + p-w² ; tang φ =

(Q-u?) b —Pwd jQ—w^d+ Pw b

P stellt den Koeffizienten von

d i₂

und Q

den von Z₂ dar; α und b sind die von sin w t und cos w t.

Wenn keine Wickelung 3 vorhanden wäre, wäre

M₁₂ ² to²

Λ 2

AT₁ —

tang_9l =

Die beiden letzteren Gleichungen zeigen, daß, wenn die Wickelung 3 fehlt:

a) φ niemals == ο ist, d. h. der Phasenwinkel zwischen J₁ und J₂ kann niemals i8o° betragen. Tatsächlich entspricht die Grenze = O der Grenze r² = o;

b) daß die Abweichung der Proportionalität des Transformators infolge der Änderung der Periodenzahl des Stromes dargestellt wird durch

dk

+ L₂ co²

d. h. durch dieselbe prozentuale Änderung der Periodenzahl, multipliziert mit einem Koeffizienten, welcher nicht für die bestimmten Werte von r₂ verschwindet und welcher mit r₂ nach ο hin abnimmt;

c) nimmt man unter der Formel Z -j- C μ M₂ ² den Koeffizienten der Selbstinduktion J₂ an, deren erster Teil sich auf den Teil des äußeren Sekundärkreises des Transformators und deren zweiter Teil sich auf den inneren Teil bezieht, und nimmt man unter der Formel B μ U₁ n₂ den Koeffizienten M₁₂ (W₁ und K₂ stellen die Anzahl der Windungen Stromkreise 1 und 2, μ den Wert der Permeabilität in den Kern und /, C, B den Wert der Koeffizienten dar, die entsprechend abhängig von der Form des äußeren Sekundärstromkreises und der inneren Primär- und Sekundärstromkreise im Transformator sind), so sucht der Ausdruck

von μ unabhängig zu werden, um so mehr, je kleiner r₂ und / sind.

Im anderen Falle, d.h. wenn die Wickelung 3 vorhanden ist, ergibt sich:

a) daß die Werte von tang φ und von φ nicht nur verschwinden können für einen Wert von r₂, der verschieden von O und durch die Gleichung

(i)

Pw

ίο bestimmt ist, sondern auch, falls erforderlich, das Zeichen ändern können;

b) daß unter diesen Bedingungen der Wert von k die Form

k² =

annimmt, wobei ε ein Wert abhängig von ω ist, der verschwindet, wenn der Gleichung (i) genügt wird. Das Vorhandensein der Wickelung 3 bewirkt also, daß man das Minimum der Empfindlichkeit bei den Änderungen der Periodenzahl (welche in diesem Falle dem Wert von w entspricht, für welchen der Transformator in seiner Phase eingerichtet ist) nicht mehr durch die unerreichbare Wertgrenze r₂ = O, sondern für bestimmte Werte von r₂ erhält, die bestimmten Werten von r₃ und umgekehrt entsprechen;

c) wenn man, wie vorher, annimmt,

τ ι ι r· 2

L₂ = Z -\- C μ n^
und

L₃ =^ Γ μ Tl₃

(wo F ein von der Form des Stromkreises 3 abhängiger Koeffizient ist) und

Af₁₂ = B μ U₁ n₂,

so hat man, wenn der Transformator für eine Phase eingerichtet ist,

■ r, B μ w. w,

(I -f C μ Ti₂ ²J r₃ -f ffifij² r₂

Damit nun dieser Ausdruck unabhängig

von μ ist, ist es nicht mehr notwendig (wie vorher), daß r₂ sehr klein ist, sondern es

genügt, daß der Ausdruck — ver-

B μ Ti₁ Ti₂

nachlässigt werden kann.

Hieraus folgt, daß das Vorhandensein einer um den Kern gewickelten Hilfswickelung von schwachem Widerstand (welche sogar nur aus einer einzigen im Kurzschluß befindlichen Spule bestehen kann)

I. das Transformationsverhältnis k zwisehen dem Primär- und dem Sekundärstrom weniger abhängig von den Änderungen der Permeabilität des Kernes infolge der veränderlichen Wirkung der Intensität des Primärstromes macht,

2. dies Verhältnis weniger empfindlich bei den Änderungen der Periodenzahl macht,

3. der Sekundärstrom (welcher gewöhnlich in seiner Phase um einen Winkel unter i8o° zu der Primärphase zurück ist) genau um i8o° und, wenn man will, auch um einen Winkel von über i8o°.

Wenn man zuläßt, daß die Foucaultschen Ströme, die in dem Kern wirken, eine genügende Größe annehmen, so kann man zu demselben Resultat wie oben kommen, da das Vorhandensein dieser Ströme die gleiche Wirkung wie eine im Kurzschluß befindliche Wickelung hat. Man gelangt zu diesem Resultat, indem man die Zerteilung des Kernes überhaupt nicht vornimmt oder dieselbe sehr vermindert, was außerdem eine sehr bemerkenswerte Ersparnis in der Konstruktion und in dem verwendeten Material zur Folge hat.

Der Apparat, welcher den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, ist also ein Transformator, welcher konstruiert ist, ohne den Kern zu zerteilen, oder indem man ihn nur so weit als notwendig zerteilt, zum Zweck, eine größere Proportionalität des Sekundärstromes zum Primärstrom zu erhalten, die Abhängigkeit der Periodenzahl zu vermindern und den Phasenunterschied zwischen dem Primär- und dem Sekundärstrom zu regeln.

Wenn man eine magnetische, verhältnismäßig schwache Induktion benutzt, wie es zweckmäßig bei Meßtransformatoren ist, so ist keine außerordentliche Erhitzung zu befürchten.

Zur besseren Erkenntnis der Erfindung ist der neue Transformator in der Zeichnung zur Darstellung gekommen.

Fig. ι ist ein Horizontalschnitt,

Fig. 2 ein Vertikalschnitt.

Diese Figuren zeigen die praktische Form des Transformators mit vollem Kern. Es wird indessen die Erfindung nicht auf diese besondere, in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform beschränkt.

Der Kern wird aus einem Gehäuse 1 von magnetischem Material, das die in den Figuren dargestellte Form hat, und aus einem Deckel 2 gebildet, der gleichfalls aus magnetischem Material besteht und einen Zylinder bezw. ein Prisma 3 trägt, auf welchem die Primäi·- und die Sekundärwickelung 5 und 6, deren Enden an isolierten Klemmen 7 und 8 sitzen, aufgewickelt sind.

In der Figur ist der magnetische Stromkreis geschlossen, da der Teil 1 gegen den Teil 2 gedruckt und der Boden desselben gegen die freie Fläche des Teiles 3 gestützt ist. Man kann jedoch auch einen gewissen Zwischenraum zwischen dem Teil 3 und dem Teil ι lassen, was für bestimmte Fälle nützlich sein kann.

Wenn in der Praxis die Wirkung der Foucault'sehen Ströme eine zu heftige Phasenverschiebung zur Folge hat, ist es genügend, in dem Kern oder in einem Teile desselben Schlitze vorzusehen, die die Verringerung der Parasitenströme bewirken, bis die gewünschte Phasenverschiebung erhalten wird. Die Fig. 3 und 4 zeigen im Schnitt denselben Transformator wie vorher, bei dem jedoch der Kern mit einzelnen Schlitzen 9 versehen ist, die genügen, um die Parasitenströme in bestimmtem Maße zu vermindern.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch :
   Elektrischer Transformator für Meßgeräte u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ungeteilt bezw. nur so viel geteilt ist, daß in ihm noch genügend starke Foucault'sehe Ströme auftreten,- um eine Vergrößerung der Proportionalität zwischen dem Primär- und dem Sekundärstrom, eine Verminderung des Einflusses der Periodenzahl und' eine Regelung der Phase zwischen dem Primär- und Sekundärstrom herbeizuführen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.