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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Parallel- oder Zusammenschalten
von Spannungsquellen bzw. auf eine Einrichtung zum Verbinden von
mehreren Wechselspannungsquellen mit einer gemeinsamen Last.
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Bekannt
sind Prüf-
und Messeinrichtungen mit hoher Ausgangsleistung, beispielsweise
mit einer Ausgangsleistung im Bereich von 30 KW oder höher, die
an wenigstens zwei Ausgängen,
bevorzugt aber an wenigstens drei phasenverschobene, beispielsweise
bei drei Ausgängen
um 120° phasenverschobene
Wechselspannungen liefern, die zum Prüfen von elektrischen Prüflingen,
d. h. beispielsweise von elektrischen Einheiten, Motoren, Anlagen,
Bauteilen oder Netzen oder Netzwerken usw., z. B. zur Nachbildung
eines mit Störspannungen
beaufschlagten Dreiphasen-Versorgungsnetzes mit entsprechenden Spannungen
oder Signalen modulierbar oder beaufschlagbar sind. Die Spannungen
an den Ausgängen einer
derartigen Prüf-
oder Messeinheit (auch Prüf- oder
Messverstärker)
sind hinsichtlich ihrer Frequenz und Phasenlage stabilisiert, wobei
die Frequenz oder Grundfrequenz der Ausgangssignale für Prüf- und Messzwecke
auch in wenigstens einem bestimmten Frequenzbereich verändert werden
kann, beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 50 – und 600
Hz.
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Vielfach
besteht nun der Wunsch, beispielsweise die Strom- oder Spannungsausgänge einer derartigen
Hochleistungsprüf-
und Messeinheit oder aber andere Spannungsquellen parallel- oder
zusammenzuschalten, um so eine an mehreren Spannungsquellen anliegende
gemeinsame Last, beispielsweise einem Prüfling mit einer Leistung zu
betreiben, die gleich oder aber etwa gleich der Summe der Nennleistungen
der einzelnen Spannungsquellen ist. Ein grundsätzliches Problem besteht hierbei
darin, dass beispielsweise die Amplitude der einzelnen Spannungsquellen
unterschiedlich oder nicht absolut gleich ist, sodass sich hierdurch
bei einem einfachen Zusammenschalten der Spannungsquellen Ausgleichsströme, insbesondere
auch in die Spannungsquellen mit niedrigerer Amplitude zurückfließende Ausgleichs-
oder Rückströme ergeben
würden,
was vielfach nicht zulässig
ist und/oder dazu führt,
dass die angestrebte Leistung an der gemeinsamen Last nicht erreicht
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Einrichtung aufzuzeigen, die ein Parallel-
oder Zusammenschalten von Wechselstrom- oder Wechselspannungsquellen
ermöglicht,
und zwar ohne die vorgenannten Nachteile. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine
Einrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Eine
Prüfanlage
mit einer derartigen Einrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs
12.
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Im
einfachsten Fall besteht die erfindungsgemäße Einrichtung aus wenigstens
einem Transformator mit wenigstens zwei Teilwicklungen, die über einen
gemeinsamen Wicklungsanschluss in Serie miteinander verbunden sind
und deren Übersetzungs-
bzw. Windungsverhältnis
dem Verhältnis
der Stromaufteilung zwischen den an die freien Anschlüsse der
Teilwicklungen angeschlossenen Spannungsquellen entspricht. Die
Teilwicklungen des wenigstens einen Transformators sind so ausgebildet und
angeordnet, dass bei einem Stromfluss durch eine Teilwicklung in
einer Richtung, beispielsweise von dem freien Wicklungsanschluss
dieser Wicklung an den die Teilwicklungen verbindenden gemeinsamen
Wicklungsanschluss, in der anderen Teilwicklung ein entgegen gesetzter
Stromfluss, d. h. ein Stromfluss von dem gemeinsamen Wicklungsanschluss
an den freien Anschluss dieser Wicklung induziert wird.
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Die
an der Last anliegende Ausgangsspannung entspricht bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
bezüglich
der Amplitude etwa der mittleren Amplitude der Spannungen der Spannungsquellen
und hinsichtlich der Phasenlage etwa der mittleren Phasenlage der
Spannungen der Spannungsquellen.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Mess- und Prüfeinheit in Form eines Leistungs-Verstärkers zur
Erzeugung einer Zweiphasenwechselspannung an zwei Ausgängen;
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2 in
schematischer Darstellung eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer Last an beiden Ausgängen
der Prüf-
und Messeinheit der 1;
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3 in
vereinfachter Darstellung des Zeigerdiagramm der Spannungen u2.1
und u2.2 an den beiden Ausgängen
der Prüf-
und Messeinheit sowie die Spannung uL an der gemeinsamen Last;
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4 und 5 Darstellungen ähnlich den 1 und 2 bei
einer Dreiphasenprüf-
und Messeinheit (Drehstromeinheit).
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In
der Figur ist 1 eine Prüf-
und Messeinheit in Form eines Leistungsverstärkers für eine hohe Ausgangsleistung
beispielsweise in der Größenordnung
von 30 kW oder größer. Die
Prüf- und
Messeinheit 1 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform zwei
Ausgangsstufen, die an ihren Ausgängen 2 bzw. 3 jeweils
eine Ausgangswechselspannung u2.1 bzw. u2.2 liefern, deren Frequenz
oder Grundfrequenz beispielsweise in einem für die jeweiligen Prüf- und Messzwecke
einstellbar ist, beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 600 Hz.
Durch entsprechende Ansteuerung der Prüf- und Messeinheit 1 bzw.
deren Verstärkerstufen
sind die Spannungen u2.1 und u2.2 für Prüf- und Messzwecke mit entsprechenden
Spannungen oder Signalen modulierbar oder mit zusätzlichen
Spannungen beaufschlagbar. Die Prüf- und Messeinheit 1 dient
zum Prüfen
von elektrischen Prüflingen
im weitesten Sinne, d. h. z. B. zum Prüfen von elektrischen Einheiten,
Geräten,
Anlagen, Maschinen, Netzen, Netzwerken, beispielsweise auch im Bezug
auf ihr Verhalten bei einer mit Störimpulsen oder Störspannungen
beaufschlagen Wechsel- oder Netzspannung usw.
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In
der dargestellten Form kann die Prüf- und Messeinheit 1 beispielsweise
für eine
Zweiphasen-Prüfung
verwendet werden.
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Vielfach
ist es erwünscht,
für eine
Einphasenprüfung
mit erhöhter
Leistung den jeweiligen Prüfling,
der in der 2 als Last L schematisch dargestellt
ist, über
beide Ausgänge 2 und 3 gemeinsam zu
betreiben, um so die volle Nennleistung der Prüf- und Messeinheit 1,
d. h. die Leistung beider Ausgänge 2 und 3 bzw.
der diese Ausgänge
bildenden Endstufen in Summe nutzen zu können. Für diesen Zweck dient die in
der 2 dargestellte Schaltungsanordnung 3,
die im Wesentlichen aus einem Transformator 4 mit einer
Wicklung 5 besteht, die beidseitig von einem gemeinsamen
Wicklungsanschluss oder Anzapf 6 zwei Einzelwicklungen 5.1 und 5.2 bildet.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist die Windungszahl W5.1 und W5.2 der beiden Einzelwicklungen 5.1 bzw. 5.2 gleich.
Der Prüfling
bzw. die gemeinsame Last L, die wiederum ein elektrisches Gerät, eine
elektrische Maschine, eine elektrische Anlage, ein elektrisches
Netz- oder Netzwerk usw. oder aber eine Vielzahl von elektrischen
Einzelkomponenten ist, ist zwischen dem Wicklungsanzapf 6 und
einem gemeinsamen Leiter 7 angeschlossen, der der einfachen
Darstellung wegen als Massepotential angegeben ist. Die beiden Ausgänge 2 und 3 sind
jeweils an ein Ende 8 bzw. 9 der Teilwickung 5.1 bzw. 5.2 angeschlossen,
wie dies in der 3 mit den Spannungs-Quellen 2 bzw. 3 angedeutet
ist. Für das
Zusammenschalten der Ausgänge 2 und 3 weisen
die Spannungen u2.1 und u2.2 z. B. die gleiche Frequenz oder Grundfrequenz
auf und sind hinsichtlich Frequenz und Phasenlage stabilisiert,
was durch eine Ansteuerung der die Ausgänge 2 und 3 bildenden
Endstufen problemlos erreichbar ist. Nicht oder nur mit einem ganz
erheblichen Aufwand wäre
es möglich,
die Amplitude der Ausgangsspannungen u2.1 und u2.2 zu stabilisieren,
sodass diese Amplituden völlig
gleich sind.
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Wie
in der 3 dargestellt, sind mit der Schaltungsanordnung 3 trotz
unterschiedlicher Amplituden der Spannungen u2.1 und u.2.2 eine
mittlere, an der Last anliegende Spannung uL und ein entsprechender
durch die Last L fließender
Strom möglich,
und zwar ohne dass ein Ausgleichsstrom in den Eingang der Prüf- und Messeinrichtung 1 mit
der kleineren Ausgangsspannung zurückfließt, d. h. bei der für die 3 gewählten Darstellung
ein Ausgleichs- oder Rückstrom
in den Ausgang 2.1 bzw. in die dortige Endstufe.
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Über die
Schaltungsanordnung 3 bzw. über die den Transformator 4 erfolgt
ein Stromausgleich in der Weise, dass beide Ausgänge 2.1 und 2.2 trotz unterschiedlicher
Amplituden ihrer Ausgangsspannungen den gleichen Strom durch die
Last L liefern.
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Die 4 zeigt
in einer Darstellung wie 1 eine Prüf- und Messeinheit 1a,
die als Drehstromeinheit mit drei Ausgängen 2.1–2.3 ausgebildet ist.
Jedem Ausgang 2.1–2.3 ist
wiederum eine Leistungsendstufe zugeordnet, so dass die Prüf- und Messeinheit
an ihren Ausgängen 2.1–2.3 eine
hohe Leistung bereitstellt, beispielsweise eine Leistung von 30
kW oder größer, und
zwar mit einer veränderbaren
Frequenz oder Grundfrequenz, z. B. im Bereich zwischen 50 und 600
Hz. Die Ausgänge 2.1–2.3 sind
weiterhin frequenz- bzw. schwingungsstabil. Die dort bereitgestellten
Ausgangsspannungen u2.1–u2.2
besitzen eine stabile Phasenverschiebung von 120° und sind für Prüf- und Messzwecke mit entsprechenden
Spannungen oder Signalen modulierbaren bzw. beaufschlagbar.
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In
der in der 4 dargestellten Form wird die
Prüf- und
Messeinheit zum Prüfen
von elektrischen Prüflingen,
beispielsweise zum Prüfen
von elektrischen Dreiphasen-Einheiten,
wie z. B. Geräten,
Maschinen, Anlagen, Netzen, Netzwerken usw. verwendet.
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Soll
ein Prüfling
mit der Gesamtnennleistung der Prüf- und Messeinheit 1a,
d. h. mit den Strömen sämtlicher
Ausgänge 2.1–2.3 beaufschlagt
werden, so wird die in der 5 dargestellten
Schaltungsanordnung 3a verwendet. Diese Schaltungsanordnung besteht
aus zwei in „Kaskade” geschalteten
Transformatoren, nämlich
aus dem Transformator 4 mit den Teilwicklungen 5.1 und 5.2 und
dem Wicklungsanzapf 6 sowie aus dem Transformator 10 mit
der Wicklung 11 mit Wicklungsanzapf 12 und den
hierdurch gebildeten Einzelwicklungen 11.1 und 11.2.
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Wie
dargestellt, sind die beiden Ausgänge 2.1 und 2.2 wiederum
an den Transformator 4 bzw. an die Eingänge oder Anschlüsse 8 und 9 angeschlossen,
so dass die Spannungen u2.1 und u2.2 zwischen den Anschlüssen 8 bzw. 9 und
dem gemeinsamen Schaltungspunkt 7, d. h. bei der dargestellten
Ausführungsform
der Schaltungsmasse liegt, die beispielsweise den Sternpunkt der
an den Ausgängen 2.1–2.3 anliegenden
Dreiphasenspannungen ist. Der Wicklungsanzapf 6 des Transformators 4 ist
mit der Einzelwicklung 11.1 bzw. mit dem Anschluss 13 dieser
Einzelwicklung verbunden. Der Ausgang 2.3 ist mit dem Anschluss 14 verbunden,
so dass die Spannung u2.3 zwischen dem Anschluss 13 und
dem Schaltungspunkt 7 anliegt.
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Auch
für die
Mess- und Prüfeinheit 1a gilt, dass
die Stabilität
der Frequenz und Phasenlage für die
Ausgänge 2.1 und 2.3 durch
entsprechende Ansteuerung der diese Ausgänge bildenden Endstufen problemlos
möglich
ist, eine Stabilisierung der Amplituden der Spannungen u2.1–u2.2, insbesondere auch
in der Form, dass die Ausgangssignale ständig gleiche Amplitude aufweisen,
allenfalls nur mit einem erheblichen, wirtschaftlich in der Regel
nicht vertretbaren Aufwand möglich
ist. Die Schalungsanordnung 3a gestattet wiederum das Zusammenschalten
der Ausgänge 2.1–2.3 auf
die gemeinsame Last L, ohne dass Ausgleichs- oder Rückströme in diejenigen Ausgänge der
Mess- und Prüfeinheit 1a auftreten,
an denen Ausgangsspannungen mit kleinerer Amplitude anliegen. Der
Transformator 4 ist in der im Zusammenhang mit der 2 beschriebenen
Weise ausgebildet, d. h. die Anzahl der Windungen der Teilwicklungen
W5.1 und W5.2 ist identisch. Bei dem Transformator 10 ist
die Windungszahl W11.1 und W11.2 unterschiedlich, und zwar derart,
dass die Anzahl der Windungen W11.2 der Teilwicklung 11.2 doppelt
so groß ist
wie die Anzahl der Windungen W11.1 der Teilwicklung 11.
Durch die Transformatoren 4 und 10 bzw. durch
das Windungsverhältnis
der Teilwicklungen 5.1/5.2 (W5.1/W5.2 = Eins)
bzw. der Teilwicklungen 11.1/11.2 (W11.1/W11.2
= Eins/Zwei) wird trotz unterschiedlicher Amplituden der Ausgangsspannungen
u2.1–u.2.3
erreicht, dass die von diesen Ausgängen gelieferten Ströme identisch
sind.
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Zur
Vermeidung von Gleichströmen
kann es erforderlich sein, an wenigstens einem freien Wicklungsanschluss 8, 9 oder 14 einen
Kondensator entsprechender Größe vorzusehen,
wie dies in der 2 mit dem Kondensator 15 angedeutet
ist.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke
verlassen wird.
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So
wurde vorstehend davon ausgegangen, dass das Windungsverhältnis W5.1/W5.2
des Transformators 4 Eins bzw. das Windungsverhältnis W11.1/W11.2
des Transformators 10 Eins/Zwei ist, um eine gleichmäßige Stromverteilung
auf die Spannungsquellen zu erreichen. Selbstverständlich sind bei
einer hiervon abweichenden Stromverteilung auch entsprechend angepasste
von Eins bzw. Eins/Zwei abweichende Windungsverhältnis möglich.
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- 1,
1a
- Prüf- und Messeinheit
bzw. Prüf-
und Messverstärker
- 2.1–2.3
- Leistungsausgang
- 3,
3a
- Schaltungsanordnung
- 4
- Transformator
- 5
- Transformatorwicklung
- 5.1,
5.2
- Teilwicklung
- 6
- Wicklungsanzapf
- 7
- gemeinsamer
Schaltungspunkt
- 8,
9
- Anschluss
- 10
- Transformator
- 11
- Transformatorwicklung
- 11.1,
11.2
- Teilwicklung
- 12
- Wicklungsanzapf
- 13,
14
- Anschluss
- 15
- Kondensator