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Anordnung zur Leistungssteuerung von Gleichstromverbrauchern, welche
aus einem Wechselspannungsnetz über magnetisierbare Drosseln gespeist werden Die
Erfindung betrifft Anordnungen zur Leistungssteuerung von Gleichstromverbrauchern,
welche aus einem Wechselspannungsnetz über Gleichrichter und rnagnetisierbare Drosseln
in der Weise gespeist werclen, daß der Sättigungswinkel des Riicklauf-Magnetverstärkers
verändert werden kann.
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Um die zur Sättigungswinkelsteuerung notwendiben Flußänderungen zu
erzielen, wird das Verhältnis zwischen Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsstrom
innerhalb der Wicklung beeinflußt, Bei liochpermeabl-en Werkstoffen mit großer Restinduktion
und geringer Koerzitivkraft, s.ogenannten weichmagnetischen Werkstoffen für den
Kern der Drosseln, ist die Hystereseschle.ife praktisch rechteckig und schneidet
die B- bzw. d5-Achse nahezu waagerecht, so daß der Magnetisiertingszweig (Aufmagnetisierungszweig)
trotz der geringen Ka@erzitivkraft, d. h. der zur Geringhaltung der Ummagnetisierungsverluste
an sieh schmalen Hystereseschleife völlig im ersten und vierten OOuadranten verläuft
und entsprechend der Entmagne:ti sieg ungszweg der Hysteres;-schleife im zweiten
und dritten Quadranten verläuft. Der Magnetisierungsstrom hat demnach bis zur völligen
Sättigung bzw. Ents.ättigung verschiedene Vorzeichen, je nachdem, ob es sich um
Aufinagnetisierung oder Entmagnetisierung handelt. Es ist daher möglich, die Strompfade
für beide Magnetisierungsrichtungen mit bekannten Mitteln --- Sperrzellen, Trockengleichrichter
- zu trennen und, beispielsweise durch zusätzlichen Widerstand oder eine entgegengerichtete
Gleielispannung im Pfade des Entmagnetisierungsstromes, eine Unsymmetrie zwischen
Magnetisierting und Entmagnetisierung hervorzurufen, was bei geeigneter Dimensionierung
der Wicklung gleichbedeutend mit einer Sättigungswinkelsteuerung ist.
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Ein Rücklauf-Magnetverstärker, beispielsweise eine niagnctisierbare
Drossel mit luftspaltlosem Ringkern aus weichmagnetischem Werkstoff, nur einer Wicklung
und reit zusätzlichen Schaltelementen zur direkten Steuerung der Abmagnetisierung
ist daher eine 1?inriclitung, welche es gestattet, einen Verbraucher finit gesteuertem
pulsierendem Gleichstrom zu versorgen. Er bat den Vorteil einer bei magnetischen
@rerstärhern sonst nicht üblichen Ansprechzeit von höchstens einer vollen Periode
der speisenden Wechselspannung. Allerdings muß die Steuerspannung in derselheii
Größenordnung wie die speisende Wechselspannung sein. Die Steuersteilheit ist demnach
1 : 1.
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Wendet- man zur Vergrößerung der Steilheit eine mehrstufige magnetische
Verstärkung an, geht der Vorteil der geringen Ansprechzeit verloren, oder
es müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, bei-.sPielsiveise eine Erhöhung
der Frequenz der speisen-(feil wechselspannung. Bei Anlagen zur Leistungssteuerung
von Gleichstromverbrauchern, speziell der Steuerung von Gleichstrommaschinen, welche
aus einem Wechselspannungsnetz gespeist werden, muß unbedingt die Zeitkonstante
hinreichend klein sein. Deshalb wurden bisher die Regelantriebe fast ausschließlich
mit elektronischen Steuerungen hergestellt, da nur Elektronen- bzw. Innenröhren
praktisch trägheitslos zu arbeiten imstande sind. Die üblichen Magnetverstärker
sind zu träge. Eine Ausnahme bildet der schnell ansprechende Rücklauf-Magnetverstärker,
welcher aber nur in der Form des einstufigen Verstärkers diesen Vorteil hat-Die
Güteziffer des Transduktors ist bekanntlich gleich dem Quotienten aus der Verstärkung
firn Zähler und dem Produkt aus Zeitkonstante und Frequenz im Nenner. Sie kann wegen
der Werkstoffeigenschaften des Kernmaterials nicht beliebig erhöht werden und muß
daher für die folgende Betrachtung als vorgegeben angenommen werden. Da bei der
Leistungssteuerung von Verbrauchern, wie z. B. Motoren, die Ausgangsleistung des
Malnetverstärl-,ers beträchtlich sein muß, aber der Aufwand zur Steuerung des Verstärkers
aus begreiflichen Gründen möglichst klein sein sollte; wird eine hohe Verstärkung
gefordert. Für die mit einem bestimmten Werkstoff erreichbare Güteziffer bedeutet
aber eine hohe Verstärkung bei gegebener Frequenz (Netzfrequenz des speisenden Drehstromnetzes)
auch eine erhebliche Vergrößerung der Zeitkonstante. Bei hochwertigen Antrieben
muß jedoch die Zeitkonstante sehr klein sein, um allen Anforderungen an die Genauigkeit
der Regelung gerecht zu werden.
Eine der bekannten Möglichkeiten
zur Verkleinerung der Ansprechzeit bei Magnetverstärkern besteht in der Erhöhung
der speisenden Frequenz. Dieser Weg ist für die Leistungssteuerung von Gleichstromz
erbrauchern wie Motoren nicht gangbar, da die Netzfrequenz festliegt. Die Anwendung
von mehrstufigen Magnetverstärkern mit der geforderten hohen Verstärkung bringt
aber zwangläufig die Vergrößerung der Ansprechzeit, ist also für diesen Zweck ebenfalls
nicht möglich.
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Man gibt infolgedessen für Anwendungen in Anordnungen, wo es auf kleine
Zeitkonstanten und geringe Ansprechzeit ankommt, beispielsweise für Motorsteuerungen,
welche auf Einhaltung bestimmter Betriebswerte, die ihrerseits unter Umständen wieder
ein Produkt veränderlicher Faktoren sein können, elektronischen Ausführungen wegen
der praktischen Trägheitslosigkeit den Vorzug. Elektronische Anordnungen verwenden
bekanntlich steuerbare Entladungsgefäße, von denen insbesondere die teuren Leistungsröhren
eine begrenzte Lebensdauer haben. Demgegenüber sind, abgesehen von der Frage der
Zeitkonstanten, Transduktoren mit ihrem transformatorähnlichen Aufbau durch ihre
Robustheit und praktisch unbegrenzte Lebensdauer überlegen.
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Es ist ein Rücklauf-Magnetverstärker bekanntgeworden, bei welchem
die Abmagnetisierung mittels Transistoren gesteuert wird. Die erzielte Ausgangsleistung
ist wegen der mit Transistoren beherrschbaren, nur geringen Magnetisierungsströme
naturgemäß klein und für Zwecke der Leistungssteuerung von Verbrauchern wie Motoren
nicht brauchbar.
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Es besteht die Aufgabe, in Anordnungen zur Leistungssteuerung nach
Möglichkeit magnetisierbare Drosseln mit direkter Steuerung der Abmagnetisierung
zu verwenden, ohne auf die Annehmlichkeiten kleiner Zeitkonstante verzichten zu
müssen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im jeweils
über Schaltgleichrichter abwechselnd eingeschalteten gemeinsamen Teil des Abmagnetisierungspfades
des Rücklauf-Magnetverstärkers eine steuerbare Elektronen- oder Ionenröhre in der
Weise angeordnet ist, daß der Spannungsabfall in der Röhre durch Einfügen einer
zusätzlichen Spannung in die Anodenleitung kompensiert wird.
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Die Anordnung zur Leistungssteuerung von Gleichstromverbrauchern,
welche aus einem Wechselspannungsnetz über Gleichrichter und magnetisierbare Drosseln
in der Weise gespeist werden, daß der Sättigungswinkel des Rücklauf-Magnetverstärkers
verändert werden kann, wird in einen elektronischen Steuerkreis und eine transduktorische
Leistungsstufe aufgeteilt. Diese Trennung in elektronischen Steuerkreis und transduktorische
Leistungsstufe ist mÖglich, weil auch bei großen Ausgangsleistungen der Steuerdrossel,
z. B. 1 kW und mehr, der Magnetis.ierungsstrom bzw. Entmagnetisierungsstrom in der
Größenordnung von einigen mA liegt und daher durch eine Hochvakuumröhre bzw. durch
eine kleine Gasentladungsröhre beherrschbar ist. Da diese Röhre im wesentlichen
als gesteuerter Gleichrichter arbeitet, sind im allgemeinen außer der Heizspannung
für die Kathode keinerlei weitere Hilfsspannungen erforderlich. Röhren für die im
Stromkreis auftretenden kleinen Leistungen sind billig und haben im allgemeinen
eine größere Lebensdauer als hochbeanspruchte.
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Aber auch im voll geöffneten, d. h. leitenden Zustand hat eine Hochvakuumröhre
einen nicht zu vernachläßigenden Innenwiderstand, der eine . völlige Symmetrie zwischen
Auf- und Abmagnetisierung verhindert, d. h. eine restlose Sperrung der Drossel unmöglich
macht. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung wird deshalb der Spannungsahfall
in der Röhre durch eine zusätzliche Spannung kompensiert, für welche sich eine Wechselspannung
bzw. pulsierende Gleichspannung als geeignet erwiesen hat, die zweckmäßig einstellbar,
an einem Widerstand abgegriffen wird.
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An Hand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.
Die Abbildung zeigt ein stark vereinfachtes Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Anordnung, die zur Versorgung eines Gleichstromverbrauchers aus einem Wechselstromnetz
über eine gesteuerte Doppelweggleichrichterschaltung dient. Der Gleichstromverbraucher
1 liegt einpolig an der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Leistungstransformators
2, deren äußere Wicklungsanschlüsse zu Ringkerndrosseln 3 bzw. 4 führen. Mitteis
der Sperrzellen 5, 6, 7 und 8 (Trockengleichrichter) werden die Strompfade für die
Aufmagnetisierung und die Abmagnetisierung voneinander getrennt. Der Aufmagnetisierungspfad
schließt sich für die linke Wicklungshälfte (ungerade Bezugszeichen) des Transformators
2 über den Trockengleichrichter 5, so daß der. Strom nur in Richtung: linker Wiclaungsäüsc@Ti
ü -Ringkerndrossel 3-Trockengleichrichter 5-Gleichstromverbraucher 1-Mittelanzapfung,
fließen kann. Entsprechend gilt für die rechte Wicklungshälfte (gerade Bezugszeichen)
die Stromrichtung: rechter Wicklungsanschluß -Ringkerndrossel 4-Trockengleichrichter
6-Gleichstromverbraucher 1-Mittelanzapfung. Es sind also die dem Transformator 2
abgewandten Anschlüsse der Ringkerndrosseln 3 und 4 über so in Reihe gegeneinander
geschaltete Trockengleichrichter 5-und 6, welche für die volle Leistung ausgelegt
sein müssen, verbunden, daß (ohne die weiteren Schaltelemente und Berücksichtigung
des Einflusses der Induktivitäten 3 und 4) für den zwischen die zusammengeschlossenen
kathodenseitigen Enden der Trockengleichrichter 5 und 6 und die Bitte der Sekundärwicklung
des Transformators 2 geschalteten Gleichstromverbraucher 1 eine Doppelweggleichrichterschaltung
entsteht.
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. Die Gleiehrichterschaltung wird steuerbar durch die Steuerung der
Abmagneti-sierung der Drosseln in einem getrennten Strompfad mit Hilfe einer Entladungsröhre.
Die dem Transformator 2 abgewandten Anschlüsse der Ringkerndrosseln 3 und 4 sind
zur Bildung des Strompfades für die Abmagnetisierung weiterhin über zwei in Reihe
gegeneinander geschaltete Sperrzellen 7 und 8 mit entgegengesetzter Polarität verbunden.
Die Sperrzellen 7 und 8 brauchen nur für den Entmagnetisierungsstrom bemessen zu
sein. Ihre Kathoden sind an. die zugehörigen Drosseln angeschlossen, die zusammengeschalteten
Anoden sind mit der Kathode der steuernden Elektronenröhre 9 verbunden, deren Anode
an die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 2 angeschlossen ist bzw. an
den Abgriff eines parallel zum Gleichstromverbraucher 1 liegenden und diesem gegenüber
hochohmigen Spannungsteilers 10.
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Für die Betrachtung der Arbeitsweise der Schadtüng sei zunächst der
Abgriff des Spannungsteilers 10 an die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators
2 gelegt. Die speisende Wechselspannung soll im Augenblick so polarisiert sein,
daß das linke Wicklungsende der Sekundärwicklung des Transformators 2 .positiv ist.
Dann wird die Ringkerndrossel 3 aufmagnetisiert bzw. der Gleichstromverbraucher
1
über den Trockengleichrichter 5 gespeist, während die Ringkerndrossel4
je nach dem Aussteuerungsgrad der Elektronenröhre 9 über die Sperrzelle 8 entmagnetisiert
wird. Für die rechte Wicklungshälfte ist dann der Stromverlauf: Mittelanzapfun g-Elektronenröhre
9-Sperrzelle 8-Ringkerndrossel 4-rechter Wicklungsanschluß. Die Sperrzelle 7 und
der Trockengleichrichter 6 sind gesperrt und verriegeln die vermaschten Kreise gegeneinander.
Der Grad der Entmagneti.sierung hängt von der Leitfähigkeit der Elektronenröhre
9 ab, in deren Gitter-Kathoden-Kreis über die Anschlüsse 11 eine geeignete Steuerspannung
zur Wirkung gebracht wird.
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Da die Leitfähigkeit der Elektronenröhre 9 nie unendlich groß werden
kann, könnte mit dieser Schaltung (Anode der Röhre 9 direkt an der Mittelanzapfung)
auch niemals eine völlige Symmetrie zwischen Auf- und Abmagnetisierung und damit
Sperrung der Ringkerndrosseln erreicht werden. Deshalb wird mittels des Spannungsteilers
10 eine Kompensationsspannung in den Strompfad für die Abmagnetisierung eingeschleust,
welche den Spannungsabfall infolge des endlichen Innenwiderstandes der Elektronenröhre
9 ausgleicht. Da diese Kompensationsspannung die speisende Spannung der gerade im
Abmagnetisierungspfad liegendenWicklungshälfte der Sekundärwicklung des Transformators
2 um den inneren Spannungsabfall der Röhre 9 vergrößern muß, wird eine entsprechende
Ausgleichsspannung am Spannungsteiler 10 abgegriffen, welcher immer im jeweiligen
Aufmagnetisierungsstrompfad liegt, und zur speisenden Spannung im Abmagnetisierungspfad
zwischen Mittelanzapfung und Anode der Elektronenröhre 9zugefügt.
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Für eine Halbwelle der speisenden Spannung mit anderer Polarität -
rechtes Wicklungsende positiv -gilt das beschriebene Betriebsverhalten sinngemäß.
Die Speisung des Gleichstromverbrauchers 1 geschieht jetzt durch die rechte Wicklungshälfte
über die Ringkerndrossel 4 und den Trockengleichrichter 6 und die Abmagnetisierung
der Ringkerndrossel 3 erfolgt mittels der gesteuerten Elektronenröhre 9 über die
Sperrzelle 7. Es sperren jetzt der Trockengleichrichters und die Sperrzelle 8, während
die Kompensationsspannung weiterhin am Spannungsteiler 10 abgegriffen wird, der
jetzt im Kreise der Aufmagnetisierung der Ringkerndrossel4 liegt, welche von der
rechten Wicklungshälfte gespeist wird.
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Es ist grundsätzlich möglich, auch Ionenröhren für Steuerzwecke der
Abmagnetisierung von Ringkerndrosseln zu verwenden. Unter Umständen kann in diesen
Fällen auf eine Kompensationsspannung verzichtet werden, wenn der an sich geringe,
praktisch konstante Brennspannungsabfall der Röhre gegenüber der speisenden Spannung
zu vernachlässigen ist. Sonst muß als Kompensationsspannung in diesem Falle eine
Gleichspannung in die Anodenleitung eingefügt werden.
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Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist die Aufteilung der Anordnung
in eine transduktorische Leistungsstufe und eine elektronische Steuereinrichtung.
Nur so bleibt die geringe Ansprechzeit der Drosseln erhalten, und die aufzuwendende
Steuerspannung ist je nach dem Verstärkungsgrad der elektronischen Schaltung entsprechend
kleiner als der Spitzenwert der speisenden Wechselspannung.