DE1057651B - Magnetverstaerker - Google Patents

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Die Erfindung betrifft einen Magnetverstärker mit wenigstens einem sättigbaren Magnetkern, einer Lastwicklung und einer auf dem gleichen Kern angeordneten Steuerwicklung, bei dem eine Wechselstromquelle über die Lastwicklung und über eine Gleichrichteranordnung mit einem Verbraucher verbunden ist, der bei Erregung gegenelektromotorische Kräfte erzeugt.

Magnetverstärker mit sättigbaren Reaktanzen finden in der Technik weitgehend Anwendung als Ergänzung oder Ersatz für elektronische Verstärker und rotierende Regler. Mittels der Steuerwicklung kann die Sättigung des Magnetkerns beeinflußt werden, wodurch die Impedanz der Lastwicklung und die dem Verbraucher zugeführte Leistung gesteuert wird.

Die zuvor erwähnte besondere Art von Magnetverstärkern, bei denen der über die Lastwicklung fließende Strom dem Verbraucher über Gleichrichter zugeführt wird, besitzt den Vorteil, daß in der Lastwicklung ein Gleichstrom fließt, der zur Sättigung des Magnetkerns mit beiträgt. Es entsteht dadurch eine Art Rückkopplung, durch die die Steuerwirkung vergrößert wird.

Bei bisher bekannten Magnetverstärkern dieser Art ergab sich zwar ein zufriedenstellender Betrieb bei Verbrauchern, welche aus reinen Wirkwiderständen bestehen oder verhältnismäßig kleine Zeitkonstanten im Verhältnis zur Frequenz der angelegten Wechselspannung besitzen. Sie führen aber zu Schwierigkeiten, wenn die Verbraucher große gegenelektromotorischc Kräfte erzeugen, die nicht sofort verschwinden. Typische Verbraucher, bei welchen diese Schwierigkeit auftritt, sind große Kondensatoren oder motorische Verbraucher, in denen große gegenelektromotorische Kräfte induziert werden, beispielsweise der Anker eines Nebenschlußgleichstrommotors. AVenn solche Verbraucher mit Magnetverstärkern der oben beschriebenen Art verbunden werden, ergeben sich zahlreiche Nachteile, insbesondere eine Verkleinerung des Aussteuerbereichs, instabiler Betrieb, Schwingungen, anomal langsame Einschwingvorgänge und Nichtlinearitäten in den Betriebskennlinien.

Das Ziel der Erfindung liegt daher in der Schaffung eines Magnetverstärkers, der sich besonders für den Betrieb mit Verbrauchern eignet, welche gegenelektromotorische Kräfte erzeugen, ohne daß die zuvor beschriebenen Nachteile auftreten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Hilfsverbraucher parallel zu dem Verbraucher an die Lastwicklung über eine zweite Gleichrichteranordnung, die in der gleichen Richtung wie die erste Glcichrichteranordnung gepolt ist, angeschlossen Magnetverstärker

Anmelder:

General Electric Company,
Sdienectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,
Patentanwälte, München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Oktober 1956

Fred William Kelley jun., Melrose, Mass.,
und Clifford Myron Siegel, Charlottesville, Va.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

ist und daß der Wirkwiderstand des Hilfsverbrauchers groß gegen die Impedanz des Verbrauchers ist.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung beruht darauf, daß dann, wenn der Augenblickswert der dem Verbraucher zugeführten Wechselspannungshalbwelle unter den Wert der am Verbraucher, bestehenden Gegen-EMK sinkt, über den Hilfsverbraucher noch ein Strom fließen kann, der eine Vormagnetisierung des Magnetkerns bewirkt. Da dieser Hilfsverbraucher nur den Magnetisierungsstrom zu führen braucht, kann sein Widerstand verhältnismäßig groß sein, so daß die aufgewendete Mehrleistung entsprechend gering ist.

Die Magnetisierungsstromkomponente der Wechselstromausgangswicklung ist bei jedem Magnetverstärker der Strom, welcher durch die Lastwicklungen (und damit durch den Verbraucher) fließt, wenn der zugehörige Magnetkern ungesättigt ist, und er wird bestimmt durch die Wicklungsparameter, z. B. die Windungszahl, die Drahtabmessungen u. dgl. sowie die magnetischen und physikalischen Eigenschaften des zugehörigen magnetischen Kernmaterials.

Beispielsweise Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Magnetverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Betriebskennlinien ohne und mit Anwendung der Erfindung,

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Fig. 3 ein Diagramm der Spannungen, welche in einem Magnetverstärker auftreten, der einem Verbraucher Leistung zuführt, in welchem große gegenelektromotorische Kräfte erzeugt werden,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild eines Dreiphasenmagnetverstärkers mit dem erfindungsgemäßen Hilfsverbraucherstromkreis,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines mit Halbweggleichrichtung arbeitenden Magnetverstärkers und

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines Einphasenmagnetverstärkers mit Graetzschaltung, der zur Versorgung eines Gleichstromnebenschlußmotors dient.

Der in Fig. 1 dargestellte Einphasenstromkreis eines Magnetverstärkers, der mit Zweiweggleichrichtung und Mittelanzapfung arbeitet, weist die üblichen sättigbaren Magnetkerne 1 und 2 auf, welche Lastwicklungen 3 und 4 sowie eine gemeinsame Steuerwicklung 5 tragen. Die Steuerwicklung wird von einer Gleichstromquelle 6 gespeist, welche in Serie mit einem einstellbaren Steuerwiderstand 7 geschaltet ist. Jede der Lastwicklungen 3 und 4 ist mit je einem der beiden Enden einer Sekundärwicklung 8 eines Wechselstrom-Eingangstransformators 9 verbunden, während die andere Klemme jeder Lastwicklung mit einem Verbraucher 10 über je. einen Stromgleichrichter 11 bzw. 12 verbunden ist. Die Rückführung vom Verbraucher 10 erfolgt zur Mittelanzapfung 13 der' Sekundärwicklung des Transformators.

Wenn der Verbraucher 10 ein reiner Wirkwiderstand wäre, so würde der Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Durchflutung der Steuerwicklung im wesentlichen der Kurve 14 von Fig. 2 entsprechen. Diese Kennlinie wird bei einem Magnetverstärker erzielt, an dessen Eingang ..eine bestimmte Wechselspannung liegt, wobei die Ausgangsspannungen auf der Ordinate und die Durchflutung der Steuerwicklung auf der Abszisse aufgetragen sind. Wenn der Steuerwicklung 5 keine Gleichspannung zugeführt wird, liegt die Ausgangsspannung des Verstärkers in der Nähe ihres größten Wertes, und wenn der Steuerstrom in den negativen Bereich vergrößert wird, nimmt die Ausgangsspannung bis zu einem Minimum an einer Stelle 15 ab, welche einem bestimmten negativen Strom entspricht. Man erhält somit einen verhältnismäßig großen Bereich des Steuerstroms, in dem eine genaue Steuerung der dem Verbraucher zugeführten Leistung erreicht wird. Wenn jedoch der Verbraucher eine große gegenelektromotorische Kraft erzeugt, wird die Verstärkerkennlinie durch diese Gegen-EMK beeinflußt, und sie nimmt etwa den bei 16 angedeuteten Verlauf an. Ein solcher Verbraucher ist in dem Beispiel von Fig. 1 durch einen großen Kondensator 17 parallel zu einem Widerstand 18 dargestellt. Das Spannungsniveau 19 in Fig. 2 stellt die Gegen-EMK dar, die sich unter bestimmten Bedingungen an dem kapazitiven Verbraucher 10 aufbaut, und es ist zu bemerken, daß die Durchflutung der Steuerwicklung (welche, in bestimmtem Verhältnis zum Strom in der Steuerwicklung einer bestimmten Reaktanz stehen) nicht nur andere Ausgangsleistungen liefern als die bei einem reinen Wirkwiderstandsverbraucher erhaltenen, sondern daß auch eine Steuerung nur über einen sehr viel kleineren Bereich erzielt wird, wie aus der Lage des Minimums 20 auf der Kurve 16 zu erkennen ist. Wenn der Steuerstrom noch stärker in dem negativen Bereich verstärkt wird, um die negative Durchflutung über den Wert zu erhöhen, welcher an der Stelle 20 besteht, dann ergeben sich wieder Ausgangsspannungen, die solchen bei weniger negativen Werten gleich sind, so daß der Betrieb des Systems nicht vorhersehbar ist. Diese Erscheinung wird noch dadurch komplizierter, daß eine ganze Kurvenschar in Art der Kurve 16 auftritt, deren Verlauf von den Gegen-EMKs abhängt, welche am Verbraucher auftreten, so daß der Betrieb des Verstärkers in untragbarer Weise instabil wird.

Diese Erscheinung wird an Hand des Diagramms

ίο von Fig. 3 verständlicher. In diesem ist eine Halbperiode der Eingangswechselspannung, die den Lastwicklungen 3 oder 4 aufgedrückt wird, durch die Kurve 21 dargestellt, während bei 22 der Pegel der gegenelektromotorischen Kraft des Verbrauchers ge-

^X5 zeigt ist, welcher vorübergehend größer als der Spannungspegel 23 ist, bei welchem die Sättigung des Magnetmatcrials eintritt. Der schraffierte Abschnitt 24 ist derjenige Teil der Halbperiode der Speisespannung, in dem dem Verbraucher normalerweise ein großer Strom zugeführt würde, falls keine Gegen-EMK vorhanden wäre. Wenn unter diesen Bedingungen die Gegen-EMK im Zeitpunkt des Beginns der Sättigung größer als die Speisespannung ist, kann dem Verbraucher kein Strom zugeführt werden.

Dagegen fließt der Magnetisierungsstrom . durch die Lastwicklung während der Zeit, in welcher die Speisespannung größer als die Gegen-EMK ist, und dieser Strom verhindert ein rasches Abnehmen der Gegen-EMK. Wenn ferner der Steuerstrom noch mehr ins Negative verstärkt wird, um die Ausgangsleistung des Verstärkers in der in Fig. 2 gezeigten Weise zu erhöhen, wird die Gegen-EMK in noch stärkerem Maß aufrechterhalten. Eine Gegen-EMK mit dem Pegel 23 von Fig. 3 oder dicht unter diesem Pegel ergibt einen stationären Zustand, bei welchem eine genaue Steuerung ebenfalls unmöglich ist.

Zur Vermeidung der geschilderten Schwierigkeiten wird bei der Schaltung von Fig. 1 eine zusätzliche Schaltungsanordnung 25 eingeführt, welche als »Hilfsverbraucherkreis« bezeichnet wird und bewirkt, daß ■ dieser Magnetverstärker so arbeitet, als ob er nicht einen eine Gegen-EMK erzeugenden Verbraucher, sondern einen Wirkwiderstandsverbraucher speist. Dann gilt wieder die Kennlinie 14 von Fig. 2, so daß Instabilität, verzögertes Ansprechen und Unvorhersehbarkeit des Betriebs beseitigt sind. Die Schaltungsanordnung 25 enthält einen verhältnismäßig großen Wirkwiderstand 26 und ein Paar Gleichrichter 27 und 28, welche mit den Wechselstromausgangswicklungen 3 und 4 verbunden und so gepolt sind, daß sie dem Widerstand 26 gleichgerichtete Stromimpulse in den gleichen Halbperioden zuführen, in denen die Gleichrichter 11 bzw. 12 dem Hauptverbraucher 10 einen Strom zuzuführen suchen. Der Hilfswiderstand 26 ist ferner mit der Mittelanzapfung 13 der Sekundärwicklung des Transformators verbunden, so daß die Schaltung 25 vollständig parallel zum Verbraucher 10 und den Gleichrichternil und 12 liegt.

Wie allgemein bekannt ist, arbeitet die Steuerwicklung einer sättigbaren Reaktanz mit der Wechselstromausgangswicklung so zusammen, daß sie die Sättigungen hervorruft, die die gewünschten Stromflüsse bewirken. Durch geeignete Einstellung der Ströme in der Steuerwicklung werden die Stromflußwinkel so verändert, daß die dem Verbraucher zugeführte Leistung den gewünschten Wert annimmt. Bei .Systemen, bei denen eine große Gegen-EMK im Verbraucher erzeugt wird, hat es sich jedoch herausgestellt, daß die Durchlaß- oder Sättigungswinkel

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auch eine Funktion der Gegen-EMK sein können, so daß die genaue Steuerung mittels des Steuerstromkreises verlorengeht. Mit dem zuvor beschriebenen Hilfsverbraucherkreis wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß dieser die Komponenten des durch die Lastwicklung fließenden Stroms aufnimmt, welche notwendig sind, um den genauen Sättigungseintritt des Kernmaterials in Verbindung mit dem Steuerwicklungsstrom zu ergeben, ungeachtet der Sperrwirkungen der am Verbraucher bestehenden Gegen-EMK. So kann beispielsweise in Fig. 1 der Hauptverbraucher 10 allein eine Gegen-EMK besitzen, welche die an der sättigbaren Reaktanz erscheinenden Spannungen aufhebt und sich dem Fluß derjenigen Komponente des Stroms durch die. Lastwicklungen, welche vor der Sättigung durch jede Wicklung 3' oder 4 fließt, widersetzt, so daß die Änderungen der Flußdichte in den Kernen 1 und 2. welche von der Wechselspannung des Transformators 9 hervorgerufen werden sollten, nicht unter allen Betriebsbedingungen des Systems definierte Werte annehmen und die Sättigungswinkel in unerträglicher Weise verschoben werden. Diese Wirkung tritt nicht ein, wenn der Hilfsverbraucherstromkreis 25 vorhanden ist, da er weiterhin diejenigen Stromkomponenten in den Lastwicklungen aufnimmt, welche vor der Sättigung' durch die Wicklungen 3 und 4 fließen müssen, und die Sättigung der Reaktanz wird dann vollständig durch den Steuerwicklungsstromkreis gesteuert.

Damit dies erfolgt, ist es notwendig, daß der Widerstand 26 des Hilfsverbrauchers klein genug ist, um diese Komponente des Stroms in den Lastwicklungen aufzunehmen, was dann der Fall ist, wenn das Produkt aus dem Widerstand des Hilfsverbrauchers und dieser Komponente des Stroms in der Lastwicklung kleiner als die jeder Lastwicklung zugeführte Wechselspannung ist. Innerhalb dieser Grenze kann der Hilfsverbraucherwiderstand doch noch mehrmals größer als der Wert der Impedanz des Primärverbrauchers sein, beispielsweise zwanzig- bis fünf zigmal größer, so daß er nur unbeträchtliche Leistungen verbraucht. Ein weiteres wichtiges Merkmal des Betriebs des Hilfsverbraucherstromkreises beruht darin, daß dieser dann einen Strom zieht, wenn das Kernmaterial der Reaktanz gesättigt ist, so daß die am kapazitiven Element 17 des Verbrauchers 10 entstandenen Gegen-EMKs, die größer als die zum jeweiligen Zeitpunkt vorhandene Ausgangsspannung der Reaktanz sind, schnell verschwinden können. Dies kann über die zugehörige parallele Wirkwiderstandskomponente 18 geschehen und erfolgt sehr schnell. Es dauert an, bis die Spannung an dem Verbraucher einen Wert annimmt, welcher gleich dem Wert ist, der durch das Signal in der Steuerwicklung bestimmt ist.

Diese Maßnahmen lassen sich auch auf dreiphasige Magnetverstärkersysteme anwenden, z. B. auf die in Fig. 4 dargestellte Anordnung. Das an die Wechsel-.slromkk'mnu· 29 angelegte dreiphasige Erregungssignal wird den sechs Lastwicklungen 30, 31, 32, 33, 34 und 35 in bekannter Weise zugeführt. Jede Lastwicklung ist auf einem Magnetkern angeordnet, welcher unter dem Einfluß der Stcuersignalwicklung 36, die an den Klemmen 37 durch geeignete gleichgerichtete Signale erregt wird, in die Sättigung gebracht werden kann. Die Magnetverstärkerwirkung und die Gleichrichter der Ausgangsströme werden durch entsprechend gepolte Gleichrichter 38 bis 43 erzielt. Der Verbraucher 44 ist so beschaffen, daß er eine große Gegen-EMK erzeugt, da er aus einer großen Kapazität 45 und einem dazu parallel geschalteten Widerstand 46 besteht. Der vorstehend beschriebene Stromkreis arbeitet in der üblichen Weise, mit der Ausnähme, daß die vom Verbraucher 44 erzeugte große Gegen-EMK die Schwierigkeiten hervorruft, die bereits im Zusammenhang mit der Anordnung von Fig. 1 erläutert worden sind. Deshalb wird ein Hilfsverbraucherstromkreis 47 verwendet, dessen Hilfsimpedanz 48 in erster Linie ein Wirkwiderstand ist und den zuvor erläuterten Zwecken dient. Es sind sechs Gleichrichter 49 bis 54 zwischen die Hilfsverbraucherimpedanz 48 um jede der Lastwicklungen angeschlossen, so daß die erforderlichen Stromkomponenten durch die Lastwicklungen über den Hilfsverbraucher fließen können, um die genaue Steuerung mittels der Steuerwicklung 36 aufrechtzuerhalten..

In Fig. 5 ist ein mit Halbweggleichrichtung arbeitender Stromkreis dargestellt, in welchem die geschilderten Maßnahmen ebenfalls angewendet werden. Eine Wechselstromquelle 55 ist mit einem Verbraucher 56, welcher eine große Gegen-EMK erzeugt, über einen Seriengleichrichter 57 und die Lastwicklung 58 einer sättigbaren Reaktanz 59 verbunden.

Die Gleichspannungssteuerwicklung 60, welche einstellbar von einer Gleichstromquelle 61 über einen veränderlichen Widerstand 62 erregt wird, dient zur Steuerung der Ausgangsleistung zum Hauptverbraucher 56, was in der zuvor geschilderten Weise durch die Wirkungen der großen Gegen-EMK beeinträchtigt wird. Bei dieser Ausführung ist der Hilfsverbraucherstromkreis 63 mit dem Widerstand 64 und dem Gleich' richter 65 parallel zum Hauptverbraucher 56 geschaltet. Er führt Strom in den gleichen Halbwellen, in welchen der Hauptverbraucherstromkreis zu führen sucht. Eine für Wechselspannungen verhältnismäßig große Impedanz 66 liegt in Serie mit dem Steuerstromkreis., um zu verhindern, daß die Steuerwicklung und die Lastwicklung als Kurzschluß wirken, wodurch die Steuerung des Einweggleichrichtersystems verlorenginge.

Eine andere Ausführungsart ist in Fig. 6 dargestellt, wobei der die große Gegen-EMK erzeugende Verbraucher aus dem Anker 67 eines Gleichstromnebenschlußmotors besteht, der von einem Einphasen-Graetzgleichrichtermagnetverstärker gespeist wird. Die Hauptmagnetverstärkeranordnung ist in üblicher AVeise ausgeführt. Sie besteht aus einer Wechselstromquelle 68, weiche den Verbraucher über die Lastwick-Jungen 69 und 70 und die Graetzgleichrichter 71 bis 74 speist. Die Steuerwicklung 75 regelt den Ausgangsstrom zum Anker 67 unter dem Einfluß des veränderlichen Gleichstroms, welcher von einer Gleichstromquelle 76 über einen veränderlichen Widerstand'77 zugeführt wird. Die Drehzahl kann z.B. über eine Einrichtung gesteuert werden, welche den Steuerstromkreis beeinflußt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hilfsverbraucherstromkreis 78, welcher zur Beseitigung der oben geschilderten Nachteile dient, aus einem Hilfsverbraucherwiderstand 79 aufgebaut, welcher in einer Hilfs-Graetzgleichrichterschaltung aus den Hilfsgleichrichtern 80 bis 83 liegt. Die Primärverbraucherkreise und die Hilfsverbraucherkreise liegen dabei vollständig parallel. Bei Drehzahlmessungen mit dieser Anordnung hat es sich herausgestellt, daß die Drehzahl sehr schnell abnimmt, und zwar etwa mit der gleichen Geschwindigkeit, wie sich die Speiseklemmen des Motorankers öffnen, wodurch bewiesen wurde, daß die ohne den Hilfsstromkreis auftretenden störenden Wirkungen, welche den Abfall

der Motordrehzahl zu verzögern suchen, durch die Einfügung des HilfsStromkreises in wirksamer Weise unterdrückt worden sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Magnetverstärker mit wenigstens einem sättigbaren Magnetkern, einer Lastwicklung und einer auf dem gleichen Kern angeordneten Steuerwicklung, bei dem eine Wechselstromquelle über die Lastwicklung und über eine Gleichrichteranordnung mit einem Verbraucher verbunden ist, der bei Erregung gegenelektromotorische Kräfte erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsverbraucher parallel zu dem Verbraucher an die Lastwicklung über eine zweite Gleichrichter-

anordnung, die in der gleichen Richtung wie die erste Gleichrichteranordnung gepolt ist, angeschlossen ist und daß der Wirkwiderstand des Hilfsverbrauchers groß gegen die Impedanz des Verbrauchers ist.

2. Magnetverstärker gemäß Anspruch -I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsverbrauchcr im Verhältnis zu der Wechselspannung so bemessen ist, daß die Magnetisierungsstromkomponente, welche durch die Lastwicklung fließen muß, damit die Sättigung in dem Kern eintritt, über den Hilfsverbraucher fließen kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 896 666, 941 494.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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