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Schaltung zur Erzeugung von Impulsen im Takt eines ganzzahligen Bruchteils
der Speisefrequenz 1191479
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische
Stromimpulse im Takt eines Bruchteils der Netzfrequenz zu erzeugen, wie sie vorzugsweise
zum Antrieb elektromagnetischer Schwingantriebe benötigt werden. Entsprechend dem
als vorzugsweise genannten Anwendungsgebiet handelt es sich dabei um die Steuerung
von Leistungen, die in den Größenordnungen der Starkstromtechnik liegen.
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Elektromagnetische Schwingantriebe werden häufig für Förderanlagen
verwendet. Die Förderleistung der einzelnen Fördergüter hängt dabei auch weitgehend
von der Schwingfrequenz ab. Es hat sich gezeigt, daß die günstigsten Fördereigenschaften
bei Schwingfrequenzen erreicht werden, die unterhalb der Wechselstrom-Netzfrequenz
liegen. Aber auch bei anderen Schwingantrieben, wie z. B. Schwingsägen, -hämmern,
-pumpen u. ä., werden möglichst niedrige Schwingfrequenzen verlangt.
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Bekanntlich ergibt sich beim Ausnutzen der positiven und negativen
Spannungshalbwellen eine Schwingfrequenz, die gleich der doppelten Netzfrequenz
ist. Durch Zwischenschalten eines Ventils kann man jedoch auf einfache Weise eine
Schwingfrequenz gleich der Netzfrequenz erreichen. Zur Steuerung der Schwingantriebe
wird dabei bekanntlich eine Schaltung mit einer spannungszeitflächengesteuerten
Drossel mit Vorteil verwendet. Die Drossel liegt in Reihe mit dem Gleichrichter
und dem Verbraucher. Parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichrichter und Verbraucher
liegt die Reihenschaltung aus einem einstellbaren Widerstand und einem weiteren
Gleichrichter mit entgegengesetzter Polung zur Rückmagnetisierung des Drosselkerns,
der durch den Arbeitsstrom hoch gesättigt wird und aus einem Material hoher Remanenz
besteht.
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Weiter wurde auch schon vorgeschlagen, die Strom- bzw. Leistungssteuerung
an magnetischen Verstärkern durch Ausschnittsteuerung zu bewirken, d. h., durch
ein Schaltelement im Rückstellkreis des Verstärkers werden Ausschnitte aus der anliegenden
Spannungssinuswelle und damit eine gewünschte Leistung mit Netzfrequenz gewonnen.
Mit dieser bekannten Schaltung ließ sich das Verhältnis der steuerbaren Leistung
zur Verlustleistung der Schaltelemente verbessern.
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Wollte man jedoch die Schwingfrequenz von Schwinggeräten noch unter
die Netzfrequenz absenken, so war man zur Verwendung von kostspieligen und aufwendigen
Frequenzumsetzern für die Speisefrequenz gezwungen.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
bei der oben beschriebenen Schaltung eines Ventils und einer durch den Arbeitsstrom
hoch gesättigten Drossel mit Kernmaterial hoher Remanenz in Reihe mit der Speisewechselspannung
und der Last die Rückmagnetisierung der Drossel periodisch durch ein Schaltorgan
derart synchron zu ändern, daß der Laststrom aus einer periodischen Folge von vollen
Stromhalbwellen, deren zeitlicher Abstand ein ganzes Vielfaches einer Halbwelle
ist, besteht.
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Das Schaltorgan kann ein synchron rotierender Schalter oder eine Elektronenröhre
oder ein Halbleiter sein, wobei die Steuerung der letzteren vorzugsweise mit Hilfe
von Schwingkreisen erfolgt.
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Unter Umständen kann es notwendig sein, für die Rückmagnetisierung
der Drossel eine erhöhte Spannung vorzusehen, die zweckmäßigerweise aus einem zusätzlichen
Transformator gewonnen wird.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Schaltung wird ein unerreicht einfaches
und billiges Mittel gewonnen, um aus einem gegebenen Wechselstromnetz einen leistungsstarken
pulsierenden Strom von einem ganzzahligen Bruchteil der Netzfrequenz zu gewinnen.
Im allgemeinen wird für die mit der Erfindung angestrebten Zwecke, nämlich die Erregung
von Transportvibratoren, eine Frequenz von 25 Hz erstrebenswert sein, so daß auf
eine Arbeitshalbwelle drei gesperrte Halbwellen folgen werden. Mit der Anordnung
nach der Erfindung ist jedoch auch noch ein kleinerer Bruchteil der Netzfrequenz
erreichbar.
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An Hand von Ausführungsbeispielen für ohmsche und induktive Last soll
die Erfindung näher erläutert werden. Dabei treten weitere wesentliche Merkmale
hervor.
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F i g. 1 zeigt die vereinfachte Magnetisierungskennlinie der Drossel
1;
F i g. 2 stellt die erfindungsgemäße Prinzipschaltung mit ohmscher Last,
F i g. 3 den Verlauf der einzelnen Spannungen und des Stromes entsprechend F i g.
2 dar;
F i g. 4 und 5 verdeutlichen die prinzipiellen Vorgänge bei
Reihenschaltung einer Induktivität mit einem Ventil; F i g. 6 und 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltung mit induktiver Last sowie den zeitlichen Verlauf
der Spannungen und des Stromes.
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Zunächst seien die F i g. 1 bis 3 betrachtet. In F i g. 1 ist eine
schematische Hystereseschleife der Drossel dargestellt. über der stromproportionalen
magnetischen Feldstärke H ist hierbei die spannungszeitflächenproportionale Induktion
B aufgetragen. In F i g. 3 sind die sich aus dieser Hystereseschleife ergebenden
Augenblickswerte von Strom und Spannung bei Betrachtung der Schaltung von F i g.
2 wiedergegeben.
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Im Zeitpunkt t1 schließt das Schaltorgan 4 und die Drosselt, welche
in diesem Augenblick den Remanenzpunkt P1 erreicht hat, wird beispielsweise bis
zum Punkt P, rückmagnetisiert. Dabei fließt nur der kleine Rückmagnetisierungsstrom
(s. Stromkennlinie 1). Im Zeitpunkt t. wird die Spannung wieder positiv, die Drossel
wird wieder aufmagnetisiert und erreicht im Zeitpunkt t3 die Sättigung bei P3. In
der folgenden Halbperiode von t3 bis t4 ist das Schaltorgan 4 geöffnet, und
die Spannung liegt am Ventil 3. Auf diese Weise wird jeweils jede zweite
Halbwelle des nur aus Halbwellen bestehenden Arbeitsstromes unterdrückt. Die Kurve
U" zeigt hierbei den Verlauf der Spannung am Ventil 3, die Kurve UL am Nutzwiderstand
2 und Ud, an der Drossel 1. Die Kurve U" zeigt den Verlauf der Speisewechselspannung.
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Dieselben Bezeichnungen sind in der die Verhältnisse bei einem induktiven
Widerstand zeigenden Darstellung F i g. 6 wiederverwendet.
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Da bei Schwingantrieben der Lastwiderstand eine Induktivität ist,
ergeben sich andere Verhältnisse. Bekanntlich ist bei Speisung einer Induktivität
über ein Ventil die Stromflußdauer größer als die Halbperiodendauer, wie dies etwa
in F i g. 4 und 5 dargestellt ist. Während eines Teiles der zweiten Halbperiode
liegt die Spannung immer noch an der Last, so daß für eine Rückmagnetisierung nicht
mehr die gesamte Spannungszeitfläche dieser Halbwelle zur Verfügung steht.
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In der F i g. 6 ist gestrichelt dargestellt, wie schon vorzeitig im
Zeitpunkt ts der Kern in Sättigung kommt und eine zweite, kleinere Stromhalbwelle
fließt. Die ausgezogene Darstellung nach F i g. 6 in Verbindung mit F i g. 7 zeigt;
wie nach einer Weiterbildung der Erfindung durch den Transformator S die Rückmagnetisierungsspannung
so weit angehoben wird, daß die Spannungszeitfläche F1 trotz geringerer Rückmagnetisierungszeit
so groß wird wie die Spannungszeitfläche F2, mit der Wirkung, daß der Kern erst
am Ende der darauffolgenden Halbperiode im Zeitpunkt t4 in Sättigung kommt. Nach
Ablauf der zweiten Periode der Speisespannung beginnt der Vorgang bei gesättigtem
Kern mit dem Fließen der Arbeitsstromhalbwelle von neuem.
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Die öffnungs- und Schließungszeit des Schaltorgans kann so eingestellt
werden, daß nicht nur während einer, sondern während beliebig vieler weiterer Perioden
der Speisespannung der Arbeitsstrom unterdrückt wird, so daß sich Impulse im Takt
eines ganzzahligen Bruchteils der Netzfrequenz ergeben.