DE1192729B - Wechselspannungsregler mit vormagnetisierter Drosselspule - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/Wim* PATENTAMT Int. α.:

AUSLEGESCHRIFT

H02j

G05f

Deutsche Kl.: 21c-67/70

Nummer: 1192729

Aktenzeichen: " N 20178 VIIIb/21c
Anmeldetag: 12. Juni 1961
Auslegetag: 13. Mai 1965

Die Erfindung betrifft einen Kniekurven-Wechselspannungsregler mit vormagnetisierter Drosselspule oder mit einem sogenannten Transduktor zur Begrenzung der Stromamplitude auf einen die über einer Belastung gewünschte Spannung ergebenden Wert, wobei mindestens ein Teil dieser Belastungsspannung nach Gleichrichtung und Glättung mit einer Bezugsspannung verglichen wird und der Unterschied dieser Spannungen dem Eingang eines Verstärkers zugeführt wird, welcher den Vormagnetisierungsgleichstrom durch die Drosselspule oder den Transduktor steuert.

Derartige Regler sind bekannt. Dabei ist es bekannt, den gleichgerichteten Teil der Belastungsspannung mittels eines Transistors mit der Bezugsspannung zu vergleichen und ferner auch den sich aus dem Vergleich ergebenden Unterschied dem Eingang eines magnetischen Verstärkers zuzuführen, welcher den Vormagnetisierungs-Gleichstrom durch die Drosselspule oder den Transduktor steuert.

In einer bekannten Ausführung eines Reglers des besprochenen Typs wird außerdem der Regler und/ oder die Wechselspannungsquelle gegen Überlastungen, insbesondere gegen kurzzeitige Überlastungen dadurch geschützt, daß die maximale Amplitude des durch die Drosselspule oder den Transduktor durchgelassenen Wechselstromes auf einen gewünschten zulässigen Höchstwert begrenzt wird. Dazu wird der Belastungsstrom über einen Widerstand geleitet, und der Spannungsabfall an diesem Widerstand wird verstärkt und mit der Bezugsspannung verglichen: Solange dieser verstärkte Spannungsabfall kleiner ist als die Bezugsspannung, arbeitet der Regler auf die normale Weise und wird die Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes nicht begrenzt. Sobald der verstärkte Spannungsabfall jedoch größer wird als die Bezugsspanung, tritt eine der normalen Regelung der Ausgangsspannung entgegenwirkende Regelung ein, wodurch die Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes durch Herabsetzung oder Begrenzung des Vormagnetisierungsstromes der Drosselspule oder des Transduktors begrenzt wird.

In den meisten elektrischen Speiseeinrichtungen ist man bestrebt, den Eigen- oder Innenwiderstand der Speiseeinrichtung, einschließlich denjenigen der Speisequelle selbst, möglichst klein zu halten, insbesondere um eine möglichst flache Spannungs-Strom-Belastungscharakteristik zu erzielen und/oder um die Verluste in der Speiseeinrichtung klein zu halten. In dieser Beziehung ist die soeben geschilderte Anwendung eines Reihenwiderstandes zur Steuerung einer Strombegrenzungsvorrichtung nicht vorteilhaft.

Wechselspannungsregler mit vormagnetisierter
Drosselspule

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

ίο Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Ladislaus August Franz Richon,
Oberrieden, Zürich (Schweiz)

Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Kniekurven-Wechselspannungsregler anzugeben, in welchem eine Begrenzung der Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes ohne Zuhilfenahme einer im Belastungsstromkreis eingeschalteten Reihenimpedanz erzielt wird. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem Regler des besprochenen Typs eine Begrenzung des Vormagnetisierungsgleichstromes praktisch gleichwertig ist mit einer Begrenzung der Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes und daß demzufolge und bei genügender Verstärkung ein im Vormagnetisierungsstromkreis erzeugter Spannungsabfall für das Herbeiführen einer Begrenzung des durchgelassenen Wechselstromes verwendet werden kann.

Der Kniekurven-Wechselstromspannungsregler nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungsstrom der Drosselspule über einen Widerstand geführt wird, an welchem er einen Spannungsabfall erzeugt, der bei Überschreiten des erwähnten gleichgerichteten und geglätteten Teiles der Belastungsspannung an einem Widerstand die Steuerung des Verstärkers übernimmt und den Vormagnetisierungsstrom der Drosselspule und somit auch die Stromampütude im Verbraucher-Stromkreis auf einen gewünschten Höchstwert begrenzt.

In Spannungsreglern, in welchen eine Bezugsspannung zur Verwendung kommt, wird diese neuerdings öfters an einer sogenannten Zener-Diode erzeugt. Dabei wird diese Diode meistens im Stromkreis einer der Eingangselektroden des Verstärkerelementes der ersten Stufe eines im Regler verwendeten Verstärkers

509 569/321

eingeschaltet. Bei einer solchen Anordnung ist der im Vormagnetisierungsstromkreis eingeschaltete Widerstand vorzugsweise nach einem weiteren Merkmal der Erfindung über einen als Tor wirkenden Gleichrichter mit der anderen Eingangselektrode des erwähnten Verstärkerelementes gekoppelt, welcher Elektrode auch der für die Spannungsregelung verwendete Teil der Belastungsspannung zugeführt wird, derart, daß der Tor-Gleichrichter normalerweise durch diesen Teil der Belastungsspannung gesperrt ist. Dadurch ist es möglich, für die erste Stufe des Verstärkers mit einem einzigen Verstärkerelement auszukommen, was für einen verhältnismäßig einfachen und billigen Aufbau des Reglers zweckdienlich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkerelement der ersten Stufe des Verstärkers ein Transistor, in dessen Emitterstromkreis die Zener-Diode eingeschaltet ist, während der für die Spannungsregelung verwendete Teil der Belastungsspannung der Basiselektrode dieses Transistors zugeführt wird. Über den Tor-Gleichrichter ist diese Basiselektrode mit dem im Vormagnetisierungsstromkreis eingeschalteten Widerstand gekoppelt, so daß die den Tor-Gleichrichter normalerweise sperrende Spannung die Bezugsspannung nur um einen geringen, praktisch konstanten Betrag überschreitet.

Die Erfindung wird an Hand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, welche das Schaltbild einer bevorzugten beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselspannungsreglers wiedergibt.

Die Zeichnung zeigt eine Speiseanlage bestehend aus einer Gleichstromquelle 1, weiche über einen zweipoligen Ein-Aus-Schalter 2 einen Wechselrichter 3, z. B. einen Transistor- oder Thyristor-Wechselrichter, speist. Der Wechselrichter 3 formt die verhältnismäßig kleine Gleichspannung der Quelle 1 um in eine viel höhere Wechselspannung, welche über eine Schmelzsicherung 4 und einen Transduktor 6-8, 6'-8' einer Belastung 5 zugeführt wird.

Der Transduktor mit den gesteuerten Induktivitäten der Wicklungen 6 und 6' dient zur Regelung der der Belastung 5 zugeführten Wechselspannung. Diese Regelung erfolgt auf bekannte Weise durch Steuerung eines durch Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors fließenden Gleichstromes. Dazu wird mittels eines Transformators, dessen Primärwicklung 9 parallel zur Belastung 5 geschaltet ist und der außerdem einen Kern 10 und eine Sekundärwicklung 11 besitzt, eine der Ausgangsspannung proportionale Wechselspannung einem Gleichrichter 12 in Graetzschaltung zugeführt. Die durch den Gleichrichter 12 gelieferte Gleichspannung wird mittels einer Drossel 13 und eines Kondensators 14 geglättet und einem Spannungsteiler 15 zugeführt. Ein Teil der Spannung über den Spannungsteiler 15 wird an die Basiselektrode eines Transistors 16, z. B. des p-n-p-Typs, angelegt. Der Emitterelektrode dieses Transistors wird andererseits eine konstante Bezugsspannung zugeführt, weiche über einer Zener-Diode 17 entsteht, die einerseits über den Schalter 2 mit der positiven Klemme der Quelle 1 verbunden ist und andererseits über den Schalter 2 und einen Reihenwiderstand 18 mit der negativen Klemme. Der Transistor 16 vergleicht somit die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers 15 mit der Bezugsspannung über der Zenerdiode 17. Falls die erstere negative Spannung größer ist als die Bezugsspannung, fließt ein Kollektorstrom über einen Kollektorwiderstand 19 und eine Steuerwicklung 20 eines magnetischen Verstärkers nach der negativen Klemme der Quelle 1.

Der magnetische Verstärker besitzt zwei in Reihe mit entgegengesetzt gepolten Gleichrichtern 26 und 27 geschaltete Arbeitswicklungen 24 und 25. Über die Primärwicklung 28 eines Ausgangstransformators mit einem Kern 29 und mit einer Sekundärwicklung 30 sind beide Arbeitswicklungen 24 und 25 in Reihe mit den Gleichrichtern 26 und 27 an die Ausgangsspannung des Wechselrichters 3 angeschlossen. Der magnetische Verstärker besitzt noch eine zweite Steuerwicklung 21, welche über einen regelbaren Widerstand 22 und über einen festen Widerstand 23 an die Eingangsklemme des Wechselrichters 3 angeschlossen ist.

Die Sekundärwicklung 30 des Ausgangstransformators 28 bis 30 ist an die Eingangsklemmen eines Gleichrichters 31 in Graetzschaltung angeschlossen, und dieser Gleichrichter liefert den Steuerstrom durch die Vormagnetisierungswicklung 8 und 8' des Transduktors. Der Gleichstromkreis des Gleichrichters 31 ist geschlossen durch eine Drossel 32, einen festen Widerstand 33 und einen regelbaren Widerstand 34, der einseitig mit der positiven Klemme der Eingangsgleichspannungsquelle verbunden ist, an welche Klemme auch die positive Ausgangsklemme des Gleichrichters 31 angeschlossen ist.

Ein durch die Widerstände 22 und 23 und die Steuerwicklung 21 fließender Gleichstrom bewirkt eine Vormagnetisierung der Wicklungen 24 und 25 des magnetischen Verstärkers, so daß ein Wechselstrom entsprechender Amplitude durch die Gleichrichter 26 und 27 und die damit in Reihe geschalteten Wicklungen 24 und 25 und durch die Primärwicklung 28 des Ausgangstransformators 28 bis 30 fließen kann. Der Transformator 29, 30 liefert dem Gleichrichter 31 einen entsprechenden Strom, welcher nach Gleichrichtung durch diesen Gleichrichter die Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors durchfließt. Durch diesen Transduktor ist die Amplitude des der Belastung 5 gelieferten Stromes auf einen dem Vormagnetisierungsstrom durch die Wicklungen 8 und 8' entsprechenden Wert begrenzt.

Über den Transformator 9 bis 11 wird dem Gleichrichter 12 eine der Spannung über der Belastung 5 proportionale Spannung geliefert. Die durch diesen Gleichrichter gelieferte Gleichspannung erzeugt ihrerseits am unteren Teil des Spannungsteilers 15 eine der Spannung über der Belastung proportionale, geglättete Gleichspannung. Übersteigt diese Spannung die über der Zener-Diode 17 anwesende Bezugsspannung, dann wird der Transistor 16 plötzlich leitend. Sein Kollektorstrom durchfließt die Steuerwicklung 20 des magnetischen Verstärkers 20 bis 27 und vermindert die Vormagnetisierung der Arbeitswicklungen 24 und 25 dieses Verstärkers durch den die Steuerwicklung 21 durchfließenden Strom. Die Größe der an der Primärwicklung 28 des Ausgangstransformators 28 bis 30 liegenden Wechselspannung wird entsprechend herabgesetzt und damit auch der durch den Gleichrichter 31 an die Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors gelieferte Gleichstrom; die Amplitude des durch den Transduktor durchgelassenen Wechselstromes und somit die über der Belastung 5 angelegte Wechselspannung werden herabgesetzt, auf einen Wert bei dem der

Spannungsabfall am unteren Teil des Spannungsteilers 15 nur wenig größer ist als die Bezugsspannung an der Zener-Diode 17.

Bei dauernder Überlastung, z. B. bei dauerndem Kurzschluß der Belastung 5 brennt die Schmelzsicherung 4 durch und schaltet somit den Belastungsoder Kurzschlußstrom aus. Durch diese Sicherung wird somit die Einrichtung und insbesondere der Wechselrichter 3 und/oder das Wechselspannungsstellglied 6, 6' gegen dauernde Überlastung geschützt. Eine kurzzeitige Überlastung kann jedoch genügen, um eine Beschädigung und/oder Vernichtung von Elementen, z. B. von Transistoren des Wechselrichters 3, herbeizuführen. Bei einer solchen Überlastung sinkt normalerweise auch die Gleichspannung am unteren Teil des Spannungsteilers 15, so daß sich die Vormagnetisierung der Arbeitswicklungen 24 und 25 des magnetischen Verstärkers 20, 21, 24, 25 durch den die Steuerwicklung 21 durchfließenden Strom voll auswirkt; die größtmögliche Wechselspannung wird dem Gleichrichter 31 geliefert, und dieser liefert seinerseits den größtmöglichen Strom an die Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors, so daß auch der durch diesen durchgelassene Wechselstrom maximal ist. Dieser maximale Strom ist wohl begrenzt auf einen dem maximalen Vormagnetisierungsstrom durch die Wicklungen 8 und 8' entsprechenden Spitzenwert, welcher seinerseits dem Strom durch die Steuerwicklung 21 des magnetischen Verstärkers 20, 21 24, 25 und durch die Widerstände 22 und 23 entspricht. Jedoch darf dieser Strom nicht zu knapp gewählt werden, will man eine gute Spannungsregelung im Bereich der zulässigen Ströme erreichen. Es hat sich darum als zweckmäßig erwiesen, den maximalen Belastungsstrom für den Fall einer kurzzeitigen Überlastung schärfer zu begrenzen.

Für diesen Zweck ist es bekannt, den Belastungsstrom über einen Widerstand zu führen und den Spannungsabfall an diesem Widerstand z. B. nach Gleichrichtung als Steuerspannung zu verwenden, um eine scharfe Strombegrenzung herbeizuführen. In elektrischen Speiseeinrichtungen ist die Anwendung eines solchen Reihenwiderstands jedoch meistens unerwünscht, weil dieser den Innen- oder Eigenwiderstand der Einrichtung und die Gesamtverluste in dieser Einrichtung erhöht.

Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Begrenzung der Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes ohne Zuhilfenahme eines solchen Reihen-Widerstands oder einer anderen, im Belastungsstromkreis eingeschalteten Reihenimpedanz zustande gebracht.

Es wurde festgestellt, daß mit einem Wechselspannungsregler des bisher beschriebenen Typs eine Begrenzung des durch die Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors fließenden Gleichstromes praktisch gleichwertig ist mit einer Begrenzung der Amplitude des durchgelassenen Wechselstromes und daß demzufolge und bei genügender Verstärkung ein im Vormagnetisierungsstromkreis erzeugter Spannungsabfall für das Herbeiführen einer Begrenzung des durchgelassenen Wechselstromes verwendet werden kann.

Nach der Erfindung fließt der den Vormagneti- 6g sierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors zugeführte Gleichstrom auch übei die Drosselspule 32 und die Widerstände 33 und 34. Der an diesem letzten Widerstand entstehende Spannungsabfall kann die Basiselektrode des Transistors 16 nur über eine als Tor arbeitende Diode 35 erreichen; ist er kleiner als der Spannungsabfall am unteren Teil des Spannungsteilers 15, so ist die Diode 35 gesperrt, und der Wechselspannungsregler arbeitet auf die schon beschriebene Art und Weise. Der regelbare Widerstand 34 wird derart eingestellt, daß bei Überlastung der Speiseeinrichtung oder bei Kurzschluß der Belastung 5 der Spannungsabfall an diesem Widerstand sofort größer wird als die der Emitterelektrode des Transistors 16 zugeführte Bezugsspannung über der Zener-Diode 17 und natürlich auch größer als die infolge dieser Überlastung herabgesetzte Gleichspannung am unteren Teil des Spannungsteilers 15. Unter diesen Umständen wird die Diode 35 sofort leitend, und der über diese Diode fließende Strom fließt auch wenigstens größtenteils durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 16 hindurch. Dieser Basisstrom ruft einen viel größeren Kollektorstrom durch den Widerstand 19 und die Steuerwicklung 20 hervor. Die Vormagnetisierung des magnetischen Verstärkers 20, 21, 24, 25 wird herabgesetzt, und der durch den Gleichrichter 31 gelieferte Gleichstrom durch die Vormagnetisierungswicklungen 8 und 8' des Transduktors wird in verstärktem Maße herabgemindert. Die Amplitude des durch den Transduktor 6-8, 6'-8' hindurchgelassenen Wechselstromes wird praktisch ohne Verzögerung und scharf begrenzt.

Dank der beschriebenen raschen und scharfen Begrenzung des dem Belastungsstromkreis 4-5 gelieferten Wechselstromes ist die Wechselstromquelle 1 bis 3 vor jeder etwaigen Überlastung geschützt. Insbesondere werden die aktiven Elemente wie Transistoren, Thyristoren oder andere Verstärker oder Schaltelemente des Wechselrichters 3 auf sehr wirksame Weise vor solchen Überlastungen geschützt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kniekurven-Wechselspannungsregler mit vormagnetisierter Drosselspule zur Begrenzung der Stromamplitude auf einen die über einer Belastung gewünschte Spannung ergebenden Wert, wobei mindestens ein Teil dieser Belastungsspannung nach Gleichrichtung und Glättung mit einer Bezugsspannung verglichen wird und der Unterschied dieser Spannungen dem Eingang eines Verstärkers zugeführt wird, welcher den Vormagnetisierungsgleichstrom durch die Drosselspule steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungsstrom der Drosselspule (6-8, 6'-8') über einen Widerstand (54) geführt wird, an welchem er einen Spannungsabfall erzeugt, der bei Überschreiten des erwähnten, gleichgerichteten und geglätteten Teiles der Belastungsspannung an einem Widerstand (15) die Steuerung des Verstärkers (20, 21, 24, 25) übernimmt und den Vormagnetisierungsstrom der Drosselspule (6-8, 6'-8') und somit auch die Stromamplitude im Verbraucherstromkreis auf einen gewünschten Höchstwert begrenzt.

2. Regler nach Anspruch 1, bei welchem die Bezugsspannung an einer im Stromkreis einer der Eingangselektroden des Verstärkerelementes der ersten Stufe des Verstärkers eingeschalteten Zener-Diode erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der im Vormagnetisierungsstromkreis eingeschal-

tete Widerstand (15) über einen als Tor wirkenden Gleichrichter (35) mit der anderen Eingangselektrode des Verstärkerelementes gekoppelt ist, welcher Elektrode auch der erwähnte Teil der Belastungsspannung über den Widerstand (15) zugeführt wird, derart, daß der Tor-Gleichrichter normalerweise durch diesen Teil der Belastungsspannung gesperrt ist.

3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement der ersten Stufe des Verstärkers ein Transistor (16) ist, in dessen Emitterstromkreis die Zener-Diode (17) eingeschaltet ist, während der erwähnte Teil der Belastungsspannung der Basiselektrode dieses

Transistors zugeführt wird, welche über den Tor-Gleichrichter (35) mit dem im Vormagnetisierungsstromkreis eingeschalteten Widerstand (34) gekoppelt ist, so daß der den Tor-Gleichrichter normalerweise sperrende Teil der Belastungsspannung die an der Zener-Diode erzeugte Bezugsspannung nur um einen geringen, praktisch konstanten Betrag überschreitet.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 933 101, 967409,
851;
USA.-Patentschrift Nr. 2 759 142.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 56Ϊ/321 5.65 © Bundesdruckerei Berlin