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Kaskadenschaltung von in Selbstsättigungsschaltung arbeitenden Transduktoren
mit Vollweg-Gleichstromausgang Transduktoren (Magnetverstärker) haben eine Ansprechverzögerung,
die besonders bei schnellen Regelvorgängen störend wirkt. Längere Ansprechzeiten
werden hauptsächlich durch die Zeitkonstante der Steuerkreise, die sich aus den
Induktivitäten und den Widerständen der Kreise zusammensetzen, bestimmt. Durch Erhöhung
der Steuerkreiswiderstände können die Zeitkonstanten verringert werden, wobei sich
die erforderliche Steuerleistung erhöht. Bei einer Zeitkonstanten von etwa 0,2 Sekunden
ist die tatsächlich im Ausgang des Transduktors gemessene Ansprechzeit ungefähr
gleich groß. Wird die Zeitkonstante jedoch weiter herabgesetzt, so ergibt sich ein
größerer Unterschied zwischen dieser und der im Ausgang gemessenen Zeitkonstanten.
Bei einer Zeitkonstanten von 10 ms und einer normalen Netzfrequenz von
50 Hz beträgt die Ansprechzeit etwa 50 ms. Die Ansprechzeit ist diejenige
Zeit, bei der sich die Ausgangsspannung des Transduktors bei schlagartiger Änderung
der Steuerspannung um 631% der eingestellten Gesamtänderung ändert. 95,1/o der Änderung
sind dann in der dreifachen Zeit, also beispielsweise in etwa 150 ms, erreicht.
Auch durch sehr großen Aufwand an Steuerleistung läßt sich diese Zeit, die hauptsächlich
auf von der Arbeitswicklung in die Steuerwicklungen induzierte Wechselspannungen
zurückzuführen ist, nicht wesentlich verringern.
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Es sind sogenannte spannungszeitflächengesteuerte Verstärker, auch
Rücklaufverstärker bekannt, die außer einer Totzeit von einer Halbwelle, also bei
50 Hz = 10 ms, keine weitere Zeitverzögerung besitzen. Die Steuerung
dieser Verstärker ist aber in den bisher bekannten Ausführungen nur auf umständliche
bzw. schwierige Weise möglich, z. B. durch mechanisch veränderliche Widerstände
oder mittels, einer Steuorspannung, die einer rückspeisungsfähigen Stromquelle entstammt.
Im Gegensatz zu den durchflutungsgesteuerten Verstärkern, von denen man mehrere
in Reihe schalten kann, wobei sich die Verstärkungsgrade multiplizieren und die
Ansprechzeiten addieren, ist bisher keine Möglichkeit bekanntgeworden, auf direkte
Weise, ohne großen zusätzlichen Aufwand spannungszeitflächengesteuerte Transduktoren
mittels transduktorischer Vorverstärker zu steuern.
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Die Erfindung hat eine Schaltung zum Gegenstand, bei der es möglich
ist, ohne Mehraufwand gegenüber der Durchflutungssteuerung, Transduktoren mit Spannungszeitflächensteuerung
hinter andere, Transduktoren, die gleichfalls in Spannungszeitflächensteuerung oder
in Durchflutungssteuerting arbeiten können, zu schalten. Der wesentliche Unterschied
des Erfindungsgegenstandes gegenüber der Kaskadenschaltung von Verstärkern in Durchflutungssteuerung
liegt darin, daß die Steuerwicklungen des Nachfolgeverstärkers nicht in Serie und
an dem Ausgang des Vorverstärkers liegen, sondern daß erfindungsgemäß die Steuerwicklungen
des Folgeverstärkers derart in die Selbstsättigungszweige des Vorverstärkers geschaltet
sind, daß durch sie ein abmagnetisierend wirkender Halbwellenstrom fließt, der in
dem Steuerkreiswiderstand einen Spannungsabfall erzeugt, der den von den Arbeitswicklungen
in die Steuerwicklungen induzierten Spannungen entgegensteht.
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Zur weiteren Verdeutlichung des Erfindungsgedankens wird auf die Zeichnung
verwiesen.
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Bild 1 veranschaulicht eine zweistufige Kaskadenschaltung normaler
Art, während Bild 2 bis 4 den Erfindungsgegenstand beispielhaft wiedergeben.
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Bild 1 zeigt die übliche Schaltung einer aus den Stufen I und
11 bestehenden Kaskade mit normaler Durchflutungssteuerung. Befindet sich
die Drosselspule A des Vorverstärkers 1 im Arbeitstakt, so wird in
ihrer Steuerwicklung eine Spannung induziert, die
einen Strom auch
durch die Steuerwicklung der Stufe B fließen läßt und damit letztere magnetisch
beeinflußt. Ein Teil des Stromes fließt dann über die eine Hälfte des in Brückenschaltung
geschalteten Gleichrichters des Vorverstärkers, während der andere Teil über die
Arbeitswicklungen desselben und über die andere Gleichrichterhälfte geht. Dadurch
tritt eine starke, schädliche Beeinflussung des Vorverstärkers ein, die noch störender
wird, wenn der Vorverstärker in Mittelpunktschaltung geschaltet ist, da dann der
gesamte Störstrom über die Wicklungen fließt. Deshalb kippen Vorverstärker in Mittelpunktschaltung
besonders leicht.
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Das Prinzip der Erfindung ist in Bild 2 dargestellt. Der Arbeitskreis
des Verstärkers II ist norinal geschaltet; er kann also, wie gezeichnet, in Brückenschaltung
arbeiten, oder aber in sogenannter unvollständiger Brückenschaltung oder in Gegentaktschaltung.
Für die Arbeitsweise ist dies ohne Bedeutung.
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Die Steuerwicklungen der Stufe II liegen in dem Selbstsättigungszweig
des Vorverstärkers I zwischen a und c bzw. zwischen a und e. Dabei liegt immer eine
Arbeitswicklung des Verstärkers I mit einer Steuerwicklung des Verstärkers II in
Serie. An welche Stelle einer Selbstsättigungskreishälfte zwischen den Punkten a
und c bzw. a und e die Steuerwicklung gelegt wird, ist gleichgültig. Im Transformator
Tr wird eine der Arbeitsspannung U" (Netzspannung) gleichphasige Hilfsspannung erzeugt.
Diese Spannung muß den Windungszahlen der Steuerwicklungen des Verstärkers II angepaßt
sein. Ist die Windungszahl der Arbeitswicklung der Steuerwicklung gleich, so muß
die Hilfsspannung gleich der Arbeitsspannung oder etwas größer sein.
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Befindet sich die Spulenwicklung A im Arbeitstakt,
d. h. in der Halbwelle, in der sie vom Arbeitsstrom durchflossen wird, so
wird in der zugehörigen Steuerwicklung eine Spannung induziert. Wenn dann am rechts-
gezeichneten, an c liegenden Ende der Wicklung + ist, kann infolge der Sperrwirkung
des Gleichrichters Gl, kein Strom fließen. Liegt + dagegen an Punkt
b, so könnte ein Strom über den in dieser Richtung geöffneten Gleichrichter
Gli und weiter über a, Tr, d, G14 und R, zurückfließen, wenn
nicht die Spannung des Transformators entgegenstünde. Ein Weg über Glp GI"
d, e und R, ist gleichfalls nicht möglich, da an R., der durch
den gleichgerichteten Hilfswechselstrom erzeugte Spannungsabfall entgegensteht.
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Für den Arbeitstakt der Drossel B gilt das Entsprechende. Ein Störstrom
kann also nicht fließen, Der Widerstand R, wird so bemessen, daß bei geöffnetem
Vorverstärker I durch die, Steuerwicklungen des Verstärkers 11 der zum völligen
Abmagrietisieren erforderliche Strom fließen kann. Würde R, zu klein gewählt, so
könnte ein zu großer Abmagnetisierungsstrom entstehen, der eine stärkere Aussteuerung
des Vorverstärkers, also eine größere Steuerleistung an diesem erfordert.
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Da der Vorverstärker 1 durch die Selbstsättigung im ungesteuerten
Zustand geöffnet ist, ist der Endverstärker 11 abmagnetisiert,
d. h. geschlossen. Wird dagegen der Vorverstärker herabgesteuert, was durch
normale Durchflutungssteuerung, durch Rückmagnetisierung in Rameyschaltung oder
auf gleiche bzw. ähnliche Weise wie beim Endverstärker geschehen kann, so durchfließt
ein geringerer Strom die Steuerwicklungen des Endverstärkers II, und dieser wird
geöffnet. Die, Ansprechzeit des dargestellten Endverstärkers beträgt maximal
10 ms, was der sogenannten Totzeit entspricht. In dieser Zeit ist der Endverstärker
völlig durchgesteuert, sofern die Durchsteuerung des Vorverstärkers schlagartig
erfolgt. Die gesamte Durchsteuerzeit der Kaskade ist die Summe der Zeiten der Vor-
und der Endstufe.
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Auf ähnliche Weise wie gemäß Bild 2 lassen sich natürlich auch mehrere
Stufen in Serie schalten. Im übrigen ist das Schaltungssystem in Einzelheiten variierbar.
So kann der Vorverstärker, wie in Bild i
gezeigt, in unvollständiger Brückenschaltung
oder, wie in Bild 4, in NEttelpunktschaltung (Gegentakt) geschaltet werden. Bei
Drehstrom wird entweder eine dreiphasige Mittelpunktschaltung (Sternschaltung) mit
drei Vorverstärker- und drei Endverstärker-Drosselspulen oder eine Drehstrom-Brückenschaltung
mit sechs Drosselspulsätzen gewählt.
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Der Verstärkungsfaktor der Endstufe ist für die durch die Erfindung
erzielten kurzen Ansprechzeiten relativ hoch. Für einen Transduktor in Einphasenschaltung
für 3 kW Ausgangsleistung, auf siliziumlackierten Transformatorenblechen
mit magnetischer Vorzugsrichtung gewickelt, beträgt er etwa 300; es ist also
ein Vorverstärker von nur 10 W Ausgangsleistung erforderlich.
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Während bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen davon ausgegangen
wird, daß der Endverstärker ohne Steuerung durch die Vorstufe geöffnet ist, kann
man durch Umdrehen der Flußrichtung der Gleichrichter Gl, bis G14 und durch Umpolen
der Phasenlage des Transformators erreichen, daß der Vorverstärker den Endverstärker,
der auf irgendeine andere Weise heruntergesteuert ist, heraufsteuert.
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Neben der kurzen Ansprechzeit hat die beschriebene Anordnung noch
weitere Vorteile. Transduktoren mit Durchflutungssteuerung neigen, wenn sie für
einen weiten Aussteuerbereich, z. B. 1 : 100, ausgelegt sind und mit etwas
niedrigerer Netzspannung, verursacht durch einen Spannungsabfall od. dgl., betrieben
werden, zum Kippen, d. h. wenn sie völlig herabgesteuert sind und dann wieder
heraufgesteuert werden sollen, ist ein größerer Steuerleistungsbedarf nötig, um
das Heraufsteuern einzuleiten, und dann springt der Ausgang plötzlich auf einen
höheren Wert. Ähnliche Kipperscheinungen werden, vor allen Dingen bei Kaskadenschaltungen,
leicht durch Induktivitäten im Arbeitskreis, z. B. der Ankerinduktivität, von einem
durch den Transduktor angetriebenen Gleichstrommotor verursacht. Zu ihrer Verrneidung
ist die Einschaltung von Drosselspulen oder Kondensatoren in die Steuerkreise nötig,
wodurch die Ansprechzeit noch weiter erhöht wird.
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Transduktoren, die in der beschriebenen neuen Weise geschaltet werden,
sind nicht nur sehr schnell, sondern besitzen auch keinerlei Kippneigung. Trotz
dieser Vorteile ist der bauliche Aufwand nicht größer als bei der Durchflutungssteuerung.