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Anordnung zur Erfassung des durch zwei steuerbare Gleichstromquellen
fließenden Kreisstromes Von Verstärkern und Verstellgliedern, insbesondere in der
Antriebs-, Steuer- und Regelungstechnik, muß oft die Aufgabe erfüllt werden, eine
Last mit einem nach Größe und Richtung veränderbaren Gleichstrom zu speisen. Es
ist zur Erzielung eines möglichst großen Steuerbereiches und Wirkungsgrades üblich,
dafür je einen Verstärker bzw. ein Stellglied für jede Laststromrichtung als steuerbare
Gleichstromquelle vorzusehen und je nach der gewünschten Laststromrichtung nur eine
Gleichstromquelle auszusteuern. Die jeweils gerade nicht benötigte Gleichstromquelle
könnte an sich bis zu einer Richtungsänderung des Laststromes abgeschaltet oder
sonst außer Tätigkeit gesetzt werden. Für viele praktische Anwendungsfälle hat es
sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Stromflußzeiten der Gleichstromquellen
zumindest bei einer Laststromumkehr sich in der Weise überlappen zu lassen, daß
die der neuen Richtung zugeordnete Gleichstromquelle bereits ihren Strom über die
Last zu treiben versucht, ehe die der früheren Stromrichtung zugeordnete Stromquelle
ihrerseits die Stromlieferung einstellt. In diesem Betriebszustand, der für kleine
Laststrombereiche vorgesehen wird, werden beide Gleichstromquellen im Gegentakt
ausgesteuert und liefern Strom, wobei der kleinere von beiden Strömen nicht die
Last durchfließt, sondern nur in dem von den beiden Gleichstromquellen gebildeten
Kreis als sogenannter Kreisstrom auftritt. Durch die überlappende Kommutierung des
Laststromes von der einen auf die andere Stromquelle, die notwendigerweise mit dem
Auftreten eines Kreisstromes verknüpft ist, gelingt es, bei Wechsel der Laststromrichtung
Nichtlinearitäten, welche bei kleinen Strömen bzw. Spannungen auftreten würden,
zu eliminieren und einen stetigen Verlauf des Laststromes zu erhalten. Diese Maßnahme
hat vor allem bei Verstärkern Bedeutung, deren Elemente bei kleinen Eingangsspannungen
ein Schwellwertverhalten zeigen. Auch strebt man in den Fällen einen Kreisstrom
an, wenn bei einer Umkehr des Laststromes ein nichtlückender Laststrom erwünscht
ist, wie z. B. bei der sogenannten Kreisstromregelung in Stromrichterschaltungen.
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Um zu verhindern, daß der Kreisstrom unzulässig hohe Werte annimmt,
wird es im allgemeinen erforderlich sein, ihn unter Kontrolle zu bringen. Zu diesem
Zweck ist es bei Stromrichterschaltungen bekannt, den Kreisstrom mit mindestens
zwei Stromwandlern und einer Vergleichseinrichtung zu ermitteln. Die Erfindung schlägt
demgegenüber eine wesentlich einfachere Anordnung vor zur Erfassung des durch zwei
steuerbare Gleichstromquellen fließenden Kreisstromes für Regelzwecke, wobei die
Gleichstromquellen eine gemeinsame Last antiparallel beaufschlagen. Die Erfindung
ist gekennzeichnet durch eine im Kreisstromweg liegende Parallelschaltung des Eingangskreises
eines stromempfindlichen Meßwertumformers mit zwei in Durchlaßrichtung hintereinander
angeordneten ungesteuerten Ventilen mit Schwellwertcharakteristik, wobei die Last
an die unmittelbar miteinander verbundenen Elektroden der Ventile angeschlossen
und die Summe der Ventilspannungen größer als der Spannungsabfall im Eingangskreis
gewählt ist.
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Die erfindungsgemäße unmittelbare Erfassung des Kreisstromes mit nur
einem Meßglied bietet außerdem noch den Vorteil, daß das Meßglied lediglich für
den im Vergleich zum Laststrom wesentlich geringeren Kreisstrom ausgelegt zu werden
braucht. Die von dem Meßwertumformer gelieferte Größe kann als Kriterium für das
Auslösen von den Kreisstrom beeinflussenden Schaltmaßnahmen dienen, welche selbsttätig
oder von Hand erfolgen können. Besonders vorteilhaft werden in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung mit einer dem gemessenen Kreisstrom entsprechenden Größe die Steuermittel
eines oder beider Gleichstromquellen beeinflußt, wodurch eine stetige Regelung des
Kreisstromes auf einen gewünschten Wert möglich ist.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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In F i g. 1 ist eine Prinzipanordnung der Erfindung dargestellt. Zwei
steuerbare Gleichstromquellen 1 und 2 speisen eine Last 3 mit Gleichstrom umkehrbarer
Richtung. Der innere Aufbau der beiden
Gleichstromquellen ist dabei
nicht weiter veranschaulicht. Es genügt zu wissen, daß mit den Steuereinrichtungen
4. und 5 die von den Gleichspannungen Ui und U2 verursachten Ströme il und 1, verändert
werden können. Die Steuereinrichtung 4 bzw. 5 kann also aus einem steuerbaren Widerstand,
aus einem gesteuerten Gleichrichter oder einem beliebigen anderen Steuermittel bestehen,
welches dann beispielsweise durch eine an die Steuereingänge 6 bzw. 7 angelegte
Spannung oder eine beliebige andere elektrische oder nichtelektrische Größe betätigt
werden kann. Im Weg des Kreisstromes IK ist erfindungsgemäß die Parallelschaltung
eines stromempfindlichen Meßwertumformers 3 mit der Hintereinanderschaltung zweier
Ventile mit Schwellwertcharakteristik 9 und 10 angeordnet. Der Widerstand des Meßwertumformers
ist dabei so klein bemessen, daß der Spannungsabfall an ihm stets kleiner ist als
die Summe der Schwellwertspannungen der beiden Ventile 9 und 10. Infolgedessen wird
der Kreisstrom seinen Weg ausschließlich über den Meßwertumformer 8 nehmen, wodurch
eine unmittelbare und exakte Kreisstromerfassung möglich wird.
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In F i g. 2 ist eine Realisierung des Erfindungsgedankens am Beispiel
eines zweistufigen Transistorverstärkers gezeigt, bei dem der Kreisstrom nicht nur
gemessen, sondern auch auf Grund dieser Messung beeinflußt wird. Man erkennt in
der F i g. 2 die Prinzipdarstellung der F i g. 1 wieder. Gleiche Bezeichnungen sind
für entsprechende Elemente aus F i g. 1 übernommen worden. Der in F i g. 2 dargestellte
Transistorgegentakt-AB-Verstärker enthält die beiden Eingangstransistoren 11 und
12 und die Endstufentransistoren 18 und 19. Es sind sowohl in der Eingangs-
als auch in der Endstufe ein Paar komplementärer Transistoren verwendet. Dies bietet
insbesondere bei den Eingangstransistoren den Vorteil, daß ein und dasselbe Signal
in der Lage ist, die beiden Eingangstransistoren im Gegentakt auszusteuern. Die
Widerstände RF, 14, 15 und 16 sind so dimensioniert, daß sich bei fehlendem Eingangssignal
an der Klemme 13 die Steuerklemme 7 des Transistors 11 auf einem leicht negativen
und die Steuerklemme 6 des Transistors 12 auf einem leicht positiven Potential befinden.
Die Transistoren 18 und 19 sind dadurch gleichermaßen leitend gesteuert,
so daß durch sie der gleiche Kollektorstrom fließt, der für diesen Betriebsfall
genau dem Kreisstrom 1K entspricht, während der Verbraucher 3 von keinem Strom durchflossen
wird. Ein Verschieben des Steuerpotentials an der Klemme 13 in der einen
oder anderen Richtung bewirkt eine unterschiedliche Aussteuerung der Transistoren
11 und 12 bzw. 18 und 19 und demzufolge das Fließen eines Verbraucherstromes durch
die Last 3 in der einen oder in der anderen Richtung. Der kleinere der von den Transistoren
18 und 19 geführten Ströme fließt als sogenannter Kreisstrom durch den Eingangskreis
eines Meßwertumformers, der im dargestellten Falle aus der Erregerwicklung 17 für
den magnetfeldempfindlichen Widerstand RF besteht. Wächst der Kreisstrom Il( auf
unzulässig hohe Werte an, so wird dadurch das Potential der Klemme 6 erniedrigt,
der Transistor 12 dadurch weniger leitend gemacht. Dasselbe passiert mit dem Endstufentransistor
18,
wodurch der Kreisstrom einen erhöhten Widerstand vorfindet und sich demzufolge
verringert. Die Veränderung der Steuerpotentiale für die Transistoren 11 und 12
kann ebensogut auch dadurch erfolgen, daß der feldabhängige Widerstand RF zwischen
der Klemme 7 und der anderen mit » - « bezeichneten Sammelschiene geschaltet wird.
Auch ist es möglich, durch den feldabhängigen Widerstand Einfluß auf die Emitter-Basis-Spannungen
der Endstufentransistoren 18 bzw. 19 zu nehmen, um so einem unzulässigen Anwachsen
des Kreisstromes zu begegnen. Eine unerwünschte Kreisstromerhöhung ist z. B. dann
zu befürchten, wenn die Umgebungstemperatur der Transistoren ansteigt.
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In F i g. 3 ist die Abhängigkeit des feldabhängigen Widerstandes RF
von dem Strom durch seine Erregerwicklung dargestellt. Man sieht, daß RF mit steigendem
Erregerstrom IE der im Falle des erwähnten Ausführungsbeispieles identisch mit 1K
ist, größer wird. Jede anfängliche Vergrößerung des Kreisstromes bewirkt daher durch
weniger große Aussteuerung eines Transistors eine Widerstandserhöhung im Wege des
Kreisstromes und damit eine Verringerung des Kreisstromes in Richtung seines ursprünglichen
Wertes.
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In F i g. 4 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt. Ein
Unterschied zu der Anordnung nach F i g. 2 besteht hier darin, daß die Endstufe
zwei Transistoren 18 und 19 des gleichen Leitfähigkeitstyps sowie einen Transistor
25 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist. Wiederum wird der durch die
beiden steuerbaren Gleichstromquellen 1 und 2 fließende Kreisstrom I« über die Erregerwicklung
17 eines feldabhängigen Widerstandes RF geführt. Erhöht sich der Strom IK, so erhöht
sich gleichzeitig der Widerstand RF sowie das Basispotential des Steuertransistors
12 und bewirkt eine weniger starke Aussteuerung desselben sowie des von ihm gesteuerten
Transistors 18, wodurch der Kreisstrom Il( erniedrigt wird. Eine parallel
dem feldabhängigenWiderstandRF sowie einem weiteren Widerstand 20 angeordnete Kompensationsschaltung
aus der Zenerdiode 21 und den beiden Halbleiterdioden 22 sorgt in an sich bekannter
Weise dafür, daß eine durch Temperaturerhöhung bedingte Verschiebung des Basispotentials
des Transistors 12 aufgehoben wird. Es besteht außerdem die Möglichkeit, eine Temperaturkompensation
in der Weise vorzunehmen, daß der Widerstand 20 als ein Heißleiter ausgebildet wird.
Heißleiter sind Bauelemente, deren Widerstände bei steigender Temperatur abnehmen.
Der Heißleiter wird hierbei zwecknäßigerweise mit den Kühlflächen der Endstufentransistoren
13 und 19 in möglichst guten Wärmekontakt gebracht, so daß er bei einer Erwärmung
derselben die Emitter-Basis-Spannung des Transistors 12 erniedrigt und einer durch
die Temperatursteigerung der Endstufentransistoren bedingten Kreisstromerhöhung
entgegenwirkt. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann bei höheren Umschaltfrequenzen
die Kommutierung dadurch verbessert werden, daß den Schwellwertdioden 9 und 10 hochohmige
Widerstände 23 und 24 parallel angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich auf
das Vorhandensein von Eigenkapazitäten der Dioden zurückzuführende Unstetigkeiten
im Laststrom vermeiden bzw. vermindern.
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Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Anordnung nach den F i
g. 2 und 4 jeweils symmetrisch zu den Achsen I-II zu verdoppeln, so daß Brückenanordnungen
entstehen, bei denen die Last 3 in einem Diagonalzweig zu liegen kommt. Es muß dann
für
eine gegensinnige Beaufschlagung der beiden Steuereingänge gesorgt
werden.
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In F i g. 5 ist die Anwendung der Erfindung zur Kreisstromregelung
bei einer Stromrichterschaltung angedeutet. Es, handelt sich um eine Antiparallelschaltung
zweier gesteuerter Stromrichter 1 und 2, welche auf die ihnen gemeinsame Last 3
arbeiten. Der mit ü bezeichnete Laststrom rührt von dem Stromrichter 1 her, während
der mit i2 bezeichnete Laststrom dem Stromrichter 2 zugeordnet ist. Mit 37 ist die
Primärseite eines Stromrichtertransformators bezeichnet, welcher an die Phasen RST
eines Drehstromsystems angeschlossen ist, während 38 die zugehörige Sekundärseite
ist, welche die einzelnen Gruppen der Stromrichter 1 und 2 speist.
Mit 30 und 31 sind zwei sogenannte Kreisstromdrosseln bezeichnet.
Eine Steuereinrichtung 39 verändert die Zündwinkel der einzelnen Gleichrichter in
der Weise, daß die Last 3 von dem Strom ü oder vom Strom i2 durchflossen wird. Zur
Erfassung des Kreisstromes IK ist wiederum im Kreisstromweg die Parallelschaltung
von zwei hintereinandergeschalteten Schwellwertventilen 9 und 10 mit dem Eingangskreis
eines Meßwertumformers angeordnet, der hier in den Steuerwicklungen 40 und 41 eines
Gleichstromwandlers besteht. Seine mit der Wechselspannung U c\D gespeisten Lastwicklungen
26 und 27 liefern über den Gleichrichter 28 einen Steuerwert, der proportional dem
die Steuerwicklung 40 und 41 durchfließenden Kreisstrom 1K ist und der zu
einer Beeinflussung des Steuersatzes 39 verwendet wird.
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In F i g. 6 ist eine entsprechende Anwendung der Erfindung bei der
sogenannten Kreuzschaltung von zwei Dampfentladungsgefäßen 1 und
2 dargestellt. Für Elemente mit gleicher Funktion sind die entsprechenden
Bezugszeichen der Anordnung nach F i g. 5 beibehalten worden. Der Eingangskreis
des Meßwertumformers besteht hier in der Steuerwicklung 29 eines Hallgenerators
32, die auf einem magnetisierbaren Kern 33 aufgebracht ist. Im Luftspalt des Kernes
33 ist die von einer konstanten Gleichspannung 34 gespeiste Hallsonde 35 angeordnet.
An den Klemmen 36 erscheint auf Grund des bekannten Halleffekts eine Spannung, welche
proportional dem die Steuerwicklung 29 durchfließenden Kreisstrom ljt ist.