DE1221290B - Gleichstrom-Magnetverstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche KL: 21 a2 -18/08

Nummer: 1221290

Aktenzeichen: H 50937 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 25. November 1963

Auslegetag: 21. Juli 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Magnetverstärker zur Verstärkung eines Steuergleichstromes in einen pulsierenden Ausgangsgleichstrom, dessen Mittelwert dem Steuergleichstrom proportional ist.

. Bei bekannten Schaltungsanordnungen zur Verstärkung eines Steuergleichstromes, die mit Magnetverstärkern arbeiten, wird der Steuergleichstrom zunächst durch einen Wechselrichter, in einen Wechselstrom mit rechteckiger Wellenform umgewandelt, der dann durch einen üblichen Wechselstrom-Magnetverstärker verstärkt wird. Der Ausgängswechselstrom wird dann über Schalttransistoren der Last zugeführt. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Verstärkeränordnüngen liegt in dem ©ihebiiohen schaltungstechnischen Aufwand, der durch die Verwendung eines gesonderten Wechselrichters neben dem Magnetverstärker bedingt ist. ■ ■'■■.'.■■

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieses Nachteiles einen Gleichstrom-Magnetverstärker zu schaffen, der, .sich durch einen besonders einfachen Aufbau: auszeichnet.

Diese Aufgabe wirderfindungsgeniäß dadurch gelöst, daß zwei Sättigungs-Magnetkerne vorgesehen sind, auf denen eine mit dem Steuergleichstrom gespeiste Eingangswicklung sowie zwei Äusgangswicklungen angeordnet sind, deren eines Ende mit einer Last verbunden ist und die von einer Arbeitsstromquelle über je ein an das andere Wicklungsende· angeschlossenes Halbleiter-Schaltelement gespeist werden, und daß ferner zwei zur abwechselnden Umsteuerung der beiden Sahaltelemente vom leitenden in 4en nichtleitenden Zustand und umgekehrt dienende, auf Änderungen im Sättigungszustand der Magnetkerne ansprechende Steuereinrichtungen vorgesehen sind. ■

Bei dem erfindungsgemäßen Magnetverstärker erfüllen die Sättigungs-Mägnetkerne, die darauf vorgesehenen Wicklungen und die beiden Halbleiter-Schaltelemente zusammen sowohl die Funktioneines Wechselrichters als auch die eines Verstärkers. Hierdurch •ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung des schaltungstechnischen Aufwandes gegenüber den bekannten Ausführungen.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Aais'führungsbeispiele hervor; Bs zeigt ·

F i g. 1 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2, 3 und 4 Kurvendiagramme zur Erläuterung •der Wirkungsweise des Magnetverstärkers gemäß Fig. 1,

Gleichstrom-Magnetverstärker

Anmelder:
Hitachi, Ltd., Tokio
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Yoshinori Kawai, Katsuta-shi;
Hisakätsu Kiwaki, Mitd-shi;
Hiroshi Sato_s Katsuta-shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 24. November 1962 (52 932)

F i g. 5 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, ·

F i g. 6 ein Kurvendiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verstärkers gemäß F i g. 5,

F i g. 7 und 8 Schaltbilder zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Der in F i g. 1 dargestellte Magnetverstärker enthält zwei Steuergleichrichter SCRl und SCRl, die als gesteuerte Siliciumgleichrichter ausgebildet sein können, ferner Dioden Dl, Dl' undC 2, DT, Sättigungs_: Eisenkernemi, ml, Steuerwicklungen NC, Äusgangs-Wicklungen NLl, NL'1 und NL2, NL'2, Torwicklungen NGl und NG2, die jeweils auf den Kernen ml bzw. m 2 sitzen.

Eine Gleichspannungsquele E₀ ist über eine Belastung RL und zwei gesteuerte Siliciumgleichrichter SCRl, SCR2 an die Äusgangswicklungen NLl, NL'2 und NL2, NL' 1 angeschlossen. Die TorwicklungenMrl und NG2 sind über Kondensatoren Cl, C2 und DiodenDl' und D2' zwischen die Tore und die Kathoden der zugehörigen gesteuerten Siliciumgleichrichter SCR 1 und SCR2 geschaltet. Der dargestellte Magnetverstärker enthält weiterhin zur Aufladung der Kondensatoren dienende Dioden Dl und D 2, einen zur Stromkommutierung dienenden Kondensator C und eine Steuer- bzw. Eingangs-Gleich-Spannungsquelle E_c.

Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß F i g. 1 ist folgendermaßen:

609 590/263

Es sei angenommen, daß der Gleichrichter SCRl leitend und der Gleichrichter SCRl nichtleitend ist. Die Spannung E₀ wird den Wicklungen JVLl und NL'l über den Gleichrichter SCRl zugeführt und gleichzeitig auch dem aus den Elementen SCRl, C, NLl 5 und JVL'l bestehenden Kreis. Der Kondensator C ist so bemessen, daß er in einer verhältnismäßig kurzen Zeit voll aufgeladen ist, so daß der Kreis JVL'l-JVL2 während der leitenden Periode des Gleichrichters SCRl im wesentlichen geöffnet ist.

Durch Anlegen der Spannung E₀ an die in Reihe liegenden Wicklungen JVL'l und JVL2 werden in den betreffenden Wicklungen Spannungen in den durch die Pfeile in F i g. 1 veranschaulichten Richtungen induziert. Der Kondensator Cl wird infolgedessen durch den jetzt geschlossenen Kreis Cl-Dl'-SCRl (Tor und Kathode) geladen, während der Kondensator C2 über die Diode D1 geladen wird; die jeweiligen Polaritäten sind in F i g. 1 veranschaulicht. Hierdurch kann der Törstrom des Gleichrichters SCRl leicht fließen, während dies beim Gleichrichter SCRl durch die Sperrvorspannung des an der Diode Dl in Durchlaßrichtung auftretenden Spannungsabfalles nicht der Fall ist. Diese Sperrvorspannung verhindert einen falschen Betrieb .des Gleichrichters SCRl.

Die Flüsse in den Kernen ml und m2 ändern sich allmählich vom Sättigungszustand der einen Richtung in den der anderen. Wenn der Kern ml in den Sättigungszustand gelangt ist, wird die in der Torwicklung JVG2 induzierte EMK augenblicklich im wesentliehen Null, was eine Entladung des Kondensators C2 über den Gleichrichter DT und die Tor-Kathodenstrecke des Gleichrichters SCRl zur Folge hat, so daß der Gleichrichter SCRl leitend wird.

Der Kondensator C entlädt sich daher augenblicklieh über die Gleichrichter SCRl und SCRl, wobei der Strom in der Vorwärtsrichtung unter den Haltestrom fällt, so daß der Gleichrichter SCR 1 nichtleitend wird. Der Stromwechsel zwischen den Gleichrichtern SCRl und SCRl geht auf diese Weise Handin Hand mit dem Übergang der Kernemi und m2 von einem Sättigungszustand in den anderen.

Es versteht sich, daß an Stelle der bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel benutzten gesteuerten Siliciumgleichrichter auch Transistoren als Halbleiter-Schalt- elemente vorgesehen werden können.

Im folgenden sei eine einfache Analyse der erläuterten Schaltung gegeben. In der Schaltung gemäß F i g. 1 gelten, wenn "der Gleichrichter SCRl leitend ist, die folgenden Gleichungen, wobei JVLl = JVL2 = JVL'l = JVL'2 = NL (Anzahl der Windungen), die Ladeströme der Kondensatoren Cl, C2 usw. vernachlässigt werden und der Laststrom mit iL, der Steuerstrom mit iC und die Steuerspannung mit E_c bezeichnet sind:

Eo = NLO₁ + NL<i>_% '+ RLQ₁ + Z₂). ^

Eo= -Q--NL0₂ ~ NL^₁ + RL(I₁ + Q. (2)

55

60

Ec = Re i_e +

Hierbei bedeuten Q — Ladung des Kondensators C; (Jt₁ = Flußänderung,J:ia,Kern ml und φ₂ = Flußänderung im Kern m2.

Vernachlässigt man die Magnetisierungsströme der Kernemi und ml, wenn sich die Kerne nicht im Sättigungszustand befinden, so ergibt sich

-I₁) = -Nci_c.

Hierbei bedeutet I₁ = Strom durch die Wicklungen JVLl und NL'l, i₂ = Strom durch die Wicklungen JVL2 und JVL'l, ic — Strom durch den Steuerkreis Rc-E₀-Nc.

Aus den obigen Gleichungen lassen sich die beiden folgenden Gleichungen ableiten (i_c vernachlässigt):

<P_{1 =} A

2 V 2 NL C Nc

^₂ =

• 2 V 2 NL C Ν

Hieraus ergibt sich, daß (P₁ und Φ₂ den Sättigungszustand gleichzeitig erreichen, wenn E₀ = 0, daß Φ₂ dagegen den Sättigungszustand vor Φ₁ erreicht, wenn E_c>0. Aus den Gleichungen (1) und (2) folgt (für

2E₀ = "β + ARL-ψ-C dt

Die Differentialgleichung (8) besitzt folgende Lösung: ;

Hieraus folgt

E_n

_e4RLC

' (10)

φ\ + φ₈ =

—Q = JÜL(i_

2NLC NL

«ic)

(H)

Die Spannung V_ac an den in Reihe liegenden Wicklungen JVLl und JVL'2 ist daher

ι + φ.). (12);

F i g. 2 zeigt die Kurvenform von Vae und i, wobei die horizontale gestrichelte Linie den Mittelwert von i wiedergibt.

Wenn E₀ immer größer wird, so wird die Zeit, die der Fluß0₂ zur Erreichung des Sättigungszustandes benötigt, immer kurzer, und die Kurven erhalten die Form gemäß F i g. 3.

Die charakteristische Kurve, die die Abhängigkeit des Laststromes vom Steuerstrom darstellt, ist in F i g. 4 veranschaulicht. Die Erfindung benutzt eine derartige geradlinige Charakteristik für einen mit einer Gleichspannungsquelle betriebenen Magnetverstärker.

Erfindungsgemäß kann jeder Eisenkern auch mit einer Rückkopplungswicklung JV/ versehen sein,-wie in F i g, 5 veranschaulicht.

Der Belastungsstrom wird auf diese Weise im ppsir tiven Sinne rückgekoppelt, so daß sich Sprungkennlinien (1), (2) oder Hysteresiskennlinien (3) — wie in F i g. 6 veranschaulicht — ergeben.

Zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Magnetverstärkers kann — wie in F i g. 7 dargestellt — ein Schalter Szum Kurzschließen des Gleichrichters SCRl vorgesehen werden, oder es kann ein Kondensator Cl und ein Widerstand R parallel zum Gleichrichter SCR 1 geschaltet werden. Wenngleich dies nicht dargestellt ist, kann zur Inbetriebnahme auch die Gleichspannung E₀ über einen Kondensator differenziert und dem Tor des Gleichrichters SCR 1 zugeführt werden.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das durch Anwendung von Transistoren vereinfacht ist und eine Sprungcharakteristik aufweist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Magnetverstärker zur Verstärkung eines Steuergleichstromes in einen pulsierenden Ausgangsgleichstrom, dessen Mittelwert demSteuergle chstromproportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sättigungs-Magnetkerne (ml, m2) vorgesehen sind, auf denen eine mit dem Steuergleichstrom gespeiste Eingangswicklung (JVc) sowie zwei Ausgangswicklungen (JVLl, NL' 2 bzw. JVL'1, JVL2) angeordnet sind, deren eines Ende mit einer Last (AL) verbunden ist und die von einer Arbeitsstromquelle (E₀) über je ein an das andere Wicklungsende angeschlossenes

Halbleiter-Schaltelement (z. B. .SCi? 1, SCR2) gespeist werden, und daß ferner zwei zur abwechselnden Umsteuerung der beiden Schaltelemente vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt dienende, auf Änderungen im Sättigungszustand der Magnetkerne ansprechende Steuereinrichtungen (z. B. JVGl, Cl, DV und NG2, C2, D2') vorgesehen sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Magnetkernen (ml, m2) zusätzlich je eine vom Ausgangsstrom durchflossene Rückkopplungswicklung (JV/) vorgesehen ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltelemente durch gesteuerte Gleichrichter (SCR 1, SCR2) gebildet werden.

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltelemente durch Transistoren (TrI, Tr2) gebildet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch von W. A. G e y g e r, »Magnetverstärker-Schaltungen«, 1959, S. 43, letzter Absatz (Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer) ;

Zeitschrift »Electrical Engineering«, 1956/H.9, S. 812; Zeitschrift »AIEE Transactions«, 1956, November, S. 585 bis 589, insbesondere F i g. 5.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen