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Mit Spannungsvergleich arbeitende Einrichtung
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Serie zum Gleichrichter 21 liegen noch die Widerstände 24, auf die noch zurückzukommen sein wird ; in Serie zum Gleichrichter 22 liegt der aus'dem Widerstand 25 bestehende Eingangskreis einer bistabilen
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mit zwei Transistoren A und B bestückt ist, ausserdem noch die Widerstände 26 - 30 umfasst und aus der Quelle 31 gespeist ist.
Es ist leicht erkennbar, dass ein Strom durch einen der Gleichrichter 21 oder 22 nur dann fliessen kann, wenn die zugeordnete Spannung höher ist als die mit ihr zu vergleichende Spannung. So hört z. B. ein Strom im Gleichrichter 22 ganz unabhängig von der absoluten Höhe der Spannungen zu fliessen auf, sobald die Spannung am Kondensator 20 diejenige am Kondensator 17 geringfügig übersteigt. Damit hört aber auch der Stromfluss durch den Widerstand 25 auf und die Kippanordnung geht in den andern stabilen
Zustand über.
Das Ausgangssignal der Kippanordnung, welches am Wiaerstand 29 auftritt, steuert über einen Verstärker mit Transistor C den Schalttransistor 9, der, wie schon erwähnt, den Strom in der Erregerwicklung 5 beeinflusst. Durch die erfindungsgemässe Anwendung einer bistabilen Kippanordnung ist sichergestellt, dass der Schalttransistor stets eindeutig ein-oder ausgeschaltet ist, dass er also niemals in einer für ihn schädlichen Zwischenstellung verbleiben kann.
. Die grosse elektrische Trägheit von Generator, Erregermaschine und Hilfserregermaschine würde ohne besondere Massnahmen keine stabile Regelung ermöglichen. Es sind deshalb in an sich bekannter Weise die Rückführungsnetzwerke 32 vorgesehen. welche Spannungen erzeugen, die proportional sind zu Erregermaschinenspannung und -strom, sowie zu Hilfserregermaschinenspannung und -strom. Diese Spannungen werden, wie in der Zeichnung symbolisch dargestellt, an die Widerstände 24 gelegt, die in Serie zum Gleichrichter 21 geschaltet sind. Die rückgeführten Spannungen addieren sich also zur Ist-Spannung und die Verhältnisse sind so gewählt, dass das gesamte System Schwingungen ausführt mit einer Periode, die kurz ist im Vergleich zu den Zeitkonstanten der Maschinen. Es ergibt sich daraus eine stabile Regelung der Generatorspannung.
Die hier beschriebene Einrichtung weist im wesentlichen die folgenden Vorteile auf : Sie umfasst keine bewegten Teile, insbesondere keine Kontakte, und bedarf daher praktisch keiner Wartung ; sie lässt sich kleiner und billiger konstruieren als ein Tirrillregler ; die Gewinnung und Zuführung der miteinander zu vergleichenden Spannungen und ihrer Komponenten, insbesondere der rückgeführten Spannungen, kann in hochohmigen Kreisen ohne grossen Leistungsverlust geschehen.
Die Fig. 2 zeigt als zweites Beispiel die Anwendung der erfindungsgemässen Einrichtung in einem sogenannten Gittersteuersatz für Stromrichter, d. h. in einer'Anordnung zur Erzeugung von in der Phase regelbaren Impulsen, die zur Zündung von gittergesteuerten Stromrichtern geeignet sind.
Der Funktion des gezeigten Gittersteuersatzes liegt das an sich bekannte Prinzip der sogenannten Sinusvertikalsteuerung zugrunde. Hiezu wird eine Sinusspannung Us verwendet, die phasengleich mit der den Stromrichter speisenden Netzwechselspannung verläuft. Zu dieser Sinusspannung wird gemäss Fig. 3 eine konstante Gleichspannung Uk von solcher Grösse addiert, dass die Summe Uo = Us + Uk stets positiv ist. Der Momentanwert von Uo wird verglichen mit der variablen Steuergleichspannung Uv. Ein Zündimpuls soll immer dann auftreten, wenn die Differenzspannung Uo-Uv von negativen Werten her durch Null geht, d. h. jeweils beim Phasenwinkel a. Der besondere Vorteil der Sinusvertikalsteuerung liegt darin, dass die vom Stromrichter abgegebene Gleichspannung linear mit der Steuerspannung Uv zusammenhängt.
Mit Rücksicht auf die Anforderungen des Stromrichterbetriebes muss die Impulslage im Intervall 0 < a < 1500 verschiebbar sein. Der Wert 1500 steht hier als Beispiel ; oft werden gewisse Abweichungen nach oben oder unten zweckmässig sein. Es sollte weiterhin dafür gesorgt sein, dass im Intervall 1500 < a < 3600 keine Impulse entstehen können. Anzustreben ist ferner, dass auch bei rasch verlaufenden Schwankungen der Netzspannung keine Impulse ausfallen, und dass ein allfälliger Kurzschluss zwischen Steuergitter und Kathode des Stromrichters keine für den Gittersteuersatz schädlichen Folgen mit sich bringt.
Alle diese Anforderungen werden durch die erfindungsgemässe Regeleinrichtung erfüllt.
Es liegt nahe, die in derartigen Gittersteuersätzen verwendeten steuerbaren elektrischen Entladungsgefässe durch Transistoren zu ersetzen. Ein solcher Ersatz würde aber gewisse Nachteile mit sich bringen.
Zur möglichst genauen Festsetzung der Impulslagen mtissen"schleifende Schnitte"zwischen den miteinander zu vergleichenden Spannungen Uo und Uv vermieden werden ; diese Spannungen müssen also möglichst hoch sein. Anderseits ist die eingangsseitige Belastbarkeit der Transistoren beschränkt, u. zw. sowohl hinsichtlich der Sperrspannung wie auch des Durchlassstromes. Es. müssen also Spannung und Strom
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im Eingangskreis der Transistorschaltung begrenzt werden ; und dies ist in Anbetracht der hohen Spannun- gen und der niedrigen Widerstände nicht ohne beträchtlichen Leistungsverlust möglich.
Die erfindung- gemässe Einrichtung vermeidet diesen Nachteil, u. zw. in erster Linie dadurch, dass die Begrenzung durch spannungsfeste Gleichrichter in hochohmigen Stromkreisen erfolgt, so dass selbst bei Anwendung hoher
Spannungen die Leistungsverluste sehr gering bleiben.
Gemäss Fig. 2 werden durch die erfindungsgemässe Einrichtung die Spannungen Uo und Uv miteinan- der verglichen. Bei der Spannung Uv kann es sich um eine von Hand einstellbare Spannung oder um die
Ausgangsspannung eines vorgeschalteten Reglers handeln. Die Quelle für die Spannung Uo umfasst die miteinander in Serie geschalteten Teile 35 (Quelle für Gleichspannung Uk) und 36 (Transformator für
Wechselspannung Us), sowie das RC-Glied 37, 38, auf das noch zurückzukommen sein wird.
Die Quelle für die Spannung Uv ist über den Gleichrichter 33 mit dem Widerstand 34 verbunden.
Die Quelle für die Spannung Uo ist über den Gleichrichter 39 ebenfalls mit dem Widerstand 34 verbun- den ; in Serie zum Gleichrichter 39 liegt noch der aus dem Widerstand 40 bestehende Eingangskreis einer bistabilen Kippanordnung. Diese ist auch im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel durch den bekann- ten Schmidt-Trigger gebildet, der mit den Transistoren 41 und 42 bestückt ist, ausserdem noch die Wi- derstände 43-47 umfasst und aus der Quelle 48 gespeist ist.
Das Ausgangssignal der Kippanordnung, welches am Widerstand 46 auftritt, steuert den Schalttransi- stor 49, u. zw. über das Differenzglied 50, 51, welches bei jedem Umkippen der bistabilen Kippanord- nung dem Schalttransistor einen kurzen Impuls zuführt. Es ist leicht erkennbar, dass jeweils dann ein po- sitiver Impuls an den Schalttransistor abgegeben wird, wenn die Spannung Uo die Spannung Uv von unten her überschreitet, also jeweils bei den Phasen a (Fig. 3). Die zwischen den positiven Impulsen auftreten- den negativen Impulse sind ohne weiteres Interesse. Durch die erfindungsgemässe Verwendung einer Kipp- anordnung ist sichergestellt, dass die den Schalttransistor steuernden positiven Impulse stets dieselbe Ge- stalt aufweisen, ganz unabhängig davon, wie gross der Schnittwinkel zwischen den Kurven für Uo und Uv ist.
Die Formung der dem Stromrichter zuzuführenden Zündimpulse geschieht durch eine Rückkopplungschaltung, in welche als aktives Schaltelement der Schalttransistor 49 selbst aufgenommen ist. Bei jedem Eintreffen eines positiven impulses vom Differenzierglied 50. 51 her verbindet der Schalttransistor 49 die
Primärwicklung 52 des Rückkopplungstransformators mit der Stromquelle 53. Die Sekundärwicklung 54 treibt sofort über den in Leitrichtung beanspruchten Gleichrichter 55 und den einstellbaren Widerstand 56 einen RUckkopplungsstrom durch den Schalttransistor ; gleichzeitig entsteht in der zweiten Sekundärwicklung 57 der Ztindimpuls. Die Dauer dieses Impulses ist gegeben durch die Spannungszeitfläche, die der Rückkopplungstransformator aufnehmen kann.
Beim Eintritt der Eisensättigung wächst nämlich der Kollektorstrom des Schalttransistors an, während der Basisstrom abnimmt. Sobald letzterer nicht mehr dazu ausreicht, den Transistor voll leitend zu erhalten, nimmt der magnetische Fluss im Transformatoreisen ab und der Strom durch den Transistor wird abgeschaltet.
Die Rückstellung der ganzen Ruckkopplungsschaltung geschieht erst nach Verlöschen der Entladung im Stromrichter 58, da dessen Gitterstrom auch nach Aufhören des Transistorstromes den Eisenkern des RUckkopplungstransformatorsin gesättigtem Zustand erhält. Die Wicklung 59 ist von einem durch den Widerstand 60 bestimmten Gleichstrom durchflossen und dient zur Entmagnetisierung des Eisenkerns bei der Rückstellung. Während des Rückstellvorganges addiert sich die in der Primärwicklung 52 induzierte Spannung zur Spannung der Quelle 53 und beansprucht den Schalttransistor in Sperrichtung. Der Gleichrichter 61 hält diese zusätzliche Spannung während der Dauer des Rückstellvorganges konstant auf dem Wert der von der Quelle 62 stammenden Spannung.
Diese wird so eingestellt, dass die Spannungs-ZeitFläche der Rückstellperiode gleich der durch die geforderte Impulsdauer bestimmten Spannungs-ZeitFläche der Leitperiode ist.
Der kurz erwähnte Gleichrichter 55 verhindert, dass die vom Differenzierglied 50, 51 ankommenden Impulse nutzlos über die Sekundärwicklung 54 fliessen. Es steht also die gesamte Energie dieser Impulse für das Anstossen der Rückkopplungsschaltung zur Verfügung. Der parallel zum Gleichrichter 55 liegende Widerstand 63 dient in Verbindung mit dem Widerstand 51 zur Stabilisierung des Schalttransistors 49 in den Sperrperioden. Der ebenfalls kurz erwähnte einstellbare Widerstand 56 dient zur Einstellung des Basisstromes im Schalttransistor ; seine Verwendung ist mit Rücksicht auf die verhältnismässig grossen Streuungen in den Eigenschaften der Transistoren zweckmässig.
Die geforderte Kurzschlusssicherheit des Gittersteuersatzes ist dadurch gegeben, dass die Rückkopplungsschaltung durch die vom Differenzierglied 50, 51 stammenden Impulse nur angestossen wird. so dass eine Belastung des gefährdeten Schalttransistors über die Dauer dieser Impulse hinaus auch bei einem Kurzschluss an der Wicklung 57 nicht besteht.
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Im Fall, dass bloss geringere Impulsenergie gebraucht werden, kann die Schaltleistung des Transistors 42 unmittelbar zur Steuerung z. B. von Thyratrons dienen.
Es wird nun noch der Zweck des schon erwähnten RC-Gliedes 37, 38 und der mit diesem verbunde- nen Schaltelemente erläutert. Dieser zusätzliche Schaltungsteil erfüllt zwei Funktionen : er verhindert das Auftreten von Zündimpulsen im Intervall 15003600. und er ermöglicht die Bildung von Zündimpulsen auch bei rasch verlaufenden Netzspannungsschwankungen. Wird beispielsweise angenommen, dass sich die Netzspannung plötzlich vermindert, so folgt die Spannung Us dieser Veränderung ohne Verzögerung, während sich die durch Gleichrichtung und Filterung gewonnenen Gleichspannungen Uk und Uv nur verhältnismässig langsam verändern. Wenn in einem solchen Fall die Lage der Zündimpulse in der Nähe
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stattfinden und es können keine Zündimpulse erzeugt werden.
Ist aber die Lage der Zündimpulse in der Nähe von a = 1500 gewählt, so wird eine unzulässige Verschiebung der Zündimpulse nach grösseren Werten von a hin eintreten.
Der Transistor 64 wird durch die aus dem Transformator 65 stammende Wechselspannung während jeweils einer Halbperiode geöffnet. Die Primärwicklung dieses Transformators ist so mit zwei Leitern, des speisenden Dreiphasennetzes verbunden, dass der Transistor jeweils während der Intervalle 15003300 leitend ist. Der Kollektorstrom dieses Transistors fliesst als zusätzlicher Strom durch den Eingangskreis der bistabilen Kippanordnung, d. h. durch den Widerstand 40, und bewirkt damit, dass der Transistor 41 des Schmidt-Triggers im genannten Intervall stets eingeschaltet ist. unabhängig davon, welche von den Spannungen Uo und Uv die grössere ist. Es kann alsc gegebenenfalls am Anfang dieses-Intervalls ein Zündimpuls entstehen, niemals aber innerhalb des Intervalls.
Am RC-Glied 37,38 wird nun durch diesen zusätzlichen Strom ein Spannungsabfall AU erzeugt, dessen Verlauf durch die gleich bezeichnete Kurve in Fig. 3 dargestellt wird. Dieser Spannungsabfall addiert sich gemäss der untersten Kurve der Fig. 3 zur Spannung Uo ; es wird also im Endeffekt die Spannung nach der Kurve Uo + AU mit der Steuerspannung Uv verglichen. Es ist leicht ersichtlich, dass nunmehr die früher angegebenen Mängel beseitigt sind. Unter der Voraussetzung, dass die Verminderung der Spannung Uo bei Netzspannungsschwankungen nicht grösser ist als die Höhe AU der aus dem RC-Glied stammenden zusätzlichen Spannung, besteht bei beliebig raschem Verlauf der Schwankung und bei beliebiger Einstellung des Zündzeitpunkte a stets ein Schnittpunkt zwischen den Kurven Uo + AU und Uv. Es fallen also keine Zündimpulse aus.
Anderseits kann eine Verzögerung der Impulslage über a = 1500 hinaus ebenfalls nicht eintreten, nachdem der zusätzliche Strom die bistabile Kippanordnung spätestens bei a = 1500 betätigt.
Durch einfache zusätzliche Mittel können die Grenzen des Intervalls verstellbar gemacht werden ; beispielsweise indem die Spannung des Transformers 65 in ihrer Phase verschoben wird, oder dem Transistor 64 die Summe einer Wechselspannung und einer einstellbaren Gleichspannung zugeführt wird.
Der Kurvenverlauf der Spannung AU ist im allgemeinen bei a = 1500 nicht symmetrisch zu jenem bei a = 3300. Der Verlauf bei a = 3300 ist durch die Wahl der Elemente 37, 38 bestimmt und muss bei allen Phasen einer üblicherweise mehrphasigen Anordnung identisch sein. Eine kleine Zeitkonstante der RC-Kombination 37, 38 gibt den Vorteil einer schärferen Impulslage im Gebiet < x = 0 ohne die Gefahr schleifender Schnitte zwischen den Spannungen Uv und Uo + AU. Der Ausschaltpunkt des Transistors 64, oben bei a = 330 , muss dabei näher gegen a = 3600 verschoben werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mit Spannungsvergleich arbeitende Einrichtung mit zwei Gleichrichtern, über welche je eine der Quellen der miteinander zu vergleichenden Spannungen mit einem gemeinsamen Widerstand verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu dem einen Gleichrichter der Eingangskreis einer bistabilen Kippanordnung geschaltet ist, deren Ausgangssignal einen Schalttransistor steuert.