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Stromversorgungsgerät Die Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsgeräte, bei welchen der Verbraucher von einem Wechselstromnetz über eine Stromrichterschaltung in Form einer zwei-oder mehrphasigen Sternpunktschaltung odermshrphasigen Polygonschaltung, z. B. Dreieckschaltung, oder einer ein- oder mehrphasigen Brückenschaltung gespeist wird und die Steuerung der Speisung des Verbrauchers unter Benutzung mindestens einer steuerbaren Halbleiteranordnung vorgenommen wird.
Es ist bereits eine Mittelpunktgleichrichterschaltung bekanntgeworden, bei welcher zwischen der Mittelanzapfung des Transformators und dem gemeinsamen Pol der in den aufeinanderfolgenden Halbwellen für die Stromführung wirksam werdenden elektrischen Ventile ein in seiner Durchlässigkeit steuerbarer Transistor vorgesehen ist, der auch nach Art eines Schalttransistors betrieben werden kann. So ist beispielsweise (Schweizer Patentschrift Nr. 328880) eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der von einer Wechselstromspeisequelle gelieferten Leistung mit Hilfe von Transistoren bekanntgeworden, bei der in Eintaktschaltung nur eine, in Gegentaktschaltung beide Halbwellen in untereinander gleicher Weise durch Änderung der Dauer der Stromdurchlasszeit der Transistoren die über den Verbraucher geführte Leistung auf verschiedene Werte gebracht werden soll.
Nach der Erfindung kann ein Stromversorgungsgerät mit getrennten Strompfaden für die verschiedenen Halbwellen zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers aus einem Wechselstromnetz über Gleichrichter dadurch verbessert werden, dass in einem dieser Strompfade eine steuerbare Halbleiteranordnung vorgesehen ist, mit der die über diesen Strompfad geführte Halbwelle derart ausgesteuert wird, dass der Ver-
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sondern auch zeitliche Abschnitte, in denen der Strom über verschiedene Pfade fliesst, wie beispielsweise bei einer an ein Einphasennetz angeschlossenen Mittelpunktschaltung, zu verstehen. Auf diese Weise kann bei geringem Aufwand die Regelzeit sehr kurz gehalten werden. Eine weitere Verringerung des Aufwandes kann hiebei dadurch erreicht werden, dass nur in einzelnen Phasenleitungen bzw.
Halbwellenstromwegen einer Gleichrichterschaltung steuerbare Halbleiteranordnungen, in den restlichen Phasenleitungen (Halbwellenstromwegen) jedoch nichtsteuerbare Halbleiteranordnungen vorgesehen werden. Soweit es sich hiebei um eine Regelung auf konstante Werte handelt, ist es dann z. B. möglich, eine Änderung in den steuerbaren Halbwellenstromwegen schon innerhalb der einzelnen Perioden, u. zw. in einem solchen Sinne durchzuführen, dass diese den in den andern Stromwegen auftretenden Abweichungen entgegenwirkt. Auf diese Weise kann also bereits innerhalb der einzelnen Perioden, in denen z. B. einzelne Halbwellenstromwege gerade einen grösseren Strom führen, durch Herabdrücken des Stromes in den andern Stromwegen eine Ausregelung auf einen praktisch konstanten Mittelwert erreicht werden.
Unter Umständen kann es Vorteile bringen, zum Zwecke einer Regelung die steuerbaren Halbleiteranordnungen in Abhängigkeit von einer elektrischen Grösse der Stromversorgung, also beispielsweise der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom, zu steuern. Es kann sich auch eine solche Anordnung als zweckmässig erweisen, in welcher sowohl eine Regelung abhängig von der Spannung als auch eine solche abhängig vom Strom erfolgt, wenn es erwünscht ist, in der Anlage ausser der Regelung auf eine vorbestimm-
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te bzw. konstante Spannung auch eine Regelung auf Begrenzung des von der Anlage gelieferten Stromes herbeizuführen, sofern der Strom dazu neigt, einen gewissen als oberen Grenzwert anzusehenden Betrag zu überschreiten.
Für manche Fälle kann es von Vorteil sein, der Einrichtung eine solche Charakteristik zu geben, dass die Begrenzung auf einen Maximalstrom nicht plötzlich, sondern allmählich entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik einsetzt.
Eine solche erfindungsgemässe Anordnung bringt den Vorzug mit sich, dass über einen der Halbwel- lenzweigederbenutztenGleichrichterbrückeoderüber einender Aussenleiter bzw. Phasenleiter der Gleich- richterschaltung auch dauernd ein Strom geliefertwerdenkann, während gleichzeitig in dem andern Aussen- leiter bzw. Phasenleiter oder dem andem Halbwellenstromdurchgangsweg der Gleichrichterbrücke eine entsprechende Steuerung der Stromführung stattfindet. Das Wesen des Erfindungsgegenstandes läuft in sei- ner allgemeinsten Form also darauf hinaus, dass der Formfaktor der jeweilig benutzten Gleichrichterschaltung verändert werden kann, wobei aber keine Unterbrechung der Stromführung in Kauf genommen zu werden braucht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann für einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte
Arbeitsweise der Anordnung, wenn in ihr als steuerbare Halbleiteranordnung ein Halbleiterstromtor benutzt wird, welches also in einem bestimmten Zeitwert während des Verlaufes einer Spannungshalbwelle die S'-romführung während dieser übernimmt, damit für die Durchführung der Regelung kein besonderer Verstärker benutzt zu werden braucht, aus dem Arbeitsverhalten einer Zenerdiode Nutzen gezogen werden, indem ihr steiler Kennlinienteil benutzt wird für die Erzeugung des Spannungsabfalles an einem zu ihr in Reihe liegenden Widerstand, an welchem die Regelabweichung bzw. ein dieser proportionaler Wert für die Durchführung der Regelung abgenommen wird.
Bekanntermassen haben Zenerdioden, wie auch steuerbare Halbleiteranordnungen, wie Transistoren, einen gewissen Temperaturgang, so dass also ihre Kennlinie temperaturabhängig verändert bzw. verlagert wird. Sollte diese Erscheinung im Rahmen einer erfindungsgemässen Lösung unerwünscht sein, so kann eine entsprechende Kompensationsanordnung vorgesehen werden, wobei entweder je eine Kompensationseinrichtung für jedes in seinem Temperaturgang zu kompensierende Schaltelement oder für alle in ihrem Temperaturgang zu beherrschenden Schaltelemente eine entsprechende gemeinsame Kompensationseinrichtung benutzt wird.
Gegebenenfalls kann im Rahmen der Erfindung der Aufbau der Anlage derart gewählt werden, dass bereits im System an sich vorhandene Schaltelemente als integrierende Bestandteile einer solchen Kompensationseinrichtung bemessen und ausgenutzt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, bei deren Erläuterung sich noch weitere technisch vorteilhafte in Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung benutzbare Einzelmerkmale ergeben werden.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Sekundärwicklung eines Transformators. Dieser bildet ein Element einer zweiphasigen Sternpunkts-bzw. einer Mittelpunktsgleichrichterschaltung. Zu diesem Zwecke sind als elektrische Ventile die nicht steuerbaren Halbleiteranordnungen 2a und das steuerbare Halb'leiterelement 3 vorgesehen, dem eine nicht steuerbare Halbleiteranordnung 2b vorgeschaltet ist, die einen Strom in der Richtung von der Transformatorwicklung nicht durchlässt. In der gemeinsamen Leitung für die beiden Halbwellen des Wechselstromes zwischen dem Punkt 4 der Schaltung und der Mittelanzapfung 5 der Sekun- därwicklung l des Transformators liegen in Reihe der zu speisende Belastungswiderstand bzw. Verbraucher 6 sowie gegebenenfalls eine Glättungsdrossel 7.
Zur Steuerung des Durchlassverhaltens der Halbleiteran- ordungenbzw. desFlächentransistors S wird eine Spannung benutzt, die mittels der verstellbaren Kontakte 8 bzw. 9 an dem Potentiometerwiderstand 10 abgenommen wird, der an seinen Klemmen 11 und 12 von einer Hilfsgleichspannung gespeist wird.
Zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise einer solchen Schaltung wird nunmehr auf die Kurvenschaubilder nach den Fig. 2 - 7 Bezug genommen. Die Fig. 2,4, 6 veranschaulichen jeweils ein entsprechendes Spannungskurvenschaubild, die Fig. 3,5, 7 ein entsprechendes Stromkurvenschaubild.
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Verhältnisse, wenn an die Stromrichterschaltung vom Wechsel- stromnetz die normale Wechselspannung geliefert wird, die Fig. 2 und 3, wenn von dem Wechselstrom- letz eine gegenüber der normalen niedrigere Spannung bzw. Unterspannung geliefert wird, und schliesslich die Fig. 6 und 7, wenn von dem Wechselstromnetz gegenüber dem Normalwert ein höherer Spanlungswert geliefert wird bzw. in jenem Überspannung besteht.
In diesen Kurvenschaubildern sind jeweils die nachfolgenden Bezeichnungen gewählt. U, bezeichnet lie Wechselspannung der einen Halbwelle, und Ug bezeichnet die Wechselspannung der andern Halbwel- e, welche allerdings jeweils beide in dem Kurvenschaubild schon im Zustand ihrer Gleichrichtungge-
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zeigt sind. In Anlehnung an die Fig. 1 ist jeweils die Spannungshalbwelle, welche zu einem Strom in Durchlassrichtung über das obere Ventil 2a führt, durch den Index 2 gekennzeichnet, und diejenige Spannungshalbwelle, welche zu einem Stromfluss über die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3 führt, ist mit dem Index 3 gekennzeichnet.
Die gleiche sinngemässe Kennzeichnung ist auch für die Ströme gewählt, die ihren Weg über die elektrischen Ventileinrichtungen 2 bzw. 3 nehmen. Die Gleichspannungsmittelwerte, welche den in der Flussrichtung der Ventile treibenden Wechselspannungen über eine Wech-
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chende über eine Periode sich ergebende mittlere Gleichstrom mit J gekennzeichnet.
Wie bereits ausgeführt, veranschaulichen die Fig. 4 und 5 nach Spannung bzw. Strom denjenigen Zu- stand der Anlage, in welchem für die Lieferung der vorbestimmten konstanten Ausgangsspannung U vom Wechselstromnetz die angenommene Normalspannung geliefert wird. Damit die erfindungsgem ; e An- ordnung sowohl den Fall der wechselstromseitigen Unterspannung als auch den Fall der wechselstromsei- tigen Überspannung beherrschen kann, damit am Ausgang der Stromrichteranordnung der vorbestimmte bzw. konstante Gleichspannungswert geliefert wird, muss also in dem Zustand gemäss dem Kurvenschaubild nach Hg. 4 die Anordnung auf einen mittleren Gleichspannungswert mit Hilfe der steuerbaren Halbleiter- anordnungen 3 gesteuert sein. Das ist in dem Kurvenschaubild nach Fig. 4 auch eindeutig zu erkennen.
In der Darstellung ist die vereinfachte Annahme gemacht, dass das Ventil 2 in seiner Durchlassrichtung praktisch keinen Widerstand aufweist, so dass also die von der Sekundärwicklung 1 des Transformators ge- lieferte Wechselspannung identisch ist mit der Spannung, die zwischen der Kathode des Ventils 2 und dem
Mittelpunkt der Transformatorwicklung 1 auftritt. In der Fig. 4 ist daher die volle Wechselspannungshalb- welle Us zu erkennen, die dann auftritt, wenn am oberen Ende der Sekundärwicklung 1 positive Polarität besteht.
In der nachfolgenden Halbperiode, in welcher am unteren Ende der Transformatorwicklung 1 positive Polarität herrscht, wird von dieser die Spannungshalbwelle geliefert, welche durch die Steuerung der steuerbaren Halbleiteranordnungen 3 auf einen vorbestimmten Widerstandswert in seiner Durchlassrichtung auf den Wert herabgesetzt ist, wie er in Form der Spannungskurve U3 in Fig. 4 veranschaulicht ist. Jeder der beiden Spannungshalbwellen Ubzw. U ; entspricht ein bestimmter mittlerer Gleichspannungswert, bezogen auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes, wie sie durch die beiden Werte
Ug2 und Ug3 veranschaulicht sind.
Beide Gleichspannungswerte Ug2 und Ug3, bezogen auf die gesamte
Periode, ergeben die Summenspannung Ut6, dise zwischen den Ausgangsleitungen der Ventile und dem Mittelpunkt der Transformatorwicklung 5 auftritt und die Spannung am Gleichstromverbraucherbestimmt.
Im Stromschaubild nach Fig. 5 sind die entsprechenden Verhältnisse für den Strom J über das Ventil 2, den Strom J3 über die steuerbaren Halbleiteranordnungen 3 und die diesen Wschselstromhalbwellen entsprechenden auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes bezogenen Gleichstrommittelwerte Jg2 und Jg3 sowie den auf den Zeitwert der Periode mit seinem Mittelwert bezogenen Gesamtstrom, der über die Anordnung fliesst, zu erkennen. Diese Verhältnisse nach den Fig. 4 und 5 wurden erreicht, indem gemäss Fig. 1 mittels der am Potentiometer 10 abgenommenen Steuerspannung die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3 auf einen entsprechenden Widerstandswert ausgesteuert wurde. Es ist in diesem Falle an eine stetige Aussteuerung des Transistors 3 gedacht worden.
Im Rahmen der Erfindung kann jedoch gegebenenfalls als steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3 auch eine solche vom Charakter eines Halbleiterstromtores benutzt werden, worauf im Verlaufe der Beschreibung noch näher eingegangen werden wird.
Wie bereits ebenfalls angeführt, veranschaulicht die Fig. 2 denjenigen Zustand einer Stromrichteranlage, in welchem vom Wechselstromnetz eine geringere Spannung als die angenommene normale Spannung geliefert wird oder, kurz gesagt, das Netz also gegenüber seinem Normalwert Unterspannung hat.
Offensichtlich muss also in diesem Falle dafür Sorge getragen werden, dass nunmehr der über die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3 gelieferte Spannungsbetrag U'3 und Strombetrag f3 einen entsprechend grösseren anteiligen Wert annehmen, damit am Ausgang der Anordnung der Normalwert oder konstante erwünschte Wert der Gleichspannung Ug6 und der diesem entsprechende, Wert des Gleichstromes Ig6 geliefert werden.
Die Wechselspannung U'2 nach Fig. 2 hat nach der Annahme also in diesemFalle einen geringeren Scheitelwert als die Wechselspannung U2 im Falle der Fig. 4. Ihr entspricht ein geringerer mittlerer Gleichspannungswert U'gn. Da nach wie vor der auf die Zeit einer Periode bezogene mittlere Gleichspannungswert den Wert Ug6 haben muss, muss nunmehr zwischen dem Ausgang der steuerbaren elektri-
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sehen Halbleiteranordnung 3 und dem Mittelpunkt 5 der Sekundärwicklung 1 des Transformators eine Wechselspannungshalbwelle auftreten, die die Kurvenform U 3'hat, damit sich dieser entsprechend ein mittlerer Gleichspannungswert, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, vom Wert U'g3 ergibt,
so dass die Summe aus U'g2 und U'g3 gleichder erwünschten Gleichspannung U"ist, die sich, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, als die mittlere Gleichspannung ergibt, welche die Speisung des Gleichstromverbrauchers bestimmt.
Sinngemäss ergeben sich im Stromschaubild nach Fig. 3 die entsprechenden Verhältnisse für die Ströme. J* ! veranschaulicht die Stromhalbwelle des Wechselstromes über das Ventil 2, J'3 die entsprechende Halbwelle des Wechselstromes über die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3. Jeder dieser Stromhalbwellen entspricht ein auf die Periode des Wechselstromes bezogener Gleichstrommittelwert Jgg und gg. Die Summe dieser Gleichstrommittelwerte ergibt den Strom Ja als Verbraucherstrom.
In den Fig. 6 bzw. 7 sind, wie bereits angeführt, diejenigen Verhältnisse kurvenmässig veranschaulicht, welche sich dann ergeben, wenn auf der Wechselstromseite eine entsprechende Überspannung auftritt. Die Wechselspannungshalbwelle, die zur Stromführung über das Ventil 2 Anlass gibt, hat nunmehr einen grösseren Scheitelwert als die Wechselspannung U2 nach der Fig. 4.
Da nunmehr dieser Wechsel- spannungshalbwelle U'x, bezogen auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes, eine höhere mittlere Gleichspannung vom Wert ouzo entspricht, braucht zur Erreichung des Ausgangswertes Ug6 der Gleichspannung über die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3 nur noch zwischen dem Ausgang dieser elektrischen Halbleiteranordnung 3 und. der Mittelanzapfung 5 der Sekundärwicklung des Transformators 1
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als der Summenwert aus UH g2 und U"g3 ergibt. Im Stromschaubild nach Fig. 7 ergeben sich solche Verhältnisse, dass JHZ einen grösseren Wert als nach Fig. 5 hat.
Dieser Stromhalbwelle entspricht somit bereits ein grösserer Gleichstrommittelwert J'go als nach der Fig. 5. Es braucht somit sinngemäss nur noch ein entsprechend kleinerer Betrag als Gleichstrommittelwert J"gg geliefert zu werden, damit sich der erwünschte Gleichstrom Jg6 über den Verbraucher ergibt.
Bei einer solchen erfindungsgemässen Anordnung wird die elektrische Halbleiteranordnung 3 nur mit einer relativ geringen Verlustleistung beansprucht. Um das zu veranschaulichen, sind ausser den bisher bereits in den Kurvenschaubildern benutzten Bezeichnungen in diese noch in den Fig. 4 und 6 die Differenzspannungswerte der Scheitelwerte der beiden Spannungshalbwellen eingetragen. Für die Betrachtung wird der Einfachheit halber in gleicher Weise, wie es für das obere elektrische Ventil 2 angenommen worden ist, unterstellt, dass an der Halbleiteranordnung 3 im Zustand seiner vollen Durchlässigkeit praktisch ebenfalls kein Spannungsabfall auftritt. Für die elektrische Belastung der Halbleiteranordnung 3 sind in jedem Falle der an ihm auftretende Spannungsabfall und der ihn durchfliessende Strom, also das Produkt beider, bestimmend.
Aus den Kurvenschaubildernnach den Fig. 2 und 3 ist bei der angenommenen Vereinfachung zu erkennen, dass die Sekundärspannung des Transformators so gewählt wurde, dass sich gerade die erforderliche Ausgangsspannung Ug6 ergibt, wenn die elektrische Halbleiteranordnung 3 auf den Wert ihrer grössten Durchlässigkeit ausgesteuert ist, also nach der Annahme praktisch den Spannungsabfall Null in Durchlassrichtung aufweist. Besteht aber an der elektrischen Halbleiteranordnung 3 in ihrer Durchlassrichtung praktisch der Spannungsabfall Null, so ist auch die Durchgangsleistung, die von ihr zu beherrschen ist, praktisch sehr klein.
Im Falle einer Netzüberspannung, wie sie an Hand der Fig. 6 und 7 erläutert worden ist, ergibt sich ebenfalls nur eine geringe Verlustleistung an dem elektrischen Ventil 3, denn obwohl nunmehr der von der elektrischen Halbleiteranordnung 3 zu übernehmende Spannungswert grösser geworden ist, ist gleichzeitig der über dieses Ventil fliessende mittlere Gleichstromwert JH g3 kleiner geworden, so dass sich also als Produkt ein relativ kleiner Verlustleistungswert an der Halbleiteranordnung 3 ergibt.
Der Verlustleistungswert, der sich im Falle der Fig. 4 ergibt, hat einen entsprechenden Mittelwert zwischen diesen beiden äussersten Grenzwerten, welche sich dann ergeben, wenn der höchste durch eine. erfindungsgemässe Schaltung zu beherrschende Überspannungswert und der nach ihr zu beherrschende geringste Unterspannungswert der Netzspannung auftreten.
Um den technischen Fortschritt, der durch die Erfindung erreicht wird, gegenüber der erwähnten bekannten Schaltung zu erläutern, wird auf die in Fig. 8 gezeigte Schaltung Bezug genommen. In dieser bezeichnet wieder 1 die Sekundärwicklung eines Transformators. Von dieser wird über die beiden Gleichrichterventile 2a und 2b der Verbraucher 6 über die steuerbare Halbleiteranordnung 3a gespeist, wobei wieder gegebenenfalls in Reihe mit dem Verbraucher eine Drossel 7 benutzt sein kann. Bei einer solchen Schaltung ergeben sich die Verhältnisse, wie sie in den Kurvenschaubildern nach den Fig. 9 - 12 veran-
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schaulicht sind. In den Fig. 9,11 und 12 sind wieder die gleichartigen Spannungsverhältnisse bezüglich der speisenden Wechselspannung angenommen.
Fig. 11 soll also den Zustand veranschaulichen, in welchem durch eine entsprechende Steuerung der elektrischen Halbleiteranordnung 3a der Ausgangswert der Gleichspannung bei einem vorausgesetzten normalen Wechselspannungswert geliefert wird. Fig. 9 veranschaulicht wieder den Fall, wobei im Netz gegenüber dem angenomrnenen Normalwert Unterspannung, und Fig. 12 den Fall, wo im Netz gegenüber dem angenommenen Normalwert Überspannung besteht. Die Bezeichnungen für die Spannungen und die Ströme, die jeweils entweder als Durchlassströme in den einzelnen Ventilen auftreten bzw. als Spannungen zwischen der Kathode des einzelnen Ventils und dem Mittelpunkt der Schaltung bzw. der Mittelanzapfung des Transformators geliefert werden, sind jeweils wieder in gleichartiger Weise sinngemäss gekennzeichnet, wie es in den Fig. 2 - 7 der Fall war.
Zusätzlich ist in diese Schaubilder noch der Spannungswert eingetragen, der nunmehr als Spannungsabfall Ug3a an der elektrisch steuerbaren Halbleiteranordnung 3a in Reihe zum Verbraucher 6 und der Drossel 7 auftritt. Zwischen dem Ausgang jedes der Ventile 2a und 2b und der Mittelanzapfung 5 der Schaltung tritt je eine gleich grosse Wechselspannungshalbwelle auf. Die diesen entsprechenden Gleichstrommittelwerte
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Kollektorelektrode des steuerbaren Halbleiterelementes 3a die Gleichspannung Ug.
Die Wirkung, die die steuerbare Halbleiteranordnung 3a zu erfüllen hat, ist also jeweils daran gebunden, dass über diese der volle Verbraucherstrom fliesst, so dass an dieser eineverlustleistung auftritt, welche bestimmt ist durch den Stromwert und den jeweiligen Differenzspannungswert, der durch den Spannungsabfall der elektrischen
Halbleiteranordnung3ainbezugaufdendem vollen Wechselspannungsscheitelwert entsprechenden Gleichspannungsmittelwert zu schaffen ist, damit sich am Ausgang der erwünschte Gleichspannungswert Ug- Ug3a=Ug6 ergibt, der für die Speisung des Verbrauchers bestimmend ist.
Bereits aus diesen Hinwei- sen ist zu erkennen, dass die Verlustleistung, welche der Transistor nach einer solchen bekannten Schaltung zu übernehmen hat, wesentlich grösser ist als diejenige, die er bei einer erfindungsgemässen Anordnung nach Fig. 1 zu übernehmen braucht.
Bei diesen vorstehenden Betrachtungen ist der Gleichspannungsabfall an der Drossel 7 vernachlässigt worden. Für die Veranschaulichung der Stromverhältnisse ist das eine gezeigte Kurvenschaubild nach Fig. 10 kennzeichnend, denn es ist kennzeichnen für jeden der verschiedenen Zustände des Netzes.
Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt, bei welcher nur in einem der schaltungsmässigen Halbwellen-Wechselstromzweige eine steuerbare Halbleiteranordnung vorgesehen ist. Es kann vielmehr auch an die Stelle des Ventils 2 in der Fig. 1 eine steuerbare Halbleiteranordnung treten, so dass dann in jedem der einzelnen Halbwellen-Wechselstromwege je eine steuerbare Halbleiteranordnung vorhanden ist. Das ist in der beispielsweisen Schaltung nach Fig. 13 der Zeichnung veranschaulicht. Soweit in dieser Figur die gleichen Schaltungselemente wie in Fig. 1 vorhanden sind, sind für diese der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden.
An Stelle des Ventils 2a ist hier eine steuerbare Halbleiteranordnung 13 gesetzt, der jedoch eine nichtsteuerbare Halbleiteranordnung 2a vorgeschaltet ist, die einen Strom nur in der Richtung vom Transistor nicht durchlässt.
Es sind also hier zwei steuerbare Halbleiteranordnungen 3 und 13 vorhanden. Zur Steuerung der Halbleiteranordnung 13 ist eine weitere Hilfsschaltung vorgesehen, welche aus dem Potentiometer 14 mit den Abgriffen 15 und 16 und einer an dessen Klemmen 17,18 angeschlossenen Steuergleichspannungsquelle besteht. Aus dieser Schaltung ist abzulesen, dass nach ihr gleichartige Effekte wie mit einer Anordnung nach Fig. 1 erreicht werden können.
Darüber hinaus hat diese Anordnung jedoch den Vorzug, dass auch die nach Fig. 1 in ihrem Wert festen Wechselspannungsanteile, wenn die Halbleiteranordnung 13 durch- lässigist, in ihrem Wert am Ausgang dieser Anordnung herabgesetzt werden können, so dass nunmehr eine beliebige Summenbildung aus einem Wechselspannungsanteil und einem entsprechenden Gleichspannungsanteil, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, aus Teilbeträgen beider Wechselspannungswellen vorgenommen werden kann. Dabei ist der Ausgangswert dann wieder durch die Summe der mittleren Gleichspannungswerte bestimmt, die, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, den Ausgangswerten zwischen der Kathode der einzelnen steuerbaren Halbleiteranordnung und der Mittelanzapfung des Transformators 5 entsprechen.
Eine solche Schaltung ermöglicht auch beispielsweise zur Bildung einer entsprechenden Summenausgangsspannung in beiden Halbwellenstromwegen mit den Halbleiteranordnungen bei einer abweichenden Aussteuerung derselben oder auch wahlweise nur mit dem einen der beiden Halbleiteranordnungen 3 oder 13 als Steuerglied zu arbeiten, während gleichzeitig das andere mit einem bestimmten konstanten Wert, beispielsweise seinem grössten Durchlasswert, benutzt wird. Es kann ausserdem dadurch in diesem Fall eine
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beliebige relative Aufteilung der an den beiden Halbleiteranordnungen 3 und 13 auftretenden elektrischen Verlustleistungen stattfinden.
Nach diesen Darlegungen erscheinen besondere Kurvenschaubilder für die verschiedenen Netzspannungsverhältnisse entbehrlich, da sie nach den bereits zur Schaltung nach Fig. 1 gegebenen Erläuterungen sinngemäss entwickelt werden können.
Fig. 14 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung in einem solchen Falle, wenn an Stelle eines stetig ausgesteuerten Transistors, wie z. B. 2'nach Fig. 8, in einem der HalbwellenstromzweigeeinHalbleiterstromtor31 benützt wird. Die in dieser Schaltung vorhandene, nicht steuerbare Halbleiteranordnung 2 sorgt wieder, wie es bereits früher erläutert worden ist, dafür, dass trotz einer verschiedenartigen Aussteuerung von31 betriebsmässig keine Stromunterbrechung in der Speisung des Verbrauchers auftreten kann.
Soweit im Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 wieder die gleichartigen Schaltungselemente wie in Fig. 8 vorhanden sind, so sind für die Zwecke einer einfacheren Übersicht über den Zusammenhang der beiden Schaltungen in beiden Figuren für diese Schaltungselemente die gleichen Bezugszeichen benutzt worden.
Die Steuerung des Halbleiterstromtores 1 nach diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise.
Auf dem Eisenkern des Haupttransformators ist zusätzlich zu der Sekundärwicklung 1 eine weitere Sekundärwicklung la vorgesehen. Die von beiden Sekundärwicklungen gelieferten Spannungen sind daher phasengleich. Die von der Sekundärwicklung la gelieferte Spannung bildet die Hilfswechselspannung in einem Stromkreis, der eine Drossel bzw. einen Transduktor 37 mit Sättigungswinkelsteuerung enthält, wobei 35 das zu dieser Drossel bzw. diesem Transduktor gehörige elektrische Ventil bezeichnet. Zu dieser Drossel 37 mit Sättigungswinkelsteuerung gehört ferner, um den Zeitpunkt ihres Überganges in die Sättigung bzw. das von ihr in jeder Wechselspannungsperiode übernommene Spannungszeitintegral in vorbestimmter Weise einstellen zu können, die Steuermagnetisierungswicklung 38.
Diese liegt in einem Steuerkreis, der an seinen Anschlüssen 11 und 12 von einer geeigneten Spannungsquelle gespeist wird, welche ihren Strom über den Widerstand 10 schickt, an welchem wie bei einem Potentiometer die beiden einstellbaren Abgriffe 8 und 9 vorgesehen sind. Dieser Steuerkreis enthält in bekannter Weise einen zusätzlichen ohmschen Widerstand 39 oder einen entsprechenden geeigneten induktiven Widerstand.
Je nach der Einstellung der Steuermagnetisierung an der sättigungsfähigen Drossel 37 und das dadurch an dieser bestimmte Spannungszeitintegral wird mit dem Übergang der Drossel 37 in die Sättigung an dem
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Ausdrucksweise gezündet wird und somit dann für die Speisung des Verbrauchers 6 über den restlichen Teil der Halbperiode des Wechselstromes durchlässig ist.
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entsprechenden Spannungs-bzw. Stromverhältnisse,anordnung nach Fig. 14 ergeben, sind des näheren in den Kurvenschaubildern nach den Fig. 15, 17,19 bzw. 16, 18,20 veranschaulicht. Diesen Kurvenschaubildern sind noch jeweils die Kurvenschaubilder 21, 22,23 für den Verlauf der Zündspannung Uz, durch welche das Halbleiterstromtor 31 auf Durchlass gesteuert bzw. gezündet wird, zugeordnet.
Der zeitliche Zusammenhang zwischen den Zündspannungs- Schaubildern, den Spannungskurvenschaubildern nach den Fig. 15, 17,19 und den Stromkurvenschaubildern nach den Fig. 16, 18, 20 ist dadurch
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den Zeitpunkt des möglichen frühesten Beginns des Stromflusses über das Stromtor und t den Endzeitpunkt dieser Halbperiode des Wechselstromes. tz ist der Zeitpunkt, in welchem das Stromtor gezündet bzw. auf Durchlässigkeit gesteuert wird und durchlässig wird.
In den vorausgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist jeweils eine Anordnung zur Steuerung der Speisung des Verbrauchers wiedergegeben. Wie bereits angeführt, kann die Erfindung aber auch dann mit Vorteil angewendet werden, wenn die Verbraucherausgangsspannung auf einen bestimmten Wert, insbesondere einen konstanten Wert, geregelt werden soll und gegebenenfalls in Verbindung damit zusätzlich gleichzeitig eine Strombegrenzung des maximal von dem Stromrichter bezogenen bzw. gelieferten Stromes eintreten soll.
Zur näheren Erläuterung einer solchen Anordnung wird nunmehr auf die Fig. 24 der Zeichnung Bezug genommen. Soweit in dieser Darstellung wieder die gleichen Schaltungselemente vorhanden sind wie in Fig. l, sind der Einfachheit halber für diese die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. Die Schaltung enthält also wieder einen Transformator T, dessen für die Speisung des Verbrauchers wirksame Sekun-
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därwicklung mit 1 bezeichnet ist. Die Schaltung enthält weiterhin das nichtsteuerbare Ventil 2a und die steuerbare Halbleiteranordnung 3, der eine nichtsteuerbare Halbleiteranordnung 2b vorgeschaltet ist. Der Verbraucher ist wieder mit 6 bezeichnet und die gegebenenfalls fürGlättungszwecke benutzteDrossel mit 7.
Um die Anordnung auf konstante Ausgangsspannung zu regeln, ist ein Spannungsteilerwiderstand 19 vorgesehen, der zwischen die Gleichstrompole der Schaltung über eine Gleichrichterbrücke 20 eingeschaltet ist. Der Spannungsteiler 19 besitzt einen einstellbaren Abgriff 19a. Das untere Ende 19b des Spannungsteilers 19a ist über die Leitung 21 an den Emitter 3e der Halbleiteranordnung 3 angeschlossen. Über den
Umschalter 22 kann die Leitung 23 wahlweise mit dem oberen Ende 19c des Spannungsteilerwiderstandes oder dem Abgriff 19a desselben in leitende Verbindung gebracht werden, so dass im ersteren Falle der der Istspannung proportionale Spannungswert durch den Spannungsabfall am gesamten Spannungsteilerwiderstand 19, im letzteren durch den Spannungsabfall an einem Teilwiderstand desselben bestimmt ist.
Die Leitung 23 ist an das rechte Ende eines Widerstandes 24 in einem Sollwertgeber SG angeschlossen.
Dieser Widerstand 24 liegt in Reihe mit der Zenerdiode 25 an den Gleichstrompolen einer Gleichrichter- brücke 26, die über die Sekundärwicklung 1 t des Transformators T gespeist wird. Der Kondensator 27 dient zur Glättung der von der Gleichrichterbrücke 26 gelieferten Ausgangsgleichspannung. Durch die Zenerdiode 25 ist in der Anordnung ein Sollwert festgelegt. Wie aus der an den Gleichstrompolen des Verbrauchers 6 eingetragenen Polaritätund der Schaltung an sich zu erkennen ist, wird die an dem Spannungsteiler 19 jeweils abgegriffene Istspannung der Spannung an der Diode 25 entgegengeschaltet.
Der Vergleichswert beider Spannungen bestimmt dann die Spannung, m : t welcher die Halbleiteranordnung 3 an ihrer Steuerstrecke ausgesteuert wird, so dass sie dann einen entsprechenden Widerstandswert an ihrer Emitter-Kollektor- Strecke bzw. Arbeitsstrecke besitzt. Durch die Benutzung des Umschalters 22 können zwei verschiedene Werte an dem Spannungsteiler 19 nach Wahl abgegriffen werden, was sich dann als zweckmässig ergibt, wenn das Gerät abwechselnd verschiedene Ausgangsspannungen abgeben soll, beispielsweise um eine Batterie entweder aufzuladen oder den Ladungszustand zu erhalten, nur mit einem sehr geringen Strom
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entsprechend verschiedene Sollspannungswerte vorgetäuscht.
Die Schaltung enthält weiterhin noch eine Hilfseinrichtung, um den von dem Gerät gelieferten Stromwert auf einem bestimmten maximalen, entweder konstanten Wert oder einen nach einer gewissen abfallenden Kennlinie zunehmenden Strom bei abnehmender Spannung zu regeln, also das Gerät nach einer geknickten Stromspannungskennlinie bzw. J-U-Kennlinie auszuregeln, wenn J den Ausgangsstram und U die Ausgangsspannung an dem Gerät bezeichnen. Zur Erreichung dieses Effektes enthält die Schaltung er-
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B.Wicklungen für die konstante Vormagnetisierung zur Festlegung des Arbeitspunktes des Reihentransduktors mit 28c und 28d und die Steuerwicklungen des Transistors schliesslich mit 28e und 28f.
Die Wicklungen 28c und 28d für die konstante Vormagnetisierung sind an die Gleichstrom-Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrückenschaltung 20 über den Reihenwiderstand 29 angeschlossen. 30 bezeichnet die Sekundärwicklung des Transformators T, über welche die Hilfsspannung für die Regeldrossel 28 geliefert wird, zufolge welcher ein entsprechender Strom durch die Arbeitswicklungen 28a und 28b der Reihentransduktoranordnung sowie über die Gleichrichterbrücke 20 fliesst. Diese Gleichrichterbrücke 20 wirkt, solange der Strom, welcher zufolge der Verbraucherspannung über die Gleichrichterventile 20 fliesst, grösser ist als derjenige Strom, der seinen Weg über die Arbeitswicklungen 28a und 28b nimmt, im Arbeitsstromkreis der Regeldrossel praktisch nur als ein Kurzschlussweg, da die Ventile von 20 dauernd geöffnet gehalten werden.
Sobald aber der Strom über die Arbeitswicklungen der Regeldrossel 28 denjenigen Wert überschreitet, der zufolge der Verbraucherspannung über die Brücke 20 fliesst, wird aus dieser Brücke ein Doppelweggleichrichter, über welchen nunmehr Gleichstrom entsprechend dem Überstromwert fliesst, der ebenfalls seinen Weg über den Verbraucher nimmt. Auf diese Weise entsteht an dem Spannungsteiler 19 ein durch diesen Zusatzstrom bestimmter grösserer Spannungsabfall, so dass der Halbleiteranordnung 3 an ihrer Steuerstrecke wieder ein anderer Steuerwert vorgetäuscht wird, der dazu führt, dass die Halbleiteranordnung 3 für einen grösseren Durchlasswiderstand ausgesteuert und damit die an den Verbraucher gelieferte Gleichspannung entsprechend abgesenkt wird.
Durch eine geeignete Bemessung und Wahl der Ventile in der Gleichrichterbrücke 20 kann auch unmittelbar eine Kompensation derjenigen Fehler an der Halbleiteranordnung 3 und der Zenerdiode erfolgen, welche sich durch äussere Temperatureinflüsse an diesen Halbleiteranordnungen wegen des Verhaltens ihrer Werkstoffe ergeben können. Bestehen z. B. die Halbleiteranordnungen 20 aus Selengleichrichterventilen, so haben diese bekanntlich einen negativen Temperaturkoeffizienten. Die Siliciumdiode 25 bei-
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spielsweise, die als Zenerdiode benutzt ist, hat dagegen einen positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. bei anwachsender Temperatur wächst die an den Klemmen der Zenerdiode bestehende Spannung. Es würde also auf diese Weise ihre Kennlinie temperaturabhängig verschoben.
Wenn nun gleichzeitig die Gleichrichterbrücke20 in ihren Ventilen derart bemessen ist, dass diese einen entsprechenden entgegengesetzten Temperaturgang in ihrer Kennlinie zu demjenigen aufweisen, der an der Zenerdiode 25 entsteht, so gelingt es auf dieseWeise, eine Kompensation der temperaturabhängigen Spannungsveränderung in dem von der Zenerdiode bestimmten Sollwert zu erreichen. Gleichzeitig kann auch die Bemessung der Ventile der Gleichrichterbrücke 20 zur Kompensation der temperaturabhängigen Änderungen erfolgen, die an der steuerbaren Halbleiteranordnung 3 in dem System entstehen können.
Die Anordnung nach Fig. 24 arbeitet mit einer stetigen Aussteuerung der Halbleiteranordnung 3.
In Fig. 25 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Regelanordnung veranschaulicht, wenn statt mit einer stetigen aussteuerbaren Halbleiteranordnung 3 mit einer Halbleiterdnordnung vom Charakter eines Halbleiterstromtores gearbeitet wird. Soweit in dieser Schaltung wieder die gleichartigen Schaltungselementevorhanden sind wie in Fig. 24, sind für diese unmittelbar der Einfachheithalber die gleichen Bezugszeichenbeibehalten worden. Das in diesem Falle an Stelle der Halbleiteranordnung 3 benutzte Halbleiterstromtor ist wieder mit 31 bezeichnet. In dieser Anordnung ist wieder, wie in Fig. 24 auch, die Sollwertgeberanordnung SG vorhanden, durch welche an der Zenerdiode 25 der konstante Vergleichspannungswert geliefert wird.
Die Anordnung nach Fig. 25 unterscheidet sich weiterhin von der Schaltung nach Fig. 24 dadurch, dass sie für die Erzeugung der Tastspannung, mit welcher die Halbleiteranordnung 31 zu bestimmten Zeitwerten innerhalb der Wechselspannungskurve auf Durchlässigkeit gesteuert bzw. gezündet wird, noch eine Reihenschaltung aus der Zenerdiode 32 und dem ohmschen Widerstand 33 aufweist. Diese Schaltung arbeitet in der folgenden Weise.
Durchdieandem Widerstand 19 zwischen seinem Ende 19d und dem Abgriff 19e bestehende Spannung
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und der Strom auf der Abszisse des Koordinatensystems aufgetragen sind. Nach dieser ergeben sich bei relativ kleinen Spannungsänderungen relativ grosse Stromänderungen. Das bedeutet in der Schaltung, dass, wenn relativ kleine Änderungen in der Ausgangsspannung des Gerätes entstehen und damit entsprechende. relativ kleine Änderungen zwischen 19d und ige, sich relativ grosse Änderungen des Stromes ergeben, der über den linearen Widerstand 33 fliesst.
An diesem Widerstand 33 werden sich daher bei relativ kleinen Spannungsänderungen der Verbraucherspannung relativ grosse Änderungen des Spannungsabfalles ergeben, die in ihrem Vergleich mit der an der Zenerdiode 25 bestehenden Spannung dann entsprechend grosse Änderungen für die Steuerung der Zündung der Halbleiteranordnung 31 ergeben. Es ist also auf diese Weise möglich, für eine wirksame Steuerung des Halbleiterventils 31 ohne besonderen zusätzlichen Verstärker zu arbeiten.
Eine Anordnung im Sinne des Ausführungsbeispieles nach Fig. 25 kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass die Steuerung des Halbleiterstromtores 31 mittels einer Transduktoranordnung erfolgt, wie sie grundsätzlich in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 erläutert worden ist. In'einem solchen Falle ist die Spannungsfühleranordnung SF entbehrlich. Der Istwert, der mit dem vom Sollwertgeber SG gelieferten Wert entweder unmittelbar elektrisch durch Gegeneinanderschaltung oder durch magnetische Amperewindungs-Differenzbildungverglichenwird, kann unmittelbar von den Verbraucherleitungen oder über bzw. an einem Widerstand mit einem der Verbraucherspannung proportionalen Wen abgenommen werden. Der Differenzwert dient dann zur Abmagnetisierungssteuerung des Transduktors 37.
Eine solche abgewandelte Anordnung weist gegenüber derjenigen nach Fig. 25 den technischen Unterschied auf, dass sie mit einer kürzeren Regelzeit arbeiten kann.