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Steuervorrichtung zur wahlweisen Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung zur wahlweisen Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere auf eine solche Steuervorrichtung, welche zur Erzeugung und genauen Steuerung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke verwendet werden kann.
Bei zahlreichen Experimenten, aber auch in der Fertigungstechnik besteht in neuerer Zeit der Bedarf an Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke. So wurde beispielsweise ein Verfahren entwickelt, durch welches unter Verwendung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke und damit erzeugter starker Magnetfelder Werkstücke verschiedener Formen und Abmessungen hergestellt werden können. Dieses Verfahren ist in der USA-Patentschrift Nr. 2, 976, 907 vom 28. März 1961 beschrieben. Im Rahmen dieses Verfahrens wird ein stromstarke Gleichstromimpuls aus einem Kondensator durch Entladung über eine Spule gezogen.
Bisher bekannte Einrichtungen zum Laden und Entladen von Kondensatorbatterien und zur Erzeugung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke entsprechen insofern nicht völlig als diese Einrichtungen nicht das automatische Laden und Entladen der Kondensatoren ermöglichen. Darüber hinaus konnten diese bekannten Einrichtungen nicht so eingestellt werden, dass Stromimpulse der erwünschten Grösse erhalten werden.
Die genaue Einstellung der aus den Kondensatoren gezogenen Entladestromstösse war vor allem da-
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te Spannung des Kondensators, das Beenden des Ladevorganges nicht in verlässlicher Weise bei Erreichen einer bestimmten Ladespannung abgebrochen werden konnte.
Die Erfindung bezweckt nun die Beseitigung der Nachteile bekannter Steuervorrichtungen zur wahlweisen Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers zwecks Erzeugung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke mit einer Spannungsquelle sowie einer Schaltvorrichtung, die die Spannungsquelle mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet, und mit einer Vorrichtung, die auf die im Energiespeicher erzeugte Spannung anspricht und eine weitere Schaltvorrichtung, welche durch die auf die Spannung des Energiespeichers ansprechende Vorrichtung betätigt wird und den Energiespeicher miteiner Last kuppelt und die Entladung der im Energiespeicher gespeicherten Energie in dem Augenblick bewirkt, in dem die Ausgangsspannung der Spannungsquelle einen bestimmten Wert erreicht.
Dies gelingt gemäss der Erfindung dadurch, dass mit der Spannungsquelle eine Einrichtung zur linearen Veränderung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle von einem niederen zu einem hohen Wert derart verbunden ist, dass im Energiespeicher elektrische Energie mit geregelter Geschwindigkeit gespeichert werden kann. In Anbetracht des linearen Spannungsanstieges im Emrgiespeichcr, insbesondere im Kondensator, kann nun der Zeitpunkt, zu welchem der Speichervorgang abgeschlossen werden muss, exakt festgelegt werden.
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Durch. die erfindungsgemässe Ausbildung einer Steuervorrichtung sind die Voraussetzungen für eine einfach durchzuführende Automatisierung des Speichervorganges gegeben. Hiebei kann gemäss der Erfin- dung die Anordnung derart getroffen sein, dass die von der, durch die im Energiespeicher erzeugte Span- nung beeinflusste Einrichtung betätigte Schaltvorrichtung eine selektiv erregbare Schaltvorrichtung ist, die ! so lange nicht erregt wird, bis die Ausgangsspannung der Spannungsquelle eine vorgewählte Höhe er- reicht.
Im folgenden wird die Erfindung im Rahmen der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer er- findungsgemässen, insbesondere zur Erzeugung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke geeigneten
Vorrichtung näher erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das Schaltschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei die Fig. 1 und 2, entlang der Linien A-B aneinandergefügt, das vollständige Schaltschema ergeben.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemässe Vorrichtung weist einen Energiespeicher 10, eine die Energiespeicherung im Energiespeicher steuernde Steuerstufe 11 und eine die Entladung der im
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die zur Erzeugung eines für magnetische Verformungsmethoden brauchbaren starken magnetischen Feldes herangezogen werden können.
Zwecks Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird zunächst der Arbeitskreislauf kurz be- schrieben. Die Steuerstufe 11 wird nach Einschalten eines Starters 26 in Gang gesetzt, nach dessen
Einschalten ein Zeitgeber 31 zu arbeiten beginnt und im Energiespeicher 10 ein linearer Spannungs- anstieg bewirkt wird. Der lineare Spannungsanstieg im Energiespeicher 10 wird durch einen motore- steuerten Regeltransformator 20, dessen Ausgangsspannung durch einen Gleichrichter 34 gleichge- richtet wird, bewirkt.
Von diesem Gleichrichter wird eine im Energiespeicher 10 vorgesehene Kondensatorbatterie 38,
39 aufgeladen. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters wird weiters einem Spannungsmessgerät 52,
54,57, 59,63 zugeführt, das die Schaltstufe 12 steuert. Wenn die vom Gleichrichter 34 gelieferte Ausgangsspannung, welche überdies geglättet wird, einen vorgewählten Wert erreicht, der durch
Wählglieder innerhalb der Schaltstufe 12 eingestellt werden kann, gelangt die Schaltstufe 12 zur
Wirkung und leitet die Entladung der in der Kondensatorbatterie 38,39 aufgespeicherten Energie über eine niedrige Impedanz 50 ein. Kurz darauf beendet der in Gang gesetzte Zeitgeber 31 seinen Arbeitszyklus und stellt die Bedingungen für den nächsten Arbeitszyklus der Vorrichtung wieder her.
Wie den Zeichnungen entnommen werden kann, wird die erfindungsgemässevorrichtung über Leitungen 13,14 an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Ein Schütz 16 liegt über einem Sicherheitsschalter 18 an der Stromzuführung 14 und kann über einen Schalter 17 an den Leiter 13 angeschlossen. werden. Das Schütz 16 zieht nach Schliessen des Schalters 17 an. Der Sicherheitsschalter 18 wird dazu verwendet, die Stromversorgung der erfindungsgemässen Vorrichtung zu unterbrechen, falls Störungen in einer die erfindungsgemässe Vorrichtung enthaltenden Maschine auftreten. Die Steuerstufe 11 wird über einen Transformator 15, dessen Primärwicklung über die Arbeitskontakte 16a und 16b des Schützes 16 an die Leiter 13 und 14 angeschlossen werden kann, mit heruntergesetzter Spannung versorgt.
Über die Leiter 13 und 14 wird nicht nur die Steuerstufe 11 mit Strom versorgt, sondern auch die Ladespannung für den Energiespeicher herangeführt. Zu diesem Zwecke wird der Regeltransformator 21 über den Arbeitskontakt 22a eines Startrelais 22 an Netzspannung gelegt. Parallel zu einigen Windungen des Regeltransformators 21 liegt die Wicklung eines Sperrelais 19, das, sobald der Arbeitskontakt 22a des Startrelais 22 infolge Erregung desselben schliesst, erregt wird.
Das Startrelais 22 wird nach Schliessen der Drucktaste 26. über die Leiter 23 und 24 von der an Masse liegenden Sekundärwicklung des Transformators 15 mit Erregerstrom versorgt. In der Einschaltleitung für das Startrelais 22 liegt ein Ruhekontakt 27a eines Motorschützes 27, ein vom Antriebsmotor 28 für den Regeltransformator gesteuerter Ruhekontakt 28a, die Drucktaste 26 und ein Ruhekontakt 29a eines zur Steuerstufe 12 gehörigen Zündrelais 29.
Bei Erregung schliesst das Startrelais 22 seinen im Regeltransformatorkreis 20 liegenden Arbeits- kontakt 22a, womit die über die Leiter 13 und 14 herangeführte Netzspannung an den Regeltransfor- mator 21 gelegt wird. In diesem Augenblick wird auch das Sperrelais 19 erregt, womit auch dessen Arbeitskontakte 19a, 19b und 19c geschlossen werden. Der Arbeitskontakt 19a des Sperrelais überbrückt die Drucktaste 26 und die Ruhekontakte 27a und 28a, und wirkt daher als Selbsthaltung für das Startrelais 22, so dass das Startrelais während der Energiespeicherung LnEnergiespeicherangezogen
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bleibt.
Durch den Arbeitskontakt 19b des Sperrelais 19 werden gleichzeitig das Motorschütz 27 und ein parallel zu diesem Motorschütz liegendes Zeitrelais 31 an die Leiter 23 und 24 angeschlos- sen. Obwohl das Motorschütz 27 im wesentlichen augenblicklich erregt wird, wird, wie im folgenden noch beschrieben werden wird, das Zeitrelais 31 so lange nicht erregt, bis eine vorgewählte Zeit ab- gelaufen ist.
Der Arbeitskontakt 19c des Sperrelais 19 schliesst den zwischen den Leitern 23 und 24 lie- genden Erregerstromkreis eines Vakuumschalters 32, der einen im Entladestromkreis des Energie- speichers 10 liegenden Ruhekontakt 32a steuert. Der Vakuumschalter 32 wird einem normalen
Relais bzw. Schütz deshalb vorgezogen, weil so durch den Kontakt 32a des Vakuumschalters in der später noch beschriebenen Weise hohe Entladungsströme gesteuert werden können. Der das Anziehen und den Abfall des Vakuumschalters 32 steuernde Arbeitskontakt 19c des Sperrelais 19 ist durch ein
RC-Glied 30 überbrückt, um den Einfluss der hohen vom Vakuumschalter erzeugten Induktionsspannun- gen auf den Kontakt 19c zu verringern.
Die Betätigung des Vakuumschalters 32 erfolgt somit gleichzeitig mit der Erregung des Motor- schützes 27 und dem damit einhergehenden Schliessen der Arbeitskontakte 27a und 27b und dem Öffnen des Ruhekontaktes 27c. Bei Erregung des Motorschützes 27 wird infolge Schliessens des Ar- beitskontaktes 27b der Antriebsmotor 28 für den Regeltransformator mit Strom versorgt und der Ru- hekontakt 27c geöffnet.
Im Stromkreis des Antriebsmotors 28, welcher ein drehrichtungsumkehr- barer Motor mit kapazitivem Hilfsstart sein kann, liegt ein in Serie zum Arbeitskontakt 27b des Mo- torschützes 27 liegender Grenzschalter 28. Der Arbeitskontakt 27a, welcher an die Stromzu- führung 23 angeschlossen ist, überbrückt hiebei über den Ruhekontakt 31a des Zeitrelais 31 den
Arbeitskontakt 19b des Sperrelais 19.
Nach Ingangsetzen des Antriebsmotors 28 zum Regeltransformator und dem damit einhergehenden Öffnen des Ruhekontaktes 32a des Vakuumschalters 32 kann die Energiespeicherung im Energie- speicher 10 einsetzen. Zu diesem Zwecke wird mittels des vom Motor 28 angetriebenen Schleifers
28c von der Wicklung des Regeltransformators 21 eine Spannung abgegriffen, die einen linearen
Spannungsanstieg am Transformator 33 bewirkt.
An einem Ende der Primärwicklung des Transformators 33 liegt der motorisch angetriebene Schlei- fer 28c, während das andere Ende der Primärwicklung über den Arbeitskontakt 22a des Startrelais an die Leitung 13 des Netzanschlusses gelegt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators 33 liegt an einem Zweiweg-Gleichrichter 34, der mit seinem positiven Pol geerdet ist.
Der geerdete Ruhekontakt 32a des Vakuumschalters 32 und die Speicherelemente des Energie- speichers 10 liegen mit ihren nicht geerdeten Polen am negativen Pol des Gleichrichters 34. Unter den Speicherelementen des Energiespeichers befinden sich zwei parallelgeschaltete Kondensatoren 38 und 39, die in dem Masse als der motorisch angetriebene Schleifer desRegeltransformators 21 weiter bewegt wird, vom Zweiweg-Gleichrichter 34 aufgeladen werden. Im Ladestromkreis der Kondensatoren
38 und 39 liegen die parallelgeschalteten Widerstände 41 und 42, der Leiter 43 und die zu den einzelnen Kondensatoren 38 und 39 führenden Widerstände 44 und 46.
Die Widerstände 44 und 46 liegen zwischen der Zündelektrode und der Kathode von zwei Ignitrons 47 und 48, die so lange nicht gezündet werden, bis, wie im folgenden noch beschrieben werden wird, die Kondensatoren 38 und 39 entladen werden sollen. Die Anoden der Ignitrons 47 und 48 liegen über eine niedrige Impedanz 50 bei 49 an Masse. Auch die positiven Beläge der Kondensatoren lie- gen bei 49 an Masse. Die schematisch dargestellte niedrige Impedanz 50 stellt eine Induktionsspule dar, welche zur Durchführung magnetischer Verformungsarbeiten verwendet werden kann.
An dem negativen Pol des Zweiweg-Gleichrichters 34 liegen parallel zum Ladestromkreis des Energiespeichers 10 mittels eines Leiters 53 in Serie geschaltete Widerstände 51 und 52, von welchen der durch einen alsSchutzvorrichtungwirkendenSelengleichrichter 55 überbrückte Widerstand 52 ebenso wie die gesonderte Gleichstromquelle 54 für die Schaltstufe an Masse liegt. Die Gleich- stromquelle 54 kann eine im Handel erhältliche sein und wird über die Leiter 23 und 24 mit Wech- selstrom versorgt.
Ein regelbarerWiderstand 56 und ein Potentiometer 57 liegen in Serie zwischen dem negativen Pol der regelbaren Gleichstromquelle 54 und Masse. Der regelbare Widerstand 56 dient zur Einstellung des am Potentiometer 57 auftretenden Spannungsabfalles. Die vom Potentiometer 57 abgegriffene Spannung wird einem im Emitterkreis eines Schalttransistors 61 liegenden Widerstand 63 und einer Begrenzerdiode 59 zugeführt. Der am zwischen Basis und Emitter des Transistors 61 liegende Widerstand 63 auftretende Spannungsabfall sperrt während des Spannungsanstieges am Ausgang
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des Gleichrichters 34 den Transistor.
Eine weitere Gleichstromquelle 64 samt Siebgliedern liegt mit dem positiven Pol am Kollektor des Schalttransistors 61 und mit seinem negativen Pol an einem Ende der Erregerwicklung des Zünd- relais 29, wobei das andere Ende der Erregerwicklung dieses Zündrelais 29 am Emitter des Schalt- ; transistors 61 liegt.
Die Arbeitsweise der Schaltstufe 12 ist folgende : Der Schleifer 62 des Potentiometers 57 greift von diesem eine Spannung ab, die dem Widerstand 63 zugeführt wird, der im Zusammenwir- ken mit der Diode 59 einen den Stromdurchgang durch den Schalttransistor 61 steuernden Pegel- messer bildet.
Parallel zum Widerstand 52 liegt ein Kondensator 58, der auf die Spannung aufgeladen wird, welche dem am Widerstand 52'auftretenden Spannungsabfall entspricht. In gleicher Weise liegt par- allel zu jenem Teil des Potentiometers 57, der zwischen Schleifkontakt und geerdeterseite des Poten- tiometers liegt, ein Kondensator 60, der sich auf die der vom Potentiometer abgegriffenen Spannung entsprechende Spannung auflädt. Die Diode 59 leitet damit so lange nicht als durch die Ausgangsspan- nung des Zweiweg-Gleichrichters 34 nicht ein grösserer Spannungsabfall am Widerstand 52 erzeugt wird, als am Potentiometer 57 abgegriffen wird.
Sobald der Spannungsabfall am Widerstand 52 grösser ist als die am Potentiometer 57 abge- griffene Spannung, wird die Diode 59 leitend, womit durch den Widerstand 63 ein Strom fliesst, der das Leitendwerden des Schalttransistors 61 bewirkt. Damit fliesst nun Strom durch das Zündrelais
29, der dieses schliesslich erregt. Bei Erregung des Zündrelais 29 wird nun aber der Ruhekontakt 29a desselben geöffnet und damit der Abfall des Startrelais 22 bewirkt, in dessen Erregerstromkreis der
Kontakt 29a liegt. Mit dem Abfall des Startrelais. 22 öffnet der Arbeitskontakt 22a desselben, womit die Primärwicklung des Transformators 33 abgeschaltet und damit auch die Ausgangsspannung des Zweiweg-Gleichrichters 34 auf Null absinkt.
Beim Öffnen des Arbeitskontaktes 22a des Startrelais 22 wird der Abfall des Sperrelais 19 eingeleitet, wodurch die Arbeitskontakte 19a, 19b und 19c desselben geöffnet werden. Das Öffnen des Arbeitskontaktes 19c des Sperrelais führt nun den Abfall des Vakuumschalters 32 und damit das
Schliessen des Arbeitskontaktes 32a desselben herbei, womit sich die Kondensatoren 38 und 39 über die Widerstände 44 und 46, den Leiter 43, die parallelgeschalteten Widerstände 41 und 42 und den Kontakt 32a entladen können.
Damit entsteht an den Widerständen 44 und 46 ein Spannungsabfall, der den Kathoden der Ignitrons
47 und 48 relativ zu ihren Zündelektroden ein so grosses negatives Potential erteilt, dass die Ignitrons gezündet werden. Durch die gezündeten Ignitrons ist nun für die Kondensatoren 38 und 39 ein über die
Arbeitsspule 50 an Masse führender Entladestromkreis extrem geringer Impedanz geschlossen. Bei der
Kondensatorentladung wirken die Widerstände 44 und 46 als Trennwiderstände, die gewährleisten, dass über jedes der leitenden Ignitrons im wesentlichen gleich grosse Ströme fliessen.
Soferne die von den lei- tenden Ignitrons und der Arbeitsspule gebildete Impedanz wesentlich geringer ist als die der Widerstände 41,42, 44 und 46, fliesst im wesentlichen die gesamte in den Kondensatoren 38 und 39 gespeicherte
Ladung unter Bildung eines extrem starken magnetischen Feldes über die Arbeitsspule 50 ab.
Das Zeitrelais 31, dessen Laufzeit auf Anzug nach Ablauf der vorstehend beschriebenen Vorgänge eingestellt war, zieht nun an, womit der im Unterbrecherstromkreis für das Motorschütz 27 liegende Ruhekontakt 31a geöffnet wird und das Motorschütz 27 abfällt. Mit dem Öffnen des Arbeitskontaktes 27b und dem Schliessen des Ruhekontaktes 27c wird nun der Antriebsmotor 28 zum Regeltransformator im Sinne umgekehrter Drehrichtung mit Strom versorgt, so dass der Schleifer 28c in die für den nächstfolgenden Arbeitszyklus erforderliche Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Sobald der Schleifer 28c in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wurde, wird durch den Grenzschalter 28d der Motor abgeschaltet.
Der nächste Arbeitskreislauf kann durch erneutes Schliessen der Drucktaste 26 eingeleitet werden.
Sobald dies geschehen ist, werden die einzelnen Schaltelemente wieder derart mit Strom versorgt, dass am Ausgang des Zweiweg-Gleichrichters 34 die Gleichspannung linear ansteigt, die Kondensatoren 38 und 39 wieder auf die durch Einstellung der Widerstände 56 und 57 in der Schaltstufe 12 vorgewählte Spannung aufgeladen werden und die Kondensatoren über die niedrige Impedanz unter Erregung des gewünschten magnetischen Feldes entladen werden.
Die für das Laden und Entladen der Kondensatoren 38 und 39 erforderliche Zeit beträgt weniger als 2 sec, welche Zeit erforderlich ist, um den Schleifer 28c des Regeltransformators hin-und zurückzuführen. Die Anzugszeit des Zeitrelais 31 wird jedoch so eingestellt, dass eine Zeit von etwa
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4 sec verstreicht, bevor der Schleifer 28c in seine Ausgangsstellung zurückgeführt und damit der Antriebsmotor 28 zum Regeltransformator 21 abgeschaltet wird. Diese zusätzlich vorgesehene Zeitspanne stellt die vollständige Entladung der Kondensatoren 38 und39 sicher und ermöglicht gegebenenfalls erforderliche Veränderungen der für den Ablauf eines Arbeitszyklus erforderlichen Zeit.
Der erfindungsgemässe Gleichstromimpulsgeber kann Gleichstromimpulse mit einer Stärke von annähernd 50 kA. liefern. Mit Gleichstromimpulsen dieser Grössenordnung können, wenn diese über eine niedrige Impedanz, beispielsweise die Arbeitsspule 50, geführt werden, magnetische Feldstärken bis zu 25 Kilogauss hergestellt werden.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Erzeugung von Gleichstromimpulsen kann, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten, mannigfach abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Steuervorrichtung zur wahlweisen Ladung oder Entladung eines elektrischen Energiespeichers zwecks Erzeugung von Gleichstromimpulsen hoher Stromstärke mit einer Spannungsquelle sowie einer Schaltvorrichtung, die die Spannungsquelle mit dem Energiespeicher elektrisch verbindet, und mit einer Vorrichtung, die auf die im Energiespeicher erzeugte Spannung anspricht und eine weitere Schaltvorrichtung, welche durch die auf die Spannung des Energiespeichers ansprechende Vorrichtung betätigt wird und den Energiespeicher mit einer Last kuppelt und die Entladung der im Energiespeicher gespeicherten Energie in dem Augenblick bewirkt, in dem die Ausgangsspannung der Spannungsquelle einen bestimmten Wert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Spannungsquelle eine Einrichtung (20)
zur linearen Veränderung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle von einem niederen zu einem hohen Wert derart verbunden ist, dass im Energiespeicher elektrische Energie mit geregelter Geschwindigkeit gespeichert werden kann.