Magnetverstärkeranordnung Es ist bekannt, Strom und Spannung eines beliebigen Stromverbrauchers, der an Wechsel spannungsquelle angeschlossen ist, mit Hilfe eines elektrischen Ventils und einer Einrich tung zur Veränderung seines Aussteuerungs- grades zu steuern. Dazu wird unter anderem, besonders in Verbindung mit einem Trocken- O.;leichricht.er, ein sogenannter Magnetverstär ker benutzt.
Das ist eine mit dem Ventil in leihe liegende Drossel, die beim Nennstrom- we rt der Anordnung bis über das Knie ihrer ;lla-#@netisierungskennlinie gesättigt ist. Eine solche Drossel verhindert das Zustandekom- nien eines Stromes in der Durehgangsriehtung des Ventils jedesmal so lange, bis sie aus dem iiiigesättigten Zustand in den gesättigten ge langt ist.
Die dazu erforderliche Zeit ist ver schieden je nach dem Ausgangszustand, in dem sich die Drossel befindet, wenn eine treibende Spannung in der Durchlassrichtung des Ven tils auftritt. Bei bekannten Regelanordnungen wird dieser Ausgangszustand durch eine steuerbare Rückmagnetisierungseinriehtung ;
jedesmal während der Sperrzeit des Ventils lweinflusst. Eine derartige Einrichtung zu verbessern und weiter auszugestalten, sind die Ziele der Erfindung. Demgemäss betrifft die Erfindung eine Magnetverstä.rkeranordnung, bestehend aus einem elektrischen Hauptventil und einer in Reihe damit liegenden Magnet- verstärkerdrossel mit einer steuerbaren Rück- magnetisierungseinrichtung, welche der Ma- ,
netverstärkerdrossel mittels eines Hilfsstrom- kreises, der ein elektrisches Hilfsventil mit umgekehrter Durchlassrichtung wie das Hauptventil enthält, zur Rückführung der Magnetverstärkerdrossel in den ungesättigten Zustand während der Sperrzeit des Haupt ventils ein steuerbares Spannungszeitintegral zuführt.
Die Erfindung besteht darin, dass im Hilfsstromkreis eine periodisch sättigbare und rückmagnetisierbare Hilfsdrossel mit gerin gerem Magnetisierungsstrom als die Magnet- v erstärkerdrossel in Reihenschaltung mit dem Hilfsventil angeordnet und das Spannungszeit- integral, mit welchem die Hilfsdrossel rück magnetisiert wird, veränderbar ist. Die Er findung ermöglicht es, mit kleineren Steuer organen auszukommen bzw. den Verstärkungs grad zu erhöhen und weitere technische Auf gaben zu lösen, wie weiter unten näher aus geführt.
Eine Reihe von Ausführungsbeispielen sind in der Zeichnung in den Fig.1, 3, 5 bis 7 und 9 dargestellt. Die Fig.2, 4 und 8 ent halten Schaubilder zur Erläuterung der Wir kungsweise.
In Fig. 1 bedeutet Z' einen Transformator mit der Sekundärspannung e (Hauptspan nung). Er speist einen Arbeitsstromkreis mit beispielsweise rein ohmischer Last R, z. B. Glühlampen, über eine Magnetverstärkerdros- sel Dl und ein Ventil V (Hauptventil). Die Drossel Dl, welche nachfolgend auch als Hauptdrossel bezeichnet wird, ist vorzugs weise mit einem Ringbandkern ausgestattet.
Ihre Magnetisierungskennlinie soll im unge sättigten Gebiet möglichst wenig gegen die Flussachse geneigt sein, an den Übergangs stellen vom ungesättigten Gebiet in die gesät tigten Gebiete möglichst scharfe Knicke auf weisen und in den gesättigten Gebieten mög lichst parallel zur Erregerachse verlaufen. Ihre Remanenz soll nahe der Sättigungsinduktion liegen.
Eine derartige Kennlinie, die häufig als Reehteckschleife bezeichnet wird, ist. bei spielsweise in Fig. 2 dargestellt. Windungszahl und Kernquersehnitt der Magnetv erstärker- drossel werden so ausgelegt, dass sie bereits bei einem verhältnismässig kleinen Wert des Laststromes voll gesättigt ist. Nach Fig.1 ist.
ein Hilfsstromkreis, der zur Rückmagnetisie- rung der Magnetv erstärkerdrossel während der Sperrzeiten des Hauptv entils V dient, zwi schen den Punkten r und r' des Arbeitsstrom kreises angeschlossen. Er kann auch zwischen den Punkten r und 7" angeschlossen sein. Der Hilfsstromkreis enthält ein Ventil V,. (Hilfs ventil). Der im Hauptstromkreise fliessende Strom ist mit il. und der im Hilfsstromkreise fliessende Rückmagnetisierungsstrom mit i, be zeichnet.
In Fig. 2 ist zur Erläuterung der Wirkungsweise die Magnetisierungskennlinie in Abhängigkeit von der Erregung aufgetra gen. Diese Kennlinie entspricht. einem Kern material mit geringer Koerzitivkraft, z. B.
der unter der Iiandelsbezeichnung Perme- norm 5000 Z bekannten 50%igen Nickel- Eisen-Legierung. Bei gegebener Drosselgrösse kann als Erregung die Durchflutung in AW zugrunde gelegt werden, die Ordinatenwerte können in Einheiten der Induktion B (Gauss) oder des Flusses 05 (Maxwell) oder des Span- nungszeitintegrals, das im Zeitdiagramm Fig. 4 als Fläche F (Vsec) erscheint,
abgelesen wer den. Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird davon ausgegangen, dass sieh die Drossel Dl in einem dem Punkte A. entsprechenden Ma- gnetisierungszusta.nde befindet. In der Durch lassrichtung des Hauptventils V, die als posi tiv angesehen werde, durchläuft die Drossel Dl den steilen Teil der Kennlinie von A nach C. Die Wechselspannung e liegt. zunächst praktisch ganz an der Drossel.
Dadurch wird aus der positiven Spannungshalbwelle nach Fig. 4, welche unter anderem den Verlauf der ; Spannung e in Abhän-igkeit von der Zeit t zeigt, eine Fläche FA herausgeschnitten.
Be zeichnet rz, die Windungszahl der Drossel D1 und<I>d</I> (I)AC. die Flussänderung zwischen den Punkten A und C, so ist FA = 7c . 4 1<B>A</B>,, (Vsec). ;
Nach Erreichen des Sättigungszustandes bei C springt der Laststrom auf den Wert
EMI0002.0062
Der Mittelwert der am Widerstand R herrschenden Gleiehspannung ist E,111 _ .t- (FH-F:a). Hierbei ist f die Frequenz der Weeliselspaii- nung in Hz und FH die Fläche einer Halb welle, ebenso wie FA in Vsee ausgedrückt.
Der Mittelwert des abgegebenen Stromes ist
EMI0002.0074
Beim Nullwerden des Stromes i.. im Punkt. E behält die Induktion den Sätti-un-swert B. Ohne den Rüekmagnetisierungskreis r-r' würde dieser Zustand der Drossel D, während der negativen Spannun-shalbwelle erhalten bleiben, so dass die Drossel von der nächsten positiven Spannungsha.lbwelle im gesättigten Zustand angetroffen werden würde.
Dem gegenüber bewirkt der Ililfskreis r-r' in der negativen. Halbwelle eine Rückmagnetisierung der Drossel. Dl.
Nach Fig. 1 ist in diesem Rückmagnetisie- rungskreise eine Sättigungsdrossel D#, (rIilfs- drossel) mit dem Ventil V, in Reihe geschaltet. Diese Hilfsdrossel kann vorzugsweise von der selben Art sein wie die Hauptdrossel Dl, jedoch bedeutend kleiner. Sie braucht nur für den Magnetisierung-ssti-oni i. der Haupt drossel bemessen zu sein.
Auf jeden Fall mass die Hilfsdrossel D.., einen kleineren 1Tagnetisie- rungsstrom haben als die Hauptdrossel D1. Die Hilfsdrossel D., nimmt die Differenz der Spannungsflächen y (FH-FA) auf.
Da die Spannungsfläehe (F11-F1) auch am Last widerstand R erscheint, ist die R.üekmagneti- sierung der Drossel Dz über einen Hilfsstrom kreis mit einem Ventil Vi und einen Steuer- widerstand Ra' möglich.
Dieser Hilfsstrom kreis ist zum Arbeitskreise der Hilfsdrossel mit entgegengesetzter Durchlassrichtung parallel gesehaltet. Wegen der Wirkspannungsv er luste wird die Rüekmagnetisierung der Dros sel D2 vorteilhaft mit einer niedrigeren Win- dungszahl vorgenommen als die Magnetisie- rung in Vorwärtsrichtung.
Infolgedessen kann der Rüekmagnetisierungskreis der Hilfsdrossel D2, wie gezeichnet, an eine Anzapfung dersel ben in Sparschaltung angeschlossen sein. Der Steuerwiderstand R5' kann nun wieder durch eine Sättigungsdrossel mit besonderem Rück- niagnetisierungskreis ersetzt werden. Man er hält auf diese Weise eine Kaskadenanordnung mehrerer -Hilfsdrosseln derart, dass jeweils die nachgeordnete Hilfsdrossel die Rück niagnetisierung der vorgeordneten steuert.
In der Anordnung nach Fig. 1 kann die Regelung statt durch Veränderung des Wider standes R,auch durch eine Reihe wählbarer Anzapfungen der Hilfsdrossel D2 bewirkt wer den.
Fig.3 zeigt eine andere Anordnung mit zweistufiger Verstärkung, die eine besonders kurze Zeitkonstante aufweist. Die Hilfsdrossel D2 wird hier von einer besonderen Wicklung T3 des Haupttransformators mit der vollen Weeliselspannnn- rückmagnetisiert. Hierbei tritt an der Drossel D2 eine Spannung in Rich tung des Ventils _V, auf, so dass sich ohne weitere Massnahmen ein störender Kreisstrom über die Last 1t' schliessen würde.
Zur -Unter bindung dieses Kreisstromes wird in den Rück- inagnetisierungskreis der Hauptdrossel eine inisvininetrisehe Weehselspannung eingeführt, deren Halbwellen verschieden hohe Ampli- luden haben.
Zu diesem Zweck wird eine an einem \V iderstand R" erzeugte Zusatzspan- iiung e, verwendet, die mittels einer Hilfs- wieklung T, des Haupttransformators und eines Doppelweggleichrichters C, gewonnen werden kann.
Diese Zusatzspannung e" wird in der negativen Halbwelle, in der die Span nungsrichtung mit der Durchlassrichtung des Ventils V,, übereinstimmt, von der in einer besonderen Transformatorwicklung T2 erzeug ten Speisespannung e2 des Rückmagnetisie- rungskreises der Hauptdrossel abgesetzt.
Die Spannung e2 wird vorteilhaft um soviel höher gewählt als die von der Hauptwicklung T1 gelieferte Spannung e1, dass die resultierende Spannung (e2-e,) in der negativen Halb welle gerade wieder gleich der Spannung (ei) ist. In der positiven Halbwelle addieren sich die Absolutwerte der beiden Spannungen e2 und e, so dass das Ventil V, für eine entspre chend höhere Spannung zu bemessen ist. Der Verlauf der verschiedenen Spannungen ist in Fig.8 in Abhängigkeit von der Zeit t dar gestellt.
Der Zweck und die Wirkung der be schriebenen Schaltung ergeben sich aus den in der dritten Halbwelle dieses Schaubildes dargestellten Kurven der Potentialverteilung. Das Potential des Punktes p muss niedriger sein als das Potential des Punktes r, damit kein die Hilfsdrossel D2 belastender Strom auftreten kann. Dies ist durch die beschrie bene Schaltung auch für den ungünstigsten Fall durch passende Wahl der Windungszahl- verhältnisse vermeidbar.
Bei Verwendung mehrerer gleicher Ma gnetverstärker in einer Schaltung der be- sehriebenen Art kann die Hilfsspannung e2 e, für die verschiedenen Verstärker ge meinsam erzeugt werden, wie Fig. 9 beispiels weise für eine regelbare Beleuchtungsanlage zeigt.
Der Rückmagnetisierungskreis der Sätti gungsdrossel D1 kann ferner als Zeitkreis der art ausgebildet sein, dass die Rückmagneti- sierung während einer wählbaren Zahl von Halbwellen gesperrt werden kann.
Zu diesem Zweck kann im Rückmagnetisierungskreis ein an sich bekanntes T-Relais (Telegraphenrelais) angeordnet sein, welches den Rückmagnetisie- rungskreis nach der Schliessung des Haupt kreises erst mit einer Verzögerung von meh reren Wechselspannungsperioden für den Stromdurchfluss freigibt. Während dieser Ver zögerungszeit bleibt infolgedessen die Haupt drossel D1 gesättigt, so dass die volle Spannung am Verbraucher wirksam ist, bis die Rück magnetisierung einsetzt.
Danach fliesst bei voller Rückmagnetisierung der Hauptdrossel kein Strom mehr durch den Verbraucher. Wird jedoch eine der beschriebenen Steuer anordnungen für den Rüekmagnetisierungs- kreis damit vereinigt, z. B. eine Hilfsdrossel entsprechend D2 in Fig. 1 und 3, so kann nach Ablauf der Verzögerungszeit mit verminderter Rückmagnetisierung gearbeitet werden, wo bei dann der Verbraucher auch weiterhin Strom aufnimmt, jedoch mit verringertem Effektivwert. Statt eines T-Relais oder dergleichen kann als Hilfsdrossel eine sogenannte Zähldrossel z.
B. nach Patent Nr. 291341 im Rückmagneti- sierungskreise vorgesehen sein. .Eine derartige Schaltung zeigt beispielsweise Fig.6, wobei die Überbrückung des Ventils V, durch den Widerstand R, zunächst ausser Betracht blei ben möge.
Die Zähldrossel Z ist, eine Sätti gungsdrossel mit vorzugsweise Rechteck schleife, zu deren vollständiger Ummagnetisie- rung vom gesättigten Zustand in den Zustand entgegengesetzter Sättigung mehrere (z) Halbwellen einer an ihr liegenden Wechsel spannung erforderlich sind, und die infolge dessen bis zu z Halbwellen der Spannung in Durchlassrichtung eines in Reihe liegenden Ventils zu sperren vermag, wenn sie in un gesättigtem Zustand eingeschaltet wird. Ce- sehieht letzteres im Rückmagnetisierungskreis der beschriebenen Regelanordnung, z.
B. ge mäss Fig. 6, zugleich mit der Einschaltung des Hauptstromkreises, so werden entsprechend der sogenannten Zählzahl z der Zähldrossel von der Hauptdrossel z positive Halbwellen hindurchgelassen. Von der nächsten (z +1/ten) positiven Halbwelle an ist die Zähldrossel --e- sättigt und lässt die Rückmagnetisierungs- impulse für die Hauptdrossel D1 durch, so dal3 diese dauernd gesperrt bleibt. Dadurch wird also die Abgabe einer genau definierten Strom , menge (Asec) ermöglicht.
Der Transformator kann an Stelle einer Sinusspannung auch Impulse, vorzugsweise solche von gleichbleibender Spannungsfläche, liefern, wenn er nämlich nach Art eine.,- Schaltwandlers ausgeführt ist. Die Anord nung wird dann zu einem Zähldrosselverstär- ker. Die Zähldrossel Z ist gemäss Fig. 6 mit An zapfungen versehen, damit die dem Verbrau cher zugeführte Strommenge eingestellt bzw, verändert werden kann.
Je höher die hier nach zur Wirkung kommende Windungszahi der Zähldrossel ist, um so grösser ist die Zählzahl z. Einige der niedrigsten einstell baren "#V indungszahlen können beispielsweise so gewählt, werden, dass die Zählzahl z kleiner als 1 wird.
Wesentlich für die Wirkungsweise ist die Bedingung, dass auelx bei Benutzung der kleinsten Windungszahl der Zähldrossel Z ihr 1Vlagnetisierungsstrom kleiner bleibt als der -Magnetisierungsstrom der Hauptdrossel D1. Es muss also, wenn für beide Drosseln die gleiche Eisensorte verwendet wird, 1.'1-'1i."";" kleiner sein als liJni, worin 1i und 1z die mitt leren Eisenlängen der Drosseln D1 bzw.
Z und 11,1 bzw. 71, ",;" die entsprechenden Windxings- zahlen sind. Die auf eine derartige Anzap- fung eingestellte Zähldrossel bedarf zu ihrer Riiekmagnetisierung nur eines Teils einer ein zigen Spannungslialbwelle, so dass dann die Hauptdrossel. D1 ebenfalls nur von der folgen den positiven Halbwelle einen Bruchteil dUrch- lässt, der dem Verbraucher R zugeführt wird.
Die Anordnung eignet sich daher für Wider- sta.ndssehw eissmasehinen, Stossmagnetisierungs- einriehtunwen und dergleichen, die kurzzeitig während eines Teils einer Halbwelle bis zu mehreren Perioden eingeschaltet werden sollen. Bisher wurde das Ein- und Ausschalten sol cher Einrichtungen durch meehanisehe Schal ter oder durch gesteuerte Stromrichter vor genommen. Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch wegen ihrer mehr oder weniger begrenzten Lebensdauer nachteilig.
Demgegen über werden die gleichen Schaltaufgaben mit der zuletzt beschriebenen Anordnung im we sentlichen mit ruhenden Teilen, nämlich Sätti gungsdrosseln und Trockengleichrichtern, durchgeführt, die fast. gar keinem Verschleiss unterworfen sind, bei denen also mit erheblich grösserer Lebensdauer und geringerer Stör anfälligkeit gerechnet werden kann.
Damit die Abgabe begrenzter Strommengen wiederholt. werden kann, muss die Zähldrossel entweder riiekinagnetisiert oder umgeschaltet werden. Zur L minagnetisierung dient nach Fig-. 6 ein Rückstellkreis, der beispielsweise an eine Hilfswicklung der Zähldrossel angesehlos- seri ist und von der -Netzspannung über ein Ventil V' und einen Steuerdruckknopf S ge speist, wird.
In Fig. 7 ist eine Regelanordnung für eine \\ iderstandssehweissmaschine dargestellt, bei der die Zähldrossel Z mit, zwei in entgegen gesetzten Richtungen magnetisierend wirken den und mit regelbaren Anzapfungen ver- sehenen Wicklungen ausgestattet ist. Durch einen Umschalter S' kann hier wahlweise die eine der beiden Zähldrosselwieklungen, und naeli Eintritt der Sättigung in dieser Rich tung die andere Zähldrosselwieklung zur Wir kung gebracht werden.
Statt dessen kann auch eine Zähldrossel mit einer einzigen Wicklung und einem doppelpoligen Umschalter verwen det werden. Der L msehalter S' wird beispiels weise mittels eines Relais Re betätigt, das über einen Impulssehaltwandler SZh und eine Gleichriehterweielie Q gesteuert. wird.
Der Im- pulsschaltwandler S11' kann von der Netz spannung; über einen Gleichrichter V' und einen Kipptaster Ta gesteuert werden. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass nur in derjenigen Halbwelle geschaltet wird, in welcher der Rückmagnetisierungskreis strom los ist, und dass nur ein einziger Impuls jeweils < las Relais betätigt. Derartige Schaltungen sind aus der Impulsschaltertechnik bekannt.
Der Laststrom fliesst über die Schweisselektro den<B>SE</B> bzw. vor deren Schliessung über eine (xrundlast RB..
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dient das Schaubild Fig.8, in welchem die Span nung c und der über die Hauptdrossel Dj fliessende Strom i.. (in Vorwärtsrichtung) bzw. i,. (rückwärts) in Abhängigkeit von der Zeit i dargestellt sind.
Stellt man sich in der An- ordnung; na.eb. Fig.7 die Zähldrossel Z zu näelist. gesättigt vor, so fliesst der relativ niedrige Magnetisierungsstrom der Haupt drossel Di in der positiven Halbwelle über das Hauptventil -i' und in der negativen Halb welle über das Hilfsventil. V,, und die Zähl drossel. Nach Umlegen des Kipptasters Ta z.
B. im Zeitpunkt t1 legt das Relais Re den Schalter S" z. B. im Zeitpunkt t2 um, so dass die Zähldrossel Z umgepolt im Rückmagneti- sierungskreise liegt.
Die nächste in Richtung des Hilfsventils VT laufende (negative) Span nungshalbwelle entsättigt die Zähldrossel Z und ruft daher einen Strom iz in Höhe ihres Magnetisierungsstromes hervor, der voraus setzungsgemäss nicht dazu ausreicht, die Hauptdrossel D1 zurückzumagnetisieren. Die folgende Spannungshalbwelle (positiv) findet daher die Hauptdrossel D1 gesättigt vor und erzeugt eine Stromhalbwelle i von voller Höhe,
die durch die Spannung e und die Impedanz des Verbraucherkreises gegeben ist.
Je nach der benutzten Anzapfung der Zähl drossel bzw. ihrer damit eingestellten Zählzahl z ergeben sich ein oder mehrere, nämlich z Stromimpulse voller Höhe. Auch hier können, wie schon zu Fig. 6 erwähnt, kleinere Impulse, die nur von einem Teile einer Spannungshalb welle (z < 1) getrieben werden, mittels geeig neter Anzapfungen der Zähldrossel einge stellt werden. Für die Gestaltung und Folge der Impulse ergeben sich ferner die verschie densten Möglichkeiten unter Benutzung an sich bekannter Schalt- und Steuermittel. Es lassen sich damit nach Wunsch und Bedarf beliebige Programmsteuerungen verwirklichen.
Für die Zähldrossel können ferner zur Er höhung ihrer Zählzahl Schaltungen benutzt werden, durch welche die Ummagnetisierung im Pilgerschritt, das heisst abwechselnd um einen Betrag vorwärts- und um einen kleine ren Betrag rückwärtsschreitend bewirkt wird, indem ihr Spannungsimpulse (Vsec) wechseln der Richtung und verschiedener Grösse zuge führt werden. Auf diese Weise wird eine län gere Verzögerungszeit und eine Erweiterung des Regelbereiches ohne Verwendung einer grösseren Zähldrossel erzielt.
Solche Pilger schrittschaltungen bestehen im wesentlichen aus einer Parallelschaltung zweier Erreger kreise der Zähldrossel, die voneinander hin sichtlich Stroindurchlassrichtung und Strom durchlässigkeit oder Anzahl der in ihnen ent haltenen Drosselwindungen verschieden sind, oder aus einer Parallelschaltung zweier ver- schiedener Zähldrosseln oder zweier gleicher Zähldrosseln mit zusätzlichem Differenzele ment.
Als einfache Ausführungsform ist in Fig. 6 eine Lberbrückung des Hilfsventils V,. durch einen entsprechend abgestimmten, ge- gegebenenfalls regelbaren Widerstand RF, an gegeben, die mittels eines Schalters St, unter brochen werden kann. Es können beispiels weise auch die Pilgerschrittschaltungen nach den deutschen Patenten Nrn. 901307, 913196 Lind 944869 für die vorliegende Regelanord nung benutzt werden.
Die beschriebenen Anordnungen sind noch in anderer Hinsicht erweiterungsfähig. Zur Vermeidung der Sättigung des Haupttransfor mators kann beispielsweise eine Schaltung mit abwechselndem Richtungswechsel der Impulse gewählt werden.