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Spannungsregler Die Erfindung bezieht sich auf die Spannungsregelung
in Gleichstromversorgungsanlagen.
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Es ist bekannt, daß sich die Gleichstromausgangsspannung eines nicht
stabilisierten Gleichrichters mit dem Belastungsstrom ändert. Die Kurve, die den
Zusammenhang zwischen der nicht stabilisierten gleichgerichteten Ausgangsspannung
und dem Belastungsstrom angibt, wird im folgenden als »natürliche Kurve« bezeichnet.
Diese natürliche Kurve ändert sich mit der Höhe der Wechselstromeingangsspannung
des Gleichrichters. Für Veränderungen der Wechselstromeingangsspannung zwischen
zwei extremen Grenzwerten bewegt sich die Ausgangsspannung zwischen zwei extremen
natürlichen Kurven, deren eine dem Maximum und deren andere dem Minimum der zugelassenen
Wechselstromeingangsspannung entspricht.
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Bekannte Spannungsregler enthalten zur Stabilisierung und Regulierung
vormagnetisierte Drosselspulen mit einem oder mehreren Gleichstromkreisen, so z.
B.: 1. Einen Arbeitsstromkreis, der durch den Ausgangsstrom des Gleichrichters erregt
wird, wobei der Erregerstrom so eingestellt ist, daß seine Amperewindungen in der
vormagnetisierten Drosselspule mit den Amperewindungen des Wechselstromes kombiniert
werden, so daß der Arbeitspunkt der Drossel auf dem Knie der Eisenmagnetisierungskurve
zwischen dem Sättigungsteil und dem stark geneigten linearen Teil gehalten wird.
Dieser Arbeitsstromkreis verringert auch in gewissem Maße die Neigung der natürlichen
Kurve.
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2. Steuerstromkreise für die genannte Drosselspule, die zur Stabilisierung
dienen. Der in diesen Steuerstromkreisen fließende Gleichstrom ergibt zusätzliche
Amperewindungen in der Drossel, und der Arbeitspunkt bewegt sich auf dem stark geneigten
linearen Teil der Magnetisierungskurve. Ein geringer Betrag des stabilisierten Stromes
erzeugt einen großen Spannungsabfall für die Stabilisierung. Die natürlichen Kurven
sind dabei so kompensiert, daß eine ziemlich konstante Spannung von Null- bis Volllast
erzielt wird. Die so erhaltenen Kurven mit fast konstanter Spannung werden im folgenden
als »stabilisierte Kurven« bezeichnet.
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3. Hilfssteuerkreise zur Vorstabilisierung, die dazu dienen, die beiden
extremen natürlichen Kurven näher aneinanderzubringen, so daß nach der Stabilisierung
durch den eingangs genannten Steuerstromkreis die beiden extremen stabilisierten
Kurven näher beieinanderliegen.
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Ferner sind Spannungsregler für Gleichstromkreise mit Röhren als Regelglieder
bekannt, deren Wirkungsweise auf der sogenannten Vorwärts- und Rückwärtsregelurig
beruht, die darin besteht, daß sowohl die Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannung
auf das Regelglied einwirkt.
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Die bekannten Spannungsregler weisen nun eine Reihe von Nachteilen
auf. Beispielsweise kommt es bei Spannungsreglern mit Magnetverstärkern als Regelglieder
trotz der obengenannten Maßnahmen öfters vor, daß infolge zu niedriger Flußänderungsempfindlichkeit
der Drosselspulen (z. B. bei Siliziumeisen) die extremen Stabilisierungskurven,
welche fast parallel verlaufen, einen zu großen Abstand voneinander haben. Spannungsregler,
die an Stelle der steuernden Magnetverstärker Röhren verwenden, zeichnen sich durch
einen großen Aufwand der für die Regelung erforderlichen Mittel aus, die außerdem
nur eine engbegrenzte Lebensdauer aufweisen.
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Die Erfindung vermeidet unter anderem diese Nachteile. Gegenstand
der Erfindung ist nun ein Spannungsregler, dessen Wirkungsweise ebenfalls auf dem
allgemeinen Gedanken der sogenannten Vorwärts- und Rückwärtsregelung beruht. Zum
wesentlichen Unterschied gegenüber den bekannten Anordnungen, die sich auf die Spannungskonstanthaltung
in Gleichstromkreisen beziehen und Röhren als Regelglieder verwenden, handelt es
sich bei der Erfindung um einen Spannungsregler für Gleichstromversorgunsganlagen
mit Speisung aus einem Wechselstromnetz über eine Gleichrichterbrückenschaltung
und gleichstromvormagnetisierte Drosselspulen in
Rückkopplungsschaltung,
die von der Ausgangsgleichspännung so gesteuert werden, daß diese konstant bleibt.
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Die Schaltung nach der Erfindung ist durch eine zweite Gleichrichterbrückenschaltung
gekennzeichnet, die ebenfalls an das Wechselstromnetz angeschlossen ist und deren
Ausgang mit einem die Drosselspulen steuernden Meßfühler hintereinandergeschaltet
ist, so daß die am Meßfühler auftretenden Schwankungen der Ausgangsgleichspannung
durch die Schwankungen der Eingangswechselspannung verstärkt werden und eine Übersteuerung
des Spannungsreglers eintritt. Dadurch wird bewirkt, daß die beiden extremen Stabilisierungskurven
in dem Bereich von Null- bis Vollast fast zusammenfallen, so daß die Ausgangsspannung
unabhängig von den Veränderungen der Wechselstromeingangsspannung innerhalb der
vorgegebenen Grenzen bleibt.
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Den bekannten Anordnungen fehlt das erfindungsgemäße Merkmal des Hinzufügens
einer zusätzlichen Spannungskomponente zu der dem Fühlglied zugeführten Ausgangsspannung.
Es ist daher mit den bekannten Schaltanordnungen nicht möglich, eine so große Regelgenauigkeit
zu erzielen, wie es bei der Schaltanordnung nach der Erfindung der Fall ist.
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Auch unterscheidet sich der Spannungsregler nach der Erfindung von
den bekannten Spannungsreglern dadurch, daß seine Schaltelemente, insbesondere die
Magnetverstärkerelemente, praktisch unbegrenzte Lebensdauer aufweisen, und er zeichnet
sich gegenüber bekannten Anordnungen durch den kleinen Aufwand an Schalt- und Regelmitteln
aus.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird diese -im folgenden an
Hand von Zeichnungen beschrieben. In Fig.l ist die Schaltung des erfindungsgemäßen
Spannungsreglers dargestellt; Fig.2a und 2b zeigen vergleichsweise extrem stabilisierte
Kurven der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Belastung mit zusätzlicher Gleichrichterbrückenschaltung
gemäß der Erfindung und ohne Gleichrichterbrückenschaltung.
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Die Spannungsreglerschaltung nach Fig.l wird vom Wechselstromnetz
über den Transformator T mit Strom versorgt, der eine Primärwicklung 1 und zwei
Sekundärwicklungen 2 und 3 aufweist. Der Spannungsregler besteht aus einem Hauptgleichrichter
G 1 und den vormagnetisierten Drosselspulen Dr 1 und Dr2, deren Arbeitswicklungen
4 und 5 und Rückkopplungswicklungen a und b so angeordnet sind, daß
in bekannter Weise die Halbwellen des gleichgerichteten Stromes durch die Wicklungen
4 und 5 und ebenso durch die in Reihe geschalteten Wicklungen a und
b fließen.
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Die Drosselspulen sind so zusammengeschaltet, daß der Arbeitsstrom
in einer der Wicklungen a oder b
der Drosselspulen Dr1 oder Dr2 dieselbe
Richtung hat wie der in derselben Wicklung von den Wicklungen 4 und 5 induzierte
Strom, während in der anderen Wicklung der Arbeitsstrom dem entsprechenden induzierten
Strom entgegengesetzt gerichtet ist.
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Der Arbeitsstrom arbeitet als Gleichstrom-Vormagnetisierungsstrom
und bringt die Magnetisierung der Drosselspulen bis zum Knie der Magnetisierungskurve.
Die Drosselspulen befinden sich deshalb in einem Magnetisierungszustand, in dem
sie von einem zusätzlichen Stabilisierungsstrom leicht beeinflußt werden können.
Letzteres verursacht infolge des steilen linearen Teiles der Magnetisierungskurve
eine starke Veränderung der Kernmagnetisierung. Der veränderliche Widerstand R3
dient zum Einstellen des Gleichstrom-Vormagnetisierungsstromes.
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Am Eingang der in Brückenschaltung geschalteten Ballastwiderstände
B treten die Abweichungen der gleichgerichteten Ausgangsspannung von einem Normalwert
auf und erzeugen an den Ausgangsklemmen der Widerstandsbrücke einen entsprechenden
Gleichstrom, der die Steuerwicklungen c und d der vormagnetisierten Drosselspulen
Drl und Dr2 durchfließt, was wiederum, wie erwähnt, eine starke Änderung der Kernmagnetisierung
zur Folge hat, wodurch ein Abfall der Stabilisierungsspannung bewirkt wird.
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Die beiden extrem stabilisierten Kurven werdm.so horizontal und parallel
zueinander gemacht.
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Der Spannungsregler enthält zusätzlich eine Gleichrichterbrückenschaltung
G 2, die mit der Widerstandsbrückenschaltung B in Reihe liegt. Beide Brückenschaltungen
liegen also an den Ausgangsklemmen. Die Gleichrichterbrückenschaltung G 2 wird aus
dem Wechselstromnetz über die Sekundärwicklung 3 des Transformators T über den Widerstand
R 1 mit Strom versorgt.
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Es wird daher eine Gleichspannungsfunktion der Wechselstromeingangsspannung
zur Gleichspannung des Hauptgleichrichters addiert, und an der Widerstandsbrückenschaltung
B tritt daher eine größere Spannung auf, als tatsächlich am Ausgang des Hauptgleichrichters
existiert, und diese verursacht so eine Übersteuerung.
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Durch genaue Einstellung des Schleifkontaktes am Widerstand R 1 am
Ausgang der Sekundärwicklung 3 des Transformators T kann die gleichgerichtete Spannung
am Ausgang der Gleichrichterbrückenschaltung G 2 auf einen solchen Wert eingestellt
werden, daß die stabilisierten Kurven so nahe wie möglich zusammengebracht werden.
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In Fig.2 sind Beispiele für die beiden extrem stabilisierten Kurven
eines Spannungsreglers dargestellt, und zwar in Fig.2a diejenige eines Spannungsreglers
nach Fig.l und in Fig.2b diejenige eines Spannungsreglers ohne den Gleichrichter
G2 (Fig. 1). Es wird angenommen, daß beide Spannungsregler so bemessen sind, daß
sie eine Ausgangsspannung von 20 V Gleichstrom und eine Wechselstromeingangsspannung
von 220 V ± 10°/o- haben, während die Belastung von 0 bis 400 Milliampere schwanken
kann. Die extrem stabilisierten Kurven entsprechen daher dem Maximum der zulässigen
Eingangsspannung von 242 V und dem Minimum der zulässigen Eingangsspannung von 198
V.
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Im Falle der Schaltung nach Fig. 1 haben die beiden extrem stabilisierten
Kurven (Fig. 2a) einen Abstand, der auf der Ordinate einer Spannung von 0,12V entspricht,
das sind nur 0,6°/a. Bei einem Spannungsregler, bei dem der Gleichrichter G2 nicht
verwendet wird, liegen die beiden extrem stabilisierten Kurven (Fig. 2b)
weiter auseinander, und zwar entspricht ihr Abstand auf der Ordinate einer Spannung
von 3 V, das sind 1511/9.
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Daraus ist zu ersehen, daß die Ausgangsspannung, die bei der Schaltung
nach Fig. 1 erhalten wird, praktisch unabhängig von den Veränderungen der Wechselstromnetzspannung
innerhalb der vorgesehenen Grenzen bleibt.