DE1052526B - Tirrillregler mit Transistor - Google Patents

Description

In der Elektrotechnik wird seit Jahrzehnten mit Erfolg der Kontaktregler — auch als Tirrillregler bezeichnet — verwendet. Bei dieser Reglerart — in folgendem allgemein Tirrillregler genannt — wird ein im Erregerkreis eines Generators liegender Widerstand R durch ein Relais bzw. Schütz über einen oder mehrere Kontakte periodisch kurzgeschlossen. Jedem Verhältnis von Schließ- zu Öffnungszeit entspricht ein. bestimmter wirksamer Widerstand. Die Grenzwerte ergeben sich bei dauernd geschlossenem Kontakt mit Widerstand Null und dauernd geöffnetem Kontakt mit Widerstand gleich R.

Mit der Leistung der Maschine wächst auch ihre Erregerleistung und damit die Kontaktleistung des Schaltschützes für das Schalten des Widerstandes R beim Tirrillregler. Man ist daher gezwungen, bei größeren Leistungen vom Meßsystem des Reglers nicht unmittelbar, sondern erst über ein Zwischenrelais als Schaltschütz zu steuern und das Schaltschütz mit mehreren Kontaktsätzen auszurüsten oder auch mehrere Schaltschütze parallel anzuordnen.

Nun ist bekannt, daß Transistoren in entsprechender Schaltung auch als Schalter eingesetzt werden können. Dabei ist ihre Schaltleistung gegenüber der bei Verstärkerbetrieb zulässigen Verlustleistung sehr hoch, wenn die Schalthäungkeit so gering ist, daß die Zeiten, während der der Transistor gesperrt oder voll eingeschaltet ist, groß sind gegenüber der Eigenzeit des Transistors für den Übergang von einem Schaltzustand auf den andern und zurück. Dies trifft aber beim Einsatz des Transistors als Schaltapparat beim Tirrillregler ohne weiteres zu. Die Schaltfrequenz liegt bei Tirrillbetrieb zwischen etwa 5 und 500 Hz, wobei der niedrige Wert für große Maschinen gilt, wo dann mit Zwischenrelais gearbeitet wird und der hohe Wert für kleine Maschinen mit direkter Steuerung. Die Gesamtzeiten einer Schaltperiode liegen also zwischen 0,2 und 0,002 Sekunden gegenüber einer Eigenzeit für Ein- und Ausschaltvorgang beim Transistor von etwa 0,0001 Sekunden.

Danach erscheint es durchaus zweckmäßig, auch beim Tirrillregler Transistoren als Schaltelemente einzuführen. Dabei treten aber noch einige Schwierigkeiten auf, da das Verhalten eines Transistors in einigen Punkten doch grundsätzlich verschieden ist von dem eines einfachen Schaltrelais.

Zunächst benötigt der Transistor für die Steuerung HilfsSpannungen bzw. Ströme. Um den Stromfluß zwischen Emitter und Kollektor freizugeben, muß erst über Emitter und Basis ein Hilfsstrom bekannter Größe, ein Steuerstrom, eingeschaltet werden. Um den Hauptstrom wieder abzuschalten, muß dieser Steuerstrom ausgeschaltet und möglichst eine kleine positive Steuerspannung zwischen Emitter und Basis einge-Tirrillregler mit Transistor

Anmelder:

Dr.-Ing. Adolf Leonhard,
Stuttgart -Vaihingen, Freibadstr. 65

Dr.-Ing. Adolf Leonhard, Stuttgart-Vaihingen,
ist als Erfinder genannt worden

schaltet werden. Werden bei größeren Strömen mehrere Transistoren parallel und bei höheren Spannungen in Reihe geschaltet, so müssen diese Steuerströme bzw. Spannungen für alle Transistoren unabhängig voneinander den richtigen Wert aufweisen.

Während sich ein einfacher Schaltkontakt für beide Stromrichtungen genau gleich verhält, darf der Transistor nur Strom in einer bestimmten Richtung führen. Eine Stromumkehr muß daher vermieden werden. Beim Transistor liegen im eingeschalteten Zustand der maximal zulässige Strom und im ausgeschalteten die maximal zulässige Spannung fest. Eine auch nur kurzzeitige Überschreitung dieser Maximalwerte führt zu einer Zerstörung des Transistors. Ein normaler Kontakt ist in dieser Beziehung wesentlich unempfindlicher. Höhere Strom- oder Spannungsbelastung bewirkt, wenn sie nicht sehr groß und zu einem stehenden Lichtbogen führt, im allgemeinen nur ein stärkeres Kontaktfeuer.

Erfindungsgemäß sollen nun diese verschiedenen Schwierigkeiten durch die nachstehend an Hand von Beispielen näher erläuterten Schaltmaßnahmen beseitigt werden.

Um die Einführung von besonderen Gleichspannungsquellen für die Steuerung zu vermeiden, soll erfindungsgemäß dem geschalteten Regel widerstand je ein im Vergleich zu diesem kleiner Zusatzwiderstand vor- und nachgeschaltet werden, an dem die Spannungen für die Sperrung und für die Lieferung des Steuerstromes abgenommen werden können. Abb. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Ein Drehstromgenerator 1 wird erregt durch den selbsterregten Gleichstromgenerator 2, dessen Polarität der eingezeichneten entsprechen muß. Im Erregerkreis von 2 liegt der Regelwiderstand (R) 3, der vom Transistor 4 als Schalter wirkend periodisch kurzgeschlossen wird. Der Transistor wird durch den Kontakt 5., der aber auch durch einen Transistor dargestellt werden kann,

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gesteuert, während der Kontakt selbst durch eine einen hochohmigen Widerstand 10 k überbrückt. 10 k nicht gezeichnete Regeleinrichtung, z. B. eine Span- ist zusammen mit 7 k so bemessen, daß zwischen nungsspule, so gesteuert wird, daß sich ein Schaltver- Emitter und Basis gerade die gewünschte Sperrhältnis einstellt, daß zur richtigen Spannung des spannung liegt. Bei geschlossenem Kontakt wird Drehstromgenerators führt. 5 durch diese hochohmige Überbrückung der Steuer-Wenn zunächst angenommen wird, daß der Kon- strom praktisch nicht beinflußt.

takt 5 geöffnet ist, so soll der Transistor sperren, als Werden bei größeren Strömen und Spannungen

Schalter also ausgeschaltet sein. Es müßte also· zwi- mehrere Transistoren parallel und in Reihe geschaltet,

sehen Emitter und Basis eine kleine positive Span- so können die Schaltungen nach Abb. 2 bis 5 sinn-

nung liegen. Diese Spannung wird nach Abb. 1 am io gemäß kombiniert werden.

Zusatz widerstand 6 abgegriffen. Der Basis vorge- Bei der Schaltung nach Abb. 1 ist wichtig, daß die schaltet ist ein hochohmiger Widerstand 7, der die dort eingezeichnete Polarität eingehalten wird. Nun Sperrspannung nicht beeinflußt, aber nur für den Fall kommt es aber bei solchen Schaltungen vor, daß sich des eingeschalteten Transistors von Bedeutung ist, z. B. bei einem Kurzschluß des Drehstromgenerators wie sich zeigen wird. Bei dauernd ausgeschaltetem 15 die Erregermaschine umpolt. Die Polarität am Tran-Transistor, also voll vorgeschaltetem Widerstand 3 sistor hat sich damit umgekehrt, was unter Umstänsinkt in bekannter Weise die Spannung des Gleich- den zu einer Zerstörung des Gerätes führt. Diese Umstromerregergenerators und damit auch des Dreh- polung muß daher bei solchen Schaltungen mit Transtromgenerators auf einen Kleinstwert herab. sistoren unter allen Umständen vermieden werden. Wird nun der Kontakt geschlossen, so fließt ent- ao Bei der Schaltung mit selbsterregter Erregermaschine sprechend dem Spannungsfall am Zusatzwiderstand 8 nach Abb. 1 läßt sich dies ohne Schwierigkeiten verein Steuerstrom vom Emitter des Transistors zur meiden durch Parallelschalten eines Stromventils 11 Basis. Durch entsprechende Wahl der Widerstands- zur Erregerwicklung entsprechend Abb. 6. Bei richwerte von Widerstand 9 in diesem Kreis und von Zu- tiger Polarität sperrt das Ventil, bei falscher wird die satzwiderstand 8 kann der für das sichere Einschalten 25 Erregerwicklung kurzgeschlossen und damit Selbstdes Transistors erforderliche Steuerstrom eingestellt erregung unterbunden. Bei Fremderregung ist normawerden. Ist der Transistor eingeschaltet, so ist damit lerweise eine Umpolung nicht zu erwarten. Um aber der Widerstand 3 praktisch kurzgeschlossen, und die auch bei etwaigen Schaltungsfehlern eine Zerstörung Spannung der Erregermaschine und des Generators des Transistors zu vermeiden, kann nach Abb. 7 in streben ihrem Größtwert zu. Da der Steuerstrom ab- 30 Reihe mit dem Schaltwiderstand 3 nach Abb. 1, das hängig vom Erregerstrom sein soll, der Spannungs- Ventil 15 geschaltet werden, das den Strom in entfall in Widerstand 8 aber diesem proportional ist, gegengesetzter Richtung sperrt. Bei einer Schaltung wird der Steuerstrom automatisch richtig gesteuert. mit Selbsterregung des gesteuerten Generators ent-Die Bedeutung- des Widerstandes 7 ist nun auch ohne sprechend Abb. 1 und etwa konstanter Drehzahl liegt weiteres zu übersehen. Er hat nur die Aufgabe, den 35 der maximal auftretende Strom bei kurzgescfalossesonst vorhandenen Kurzschluß zwischen Basis und nem Widerstand 3 fest. Durch Einschalten eines zu-Widerstand 6 zu unterbrechen. sätzlichen Widerstandes kann er unter anderem herab-Müssen bei größeren Erregerströmen mehrere gedrückt werden, falls dies mit Rücksicht auf die Transistoren parallel geschaltet werden, so kann höchste für den Drehstromgenerator erforderliche Ergrundsätzlich mit der gleichen Steuerschaltung ent- 40 regerspannung möglich ist. Da auch die niedrigste sprechend Abb. 1 gearbeitet werden. Es muß nur da- Erregerspannung festliegt, liegt auch der Widerfür gesorgt werden, daß jedem Transistor der richtige stand 3 fest, wobei unter anderem der erwähnte ZuSteuerstrom zugeführt wird. In Abb. 2 ist gezeigt, satzwiderstand noch zu berücksichtigen ist. Die Tranwie dies bei beliebig vielen Transistoren möglich ist. sistoren werden nun so bemessen, daß sie im einge-Die Widerstände 7 α und 7 b ... 7η sind wieder hoch- 45 schalteten Zustand den höchsten Strom führen könohmig, die Widerstände9 a, 9b .. .9n können unab- nen, und daß der-Spannungsfall bei diesem Strom an hängig voneinander so eingestellt werden, daß jeder Widerstands nicht größer wird als die Sperrspan-Transistor den richtigen Steuerstrom erhält. Werden nung_der unter anderem in Reihe geschalteten Tran-Transistoren verschiedener Größe parallel geschaltet, sistoren. Eine Überlastung ist in diesem Fall nicht so kann durch Einschalten von kleinen Abgleich- 50 möglich.

widerständen 14a, 14& ... entsprechend Abb. 3 in die Anders liegen die Verhältnisse z. B. bei der Span-Kollektorleitung die richtige Stromverteilung er- nungsregelung eines selbsterregten Generators mit in zwungen werden. weiten Grenzen veränderlicher Drehzahl. Bleibt bei Wenn bei größeren Erregerspannuugen mehrere einer solche Anordnung aus irgendwelchen Gründen Transistoren in Reihe geschaltet werden, so kann 55 bei hoher Drehzahl der Kontakt 5 geschlossen, so ebenfalls grundsätzlich nach der Schaltung Abb. 1 kann ein Strom auftreten, der ein Vielfaches des norgearbeitet werden. Abb. 4 zeigt wie in diesem Fall bei mal erforderlichen wird. Es wäre nun unwirtschaftin Reihe geschalteten Transistoren die Schaltung ab- Hch, auch in solchen Fällen die Transistoren für diezuwandeln ist. Durch die Unterteilung des Wider- sen Störungsfall zu bemessen. Eine Überlastung der Standes 3 in die Teilwiderstände3a, 3b ... Sn wird 60 Transistoren kann in diesem Fall dadurch vermieden erreicht, daß sich die Schaltspannung auf die einzel- werden, daß entsprechend Abb. 8 noch ein schnell nen Transistoren richtig verteilt. Durch Einstellen wirkendes Stromrelais 12 in den Stromkreis der der Widerstände9<z bis 9n kann getrennt für jeden Transistoren geschaltet wird. Sobald der zulässige Transistor der richtige Steuerstrom eingestellt wer- Strom überschritten wird, spricht das Relais an und den. Bei der Schaltung nach. Abb. 4 liegt an der Basis 65 unterbricht mit einem Kontakt 13, der als Öffner ausdes ?z-ten Transistors eine wesentlich höhere Sperr- geführt ist und in Reihe mit dem Kontakt 5 liegt, den spannung als am α-ten. Im allgemeinen ist eine zu Steuerstrom, so daß die Transistoren gesperrt sind, hohe Sperrspannung unerwünscht. Die Schaltung Durch ein großes Ansprechhalteverhältnis kann erkann dann entsprechend Abb. 5 abgewandelt werden. reicht werden, daß das Relais auch bei Rückgang des Kollektor und Basis von Transistor k werden durch 7° Stromes angezogen bleibt und erst bei sehr niedrigem

Claims (12)

Strom abfällt. Der Abfallstrom wird so gewählt, daß die Maschine überhaupt erst stillgesetzt werden muß, bevor die Regelung wieder in Gang kommt. Man ist gezwungen, der Ursache der Störung nachzugehen und sie zu beseitigen. Da bei den vorliegenden Schaltungen die Geschwindigkeit des Stromanstieges immer durch die magnetische Trägheit der Maschinen begrenzt ist, können auch schnell wirkende Abschmelzsicherungen als Überstromschutz verwendet werden. Für den Fall, daß sich die Erregermaschine beim Anfahren über die Widerstandskombination (Widerstands-Transistor-Kombination) nur unsicher oder auch überhaupt nicht erregt, ist es zweckmäßig, über den Ruhekontakt 18 (Abb. 10) eines an die Generator- oder Erregerspannung angeschlossenen Spannungsrelais 17 den Vorwiderstand vor der Feldwicklung ganz oder teilweise zu überbrücken. Sowie sich die Maschine erregt, wird dieser Kontakt geöffnet, und der Regler kann seine Funktion übernehmen. Patentansprüche:

1. Tirrillregler mit Transistor als Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor mit seinen Hauptelektroden parallel zu dem periodisch zu schaltenden Regelwiderstand (3) liegt, während die Steuerelektrode einmal über einen Schutzwiderstand (7) an einem dem Regelwiderstand (3) vorgeschalteten Zusatzwiderstand (6) angeschlossen ist und außerdem über einen Begrenzungswiderstand (9) und einen spannungsabhängig gesteuerten Schalter (5), der auch durch einen Transistor oder einen geeigneten Verstärker dargestellt werden kann, mit einem dem Regelwiderstand (3) nachgeschalteten Zusatzwiderstand (8) verbunden wird (Abb. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Transistoren (α... η) parallel geschaltet sind und daß auch bei Verwendung nur eines einzigen Tirrillkontaktes (5) in den Steuerleitungen einzeln einstellbare Widerstände (9 a. . . 9 ri) zur Anwendung gelangen (Abb. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallel geschalteten Transistoren (α . . . η) diesen Abgleichwiderstände (14 a ... 14 m) vorgeschaltet sind (Abb. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Transistoren (a, b...n) hiintereinandergesdhaltet sind und dabei jeweils ihrer zulässigem Sperrspannung entsprechende Abschnitte des Regelwidensitaindes (3 a, Zb... Zn) überbrücken, wobei ihre Steuerelektroden einesteils über getrennte Schuitzwiderstäiide (7a... 7») mit einem dem Regelwidenstand vorgeschalteten Zus-atzwiderstand (6) verbunden sind und außerdem über einzeln einstellbare (abgleichbare) Begrenzungs widerstände (9 a... 9») und beispielsweise einen gemeinsamen (gegebenenfalls auch mehrere getrennte) Tirallkonrfcakte (5) an einen dem Regel wilderstand vorgeschalteten Zusatzwiderstand (8) angeschlossen· sind (Abb. 4).

5. Anordnung mach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung-der Steuerelektrode über einen Spannungsteiler (7 k, 10 έ) zugeführt wird und daß das Spannungsteiierverhältnis dem Verhältnis von maximaler Spannung zur zulässigen Sperrspannung entspricht (Abb. 5).

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Transistoren, die parallel und in Reihe geschaltet sind, die Maßnahmen nach Anspruch 2 bis 5 kombiniert sind.

7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Erregerwicklung der Erregermaschine, ein nichtig gepoltes elektrisches Ventil (11) angeordnet ist (Abb. 6).

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Widerstands-TransiistOT-Kombination ein richtig gepaltes elektrisches Ventil (15) angeordnet ist (Abb. 7).

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Widerstands-Tranisistor-Kombinaition ein auf die Grenzstronistärke der Transistoren einstellbarer Zusatzwiderstand (16) vorgesehen ist (Abb. 9).

10. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Grenzstromstärke der Transistoren eingestelltes, schnell wirkendes Stromrelais* mit großem AnsprechverhältniE mit seiner Wicklung (12) in den Stromkreis der Transistoren geschaltet ist, während ein (bzw. mehrere) Ruhekontakt (13) in der (bzw. den) S teuer leitung angeordnet wird (Abb. 8).

11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Transistor eine schnell wirkende Absdhrnelzsicherung vorgeschaltet wird.

12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Generator- oder Erregearspannung angeschlossenes Spannungsrelais (17) mit einem Ruhekonitakt (18) die Widerstand's-Transistor-KombinatiDn (einschließlich Zusatzwiderstand) überbrückt (Abb. 10).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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