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Einrichtung zur Umformung von Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom in
Drehstrom einstellbarer Frequenz In der Starkstromtechnik werden für viele Anwendungsfälle
elektromotorische Antriebe mit in weiten Grenzen veränderbarer Drehzahl benötigt.
Hierzu verwendet man, wenn man von der Einschaltung von Getrieben absieht, in der
Hauptsache Kollektormaschinen und Asynchronmaschinen mit veränderbaren Schlupfwiderständen.
Wegen seines günstigen Wirkungsgrades wird allgemein der Gleichstrommotor vorgezogen.
Die wirtschaftlichste Lösung für einen elektromotorischen Regelantrieb wäre bekanntlich
ein Kurzschlußläufermotor, dessen Drehzahlsteuerung durch Frequenzänderung vorgenommen
wird. Hierzu sind aber aufwendige Umformungseinrichtungen erforderlich, so daß diese
Art der Steuerung bisher nur in Sonderfällen in Betracht kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Umformung
von Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom in Drehstrom beliebig einstellbarer Frequenz
zu schaffen, welche mit relativ einfachen Mitteln herzustellen ist, so daß der für
die Drehzahlsteuerung von Kurzschlußläufermotoren erforderliche Aufwand ohne weiteres
tragbar wird. Die neue Einrichtung ist aber auch für alle anderen Anwendungszwecke
mit Vorteil benutzbar, wo es sich darum handelt, aechnische Frequenzen beliebig
einstellbarer Höhe - auch Mittelfrequenz- mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Sie
kann die bisher hierzu benutzten Umformermaschinen mit Vorteil ersetzen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, Gleichstrom oder Wechselstrom
in Wechselstrom anderer Frequenz dadurch umzuformen, daß diese Ströme mittels schnell
schaltender ruhender Schaltelemente, z. B. Transistoren oder magnetisch steuerbarer
Halbleiterwiderstände, in einem bestimmten Rhythmus zerhackt und die einzelnen durch
die Zerhackung entstehenden Spannungsabschnitte entsprechend dem gewünschten Verlauf
der Ausgangsspannung zu neuen Spannungen zusammengesetzt werden. Dabei wird in bekannter
Weise jeweils von Gleichstrom ausgegangen und, wenn die umzuformende Leistung als
Wechsel- oder Drehstrom zur Verfügung steht, dieser zunächst in Gleichstrom umgeformt
und dann durch in einer Ein-oder Mehrphasenbrückenschaltung angeordnete Schaltelemente
zerhackt. Es ist in der Stromrichtertechnik auch bekannt, die einzelnen Entladungsgefäße
zum Wechselrichten ebenso in einer ein- oder mehrphasigen Brückenschaltung anzuordnen
wie bei der Gleichrichturig.
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Es ist auch schon eine Vorrichtung zum Antrieb eines Dreiphasensynchronmotors
mit einphasigen Syn- ; chronisiersignalen vorgeschlagen worden, die in zyklischer
Reihenfolge drei Elektronenröhren durchsteuern, von denen jede in dem Augenblick,
in dem sie leitend wird, die vorhergehende sperrt, so daß am Ausgang dieser drei
Röhren aufeinanderfolgende Stromimpulse gleicher Richtung mit einer Länge von je
120° el. entstehen. Nach getrennter Verstärkung werden diese Impulse dann mittels
Resonanzkreisen und sekundärseitig zu einem Drehstromsystem zusammengefaßten Transformatoren
in Drehstrom umgewandelt. Bei einer Änderung der Ausgangsfrequenz müssen also mit
der Steuerfrequenz jeweils auch die Abstimmkreise entsprechend verändert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung für einen Frequenzumformer, dessen
Ausgangsfrequenz sich lediglich durch Änderung einer Steuerfrequenz innerhalb beliebiger
Grenzen ändern läßt und der deshalb zur Drehzahlsteuerung von Kuzschlußläufermotoren
besonders geeignet ist, wird durch die Erfindug gegeben. Diese geht ebenfalls von
Gleichstrom aus, setzt also, falls nur Wechsel- oder Drehstrom zur Verfügung stehen
sollte, eine vorherige Gleichrichtung voraus und benutzt zur Umformung dieses Gleichstromes
in Drehstrom einstellbarer Frequenz in Drehstrombrückenschaltung angeordnete schnell
schaltende ruhende elektronische Schaltelemente (z. B. Transistoren
),
einen Impulsgenerator mit veränderbarer Frequenz und einen Verteiler, der die Impulse
des Impulsgenerators unter Umformung in Rechteckimpulse den Schaltelementen zuleitet
und dadurch deren Öff-
nung und Schließung bewirkt.
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Die Erfindung besteht darin, daß jedem Schaltelementenpaar der drei
Brückenzweige als Steuerorgan je ein bistabiler Kippkreis zugeordnet ist und daß
diese Kippkreise sich untereinander abwechselnd dem Umsteuereinfluß der vom Impulsgenerator
gelieferten Impulse aussetzen, derart, daß die beiden Schaltelemente jedes Brückenzweiges
im entgegengesetzten Sinne während je einer Halbperiode der Ausgangsfrequenz geöffnet
und geschlossen werden, wobei die Umschaltzeitpunkte in den drei Brückenzweigen
jeweils um 120° el. gegeneinander versetzt sind.
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Der einzelne Kippkreis kann dabei in Abhängigkeit vom Schaltzustand
des Ausgangskreises des diesem zeitlich vorgeordneten Kippkreises durch eine letzterem
entnommene Gegenspannung blockiert oder freigegeben werden. Die Schaltelemente können
sowohl magnetisch steuerbare Halbleiterwiderstände als auch Transistoren sein.
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Als magnetisch steuerbare Halbleiterwiderstände eignen sich vor allem
solche, welche innerhalb kürzester Zeit durch Änderung des sie steuernden magnetischen
Feldes von einem maximalen Widerstand auf einen minimalen Widerstand und umgekehrt,
d. h. auf- und zugeregelt werden können und bei denen das Verhältnis zwischen maximalem
zu minimalem Widerstand sehr groß ist.
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Hierzu gehören vor allem magnetisch steuerbare Halbleiter mit sehr
hoher Trägerbeweglichkeit, insbesondere solche mit einer Trägerbeweglichkeit von
mindestens 600 cm2/Vs, und Halbleiter mit magnetischer Sperrschicht. Als magnetisch
steuerbare Halbleiter hoher Trägerbeweglichkeit können mit Vorteil Halbleiter Verwendung
finden, welche aus einer Verbindung von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium,
Indium aus der Gruppe III, Untergruppe b, des Periodischen Systems -mit einem der
Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon aus der Gruppe V, Untergruppe b, des
Periodischen Systems der Elemente bestehen. Halbleiter dieser Art sind in der deutschen
Patentschrift 970 420 und in der britischen Patentschrift 759 447 beschrieben; sie
haben die Eigenschaft, ihren Widerstand durch Anlegen einer magnetischen Feldstärke
erheblich zu erhöhen. Die Halbleiter mit magnetischer Sperrschicht, als welche vor
allem eigenleitendes Germanium mit besonderer Aberflächenbehandlung in Betracht
kommt, heben ebenfalls an sich einen niedrigen Widerstand. Durch Anlegen einse Magnetfeldes
bestimmter Richtung und ausreichender Stärke kann dieser Widerstand in einer Stromdurchlaßrichtung
auf einen sehr hohen Wert gesteigert werden. Sie haben außerdem die Eigenschaft,
daß dieser hohe Widerstand durch ein zusätzlich angelegtes elektrisches Feld oder
durch einen Strahlungseinfluß bestimmter Richtung wieder ganz oder teilweise aufgehoben
werden kann. In den deutschen Patentschriften 949 246 und 955 080 sind derartige
Halbleiterwiderstände mit magnetischer Sperrschicht beschrieben. Es ist dort auch
bereits vorgeschlagen worden, sie zum Schalten von elektrischen Stromkreisen zu
benutzen.
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Aber auch andere steuerbare Halbleiterwiderstände, beispielsweise
Transistoren, wegen ihrer höheren Leistung vor allem in der Ausführung als Flächentransistoren
der Gattung PNP und NPN und sonstige sehr schnell schaltende, ruhende Schaltelemente
mit ähnlichen Eigenschaften, sind für die Zwecke der Erfindung geeignet, sofern
sie in der Lage sind, kontaktlos und ohne merkliche Verluste eine ausreichend rasche
Auf- und Zuregelung vorzunehmen. Hierbei ist vor allem auch an Hochvakuumröhren
gedacht, bei denen allerdings in Kauf genommen werden muß, daß sie im stromführenden
Zustand einen Restwiderstand besitzen, der mehrere Volt Spannungsabfall bedingt.
Für viele Umformungsaufgaben können diese Verluste aber in Kauf genommen werden.
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Gegenüber diesen schnell schaltenden, ruhenden Schaltelementen haben
zwar mechanische Unterbrecher den Vorteil, daß sie den Stromkreis vollständig unterbrechen
und bei geschlossenem Kontakt nur einen verschwindend kleinen Restwiderstand haben.
Mechanische Kontakte sind aber aus bekannten Gründen einer Abnutzung unterworfen,
so daß ihre Lebensdauer beschränkt ist. Außerdem eignen sie sich schlecht für höhere
Unterbrecherfrequenzen, und sie sind schon deshalb zur Lösung der vorliegenden Aufgabe
nicht geeignet, weil es ohne komplizierte Hilfsmittel äußerst schwierig ist, stärkere
Gleichströme mit Kontakten zu unterbrechen. Demgegenüber ist es einer der wesentlichen
Vorteile der genannten ruhenden Schaltelemente, daß sie zur Unterbrechung von Gleichströmen
ohne wesentliche Übergangsverluste in der Lage sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an
Hand einiger in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele und
Diagramme.
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Es sei der einfache Fall betrachtet, daß ein Drehstrom technischer
Frequenz (50 Hz) in eine höhere Frequenz (z. B. 200 Hz) umzuformen sei.
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Gemäß Fig. 1 wird zu diesem Zweck der dem Netz 1 entnommene Drehstrom
durch eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung 2 bekannter Art in Gleichstrom
umgeformt. Die Art der verwendeten Gleichrichter richtet sich nach den jeweiligen
Gegebenheiten und ist ohne Belang. Zur Umformung des in den Leitungen 3 fließenden
Gleichstromes sind sechs Flächentransistoren 5 bis 10 angeordnet. Diese liegen wiederum
in einer Dreiphasenbrückenschaltung 4, die - da die Energierichtung umgekehrt ist
wie bei der Gleichrichterbrückenschaltung 2 - spiegelbildlich zu dieser aufgebaut
ist. An die Ausgangsleitungen 11 ist ein dreiphasiger Verbraucher 12 angeschlossen.
Dieser kann beispielsweise ein Synchron- oder Asynchronmotor sein, in welchem Falle
die drei als Widerstände 12 gezeichneten, an den verketteten Spannungen liegenden
Verbraucherteile die Wicklungen des Motors sind. Zu jeder Wicklung kann zur Blindstromkompensation
noch ein Kondensator 13 a bis 13 c parallel geschaltet sein.
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Steht für die Umformung Gleichstrom zur Verfügung, so ist natürlich
die Gleichrichterbrücke 2 überflüssig, und die Transistorbrücke 4 kann unmittelbar
an die Gleichstromquelle angeschlossen werden. Bei einphasigem Ein- oder Ausgangswechselstrom
vereinfachen sich die Brücken 2 bzw. 4 entsprechend.
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Für den dem Verbraucher 12 zuzuführenden Drehstrom wird es im allgemeinen
erwünscht sein, eine sinusförmige Spannung zu erhalten, da z. B. beim Betrieb von
Motoren die von der Sinusform abweichenden, Oberwellen enthaltenden Kurvenformen
wegen der Abweichung der Umlaufgeschwindigkeit ihrer Drehfelder von der Umlaufgeschwindigkeit
des von der Grundfrequenz herrührenden Drehfeldes Verluste bedingen. Durch Ein-
und Ausschalten von Gleichstrom,
welches einem Auf- und Zuregeln
der Transistoren 5 bis 10 entspricht, lassen sich aber nur rechteckige Halbwellen
erzeugen. Rein physikalisch betrachtet wäre es energiemäßig im Vergleich zu der
idealen sinusförmigen Halbwelle 14. gemäß Fig.2 gleichgültig, wie die Form der rechteckigen
Impulse beschaffen ist, sofern die Effektivwerte die gleichen sind. Die vorteilhafteste
Möglichkeit, die Grundfrequenz 14 durch eine Rechteckkurve zu ersetzen, ist die
eines Rechtecks 15 von der zeitlichen Länge der gewünschten Halbperiode, so daß
also nach jeder Halbperiode ein Einschalten in der einen und ein Ausschalten in
der anderen Stromrichtung stattfinden muß, um einen Wechselstrom zu erhalten. Rechteckwellen
mit zwischenliegenden Pausen, wie sie beispielsweise durch die Rechtecke 16 angedeutet
sind, sind um so oberwellenhaltiger, je schmäler sie sind, und deshalb um so weniger
vorteilhaft. Deshalb wird im folgenden die Erzeugung von Rechteckspannungen von
der Dauer einer Halbperiode behandelt. Die relativ geringen Oberwellen dieser Rechteckspannung
in der Form der Rechteckkurve 15 können durch die Kondensatoren 13a bis 13c vermindert
werden, gegebenenfalls können noch weitere an sich bekannte Glättungsmittel Anwendung
finden.
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Um in Fig. 1 aus dem Gleichstrom in den Leitungen 3 durch die Transistorbrücke
4 Drehstrom zu erzeugen, muß die Auf- und Zuregelung der Transistoren 5 bis 10 gemäß
Fig. 3 in der gleichen Weise erfolgen, wie bei der Umformung von Drehstrom in Gleichstrom
die einzelnen Gleichrichter der Brückenschaltung 2 stromführend werden; mit anderen
Worten, es wird in jeder Transistorgruppe 5, 8 und 6, 9 sowie 7, 10 nach jeweils
180° el. (bezogen auf eine Periode der zu erzeugenden Grundfrequenz) abwechselnd
der eine Transistor geöffnet und der andere geschlossen, wobei die Umsteuerungen
in den drei Transistorgruppen gegeneinander um 120° el. versetzt sind.
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Aus Fig. 3 ergibt sich die Forderung an die Steuerung für die Transistoren
5 bis 10 in Fig. 1, daß nämlich in jeder Transistorgruppe 5, 8 und 6, 9 sowie 7,
10 im Abstand von 180° el. jeweils eine Umschaltung erforderlich ist und daß außerdem
die Umschaltungen in den drei Gruppen um 120° ei. gegeneinander versetzt sind, so
daß insgesamt nach je 60° el. ein Anstoß zu einer Umschaltung erforderlich ist.
Gemäß der Erfindung werden daher im Abstand von 60° el. Anreize zur Auf- bzw. Zuregelung
der Transistoren erzeugt und diese Anreize durch einen besonderen Verteiler in ;
der in Fig. 3 vorgezeichneten Folge auf die einzelnen Transistoren 5 bis 10 verteilt.
Ein Beispiel für einen solchen Verteiler wird an Hand der Fig. 8 später beschrieben.
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Es ist noch nachzuholen, daß es bei der Schaltung ; nach Fig. 1 vorteilhaft
ist, an die Plus-Gleichstromschiene drei PNP-Transistoren und an die Minus-Gleichstromschiene
drei NPN-Transistoren anzulegen, da in diesem Falle die Potentialverhältnisse für
den zugehörigen Steuersatz besonders günstig werden, wie sich aus nachfolgendem
ergibt.
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Zunächst sei an Hand der Fig. 4 gezeigt, wie mittels Impulse die Transistoren
der Fig. 1 wechselweise auf- und zugeregelt werden können. Soweit hier gleiche Bezugszeichen
wie in Fig. 1 verwendet sind, t bezeichnen sie gleiche Teile wie dort. Zur Umsteuerung
der beiden Transistoren 5 und 8, deren Basis an die beiden Gleichstromschienen 3
und deren Kollektoren an die eine Verbraucherleitung 11 angeschlossen sind, ist
folgende Anordnung vorgesehen: ; Zwischen die beiden Gleichstromschienen 3 sind
in Reihenschaltung eine Gleichspannungsquelle 17, ein Widerstand 21, eine Gleichspannungsquelle
22 mit entgegengesetzter Polarität und ein Widerstand 25 eingeschaltet. Die Gleichspannungsquellen
17 und 22 können selbständig, z. B. Batterien, sein. Es ist aber auch möglich, sie
durch Widerstände zu ersetzen, welche an entsprechenden Gleichspannungen liegen.
Die Gleichspannungen können gegebenenfalls auch durch Gleichrichtung einer Wechselspannung
erzeugt sein. Die Emitter der beiden Transistoren 5 und 8 liegen einerseits über
Widerstände 19 bzw. 24 an der zugehörigen Gleichstromschiene und andererseits über
einen Widerstand 18 an der Verbindungsleitung zwischen .dem Widerstand 21 und der
Gleichspannungsquelle 22 bzw. Widerstand 23 an der Verbindungsleitung zwischen der
Gleichspannungsquelle 22 und dem Widerstand 25. Der Widerstand 25 ist zweckmäßig
als Einstellpotentiometer ausgeführt; an ihn wird zu Beginn jeder Halbperiode der
zu erzeugenden Grundfrequenz, d. h. jeweils nach 180° el., über einen Verteiler
26 ein von einem Impulsgenerator 27 erzeugter Impuls gegeben.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise sei angenommen, daß das Potential
zwischen den Schienen +3 und -3 im Ruhezustand nach Fig. 5 a verteilt sei. Die Spannung
zwischen den beiden Gleichstromschienen 3 bzw. den Punkten a und b betrage 50 V.
Die Gleichspannungsquelle 17 habe +2 V, so daß sich die Spannung im Punkt b auf
+52 V erhöht. Die Spannung der entgegengeschalteten Gleichspannungsquelle 22 betrage
52 V, so daß am Punkt c das Potential 0 herrscht ebenso wie am Punkt d. Am Emitter
des Transistors 8 herrscht also gegenüber der Basis die Spannug 0, so daß dieser
Transistor gesperrt bzw. zugeregelt ist. Zwischen Emitter und Basis des Transistors
5 dagegen herrscht die Spannung +2 V. Dieser Transistor ist also geöffnet (vgl.
Zeitpunkt t6 in Fig. 3).
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Zum Zeitpunkt t3 (Fig. 3) werde an den Widerstand 25 ein negativer
Impuls von der Größe 2 V gegeben. Dann herrscht gemäß Fig. 5 b am Punkt c das Potential
-2 V und am Punkt b das Potential 50 V, weil in diesem Falle über den Widerstand
21 ein so starker Strom fließt, daß an ihm praktisch die gesamte Spannung der Batterie
17 abfällt Nun ist der Transistor 5 gesperrt und der Transistor 8 geöffnet. Dieses
Spiel wiederholt sich periodisch im Takt der vom Impulsgenerator 27 über den Verteiler
26 eintreffenden Impulse.
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Die Steuereinrichtung für die Transistorgruppe 6, 9 ist ähnlich aufgebaut;
sie unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß im Ruhezustand der rechte
Transistor 9 stromführend und der linke Transistor 6 gesperrt ist. Demgemäß ist
der Widerstand 125, welchem vom Verteiler 26 der Schaltimpuls zugeleitet wird, dem
Transistor 6 zugeordnet, während die Gegenspannungsquelle 117 mit dem dazu in Reihe
liegenden Widerstand 121 dem rechten Transistor 9 zugeordnet ist.
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Die sich dadurch ergebende Spannungsverteilung ist in Fig. 5 c veranschaulicht.
Zwischen den Punkten a und d liege wiederum eine Spannung von 50 V. Die Gleichspannungsquelle
117 habe 2 V, und die Gleichspannungsquelle 122 habe 52 V. Daher herrscht am Punkt
f gegenüber dem Punkt b die Spannung -2 V, so daß der Transistor 9
geöffnet ist. Am Punkt eliegt gegenüber dem Punkt f die Spannung -I-52 V, so daß
der Punkt e das Potential 50 V -hat, also das gleiche Potential wie der Punkt a.
Demgemäß- ist der Transistor 6 gesperrt bzw. zugeregelt: Trifft jedoch
am
Widerstand 125 ein Impuls von +2 V ein, so wird der Transistor 6 geöffnet, und es
herrscht am Punkt e das Potential 52 V. Durch die Gegenschaltung der Gleichspannungsquelle
122 mit der Spannung 52 V herrscht am Punkt f dann das Potential 0 ebenso wie am
Punkt d. Daher ist nunmehr der Transistor 9 gesperrt bzw. zugeregelt.
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Die Steuereinrichtung für die Transistorgruppe 7, 10 ist wieder die
gleiche wie die Steuereinrichtung für die Transistorgruppe 5, B. Die entsprechenden
Schaltelemente sind durch die gleichen Bezugszeichen mit dem Vorsatz 2 gekennzeichnet.
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Entsprechend dem zu Fig.3 Gesagten treffen die Umsteuerimpulse an
den Widerständen 25, 125 und 225 der drei Transistorgruppen jeweils um 120° el.
gegeneinander verschoben ein, so daß die Transistoren entsprechend dem Schaubild
der Fig. 3 stromführend sind und dem Verbraucher Drehstrom zufließt, dessen Frequenz
durch die Frequenz des Impulsgenerators 27 bestimmt ist.
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Als Impulsgenerator 27 kann ein einfacher RC-Generator, beispielsweise
nach Fig. 6, verwendet werden, welcher in bekannter Weise aus einem über einen Stellwiderstand
28 an einer Gleichstromquelle liegenden Kondensator 29 besteht, zu dem eine Entladungsstrecke
30, z. B. Glimmlampe, parallel liegt. Der Kondensator 29 lädt sich entsprechend
der Einstellung des Widerstandes 28 mit mehr oder weniger großer Geschwindigkeit
auf, bis die Zündspannung der Entladungsstrecke 30 erreicht ist, und entlädt sich
dann wieder über diese. An einem Wandler oder Widerstand 131 im Entladekreis können
dann periodische Impulse abgenommen werden.
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Diese Impulse sind allerdings zu kurz, um die Öffnung bzw. Schließung
eines Transistors über 180° el. aufrechtzuerhalten, denn um eine Öffnung bzw. Sperrung
der einzelnen Transistoren im Sinne der Fig. 3 zu bewirken, müssen an diese Öffnungs-
bzw. Schließungsimpulse entsprechend der Fig.7 gegeben werden, welche über 180°
el. andauern und für die einzelnen Transistorgruppen gegeneinander um 120° el. versetzt
sind. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt im Verteiler 26, der beispielsweise nach
Fig. 8 aufgebaut sein kann.
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In Fig. 8 sind mit 31 bis 36 sechs einzelne, primärseitig in Reihe
liegende Transformatoren bezeichnet, an die die einzelnen Impulse des Impulsgenerators
27 (Fig.4) gegeben werden und die beispielsweise in Fig. 6 zwischen die Klemmen"-
, h an Stelle des Transformators 131 in den Entladekreis des Kondensators 29 eingeschaltet
sein können. Jeder dieser Transformatoren hat zwei Sekundärwicklungen 37 bis 48.
Die Wicklungen 38, 39 und 42, 43 sowie 46, 47 führen zu drei sogenannten Haltekippern
49, 50, 51, welche bei einem Anreiz durch einen Impuls vom gesperrten Zustand in
den geöffneten Zustand oder umgekehrt kippen und in diesem Zustand verharren, bis
ein entgegengesetzter Kippanreiz gegeben wird. Kippschaltungen, welche diese Aufgabe
erfüllen, sind bereits bekannt und werden weiter unten noch näher beschrieben. 52,
53 und 54 sind Gleichspannungsquellen, welche in Reihe mit Ausgangswiderständen
55, 56, 57 liegen und von den Haltekippern 49 bis 51 ein- und ausgeschaltet werden.
Diese Ausgangswiderstände können bei der Schaltung nach Fig. 4 die Widerstände 25,
125, 225 für die drei Transistorgruppen sein. Die Sekundärwicklungen 40, 41 und
45 sind je über einen Gleichrichter 58, 59, 60 und einen Widerstand 61, 62, 63 kurzgeschlossen,
so daß - solange dieser Kurzschluß besteht - die Sekundärwicklungen 39, 42 und 46
keinen Impuls an die zugehörigen Haltekipper 49, 50, 51 weitergeben können. Durch
Anlegen einer entsprechenden Gegenspannung an die Widerstände 61, 62 und 63 kann
dieser Kurzschluß der Sekundärwicklungen 40, 41 und 45 aufgehoben werden. Der Stromkreis
der Sekundärwicklungen 37, 44 und 48 ist über Gleichrichter 64, 65, 66, Widerstände
67, 68 und 69 und Gegenspannungsquellen 70, 71 und 72 geschlossen. Die Spannung
dieser Gegenspannungsquellen entspricht den in den Wicklungen 37, 44, 48 induzierten
Spannungen, so daß sich diese Wicklungen normalerweise wie offene Wicklungen verhalten.
Wird jedoch an die Widerstände 67, 68, 69 eine gleich große Gegenspannung gelegt,
so entsteht für die Sekundärwicklungen 37, 44, 48 ein Kurzschluß. In diesem Falle
kann dann in den zugeordneten Sekundärwicklungen 38, 43 und 47 keine Spannung induziert
werden. Die in den Sekundärwicklungen 38, 42 und 46 induzierten Spannungsimpulse
bewirken eine Öffnung der Haltekipper 49, 50, 51 und die in den Wicklungen 39, 43
und 47 induzierten Spannungsimpulse ein Zurückkippen in den Sperrzustand.
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Die Wirkungsweise der Verteilereinrichtung ist folgende: Alle drei
Haltekipper 49, 50, 51 befinden sich zunächst im Sperrzustand, d. h., die Stromkreise
für die Gleichspannungsquellen 52, 53, 54 sind geöffnet. Sobald nun über die Klemmen
g, h der erste Steuerimpuls eintrifft, wird, da am Widerstand 67 keine Spannung
liegt, über die Sekundärwicklung 38 ein Öffnungsimpuls an den Haltekipper 49 gegeben.
Die Sekundärwicklungen 40, 41 und 45 sind kurzgeschlossen. Demgemäß ist der erste
Steuerimpuls auf die Sekundärwicklungen 39, 42 und 46 wirkungslos. Da sich voraussetzungsgemäß
die Haltekipper 50 und 51 im Sperrzustand befinden, bleiben auch die in den Wicklungen
43 und 47 induzierten Sekundärimpulse ohne Wirkung. Beim Öffnen des Haltekippers
49 wird der Stromkreis der Gleichspannungsquelle 52 über den Widerstand 55 geschlossen,
so daß an diesem eine Spannung abfällt. Diese Spannung oder ein Teil derselben liegt
einerseits am Widerstand 62 und andererseits am Widerstand 68 mit solcher Höhe und
Polarität, daß der Kurzschluß der Sekundärwicklung 41 aufgehoben und der Kurzschluß
für die Wicklung 44 durch Kompensation der Gleichspannungsquelle 71 hergestellt
wird. Der an den Klemmen g, h eintreffende zweite Steuerimpuls induziert daher in
der Sekundärwicklung 42 einen Spannungsimpuls für den zweiten Haltekipper 50. Auf
die übrigen Steuerwicklungen für die Haltekipper 49 bis 51 bleibt der zweite Steuerimpuls
ohne Wirkung, denn der in der Sekundärwicklug 38 induzierte Öffnungsimpuls trifft
lediglich auf den bereits geöffneten Haltekipper 49, in den Sekundärwicklungen 39,
43 und 46 kann keine Spannung induziert werden, weil die zugeordneten Sekundärwicklungen
40, 44 und 45 kurzgeschlossen sind, und der Schließungsimpuls in der Sekundärwicklung
47 kann keine Umsteuerung des Haltekippers 51 bewirken, weil sich dieser schon im
Sperrzustand befindet. Beim Kippen des Haltekippers 50 in den Öffnungszustand fällt
am Widerstand 56 eine Spannung ab; die einerseits eine Öffnung des Kurzschlusses
für die Sekundärwicklung 45 bewirkt und andererseits die Gleichspannungsquelle 72
kompensiert und somit den Kurzschluß für die Sekundärwicklung 48 herstellt. Demgemäß
kann der dritte an den Klemmen g und lt eintreffende Steuerimpuls über die Sekundärwicklung
46 den Haltekipper 51 in den Öffnungszustand kippen. Dadurch wird nunmehr auch der
Widerstand 57 eingeschaltet.
Die an ihm abfallende Spannung liegt
ganz oder teilweise mit solcher Polarität und Höhe an den Widerständen 67 und 61,
daß einerseits die Gleichspannungsquelle 70 kompensiert wird und die Sekundärwicklung
kurzgeschlossen wird und andererseits am Widerstand 61 eine Gegenspannung auftritt,
welche den zu erwartenden Sekundärimpuls der Wicklung 40 kompensiert, so daß sich
diese wie eine offene Wicklung verhält.
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Der nunmehr eintreffende vierte Steuerimpuls bringt daher über die
Sekundärwicklung 39 den Haltekipper 49 zum Kippen in den Sperrzustand, während er
für die Haltekipper 50 und 51 ohne Wirkung bleibt. Da an den Widerständen 62 und
68 nunmehr keine Gegenspannung mehr liegt, wird durch den fünften Impuls der Haltekipper
50 über die Sekundärwicklung 43 in den Sperrzustand gekippt. Nunmehr liegt auch
an den Widerständen 63 und 69 keine Gegenspannung mehr, so daß der sechste Impuls
den Haltekipper 51 über die Sekundärwicklung 47 sperrt.
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Das beschriebene Spiel wiederholt sich laufend in der in Fig. 7 veranschaulichten
Reihenfolge, d. h., die Widerstände 55, 56 und 57 werden in einer ganz bestimmten,
durch die Impulsfolge des Impulsgenerators festgelegten Reihenfolge an Spannung
gelegt und nacheinander wieder abgeschaltet. Legt man die Spannungen an den Widerständen
55, 56 und 57 der Reihe nach mittelbar oder unmittelbar an die Widerstände 225,
125 und 25 in Fig. 4, so, wird entsprechend Fig.3 folgende Schaltfolge der' einzelnen
Transistoren 5 bis 10 ausgelöst: Im Ruhezustand, d. h. bei ausgeschaltetem Verteiler
26, sind nachdem vorher Gesagten die Transistoren 5, 7 und 9 stromführend, während
die Transistoren 6, 8, 10 sperren. Beim Einschalten des Verteilers 26 wird dann
der erste Schaltimpuls des Haltekippers 49 (Fig. 8) an den Widerstand 225 gegeben,
so daß der Transistor 10 geöffnet und der Transistor 7 gesperrt wird. Der darauffolgende
Schaltimpuls des Haltekippers 50 öffnet den Transistor 6 und sperrt den Transistor
9. Der dritte Schaltimpuls des Haltekippers 51 sperrt den Transistor 5 und öffnet
den Transistor 8. Bei Beendigung des Schaltimpulses des Haltekippers 49 sperrt dann
wieder der Transistor 10, während der Transistor 7 geöffnet wird, usw., so daß sich
die aus Fig.3 ersichtliche Schaltfolge ergibt und ein Drehstrom entsteht, dessen
Frequenz durch die Frequenz des Impulsgenerators 27 bestimmt ist. Somit kann Gleich-,
Wechsel- oder Drehstrom durch die Einstellung. der Frequenz eines einfachen Impulsgenerators,
der nur relativ geringe Leistung abzugeben braucht, in Drehstrom beliebiger Frequenz
umgeformt werden. Die Frequenzänderung kann auch stetig in einem sehr weiten Bereich
erfolgen, sä daß dementsprechend auch eine stetige Drehzahländerung des an den Frequenz-Umformer
angeschlossenen Wechselstrommotors _ ohne merkliche Verluste möglich ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind Flächentransistoren des
PNP- und NPN-Typs in basisgeerdeter Schaltung verwendet. Man kann die Transistoren
aber auch in emitter- öder kollektorgeerdeter Schaltung anwenden und erreicht dadurch
bekanntlich ein günstigeres Verhältnis zwischen Steuerstrom und Durchgangsstrom.
In Fig. 9 ist beispielsweise gezeigt, wie die beiden Transistoren 5, B in emittergeerdeter
Schaltung in die Fig. 4 eingefügt werden können.
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Man kann die Brückenschaltung gemäß Fig.1 bzw. 4 auch aus Transistoren
des gleichen Typs PNP oder NPN aufbauen und diese in emitter- öder kollektorgeerdeter
Schaltung verwenden. Es ist dann allerdings - abweichend von der Fig. 4 - eine getrennte
Steuerung der Transistoren vorteilhaft.
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In Fig. 10 ist ein Beispiel für die erste Transistorgruppe der Brücke
gemäß Fig. 1 bzw. 4 schematisch dargestellt, bei dem der mit 8' bezeichnete Transistor
ebenfalls ein PNP-Transistor ist. Der Transistor 5 ist dabei in emittergeerdeter
Schaltung und der Transistor 8' in kollektorgeerdeter Schaltung mit getrennter Steuerung
verwendet. Zur Steuerurig der beiden Transistoren 5, 8' dienen zwei an sich bekannte,
im Prinzip dargestellte Haltekipper 73 und 74, welche mit Gleichstrom gespeist werden
und beispielsweise über die Gleichrichterbrücken 75, 76 aus einem Wechselstromnetz
mit Gleichstrom versorgt werden können. Es sei angenommen, daß die Vakuumtrioden
77 und 78 gerade Strom führen. Die beiden Punkte 79, 80 liegen dann praktisch auf
dem Kathodenpotential. Die Röhren 81, 82 sind daher gesperrt. Durch den Spannungsabfall
am Widerstand 83 des Haltekippers 73 ist der Transistor 5 geöffnet. Trifft nun an
den Gittern der Röhren 81 und 82 ein Steuerimpuls ein, der auf ähnliche Weise erzeugt
sein kann, wie es an Hand der Fig. 8 beschrieben ist, so werden die Röhren 81 und
82 stromführend, das Potential an den Punkten 84 und 85 sinkt praktisch auf das
Kathodenpotential dieser Röhren, und dementsprechend werden die Röhren 77 und 78
gesperrt. Nunmehr liegt über die Widerstände 83 bzw. 86 hohes positives Potential
an den Gittern der Röhren 81 und 82. Daher bleibt der Anodenstromfluß aufrechterhalten,
bis an das Gitter der Röhren 77 und 78 ein Steuerimpuls gelangt und sich der Vorgang
entsprechend wiederholt. Im stromführenden Zustand der Röhre 82 liegt die am Widerstand
87 abfallende Spannung am Transistor 8', so daß nunmehr dieser geöffnet bzw. stromführend
und dafür der Transistor 5 gesperrt ist. Die beiden Haltekipper 73 und 74 ersetzen
somit in diesem Falle gewissermaßen den Haltekipper 49 in Fig. B. Die Steuerung
der übrigen beiden Transistorgruppen der Transistorbrücke kann mit analogen Schaltungen
erfolgen.
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In an sich bekannter Weise können die Vakuumtrioden der Haltekipper
73 und 74 auch durch Transistoren ersetzt werden. Desgleichen besteht die Möglichkeit,
in den Fig. 1 und 4 an Stelle von Transistoren auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise
magnetisch steuerbare Halbleiter hoher Trägerbeweglichkeit, Halbleiter mit magnetischer
Sperrschicht oder Hochvakuumröhren, in entsprechender Schaltung zu verwenden.
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Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, daß der Verteiler im Sinne
der Fig. 8 ausgeführt wird, wobei die Impulsverteilung durch gegenseitige Abhängigkeit
der .einzelnen Haltekipperkreise zwangläufig erfolgt. Es besteht auch die Möglichkeit,
die Haltekipper voneinander unabhängig zu lassen und jedem Haltekipper eine Impulszähleinrichtung
vorzuschalten, so daß beispielsweise die Haltekipper nach jedem dritten, vom Impulsgenerator
27 (Fig. 4) erzeugten Impuls nacheinander -öffnen bzw. schließen. Beispielsweise
kann zur Impulszählung eine Anordnung nach Fig. 11 verwendet werden, welche aus
einem Speicherkondensator 88 mit Vorschaltwiderstand 89 besteht, wobei parallel
zum Kondensator eine Gasentladungsröhre 90; gegebenenfalls in Form einer einfachen
Glimmlampe, liegt. Die einzelnen Impulse des Impulserzeugers bewirken dann eine
stufenweise Erhöhung der am Kondensator liegenden Spannung, bis-beispielsweise beim
dritten Impuls - die Zündspannung der Röhre
90 erreicht ist und
der Spannungsabfall am Widerstand 91, der vom Kondensatorladestrom hervorgerufen
wird, den nachgeschalteten Haltekipper umsteuert. Der zum Rückkippen erforderliche
Impuls kann durch eine gleiche Anordnung erzeugt werden. Es ist nur dafür zu sorgen,
daß im Falle einer Steuerung entsprechend Fig. 3 die einzelnen Zähleinrichtungen
mit der Impulssteuerung in der richtigen Reihenfolge beginnen. Hierzu können an
sich bekannte Schaltmittel verwendet werden, beispielsweise Relais in solcher Anordnung,
daß die eine Zähleinrichtung nach dem ersten, die zweite nach dem zweiten Impuls
des Impulsgebers usw., d. h. in der richtigen Reihenfolge, in Tätigkeit gesetzt
werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung der Haltekipper des Verteilers
ist in Fig. 12 schematisch angedeutet. Diese setzt voraus, daß der Impulsgeber Impulse
mit flachem Spannungsanstieg liefert, z. B. sägezahnartige Impulse, wie sie beispielsweise
in Fig. 6 an einem mit dem Ladekondensator 29 in Reihe liegenden Widerstand abgenommen
werden können und in Fig. 13 schematisch veranschaulicht sind. Diese Spannungsimpulse
werden in Fig. 12 auf die Primärwicklungen dreier in Reihe geschalteter Transformatoren
93 bis 95 gegeben, die mit je einer Gleichstromvormagnetisierungswicklung 96; 97,
98 ausgerüstet und so vormagnetisiert sind, daß beim allmählichen Spannungsanstieg
jedes Impulses in gleichen Zeitabständen die drei Transformatoren 93 bis 95 nacheinander
in Sättigung gehen und in ihren Sekundärwicklungen dementsprechend Impulse induzieren.
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Bei der Drehzahlsteuerung von Kurzschlußläufermotoren durch Frequenzänderung
ist es angebracht, mit der Frequenzänderung gleichzeitig auch eine Spannungsänderung
vorzunehmen. Diese kann bei dem Umrichter nach der Erfindung durch an sich bekannte
Mittel vorgenommen werden, z. B. durch Steiltransformatoren, Steildrosseln oder
steuerbare Gleichrichter. Dabei können die Mittel zur Frequenzeinstellung und zur
Spannungseinstellung miteinander in Einstellverbindung stehen.