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Schaltungsanordnung zur Verhinderung von Störungen beim Einschalten
von statischen, diodenbestückten Gleichstrom-Wechselstromumsetzern, die von einer
Rechteckspannung kontrolliert und gesteuert werden Die Erfindung bezieht sich auf
eine Schaltungsanordnung, die geeignet ist, während der Einschaltung von statischen,
diodenbestückten, mit einer Rechteckspannung kontrollierten-und gesteuerten Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzern
das Nichtöffnen einer Diode nach der ersten auf das Einschalten folgenden Halb-Periode
oder nach den ersten Halbperioden zu verhindern.
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Bei einer vorzugsweisen Ausführungsart wird auf die statischen Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer
Bezug genommen, für die eine erschöpfende Beschreibung der Arbeitsweise und der
Bemessungskriterien für die wichtigsten Bauteile in einem in der Zeitschrift »Communication
and Electronics« vom November 1961 auf Seite 531 bis 542 erschienenen Artikel von
W. Mc. Murray und D. P. S h a t t u c k enthalten ist.
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Zur Erläuterung wird in- der Zeichnung (F i g. 1) ein Beispiel für
den erwähnten Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzer gezeigt. Dabei entsprechen die Klemmen
1 und 2 den Eingangsklemmen für die Gleich-- Spannung, während die
Klemmen 3 und 4 den Ausgang für die Wechselspannung darstellen.
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Die kontrollierten Dioden 12 und 13 arbeiten abwechselnd als offene
und geshlossene Schalter, so daß mit Ausnahme der Spannung an den Enden der Drossel
10 an den Enden der Primärwicklung des Transformators 15 eine Rechteckspannung
liegt, die den doppelten Wert der Speisespannung hat. Ein Steuerstrom von ebenfalls
rechteckiger Form wird an die Klemmen 5, 6 und 7 angelegt. Dadurch tritt
die positive Halbwelle bei 5 ein und von 6 aus, wobei die Diode 12 geschlossen
wird, und die negative Halbwelle tritt bei 7 ein und von 6 aus, so daß die Diode
13 geschlossen wird.
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Dieser Steuerstrom schaltet die gesteuerten Dioden 12 und 13 vom Sperrzustand
auf den Leitzustand (Schließung) um. Die umgekehrte Umschaltung vom Leitzustand
auf den Sperrzustand (Öffnen) erfolgt, wenn die entgegengesetzte Diode schließt
und an die zu öffnende Diode die Spannung anlegt, mit der der Kondensator
14 geladen ist.
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Diese Spannung ist für die zur Wiederumschaltung der Diode auf den
Sperrzustand erforderliche Zeitdauer gegensinnig.
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Unterschreitet jedoch die Zeitdauer der Spannungsumkehrung an den
Enden der zu öffnenden Diode einen Mindestwert, der von der Diodencharakteristik
und den Schaltungsparametern abhängig ist (20 Mikrosekunden - heutiger Richtwert
für eine gesteuerte Siliziumdiode), so wird die Siliziumdiode nicht geöffnet.
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Die Zeitdauer der Öffnungsumschaltung reduziert sich bei Zunahme des
vom Transformator abgegebenen magnetisierenden Stromes; der im Augenblick des Schließens
der zu öffenden. entgegengesetzten Diode gemessen wird, bzw. bei Abnahme der Spannung
an den Enden des Kondensators unter denselben Bedingungen. Das nicht zustande kommende
Öffnen entspricht praktisch einem Kurzschluß und setzt durch Betätigung der Schutzvorrichtungen,
z. B. Sicherungen, die der Einfachheit halber nicht aufgezeigt werden, den Umsetzer
außer Betrieb.
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Das infolge übermäßiger Verkürzung der Umsetzungsdauer nicht zustande
kommende Öffnen kann auf einen oder mehrere der nachstehend aufgeführten Umstände
zurückzuführen sein, die beim Einschalten je nach der für die Erzeugung des Rechteck-Steuerstromes
verwendeten Schaltung eintreten: a) Der Transformator 15 hat positive Remaneriz,
und die erste Halbperiode hat ein solches Vorzeichen, daß der Fluß des Transformators
im positiven Sinne erhöht wird. Nach einem Teil der Halbperiode kann der Kern bei
einem übermäßigen Ansteigen des Magnetisierungsstromes die Sättigung erreichen.
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b) Die Frequenz des Steuerstromes erreicht nicht sofort den Betriebswert,
so daß, wenn die Dauer der ersten Halbperiode den Sollwert übersteigt,
die
Sättigung des Transformators und ein übermäßiges Ansteigen des Magnetisierungsstromes
eintreten könnten.
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c) Die Dauer der ersten Halbperiode kann sehr weit unter dem Sollwert
liegen, so daß die Gefahr besteht, daß der Kondensator 14 noch nicht bis zu dem
Wert aufgeladen ist, der eine für die anschließende Öffnung der Diode ausreirhende
Umsetzungszeitdauer garantiert.
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d) Die Amplitude des Steuerstromes erreicht nicht sofort den Betriebswert.
Es kann geschehen, daß die erste Halbperiode die -betreffende Diode ordnungsgemäß
zum Schließen bringt, daß aber die Amplitude der-zweiten;-größeren- Halbperiode
noch nicht ausreicht, um die entgegengesetzte Diode zu schließen, weil der für das
Schließen erforderliche Mindeststrom von einer Diode zur anderen stark variiert.
Dies würde zu einer Halbperiode führen, deren Länge dreimal größer als die Normallänge
wäre, sowie zur entsprechenden Sättigung des Transformators.
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Auf einige dieser Schwierigkeiten wird in dem obenerwähnten Artikel
von W. Mc. M u r r a y und D. P. S h a t t u c k hingewiesen. In diesem Artikel
werden auch einige Maßnahmen zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten vorgeschlagen.
Zur Vermeidung der unter a) erwähnten Schwierigkeit empfehlen W. Mc. Murray und
D. P. Shattuck ein verhältnismäßig komplexes System, das zahlreiche Relais und Schütze
erfordert das aber keine volle Garantie für die Ausschaltung der unter c) genannten
Schwierigkeit bietet.
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Dieses System besteht darin, daß im Kern des Transformators 15 ein
Luftspalt vorgesehen wird; der geeignet ist, die positive Remanenz praktisch auf
Null zu reduzieren, und daß die Betriebsinduktion auf weniger als die Hälfte der
Sättigungsinduktion beschränkt wird. Außerdem muß die Schaltung so angeordnet werden,
daß zuerst der Steuerstromgenerator eingeschaltet wird. Wenn dieser mit Sicherheit
hochgefahren ist; kann dann nach einigen Mikrosekunden der Leistungsstromkreis mit
einem Reihen-Schutzwiderstand eingeschaltet werden. Anschließend kann dann der Schutzwiderstand
kurzgeschlossen und die Belastung eingeschaltet werden. Zweck der vorliegenden Erfindung
ist es, die vorerwähnten Schwierigkeiten mit einfachen Mitteln und mit einem Minimum
von beweglichen mechanischen Teilen, wie Relais, Schütze usw., zu umgehen.
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Aufgabe .der - vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, die in der Lage ist, Störungen bei der Einschaltung von statischen
diodenbestückten Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzern, die von einer Rechteckspannung
gesteuert werden, zu vermeiden. Erreicht wirrt dies dadurch, daß zwischen .dem Generator
der .rechteckigen Steuerspannung, der einen für .den gewünschten Steuerstrom geeigneten
Gesamt-Reihenwiderstand besitzt, und den am Umsetzer für diese Steuerspannung vorgesehenen
Eingangsklemmen eine Drossel mit -einem Kern mit rechteckigem Hysteresisverlauf
liegt, die nach der Einschaltung der rechteckigen Steuerspannung das Erreichen des
für das Schließen des vom Umsetzer gesteuerten Dioden erforderlichen Steuerstrommindestwertes
um eine Zeitspanne verzögert, die ausreicht, um sicherzustellen, .daß die Bedingungen
für das 'Öffnen der vorher geschlossenen Diode erreicht wenden. Die F i g. 2 und
3 zeigen als nicht einschränkendes Beispiel eine praktische Anwendungsart der Erfindung.
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F i g. 2 bringt die schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung
zur Vrrbindergng von Schwierigkeiten bei der Einschaltung von statischen, diodenbestüekten
Gleichstrom-Wechselstrom-Umsetzem, die von einer Rechteckspannung gesteuert werden.
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F i g. 3 zeigt einige Halbperioden nach dem Öffnen des Kontaktes 21
von F i g. 2 und den annähernden Verlauf der Spannung zwischen den Klemmen 26 und
27.
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3 b = Verlauf des Steuerstromes der Diode 13, 3 c = annähernder Verlauf
des Steuerstromes der Diode 1-4, 3 d = Verlauf der Spannung an den Enden der Drossel
20, 3 e =Verlauf des Manetflusses der Drossel 20. Die in F i g. 2 gezeigte Schaltungsanordnung
wird nachstehend in der Anwendung bei einem Umsetzer von dem in F i g. 1 gezeigten
Typ beschrieben. -Sie kann jedoch bei jedem beliebigen sonstigen Umsetzer angewendet
werden, der dieselben Charakteristiken hinsichtlich der Steuerung und Aniassung
aufweist.
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F i g. 2 zeigt den Schalter 16 der die Speisung des in F i
g. 1 in allen Einzelheiten dargestellten Einphasen-Umsetzers 24 mit Gleichstrom
über die Klemmen 1 und 2 ermöglicht.
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Die Steuerstrom-Eingangsklemmen 5 und 7 des Einphasen-Umsetzers 24
sind zu den Pluspolen der Dioden 17 bzw.18 und zum Widerstand 19 geführt, zu letzterem
parallel.
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Die Klemme 6, die die gemeinsame Verbindung zu den beiden Kathoden
der gesteuerten Dioden 12 und 13 bildet, liegt dagegen an den beiden Minuspolen
der Dioden 17 und 18.
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Von den Pluspolen der Dioden 17 und 18 ist -der erste über die Drosseln
20 und 22 mit der ersten Klemme 26 des Pilotgenerators 23 und der zweite mit der
Klemme 27 verbunden.
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Der gemeinsame Punkt zwischen der Drossel 20 und dem Widerstand 22
ist mit der Klemme 27 des Generators 23 verbunden, und zwar über den Ruhekontakt
eines Relais 21 oder den ersten Kontakt, der von der Spannung gespeist wird, die
über die Klemme 24 und 25 den Pilotgenerator -speist und die hinter dem Hauptschalter
1,6 .abgezweigt wird.
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Der Pilotgenerator 23, der zwischen den Ausgangsklemmen 26 und 27
eine Rechteck-Wechselspannung abgibt, kann auf vielerlei bekannte Arten realisiert
werden. Eine bevorzugte Ausführung sieht die Verwendung eines transistorisierten
bistabilen -Oszillators vor.
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Die Drossel 20 hat einen Kern ohne Luftspalt aus einem magnetischen
Material mit rechteckigem Hysteresisverlauf und ist so bemessen, daß die Zeit, die
erforderlich ist, um den Magnetfluß von der negativen Remanenz auf die positive
Sättigung zu verändern, bei Anlegen zier vom Generator 23 abgegebenen und um die
in den Widerständen 22 und 19 verursachten Abfälle verminderte Spannung mindestens
der Zeit gleich ist, die der Kondensator 14 unter den ungünstigsten Bedingungen
zum Aufladen benötigt, gerechnet ab dem Zeitpunkt des Schließens der ersten gesteuerten
Diode bis. zum Erreichen des Pegels, der erforderlich ist, um eine ausreichend lange
Dauer für die Öffnungs-Umsetzung zu erhalten.
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Der Widerstand 19 ist so bemessen, daß der von der Drossel 10 vor
der Sättigung aufgenommene Strom
an den Enden der Drossel einen
Spannungsabfall ergibt, der kleiner ist als der Mindestwert, bei dem weder die eine
noch die andere der beiden gesteuerten Dioden 12 bzw. 13 geschlossen wird.
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Die Amplitude der Spannung und der Wert des Widerstudes 22 sind so
gewählt, daß bei geöffnetem Kontakt des Relais 21 und nach Sättigung der Drossel
20 ein Strom fließt, dessen Amplitude voll ausreicht, um auch unter den ungünstigsten
Bedingungen das Schließen der gesteuerten Dioden sicherzustellen und um bei geschlossenem
Kontakt das Relais 21 zu verhindern, daß ein Strom fließt, der den Generator 23
überlastet oder die Anlassung des Generators verhindert.
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Relais 21 zieht an und öffnet seinen Kontakt mit einer Verzögerung
in der Größenordnung einiger Halbperioden, jedenfalls aber nicht eher, als bis die
von 23 gelieferte Pilotspannung die Betriebsbedingungen erreicht hat.
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Nach dem Schließen des Schalters 16 kann keine der beiden gesteuerten
Dioden 12 und 13 des Einphasen-Umsetzers 24 schließen, ehe der Kontakt des Relais
21 öffnet, nachdem die vom Generator 23 abgegebene Spannung die positive Halbwelle
in folgendem Stromkreis zum Fließen bringt: 1. Klemme 26, Widerstand 22, Drossel
20, Klemme 5, Steuerelektrode, Kathode der gesteuerten Diode 13, Klemme 6, Diode
18, Klemme 27.
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Die negative Halbwelle fließt dagegen in folgendem Stromkreis 2. Klemme
27, Klemme 7, Steuerelektrode, Kathode 12, Klemme 6, Diode
17, Drossel 20, Widerstand 22, Klemme 26. Die positive Halbwelle schließt
die gesteuerte Diode 13 und die negative die gesteuerte Diode 12. Beide Halbwellen
können jedoch nicht sofort nach Umsetzung der Spannung den Maximalwert erreichen,
weil erst die Drossel 20 bis zur Sättigung magnetisiert werden muß.
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Die von der Drossel 20 eingeführte Verzögerung (s. F i g. 3) bewirkt
jedoch keine fühlbare Veränderung der Arbeitsweise des Einphssen-Umsetzers 24, sondern
verhindert, daß nach dem Einschalten das Schließen der zweiten Diode zeitlich zu
nahe bei der ersten Diode liegt. Beim Schließen des Schalters 16 wird an die gesteuerten
Dioden 12 und 13, an den Pilotgenerator 23 und an die Spule des Relais 21, das anzusprechen
beginnt, Spannung angelegt. Solange der Kontakt des Relais 21 geschlossen bleibt,
ist der Steuerstrom in den gesteuerten Dioden 12 und 13 gleich Null, und
beide Dioden 12 und 13 bleiben geöffnet. Wenn 21 öffnet, sind drei Fälle möglich:
1. Die Drossel 20 befindet sich in der positiven Remanenz, und die vom Generator
abgegebene Spannung ist positiv: Der Steuerstrom fließt ohne Verzögerung und schließt
die erste Diode. Nach der Umsetzung muß jedoch die von 20 eingeführte Verzögerung
ablaufen, ehe die zweite Diode schließen kann. Auch wenn 21 sofort nach der Umsetzung
öffnet, hat der Kondensator Zeit, sich richtig aufzuladen.
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2. Die Drossel befindet sich in der negativen Remanenz und die vom
Generator abgegebene Spannung ist positiv: Es muß erst die Verzögerungszeit ablaufen,
ehe die erste Diode schließen kann, und im ungünstigsten Fall muß, ehe die Spannung
nach Ablauf der Verzögerung umgesetzt wird, erneut eine der Verzögerung gleiche
Zeitspanne vergehen, bis die zweite Diode schließt.
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3. Die Drossel befindet sich in der .Zwischenstellung: Die erste Diode
schließt nach einer Zeit, die kürzer ist als die Verzögerung, die zweite kann aber
nach der ersten erst nach einer Zeit schließen, die wieder der Verzögerung gleich
ist.
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In der gleichen Weise arbeitet die Sachltung, wenn die Anfangsbedingungen
umgekehrtes Vorzeichen haben wie Fall 1 und 2.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die beschriebene Schaltung
die -unter b), e) und d) geschilderten Schwierigkeiten ausschaltet. Die unter a)
geschilderte Schwierigkeit kann mit den oben beschriebenen bekannten Mitteln beseitigt
werden.
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Die konstruktiven Einzelheiten können selbstverständlich je nach Bedarf
verändert werden. So könnte z. B. der Kontakt des Relais 21 ein zur Drossel 20 in
Reihe geschalteter Arbeitskontakt sein, der den Stromkreis schließt, anstatt einen
Kurzschluß zu unterbrechen.
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Das Relais 21 könnte durch elektronische Bauteile, wie z. B. Transistoren,
Dioden usw., ersetzt werden. An Stelle des Widerstandes 19 könnte ein Kondensator,
eine Drossel oder eine Kombination dieser beiden verwendet werden. Zwischen die
Dibden 17 und 18 und die Drossel 20 könnte ein Isoliertransformator geschaltet werden,
dessen Magnetisierungsstrom so bemessen sein könnte, daß der Widerstand 19 überflüssig
ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsart könnte ein Arbeitskontakt des Relais
21 oder ein zweiter Kontakt vorgesehen werden, der geeignet ist, die Drossel 20
nach Öffnen des Ruhekontaktes des Relais 21 oder des ersten Kontaktes kurzzuschließen,
um die von der Drossel 20 unvermeidlich eingeführte Abflachung der Flanke des Steuerstromes
zu verhindern.