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Anordnung zur Steuerung eines Gleichstromes Zur Steuerung des mittleren,
durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes werden häufig steuerbare Halbleitergleichrichter
verwendet, die in neuerer Zeit als Thyristoren bezeichnet werden. Ihre Eigenschaften
entsprechen weitgehend denen eines Thyratrons, weshalb die folgenden Ausführungen
auch für derartige Bauelemente entsprechend gelten.
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Ein Thyristor kann durch einen einer Steuerelektrode zugeführten Impuls
gezündet werden, wenn zwischen den Hauptelektroden gerade eine Spannung geeigneter
Polarität liegt. Der dann fließende Strom ist nur durch den Verbraucher und die
Speisespannung bestimmt und kann durch den Thyristor nicht mehr beeinflußt werden.
Dieser erhält seine Sperrfähigkeit erst wieder, wenn der Laststrom einen nahe bei
Null gelegenen Wert, den sogenannten Haltestromwert, unterschreitet und danach eine
den Thyristor in Durchlaßrichtung beanspruchende Spannung frühestens nach der sogenannten
Freiwerdezeit wieder angelegt wird.
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Unter Freiwerdezeit ist dabei diejenige Zeit zwischen dem Unterschreiten
des Haltestromwertes und dem erneuten Anlegen einer den Thyristor in Durchlaßrichtung
beanspruchenden Spannung zu verstehen, die auf keinen Fall unterschritten werden
darf, wenn der Thyristor mit Sicherheit sperren soll. Diese Zeitspanne hängt von
vielen Einflußgrößen, vor allem aber von der Bauart des Thyristors und dem Verlauf
der an ihm liegenden Spannung ab.
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Ein Thyristor kann nur als Schalter betrieben werden. Zur stetigen
Veränderung eines mittleren Laststromes kann dieser durch den Thyristor periodisch
unterbrochen werden, wobei das Verhältnis der Abschaltdauer zur Dauer der gesamten
Periode durch eine Steuerspannung bestimmt ist. Zur Glättung des Stromes ist es
dabei zweckmäßig, dem Verbraucher einen induktiven Widerstand vor- und der gesamten
Anordnung eine Nullanode parallelzuschalten. Die gleichen Ergebnisse lassen sich
aber auch ohne Glättungsdrossel erreichen, wenn der Verbraucherwiderstand selbst
eine hohe induktive Komponente besitzt, wie das beispielsweise bei Magneten oder
Erregerwicklungen der Fall ist.
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Nach diesem Prinzip arbeiten die sogenannten Gleichstrom-Zweipunktregler,
bei denen der Verbraucher über einen Thyristor an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen
und diesem Thyristor ein Löschkondensator über einen weiteren Thyristor parallel
geschaltet ist. Die beiden Thyristoren werden abwechselnd periodisch so gezündet,
daß der Verbraucherstrom durch das Verhältnis der öffnungszeiten der beiden Thyristoren
bestimmt ist. Eine sehr einfache Möglichkeit, den mittleren Wert eines Gleichstromes
mit Hilfe von Thyristoren zu steuern, ergibt sich, wenn die Energie von einer Wechselspannungsquelle
bezogen werden kann. Man kann dann eine ganz oder teilweise mit Thyristoren bestückte
Gleichrichterbrücke verwenden. Abgesehen von dem erforderlichen Aufwand an Thyristoren
hat eine solche Stromrichterschaltung den Nachteil, daß die Zündimpulse nur in einem
begrenzten Bereich verändert werden dürfen, da die sogenannten Trittgrenzen eingehalten
werden müssen. Die Bestimmung dieser Trittgrenzen bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten,
wenn für die Speisung der Stromrichteranordnung keine sinusförmige Spannung zur
Verfügung steht, wie dies der Fall ist, wenn die Anordnung über einen Gleichrichter
an einen Synchrongenerator angeschlossen ist, der bei Vollast eine nahezu rechteckförmige
Ausgangsspannung liefert.
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Die Erfindung weist einen neuen Weg, den Mittelwert eines Gleichstromes,
der mit Hilfe von Gleichrichtern aus einer dreiphasigen Wechselspannung gewonnen
wird, mit einem einzigen Thyristor stetig zu verändern, wobei keine zusätzlichen
Hilfsmittel für die Löschung des Thyristors erforderlich sind. Die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher einerseits an eine Phase des dreiphasigen
Speisenetzes, andererseits über einen einzigen Thyristor und zwei Gleichrichter
an die beiden anderen Phasen angeschlossen ist.
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Besondere Vorteile bietet die Erfindung dann, wenn es darum geht,
die Spannung eines Drehstromsynchrongenerators zu steuern. In diesem Fall kann die
Erregerwicklung an eine der Generatorklemmen und über den Thyristor und die beiden
Gleichrichter an die beiden anderen Generatorklemmen angeschlossen werden.
In.
allen Anwendungsfällen beruht die Veränderung des mittleren Gleichstromes auf einer
Anschnittsteuerung, wie sie bei Gleich- und Wechselrichtern üblich ist. Die Anwendung
dieses Prinzips zur Steuerung einer reinen Gleichspannung wird durch die besondere
Art der Gleichrichterschaltung ermöglicht, die - wie F i g. 2 zeigt - eine periodisch
lückende Spannung liefert. Besonders vorteilhaft erweist sich bei dieser Anordnung,
daß die an der aus Thyristor 4 und Diode 5 oder 6 gebildeten Serienschaltung liegende
Spannung während der Impulslücken ihr Vorzeichen wechselt. Dadurch wird eine zuverlässige
Löschung auch bei sehr kurzer Dauer der Lücken gewährleistet.
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Zur Regelung der von einem Drehstromgenerator abgegebenen Spannung
wurde bereits eine Anordnung verwendet, die auf den ersten Blick große Ähnlichkeit
mit dem Erfindungsgegenstand besitzt. Auch hierbei ist die eine Klemme der Erregerwicklung
unmittelbar an eine der drei Ausgangsklemmen des Generators angeschlossen. Die andere
Klemme der Erregerwicklung ist jedoch über einen Thyristor und drei Dioden mit allen
drei Ausgangsklemmen des Generators verbunden. Bei dieser Anordnung liegt somit
parallel zur Nullanode der Erregerwicklung immer die Serienschaltung aus dem Thyristor
und einer Diode. Aus diesem Grunde wird der Strom von dem Thyristor nur dann auf
die Nullanode kommutieren, wenn deren Schwellwert geringer als der des Thyristors
und der mit diesem Thyristor in Serie liegenden Diode ist. Um diese Voraussetzung
zu erfüllen, ist in der Regel eine sorgfältige Auswahl der verwendeten Dioden erforderlich.
Diese kritische Bemessung stellt zweifellos einen Nachteil dar. Man hat daher auch
schon versucht, eine einwandfreie Löschung dadurch sicherzustellen, daß man in den
Speisestromkreis der Erregerwicklung noch eine weitere Diode gelegt hat, so daß
dann parallel zur Nullanode die Serienschaltung aus einem Thyristor und zwei Dioden
liegt. Diese Anordnung erschwert jedoch die Auferregung des Generators ganz erheblich.
In vielen Fällen, vor allem bei Verwendung von Generatoren für die Stromversorgung
von Fahrzeugen, die eine verhältnismäßig niedrige Klemmenspannung und daher auch
eine sehr niedrige Remanenzspannung aufweisen, scheidet diese Möglichkeit vollkommen
aus, da dann eine Auferregung überhaupt unmöglich ist. Bei der Anordnung gemäß der
Erfindung ist dagegen sowohl eine einwandfreie Löschung. des Thyristors wie auch
eine Auferregung selbst bei sehr kleiner Remanenzspannung gewährleistet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt.
Als dreiphasige Wechselspannungsquelle ist dabei ein mit 1 bezeichneter Generator
angenommen, dessen Klemmen mit R, S, T. bezeichnet sind. Seine Erregerwicklung ist
mit 2 bezeichnet und einerseits über die Klemme 91 an die Klemme R angeschlossen.
Der andere Anschluß der Erregerwicklung ist über einen Thyristor 4, die Klemme 92
und einen Gleichrichter 5 an die Klemme S und über einen Gleichrichter 6 an die
Klemme T des Generators angeschlossen. An den Generatorklemmen liegt zusätzlich
noch ein mit 8 bezeichneter Gleichrichter in Brückenschaltung. Parallel zu der Erregerwicklung
liegt eine Nullanode 3. Der Steuerstrecke des Thyristors 4 werden periodisch Zündimpulse
von einem Steuersatz 7 zugeführt, deren Phasenlage innerhalb der periodisch zwischen
den Klemmen 91 und 92 auftretenden Spannungspulse abhängig von einer Steuerspannung
verändert werden kann. Als Steuerspannung wird vorzugsweise die Abweichung der an
der Gleichrichterbrücke 8 auftretenden Gleichspannung von einem vorgegebenen Sollwert
verwendet. Auf diese Weise läßt sich die abgegebene Gleichspannung auf einen konstanten
Wert regeln. Bei Anordnungen dieser Art kann es zur Verbesserung des Auferregungsverhaltens
vorteilhaft sein, der Laststrecke des Thyristors 4 einen PTC-Widerstand, d. h. einen
Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, parallel zu schalten. Solche Halbleiterwiderstände
werden heute vorzugsweise auf Halbleiterbasis, z. B. aus gesintertem Barium-Titanat,
hergestellt.
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Die zwischen den Klemmen 91 und 92 bei gesperrtem Thyristor 4 auftretende
Spannung ist in F i g. 2 wiedergegeben.