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Schaltung zur schnellen Entregung und Erregung eines Elektromagneten
Bei elektromagnetischen Kupplungen ist ein möglichst schnelles Ein- und Auskuppeln
erwünscht. Das Feld des Magneten muß deshalb möglichst schnell aufgebaut und auch
wieder abgebaut werden. Man hat zu diesem Zweck bisher zum Erregen eine höhere Erregerspannung
an die Wicklung des Magneten gelegt. Eine schnelle Entregung wurde dadurch erreicht,
daß man für ein rasches Abreißen des Stromes bei möglichst hoher Spannung im Augenblick
des öffnens sorgte. Im massiven Eisenpaket einer Magnetkupplung wird jedoch die
Magnetisierung auch nach Unterbrechung des Stromes durch die entstehenden Wirbelströme
noch eine Zeitlang aufrechterhalten.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur schnellen Entregung und
Erregung eines Elektromagneten, dessen Erregerwicklung in einen Dauerstromkreis
und zur Beschleunigung der Erregung bzw. Entregung zusätzlich in einen Impulsstromkreis
schaltbar ist.
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Ziel der Erfindung ist eine möglichst einfache Schaltung, die es erlaubt,
das Feld des Elektromagneten beim Einschalten möglichst schnell aufzubauen und beim
Ausschalten möglichst schnell abzubauen.
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Dies wird nach der Erfindung bei obengenannter Schaltung dadurch erreicht,
daß der Impulsstromkreis ein erstes und ein zweites Ventil enthält, durch die die
einseitig mit dem Abgriff einer unterteilten Gleichspannungsquelle verbundene Erregerwicklung
über wenigstens einen Koppelkondensator wahlweise an eine Klemme höheren und eine
Klemme niedrigeren Potentials der Gleichspannungsquelle schaltbar ist und das Ein-
und Ausschalten des Dauerstromkreises durch einen steuerbaren Schalter erfolgt,
dessen Steuerspannung von wenigstens einem Impuls des Impulsstromkreises abgeleitet
ist.
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Hierdurch kann der Elektromagnet beim Ein- und Ausschalten mit einem
zusätzlichen Stromstoß beaufschlagt werden, der die Dauererregung unterstützt bzw.
ihr entgegenwirkt.
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Es sind bereits Regelschaltungen für magnetische Kupplungen und Leonardantriebe
bekannt, bei denen eine Erregerwicklung in Abhängigkeit von der Drehzahl einer Welle
erregt wird. Die Größe der Erregung ist hierbei ebenfalls veränderlich und im Fall
der elektromagnetischen Kupplung am größten beim Einschalten der Kupplung. In keinem
Fall erfolgt aber die Einspeisung von Stromimpulsen aus einem gesonderten Impulsstromkreis.
Die bekannten Schaltungen sind, da sie Bestandteile einer Regelschaltung darstellen,
komplizierter und nicht für so hohe Stromstärken zu gebrauchen, wie sie bei der
erfindungsgemäßen Schaltung Verwendung finden können. Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele
an Hand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert.
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Gemäß F i g. 1 kann die Erregerwicklung einer Magnetkupplung K durch
ein steuerbares Halbleiterventil, z. B. einen Thyristor ST., an eine Gleichspannungsquelle
U der angegebenen Polarität angeschaltet werden. Die Kupplung K ist dabei die Reihenschaltung
eines Widerstandes R4 mit einer Diode D parallel geschaltet, und außerdem liegt
ihr ein Kondensator C, parallel. Das eine Ende der Erregerwicklung der Kupplung
K ist einerseits mit dem Emitter des steuerbaren Ventils ST, unmittelbar
und über einen Widerstand R, einmal an die Steuerelektrode des steuerbaren Ventils
ST, und einmal an ein Nullspannungspotential 0 angeschlossen. Das andere
Wicklungsende ist mit einer Mittelanzapfung eines Übertragers ü1 verbunden, dessen
eines Wicklungsende an einer negativen Klemme der Spannungsquelle U liegt. Das untere
Ende des Übertragers ü1 ist über einen Koppelkondensator Cl einerseits über ein
steuerbares Ventil ST, und einen Vorwiderstand R1 an die negative
Klemme -- U1 und andererseits über ein entgegengesetzt gepoltes steuerbares Ventil
ST, und einen Widerstand R2 an die positive Klemme 4- U1 angeschlossen.
Dem steuerbaren Ventil ST, ist ein Parallelkondensator C3 und dem
steuerbaren Ventil ST., ein Parallelkondensator C4 zugeordnet. Außerdem ist dem
steuerbaren Ventil ST., noch ein hochohmiger Widerstand R7 parallel geschaltet.
Der den Vorwiderstand R1 enthaltende Steuerstromkreis des steuerbaren Ventils STl
ist über einen Umschalter US und einen Widerstand R5 an eine Steuerspannungsquelle
U2 unmittelbar anschaltbar, während der Steuerkreis des steuerbaren Ventils
ST, durch den Umschalter US über einen -Übertrager fi. an die Steuerspannungsquelle
U, angeschlossen werden kann.
Zum Einschalten der Kupplung wird
der Umschalter US nach oben gelegt und dadurch der Steuerkreis des steuerbaren
Ventils ST, an die Steuerspannungsquelle U., gelegt. Es kann nunmehr von
dem Nullpotentiaf 0 über den Widerstand R3, die. Kupplung K und die linke Seite
des Übertragers ü1 infolge der Einschaltung des steuerbaren Ventils ST, ein Einschaltstoß
über den Kondensator Cl nach der Minusklemme - U1 erfolgen, wobei bei Erreichen
des gewünschten Überstromes durch den Spannungsabfall am Widerstand R3 das steuerbare
Ventil ST" gezündet wird und nun seinerseits die Kupplung an die Spannungsquelle
U anschließt, die einen ausreichenden Haltestrom liefert. Der Übertrager ü1 braucht
nur einen kurzen Spannungsstoß von etwa 20 #ts zu übertragen.
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Zweckmäßig wird zum schnellen Erregen und Aberregen die Mittelanzapfung
der Kupplung an den Übertrager ü1 unsymmetrisch gemacht, so daß die Windung n1 des
im Ein- und Ausschaltstromkreis liegenden Windungsteiles größer als die Windung
n2 ist, die im Haltestromkreis liegt. Zum Abschalten der Kupplung durch einen größeren
als den Haltestrom wird der Umschalter nach unten gelegt, und dadurch der Steuerkreis
des steuerbaren Ventils STl unterbrochen, während der Steuerkreis des steuerbaren
Ventils ST2 eingeschaltet wird. Der über das steuerbare Ventil ST., den Koppelkondensator
Cl und den Übertrager ü1 durch die Erregerwicklung der Kupplung K fließende Gegenstrom
wird die Kupplung schnell entregen und gleichzeitig das steuerbare Ventil
ST, durch den in die Wicklung n2 des Übertragers Ü1 induzierten Strom löschen,
wobei der Spannungsabfall über den Widerstand R3 diesen Vorgang noch unterstützt.
Die Zeitkonstante der RC-Glieder R1, C3 und R2, C4 der beiden steuerbaren Ventile
ST, und ST, verhindert einen Kurzschluß zwischen -I- U1 und - U1, indem sie
einen zu steilen Anstieg der Sperrspannung vermeidet. In diesem Fall besteht nämlich
die Gefahr, daß das steuerbare Ventil in Sperrichtung durchschlägt. Der Vorteil
dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß keine Fremdsteuerung für den zeitlichen
Ablauf der Lösch- und Umladevorgänge notwendig ist. Die Anordnung ist nur durch
den Ein- und Ausschaltbefehl gesteuert, d. h., es braucht nur jeweils eines der
steuerbaren Ventile ST,
bzw. ST, eingeschaltet zu werden, damit die
übrigen Funktionen, d. h. also das Löschen des anderen steuerbaren Ventils sowie
das Ein- und Abschalten der Dauererregung des steuerbaren Ventils, in zwangsweiser
Folge ablaufen. Bei dieser angegebenen Schaltung sind die Energieinhalte für den
Einschalt- und Abschaltstoß gleich groß. Eine verschiedene Dosierung der Energie
für den Ein- und Abschaltstoß ist beispielsweise durch die Herabsetzung der Versorgungsspannung
für das steuerbare Ventil ST2 möglich.
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Leckströme der steuerbaren Ventile können zu einer unerwünschten Umladung
des Kondensators Cl führen. Während der Einschaltstellung des Umschalters
US wird das steuerbare Ventil ST, durch Dauerstrom im Basiskreis ständig
geöffnet und gewährleistet so das Bestehenbleiben des Ladezustandes des Koppelkondensators
Cl. In der Ausschaltstellung des Umschalters US erfolgt die Aussteuerung
des steuerbaren Ventils ST, über den Übertrager Ü2. Das steuerbare Ventil
ST2 wird daher nur kurzzeitig geöffnet sein. Um nun die Umladung des Kondensators
Cl zu verhindern, wird der über das steuerbare Ventil ST, bewirkte Ladezustand
durch den hochohmigen Widerstand R7 aufrechterhalten. Durch Verwendung einer anderen
Aussteuerung des Ventils ST 2 als der impulsförmigen über den Übertrager Ü2 kann
auch dieses Ventil während der Ausschaltstellung ständig geöffnet gehalten werden,
wodurch sich der Widerstand R7 erübrigt. Bei größeren Strömen oder Spannungen kann
es zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den steuerbaren Ventilen ST, und
ST, bei nicht durch einen Umschalter miteinander verbundenen Steuerstromkreisen
erforderlich sein, die im Steuerstromkreis des Ventils ST, liegenden Schaltorgane
zu öffnen, kurz bevor die im Steuerstromkreis des Ventils ST., liegenden Schaltmittel
geschlossen werden, und umgekehrt.
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Eine günstigere Schaltung für diesen Zweck ergibt sich jedoch durch
eine Abwandlung der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 entsprechend der Anordnung
nach F i g. 2. Die übrigen Teile sind unverändert und daher in F i g. 2 weggelassen.
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Der Unterschied der abgeänderten Anordnung besteht darin, daß für
jedes der beiden steuerbaren Ventile ST, und ST., gesonderte Koppelkondensatoren
Cl' bzw. Cl" vorgesehen sind, deren eine Beläge an das Ende des Übertragers U1 angeschlossen
sind und deren andere Beläge durch einen Widerstand R, miteinander verbunden und
jeweils an die zugekehrten Elektroden der steuerbaren Ventile STl bzw.
ST,
angeschlossen sind. Die Kondensatoren Cl' und Cl" sind verschieden groß,
und zwar ist der Kondensator Cl' der größere. Dadurch gelangt der Einschaltstoß
im wesentlichen über den Kondensator Cl ; während der Abschaltstoß im wesentlichen
über den Kondensator Cl" verläuft. Durch entsprechende Bemessung beider Kondensatoren
lassen sich also der Energieinhalt des Ein- und Abschaltstoßes in gewissen Grenzen
variieren, wobei die Anstiegsflanke von Einschalt- und Abschaltstromstoß steil bleibt,
während sie bei Vergrößerung der Widerstände R1 bzw. R2 eine unerwünschte Verflachung
erfahren würden. Der Widerstand R, hat die Aufgabe, die Rückflanke des Abschaltstoßes
so zu verflachen, daß er keine Aufmagnetisierung der Induktivität in umgekehrter
Richtung hervorruft, die zu einem Wiederanziehen der entkuppelten Kupplung führen
würde (F i g. 3). Bei dieser Schaltung ist jedoch die Schaltfolgefrequenz nicht
beliebig vergrößerbar.
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In F i g. 4 ist eine Verbesserung der Schaltung in ihren hauptsächlichen
Teilen dargestellt, die eine wesentliche Erhöhung der Schaltfolgefrequenz erlaubt.
Die F i g. 4 ist entsprechend F i g. 1 zur vollständigen Schaltung ergänzt zu denken.
Ein zusätzlicher Übertrager U., der zwischen die beiden steuerbaren Ventile STl
und ST, geschaltet ist, sorgt dafür, daß diese beiden Ventile sich gegenseitig
auslöschen, auch wenn der Kondensator Cl noch nicht völlig entladen ist. Es sind
Varianten in der Anordnung des Übertragers Ü3 möglich, und es kann z. B. zweckmäßig
sein, die Wicklungen des Übertragers 17i und Ü3 auf einem Kern zu vereinigen, wie
es in F i g. 5 dargestellt ist.