DE1488033C - Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes mittels Thyristoren - Google Patents
Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes mittels ThyristorenInfo
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Description
Zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes werden häufig
steuerbare Halbleitergleichrichter verwendet, Bauelemente, die in neuerer Zeit als Thyristoren bezeichnet
werden. Ihre Eigenschaften entsprechen weitgehend denen eines Thyratrons.
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 denVerbaucherunddie 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 beanspruchte Spannung frühestens nach
der sogenannten Tum-off-Zeit wieder angelegt wird.
Unter Turn-off-Zeit 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.
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 parallel zu schalten. 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.
Nach diesem Prinzip arbeiten die sogenannten Gleichstrom-Chopper, bei denen der Verbraucher
über einen Tyristor 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.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher
fließenden Gleichstromes durch periodisches Schalten mit Hilfe von Thyristoren, wobei das Verhältnis
von Abschaltdauer zur Dauer der gesamten Periode durch eine Steuerspannung bestimmt ist.
Die Erfindung besteht bei einer solchen Anordnung darin, daß eine erste Gleichstromquelle vorgesehen
ist, die eine Spannung mit beliebigem Verlauf
ίο liefert, daß eine zweite Gleichstromquelle vorgesehen
ist, die während eines ersten Teilabschnittes einer jeden Periode eine Spannung liefert, die zumindest
vorübergehend Null und im übrigen kleiner als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist und die in
einem zweiten Teilabschnitt größer als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist, und daß der Verbraucher
an die beiden Gleichstromquellen über zwei Thyristoren angeschlossen ist, die derart steuerbar
sind, daß der Verbraucher während des zweiten Ab»
%o schnittes jeder Periode stets von der zweiten Gleichstromquelle
gespeist wird.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß der Thyristor, der zwischen dem Verbraucher
und der zweiten Spannungsquelle liegt,
»5 periodisch erlischt, ohne daß hierfür zusätzliche Hilf smittel,
wie Löschkondensatoren, erforderlich wären. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Spannung
dieser zweiten Gleichstromquelle periodisch mindestens während eines Teiles des ersten Abschnittes
Null ist. Die erste Gleichstromquelle kann dagegen eine Ausgangsspannung liefern, die z. B. einen festen
konstanten Wert hat und die über den zwischen ihr und dem Verbraucher liegenden ersten Thyristor
einen Strom zu treiben versucht, der ständig über dem Haltestromwert dieses Tyristors liegt, so daß
dieser nicht ohne zusätzliche Hilfsmittel in den Sperrzustand gesteuert werden könnte. Da jedoch ein
Steuersatz dafür sorgt, daß immer nach dem Zünden des ersten Thyristors auch noch der zweite Thyristor
durchgesteuert wird, übernimmt dieser zweite Thyristor den Laststrom. Der erste Thyristor wird danach
in Sperrichtung beansprucht, da nach dem Durchsteuerzeitpunkt des zweiten Tyristors die Spannung
der zweiten Gleichstromquelle größer als die der ersten wird.
AlsGleichstromquellen können vorzugsweiseGleichrichter dienen, die an ein dreiphasiges Speisenetz angeschlossen
sind und keine Glättungsmittel enthalten. Besonders einfache Verhältnisse lassen sich erzielen,
so wenn man als erste Gleichstromquelle einen Gleichrichter
in Drehstrombrückenschaltung verwendet, bei der einer der zwischen den drei Phasen und einer
Gleichstromklemme liegenden Ventilzweige, z. B. der zwischen der Phase R und der positiven Klemme
liegende, fehlt.
Ähnlich läßt sich auch die zweite Gleichstromquelle mit zwei Ventilzweigen aufbauen, die zwischen
zwei Phasen und einer Gleichstromklemme liegen, wobei die zweite Gleichstromklemme mit der dritten
Phase verbunden ist. Vorzugsweise werden hier die Ventilzweige an die Phasen 5 und T und die eine
Gleichstromklemme an die Phase R angeschlossen.
Der Aufwand für eine derartige Anordnung laßt sich noch weiter vermindern. Wenn die erste Gleichstromquelle
aus der oben beschriebenen unvollständigen Drehstrombrücke besteht, liegt nämlich zwischen
der einen Gleichstromquelle dieser Brücke und der Phase, die nur an eine der beiden Gleichstrom-
3 4
klemmen über ein Ventil angeschlossen ist, eine phasennetz abgebbare Gleichspannung ausnutzen. Die
Spannung, die gerade den Verlauf hat, den die Span- maximale Verbraucherspannung ist vielmehr auf fünf
nung der zweiten Gleichstromquelle haben soll. Man Sechstel der von einer vollständigen Drehstrom-
kann daher in diesem Fall auf einen zusätzlichen brücke abgebbaren Spannung begrenzt.
Gleichrichter verzichten. 5 In Fig. 2 ist die Schaltung eines Gleichrichters 8
Im Rahmen des Erfindungsgedankens bestehen im gezeigt, der ebenfalls an ein Drehstromnetz ÄST anwesentlichen
zwei verschiedene Möglichkeiten, die geschlossen ist und dessen Gleichstromquellen mit 32
beiden Thyristoren zwischen dem Verbraucher und und 33 bezeichnet sind und der als zweite Gleichden
beiden Stromquellen anzuordnen. In beiden Fäl- stromquelle im Sinne der Erfindung dienen kann. Der
len ist die zweite Gleichstromquelle über einen Thy- ίο Verlauf der Ausgangsspannung dieses Gleichrichters
ristor direkt mit dem Verbraucher verbunden. Die ist in Fig. 2a und in Fig. la (gestrichelt) dargeerste
Gleichstromquelle kann dagegen über den an- stellt.
deren Thyristor entweder ebenfalls direkt mit dem In Fig. la sind ferner zwei Bereiche I und II ein-
Verbraucher oder mit der Ausgangsklemme der zwei- gezeichnet, deren Grenzen durch den Verlauf der
ten Gleichstromquelle verbunden werden. 15 Ausgangsspannungen der beiden in F i g. 1 und 2 dar-
Die zuletzt genannte Anordnung bietet dabei den gestellten Gleichrichter bestimmt sind. Diese beiden
Vorteil, daß mit einem Steuersatz gearbeitet werden Bereiche überdecken einen Winkelbereich von 360°
kann, der hur alle 360° einen Zündimpuls zu liefern und entsprechen einer vollen Periode des im Zweibraucht,
dessen Phasenlage, bezogen auf das drei- punktbetrieb arbeitenden Gleichstromstellers,
phasige Speisenetz, abhängig von einer Steuerspan- *> Ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel der Erfinnung zwischen 0 und 360° verändert werden kann. dung ist in Fig. 3 gezeigt. Die beiden Gleichstrom-Man braucht hierbei lediglich die Zuführung der Im- quellen entsprechen den in F i g. 1 und 2 gezeigten pulse zu dem ersten Thyristor zu sperren, sobald Gleichrichtern, sind hier aber zu einem einzigen diese Impulse in dem zweiten Abschnitt jeder Periode Gleichrichter 3 mit einer dritten Klemme 33 zusamliegen. as mengefaßt. Der Verbraucher 5 ist an die Klemmen
phasige Speisenetz, abhängig von einer Steuerspan- *> Ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel der Erfinnung zwischen 0 und 360° verändert werden kann. dung ist in Fig. 3 gezeigt. Die beiden Gleichstrom-Man braucht hierbei lediglich die Zuführung der Im- quellen entsprechen den in F i g. 1 und 2 gezeigten pulse zu dem ersten Thyristor zu sperren, sobald Gleichrichtern, sind hier aber zu einem einzigen diese Impulse in dem zweiten Abschnitt jeder Periode Gleichrichter 3 mit einer dritten Klemme 33 zusamliegen. as mengefaßt. Der Verbraucher 5 ist an die Klemmen
Hierbei entstehen jedoch größere Leistungsver- 31 und 32 (erste Gleichstromquelle) über den Thy-
luste, da der Laststrom stets über beide Thyristoren ristor 1 und an die Klemmen 32 und 33 (zweite
fließt. Das läßt sich jedoch vermeiden, wenn der Ver- Gleichstromquelle) über den Thyristor 2 angeschlos-
braucher über je einen Thyristor direkt mit den bei- sen. Dem Verbraucher 5 ist eine Nullanode 6 parallel
den Gleichstromquellen verbunden wird. In diesem 30 geschaltet, die notwendig ist, wenn der Verbraucher
Falle muß der Steuersatz neben dem Impuls, dessen eine induktive Komponente besitzt, und die dann
Phasenlage von der Steuerspannung abhängig ist, einen Stromfluß auch während der Sperrzeiten den
noch einen zweiten Impuls jeweils zu Beginn des Thyristoren ermöglicht.
zweiten. Bereiches jeder Periode liefern, der dem Die Steuerstrecken der beiden Thyristoren sind an
zweiten Thyristor zugeführt werden muß, wenn der 35 zwei Ausgänge eines Steuersatzes 4 angeschlossen, an
andere Impuls im ersten Bereich liegt. Fällt dieser je- denen periodisch im Abstand von 360° Zündimpulse
doch in den zweiten Bereich, dann ist er selbst dem abgegeben werden, deren Phasenlage von der Größe
zweiten Thyristor zuzuführen und tritt an die Stelle einer dem Steuersatz 4 zugeführten Steuerspannung
des Impulses mit konstanter Phasenlage. Us, abhängt
Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der 40 Mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung läßt
Figuren erläutert. sich die Verbraucherspannung zwischen Null und der
In Fig. list eine unvollständige Drehstrombrücke 7 maximalen, von einer Drehstromgleichrichterbrücke
gezeigt, die an ein dreiphasiges Speisenetz RST an- abgebbaren Spannung steuern. Solange beispielsweise
geschlossen ist und als erste Gleichstromquelle im der Phasenwinkel der Zündimpulse, der durch die
Sinne der Erfindung anzusehen ist. Mit den Ausgangs- 45 Spannung Ust bestimmt wird, in dem Bereich I, d. h.
klemmen 31 und 32 dieser Brücke ist ein Verbrau- also zwischen 0 und 240°, liegt, wird dieser Zündcher
5 über einen Thyristor 1 verbunden. Der Ver- impuls dem Thyristor 1 zugeführt. Außerdem·· erhält
lauf der Spannung Uv an dem Verbraucher 5 bei der Thyristor 2 alle 360° einen Zündimpuls, der undurchgesteuertem
Thyristor 1 ist durch die in Fi g. 1 a mittelbar nach dem Phasenwinkel 240° liegt. Wenn
ausgezogene Kurve wiedergegeben. An dem Ver- 5° der dem Thyristor 1 zugeführte Zündimpuls bei 120°
braucher liegt eine Spannung, die periodisch nach liegt, dann fließt von dem Zeitpunkt 120° ein Strom
einem mit I bezeichneten Intervall Null wird. Durch von der Klemme 31 über den Thyristor 1 und den
Verändern des Zündzeitpunktes im Verlauf einer Verbraucher 5 zurück zur Klemme 32. Kurz nach dem
solchen Spannung-»Halbwelle« läßt sich die mittlere Zeitpunkt 240° bekommt der Thyristor 2 einen Zündspannung
am Verbraucher 5 ändern. Dabei bereitet 55 impuls, so daß von da an ein Strom von der Klemme
jedoch das Löschen des Thryistors in der Umgebung 33 über den Thyristor 2 und den Verbraucher 5 zuder
Nullstelle der Gleichrichterspannung Schwierig- rück zu Klemme 32 fließt. Da nunmehr die Spannung
keiten, besonders wenn diese Spannung nach dem zwischen den Klemmen 33 und 32 größer als die
Nullwerden sehr schnell" wieder ansteigt. Diese . zwischen den Klemmen 31 und 32 ist, wird der Thy-Schwierigkeiten
lassen sich etwas vermindern, wenn 60 ristor 1 in Sperrichtung beansprucht und geht in den
man in den Lastkreis zusätzlich Bauelemente mit Sperrzustand über. Über den Thyristor 2 fließt daeinem
Schwellwert, z. B. Ventile, einfügt. Dadurch gegen bis zum Zeitpunkt 420° ein Laststrom. Dieser
wird die Zeit zwischen dem Unterschreiten des Halte- Thyristor geht danach jedoch ebenfalls in den Sperrstromwertes
und der erneuten Beanspruchung des zustand, da er mindestens während einer Zeitdauer
Thyristors in Durchlaßrichtung vergrößert. Bei dieser 65 von 120° nicht mehr in Durchlaßrichtung bean-Anordnung
sind zwar keine zusätzlichen Mittel für spracht wird. Diese Zeitdauer ist bei praktisch allen
die Löschung des Stromtores erforderlich. Allerdings in der Stromversorgungstechnik vorkommenden
läßt sich auch nicht die maximal von einem Drei- Speisefrequenzen erheblich größer als die Turn-off-
Zeit eines Thyristors. Schwierigkeiten können jedoch durch die dem Verbraucher parallel geschaltete Nullanode hervorgerufen werden. Der Spannungsabfall
an dieser Diode addiert sich nämlich zu der Spannung der Gleichrichter und treibt unter Umständen
auch dann noch einen über dem Haltestromwert liegenden Strom über den Thyristor 2, wenn die Spannung zwischen den Klemmen 32 und 33 Null ist. Um
dies zu vermeiden, kann zwischen Klemme 32 und Phase R ein Gleichrichter mit hohem Schwellwert xo
verwendet oder ein zusätzliches Ventil in den Laststromkreis des Thyristors 2 geschaltet werden.
Soll beispielsweise die Verbraucherspannung sehr weit herabgesteuert werden, so daß der Anschnittswinkel mehr als 240° beträgt, dann wird der Steuer- »5
impuls nur noch dem Thyristor 2 zugeführt, und Thyristor 1 bleibt dauernd gesperrt.
Einleitend wurde bereits erwähnt, daß sich ein einfacherer Steuersatz ergibt, wenn der Thyristor 1 nicht
zwischen die Klemmen 31 und 53, sondern zwischen *o den Klemmen 31 und 33 angeschlossen wird. Hierbei
muß zwischen Phase R und Klemme 33 ein zusätzliches Ventil geschaltet werden, das zugleich den
Löschvorgang des Thyristors 2 begünstigt, wie schon zuvor erläutert. In diesem Fall braucht der Steuer- as
satz nur alle 360° einen Zündimpuls zu liefern, dessen Phasenlage zwischen 0 und 360° abhängig von der
Steuerspannung Us, verändert werden kann und der
beiden Thyristoren 1 und 2 zuzuführen ist, solange er in dem Bereich I liegt Der Strom kommutiert in
diesem Fall im Zeitpunkt 240° von dem Thyristor 1 auf den Thyristor 2. Thyristor 2 erlischt danach.
Liegt der Phasenwinkel der Zündimpulse jedoch in dem Bereich II, dann sind diese Zündimpulse nur
dem Thyristor 2 zuzuführen. Die Zuleitung dieser Zündimpulse zu dem Thyristor 1 ist daher zu sperren,
sobald der Phasenwinkel der Zündimpulse mehr als 240° beträgt
Die vorliegende Erfindung hat besondere Bedeutung für die Regelung und Steuerung des Erreger-
stromes von Generatoren, insbesondere von Drehstromgeneratoren mit nachgeschaltetem Gleichrichter,
wie sie in zunehmendem Maße in Stromversorgungsanlagen auf Fahrzeugen als Ersatz für Gleichstromgeneratoren verwendet werden. Neben dem niedrigen
Aufwand an Bauelementen bietet die erfindungsgemäße Anordnung gerade in diesem Anwendungsfall noch den besonderen Vorteil, daß die Funktionsfähigkeit auch dann noch gewährleistet ist wenn keine
sinusförmigen Spannungen zur Verfügung stehen. Die Ausgangsspannung eines Synchrongenerators mit
nachgeschaltetem Gleichrichter verläuft nämlich nur im Leerlauffalle sinusförmig, im Belastungsfalle dagegen rechteckförmig. Durch diesen Sachverhalt wird
aber bei der Anordnung nach der Erfindung lediglich der Bereich II auf Kosten des Bereiches I größer, ein
Sachverhalt der sich bei der Gestaltung des Steuersatzes ohne weiteres berücksichtigen läßt
Claims (7)
1. Anordnung zur Steuerung des mittleren, durch einen Verbraucher fließenden Gleichstromes durch periodisches Schalten mit Hilfe
von Thyristoren, wobei das Verhältnis von Abschaltdauer zur Dauer der gesamten Periode durch
eine Steuerspannung bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gleichstromquelle vorgesehen ist, die eine Spannung mit
beliebigem Verlauf liefert, daß eine zweite Gleichstromquelle vorgesehen ist, die während eines
ersten Teilabschnittes einer jeden Periode eine Spannung liefert, die zumindest vorübergehend
Null und im übrigen Teil des Bereiches kleiner als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist
und die in einem zweiten Teilabschnitt größer als die Spannung der ersten Gleichstromquelle ist,
und daß der Verbraucher (5) an die beiden Gleichstromquellen über zwei Thyristoren (1, 2) angeschlossen ist, die derart steuerbar sind, daß der
Verbraucher während des zweiten Abschnittes jeder Periode stets von der zweiten Gleichstromquelle gespeist wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichstromquelle Gleichrichter dienen, die an ein dreiphasiges Speisenetz
angeschlossen sind und kein Giättungsmittel enthalten.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichstromquelle aus
einem Gleichrichter (7) in Drehstrombrückenschaltung besteht, bei der einer der zwischen den
drei Phasen und einer Gleichstromklemme (31) liegenden Ventilzweige fehlt.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichstromquelle
aus einem Gleichrichter (3) mit zwei Ventilzweigen besteht, die zwischen zwei Phasen und
einer Gleichstromklemme (32) liegen, wobei die zweite Gleichstromquelle (33) mit der dritten
Phase verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (3) in Drehstrombrückenschaltung vorgesehen ist, bei dem
einer der zwischen den drei Phasen und einer Gleichstromklemme liegenden Ventilzweige fehlt
daß die Spannung der ersten Gleichstromquelle zwischen der positiven und negativen Klemme
(31, 32) dieser Brücke und die Spannung der zweiten Gleichstromquelle zwischen der einen
Klemme (32) der Brücke und derjenigen Phase abgegriffen wird, die nicht über einen Ventilzweig mit der anderen Gleichstromquelle (33)
verbunden ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (S) über einen Thyristor (1) mit der ersten
Gleichstromquelle und über einen zweiten Thyristor (2) mit der zweiten Gleichstromquelle verbunden ist
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (5) über einen Thyristor (2) an die zweite
Gleichstromquelle und über diesen und einen weiteren Thyristor (1) an die erste Gleichstromquelle angeschlossen ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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