DE1513122C - Anordnung zur Regelung des von einer Wechselspannungsquelle über m Zweiweg schaltung geschaltete steuerbare Gleich nchterzellen gelieferten Gleichstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung des von einer Wechselspannungsquelle über in Zweiwegschaltung geschaltete steuerbare Gleichrichterzellen gelieferten Gleichstroms mit einer die Gleichrichterzellen steuernden elektronischen Kippschaltung und einer nach Art eines Magnetverstärkers aufgebauten Strommeßeinrichtung, welche das Ansprechen der Kippschaltung in Abhängigkeit von dem zu regelnden Strom steuert.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (französische Patentschrift 1J254 460) erfolgt die Steuerung des Ansprechpunktes der Kippschaltung dadurch, daß der abgegebene Gleichstrom einen Magnetverstärker steuert, dessen Ausgangsspannung einem elektronisehen Relais zugeführt wird. Sobald die von dem Magnetverstärker abgegebene Spannung einen bestimmten zulässigen Wert überschreitet, spricht das elektronische Relais an, das dann die Kippschaltung außer Betrieb setzt. Dadurch wird ein Überstrom abgeschaltet.. Eine solche mit elektronischen Kippschaltungen arbeitende Anordnung weist grundsätzlich eine gewisse Schalthysterese auf, weil das Umschalten vom Arbeitszustand in den Ruhezustand bei einem anderen Wert der Steuerspannung erfolgt als das Umschalten vom Ruhezustand in den Arbeitszustand.

Es ist andererseits eine Anordnung bekannt (The

Marconi Review, 1. Quartal 1962, S. 85 bis 87), bei der die Ausgangsspannung des von dem ,Gleichstrom gesteuerten MagnetverstärkerseineriSägezahnspannung überlagert wird, die dem Eingang eines Schmitt-Triggers zugeführt wird, von dessen Ausgangssignal Zündimpulse für die steuerbaren Gleichrichterzellen abgeleitet werden. Dadurch wird der Zündzeitpunkt der steuerbaren Gleichrichterzellen in Abhängigkeit von dem abgegebenen Gleichstrom verschoben. Diese bekannte Anordnung arbeitet also mit Phasenanschnittsteuerung, wodurch keine Schalthysterese auftritt. Man muß jedoch die Nachteile der Phasenanschnittsteuerung in Kauf nehmen, insbesondere dauernde Störsignale großer Amplitude und einen ungünstigen Leistungsfaktor. Im Gegensatz dazu arbeiten die eingangs angegebenen Anordnungen in ganzen Halbwellen.
Es sind auch Gleichstromwandler bekannt, die nach Art von stromsteuernden Magnetverstärkern aufgebaut sind und zwei sättigbare Magnetkerne enthalten, die einerseits von dem zu messenden Gleichstrom durchflutet werden und andererseits zwei gegensinnig geschaltete Wicklungen tragen, "die an einer Erregungswechselspannung liegen.

Die Ausgangsspannung eines solchen Gleichstromwandlers geht bei jedem positiven und negativen Scheitelwert der Erregungsspannung kurzzeitig auf Null und steigt dann wieder schnell auf einen Wert an, der durch den zu messenden Gleichstrom bestimmt ist. .

Es ist bekannt (britische Patentschrift 618 247), solche Gleichstromwandler in Spannungsregelschaltungen zu verwenden, doch wird dabei der zuvor angegebene besondere Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers nicht ausgenutzt, sondern diese steuert zwei gegensinnig geschaltete Gleichrichteranordnungen, deren Ausgangsspannungen addiert und als Steuerspannung verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Gleichstromregelanordnung der eingangs genannten Art, die bei Steuerung in ganzen Halbwellen ohne Schalthysterese arbeitet und dadurch bei einfachem Aufbau ein sehr genaues Einhalten eines bestimmten Stromwerts ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Strommeßeinrichtung ein nach Art eines

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stromsteuernden Magnetverstärkers aufgebauter Gleichstromwandler verwendet ist und der Steuereingang der Kippschaltung mit den Ausgangsklemmen des Gleichstromwandlers so verbunden ist, daß die Kippschaltung durch die in jeder Halbwelle der Speisespannung auftretende kurze Unterbrechung der Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers in den Arbeitszustand und beim Überschreiten eines Schwellwerts dieser Ausgangsspannung in den Ruhezustand gebracht wird, und daß die Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichterzellen so mit dem Ausgang der Kippschaltung verbunden sind, daß diese entsperrt werden, wenn sich die Kippschaltung am Beginn einer Halbwelle im Arbeitszustand befindet.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in ihrer Anwendung auf die Widerstandsbremsung eines Bahnmotors beispielshalber erläutert.

F i g. 1 zeigt die Prinzipschaltung der Hauptstromkreise; :

F i g. 2 zeigt die allgemeine Schaltung der Regelanordnung;

Fig. 3 sind Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise; . .

F i g. 4 zeigt einen abgewandelten Teil der Regelanordnung.

¹In Fig. 1 sieht man einen Bahnmotor M, welcher als Stromerzeuger auf einen veränderlichen Widerstand R zur Bremsung eines Fahrzeugs mit einer konstanten Kraft arbeitet. Diese letztere Bedingung wird dadurch erfüllt, daß auf einem festen Wert gleichzeitig der von dem Stromerzeuger gelieferte Strom Y und sein Erregerstrom /gehalten werden, welcher von einer Erregermaschine E mit Fremderregung geliefert wird, welche von einem nicht dargestellten Hilfsmotor angetrieben wird.

Die Regelung des Stroms Y erfolgt in bekannter Weise durch Verringerung des Widerstands R nach Maßgabe der Abnahme der Drehzahl, und die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung zur Einregelung des Stroms J auf einen gegebenen Wert J_e.

Diese Regelanordnung ist schematisch in Fig. 1 bei H₁ und H₂ dargestellt. Sie wirkt auf den Erregerstrom /der Erregermaschine ein, während der Strom J₀ durch die Schaltwalze A festgelegt wird.

Die Stromquelle für den Strom / wird durch eine in dem dargestellten Beispiel als einphasig angenommene Wechselspannung U gebildet.

In den nachstehenden Ausführungen sind diese Spannung U sowie die Drehzahl der Erregermaschine als konstant angenommen, sie können sich jedoch auch ändern, z. B. infolge von Änderungen der Fahrdrahtspannung, ohne die Arbeitsweise zu beeinträchtigen, vorausgesetzt, daß die Erregermaschine und die Regelorgane entsprechend bemessen sind.

F i g. 2 zeigt die Schaltung der in Fig. 1 bei H₁ und H₂ dargestellten Regelanordnung. Die Wechselspannung U speist zunächst über einen Transformator S₁ eine Gleichrichterbrücke 2, welche in üblicher Weise mit einem Kondensator 3 und einer Zenerdiode Z verbunden ist, um eine stabilisierte Spannung U₈ zu erhalten, welche eine elektronische Kippschaltung 11 und einen Widerstand 1 speist, welcher durch die Schaltwalze A einstellbar ist und teilweise von einem Kondensator C überbrückt wird.

Die Wechselspannung U speist ferner über einen Transformator S₂, dessen Primärphase mittels eines Phasenschiebers 6 eingestellt werden kann, Erregerwicklungen 9 eines Gleichstromwandlers 7 an sich bekannter Bauart. Diese Erregerwicklungen, welche in Gegenschaltung auf zwei außerdem durch den Strom / erregten sättigbaren Drosselspulen 8 angeordnet sind, sind in Reihe mit einer Gleichrichterbrücke in Grätzschaltung 5 geschaltet, welche an einen Widerstand 10 angeschaltet ist, dessen positive Klemme über eine Verbindung 4 in der dargestellten Weise mit dem negativen Pol des konstanten Abschnitts des Widerstands 1 ίο verbunden ist. .

Schließlich speist die Wechselspannung U noch über einen Transformator S₃ und zwei gesteuerte Gleichrichter, und zwar Halbleiterthyratrons G₁ und G₂, in Gegentaktschaltung die Erregerwicklung e der Erregermaschine, an deren Klemmen eine Diode 12 angeschlossen ist.

Die Kippschaltung 11 wird in bekannter Weise durch zwei Transistoren T₁ und T₂ gebildet, wobei der Kollektor dieses letzteren Transistors mit den Steuerelektroden C₁ und C₂- der Halbleiterthyratrons G₁ und G₂ verbunden ist. Die Kippschaltung 11 ist so ausgebildet, daß T₁ leitend und T₂ gesperrt wird, .· wenn die Eingangsspannung U_a unter einen bestimmten Wert U₀ fällt. Dagegen wird T₁ gesperrt und T₂ leitend, wenn U_a einen Wert erreicht, welcher größer als U₀ +/ist, wobei / die Hysterese der Kippschaltung darstellt. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Eingangsspannung Ua gleich der Differenz zwischen der durch den Spannungsteiler 1 gegebenen Spannung U₀ und der zwischen den Klemmen des Widerstands 10 abgenommenen gleichgerichteten Spannung/

Die Arbeitsweise der Regelschaltung ist nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 3 erläutert.

Die Signale zur Sperrung und Entsperrung der Halbleiterthyratrons G₁ und G₂ werden von der Kippschaltung 11 geliefert, welche durch den Gleichstromwandler 7 gespeist wird, welcher mit der Gleichrichterbrücke 5 und dem Widerstand 10 kombiniert ist. Wenn die beiden Halbleiterthyratrons leitend sind, nimmt der Strom / gemäß einer Gesetzmäßigkeit zu, welche von dem Widerstand und der Selbstinduktion des die Erregerwicklung e enthaltenden Stromkreises abhängt. Wenn sie gesperrt sind, nimmt der Strom / in entsprechender Weise ab, wobei er sich über die Diode 12 schließt. . .

Bekanntlich hat die durch die Teile 7, 5 und 10 gebildete Schaltung die Eigenschaft, an den Klemmen des Widerstands 10 eine Spannung j zu erzeugen, welche zu dem zu messenden Strom J proportional ist, außer in der Nähe des Scheitelwerts einer jeden Halbwelle der Spannungsquelle Ud, wo sie eine kurze Unterbrechung erfährt, welche durch eine geeignete Einstellung des Phasenschiebers 6 zu den Zeitpunkten Z₁, /_a, /₃ usw. (F i g. 3) kurz vor dem Ende einer jeden der "Halbwellen U₁, U₂, U₃ usw. auftritt. Die Halbleiterthyratrons G₁ und G₂ werden also systematisch kurz vor dem Ende einer jeden Halbwelle zu den Zeitpunkten Z₁, I₂, /₃ usw. bei beliebiger Größe des Stroms J entsperrt, so daß diese Thyratrons leitend werden und die Erregerwicklung β kurz vor dem Ende einer jeden Halbwelle speisen.

.Andererseits wird die ein Abbild des Stroms / bildende Spannung j mit der Bezugsspannung U₀ verglichen, welche von dem Widerstand 1 (F i g 2) aus der stabilisierten Gleichspannung U₃ geliefert wird, und die Differenz U_a speist den Eingang der Kippschaltung 11, welche zu Beginn einer jeden Halbwelle folgende Wirkungen hat:

Wenn / zu klein ist (J kleiner./^ und U_a größer als U₀), wie dies bei den Halbwellen U₁, i/_s, U₆ der Fall ist, bleiben die Thyratrons entsperrt, und der Strom nimmt zu. Wenn jedoch J,zu groß ist (HalbweUen U₂,'U₃, U₄) werden die Thyratrons von Beginn der nächsten Halbwelle an gesperrt, und der Strom. / ninimt ab. Sie werden wieder am Ende der Halbwelle leitend, wie oben ausgeführt, jedoch so kurzzeitig und bei einer so niedrigen Spannung, daß der Strom / sehr klein bleibt. ■ ..

Die kurze Unterbrechung, von j bei.jeder Halbweile erzeugt somit die systematische Entsperrung der Thyratrons am Ende einer jeden Halbwelle, worauf diese Entsperrung aufrechterhalten oder aufgehoben wird, je nachdem, ob J zu Beginn der nächsten Halbwelle zu klein oder zu groß ist. So geht z. B. aus Fig. 3 hervor, daß zu den Zeitpunkten b{,b₂ und b_z die HalbweUen U₂, U₃ und i/₄ nicht gezündet werden, weil unter diesen Bedingungen die Spannung/zu groß ist, während während der auf die Zeitpunkte b_i und b₅ folgenden HalbweUen U₅ und U₆ die Thyratrons leiten, da die Spannung j und infolgedessen der Strom J

zu. klein ist. ...-'..

Die Kippschaltung 11 ist, wie oben ausgeführt, so eingestellt, daß die Thyratrons gesperrt werden, wenn der Strom J eine solche Größe hat, daß U_a kleiner als Uo ist. Infolge ihrer .obenerwähnten Hysterese/ kann die Kippschaltung 11 die. Entsperrung nur bewirken, wenn j einen solchen Wert hat, daß U_a größer ,als IZ₀+/ist, d. h., wenn. U_a. die Ordinaten d_u d₂, d_z usw. der F i g. 3 übersteigt. Im allgemeinen erfordert die Genauigkeit des Arbeitens der Kippschaltung einen geringen Wert von /. Infolge der systematischen Aufhebung von j in jeder Halbwelle hat jedoch der Wert* von / keinerlei Bedeutung mehr, so daß die Vorgänge so verlaufen, als ob eine ideale Kippschaltung "mit der Hysterese Null vorhanden • wäre. ■ ■- '·'·■'. ' · ■ ·■ . . .

Der große Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, daß eine Regelung des Stroms J ohne Anwendung anderer Kunstgriffe ohne Pendelurigen erzielt werden kann. Die Pendelungen rühren nämlich zum großen Teil von dem Unterschied zwischen den Stromwerten her, welche seine Vergrößerung oder seine Verkleinerung bewirken, wobei dieser Unterschied eben die Hysterese der Steuervorrichtung ist.

Wie angegeben, erfordert das Arbeiten der Vorrichtung eine richtige Phasenverschiebung der den Meßtransformator 7 speisenden Spannung Ua- Diese Phasenverschiebung liegt in der Nähe von π/2 bei einer sinusförmigen Spannung, sie kann jedoch von diesem Wert vollständig verschieden sein, wenn die Spannung wesentliche Oberwellen enthält.

■ Man kann eine .große .einstellbare ^: Phasenverschiebung vermeiden und ein richtiges Arbeiten trotz der Oberwellen durch Wahl der in Fig. 4 dargestellten abgewandelten Schaltung erhalten, welche

.5 dem Teil /Z₂ der Fi g. 2 entspricht^ wobei außerdem der Phasenschieber:6 fortfällt.^: /■;·.^{; !I} - ^: ·;

.Infolge dieses^: Fortfalls tritt die kurze systematische Unterbrechung der Spannung/in voller Halbwelle auf, so daß der Ausgang der Kippschaltung 11 systematisch

ίο in voller Halbwelle Strom liefert. Diese Stromlieferiihg ist jedoch nur kurzzeitig, wenn J zu groß ist. Wenn J zu klein ist, bleibt.sie dagegen bestehen,- bis J zu groß wird. ■ -r ;·- ■■■ '■" ·;",■■ ' *'^;\'· ■:'■·/.'-■ ■ ■' .·:^:'.·'■■'< '■" Dieser Ausgangsstrom entsperrt wiederum die Thyratrons G₁. und G₂, jedoch über zwei "Hilfsfhyratrons £j und g₂, vorausgesetzt^ daß diese leitend sind; Nun werden diese Hilfsthyratrons durch -eine Hilfswicklung α des Transformators S₃ entsperrt, weiche so geschaltet ist, daß g_x durch seine Steuerelektrode e'ntsperrt wird, wenn C₁ mit Sperrspannung gespeist wird und somit keinen Strom führen kann. Das Gleiche ' gilt für g₂ und G₂. . ,

Wenn daher J zu groß ist, hat die augenblickliche Stromlieferung der Kippschaltung -keine Wirkung auf G₁ und G₂, welche von Beginn der gerade arbeitenden Halbwelle an sperren und gesperrt bleiben.

Wenn y zu klein wird, bleibt die' systematische Stromlieferung der Kippschaltung bestehen, da ^₁ leitend bleibt, wenn T₂ leitend ist, und G₁ ebenfalls leitend wird, sobald es mit einer der Durchlaßrichtung entsprechenden Spannung gespeist wird. Ebenso.erzeugt g₂ in der gleichen. Weise jedoch mit einer Verschiebung um eine Halbwelle die Leitfähigkeit von G₂ · G₁ und G₂ bleiben also entsperrt und liefern von Beginn der gerade arbeitenden Halbwelle an abwechselnd Strom.

Man erhält also das gleiche Ergebnis wie bei der

ersten Lösung, d. h., eine von der Hysterese der Kippschaltung unabhängige Regelung. Es bleibt

-· jedoch keine Reststromlieferung der Thyratrons bestehen, wenn J zu groß ist.. Dieser Vorteil ist vernachlässigbar gegenüber der■· gewünschten Verbesserung, welche in dem Fortfall des Phasenschiebers und einem stets richtigen Arbeiten trotz der möglichen Verformungen der Spannung U besteht, welche mit"der Belastung besonders fühlbar werden, wenn die Stromquelle ein einphasiger Wechselstromerzeuger ist.

In den beiden betrachteten Fällen hat die Kapazität C die Hauptaufgabe, ein etwaiges Pendeln zu verhindern, welches durch die Zeitkonstante der

So Erregerstromkreise erzeugt werden könnte. Diese Kapazität erzwingt nämlich so langsame Änderungen der Bezugsspannung, daß die Regelung ohne merkliche Verzögerung folgen kann.

'■ Hierzu 1 Blatt Zeiclinungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Regelung des von einer Wechselspannungsquelle über in Zweiwegschaltung geschaltete steuerbare Gleichrichterzellen gelieferten Gleichstroms mit einer die Gleichrichterzellen steuernden elektronischen Kippschaltung und einer nach Art eines Magnetverstärkers aufgebauten Strommeßeinrichtung, welche das Ansprechen der Kippschaltung in Abhängigkeit von dem zu regelnden Strom steuert, dadurch gekennzeichnet, daß als Strommeßeinrichtung ein nach Art eines stromsteuernden Magnetverstärkers aufgebauter Gleichstromwandler (7) verwendet ist und der Steuereingang der Kippschaltung (11) mit den Ausgangsklemmen des Gleichstromwandlers(7) so verbunden ist, daß die Kippschaltung (11) durch die in jeder Halbwelle der Speisespannung auftretende kurze Unterbrechung der Ausgangsspannung (j) des Gleichstromwandlers (7) in den Arbeitszustand und beim Überschreiten eines Schwellwerts dieser Ausgangsspannung (7) in den Ruhezustand gebracht wird, und daß die Steuerelektroden der steuerbaren Gleichrichterzellen (G₁, G₂) so mit dem Ausgang der Kippschaltung verbunden sind, daß diese entsperrt werden, wenn sich die Kippschaltung am Beginn einer Halbwelle im Arbeitszustand befindet.

2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannung (7) des Gleichstromwandlers (7) gegensinnig in Serie mit einer einstellbaren stabilisierten Gleichspannung (Uc) an den Steuereingang der Kippschaltung (11) gelegt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Gleichstromwandlers (7) ein Phasenschieber (6) vorgeschaltet ist, welcher die kurze Unterbrechung der Ausgangsspannung (7) des Gleichstromwandlers zum Ende der Halbwelle hin verschiebt.

' 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungen zwischen den Steuerelektroden der steuerbaren Hauptgleichrichterzellen (G₁, G₂) und dem Ausgang der Kippschaltung (11) steuerbare Hilfsgleichrichterzellen (g_v g₂) eingefügt sind, deren Steuerelektroden von der zur Erregung der Erregermaschine (E) benutzten Wechselspannung gegenphasig so gesteuert werden, daß sie jeweils während der Halbwellen entsperrt sind, in denen die zugeordnete Hauptgleichrichterzelle (G₁ bzw. G₂) in der Sperrichtung beaufschlagt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4 mit einem Speisetransformator, für die Hauptgleichrichterzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der Hilfsgleichrichterzellen (^₁, g₂) an die Außenklemmen einer mit einer Mittejanzapfung versehenen Zusatzwicklung (α) des Speisetransformators (S₃) der Hauptgleichrichterzellen (G₁, G₂) angeschlossen sind.