DE1922328C3 - Mehrstufiger, vorzugsweise zweistufiger Stromverstärker - Google Patents

Description

duktor mit IiL Transduktordrosse. und Gleich- ^n^^njs^c^s^^ nchtern und aus einer dem Transduktor nach- I«*™ ^_βεη mehrstufigen Stromverstärker

geschaUeten Thymtorschaltung mit mindestens ™™gS md weiterzubilden, was im folgenden

einem Thyristor, bei dem die Arbeitswicklung der io auszugesta ne π"""" «,«-den soll

Transduktordrossel den Zündkreis des Thyristors nur beispielhaft ^^Ι^Ι^ηάνη* weist die . ,. _... ,,.,_,. .' . χ;Qr-Vi Girier weiteren Lenre aer cmnuuiig weist die

bzw. die Zundkreise der Thyristoren speist d a- ^^J^ _eine vom Zündstrom der Thyri-

d u r ch gek en η zeichnet, daß die Trans- J^SS^ait Mitkopplungswicklung und/oder

duktordrossel 5) eine vom Ausgangsstrom des stören öurcnnosÄciic Jf¹U- °_{n d}° * L_if

Stromverstärkers durchflossene Gegenkopplungs- «5 eine Vorstromwicklung zur fcinstellung des Arbeitsil ( f

gppg

wicklung (10) aufweist. ^PU^em erfindungsgemäßen mehrstufigen Strom-

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch ue· ^aem erunuung:>_e^ & gekennzeichnet, daß die Tra„sduktordrossel (5) verstärker kann insbesondere auch.die dem Transeine vom Zündstrom der Thyristoren (8) durch- duktor nachgeschaltete Thy«torschaltung unterflossene Mitkopplungswicklung (H) aufweist. a> schiedlich ausgeführt sein. Soll bei dem erfindungs-

3. Stromverstärker nach Anspruch 1 oder 2, gemäßen mehrstufigen Stromverstärker der Ausgangsdadurch gekennzeichnet, daß die Transduktor- strom als Gleichstrom vorliegen so wrdde Thyristordrossel (5) eine Vorstromwicklung (12) zur Ein- schaltung vorzugsweise als ^^"e™⁸™^- stellung dfes Arbeitspunktes aufweist. schaltung ausgeführt Wird dagegen der Ausgangs-

4. Stromverstärker nach einem der Ansprüche 1 *s strom in Form von Wechselstrom r^_notlgt, so empbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristor- fiehlt es sich, die Thyristorschaltung mn einem einschaltung (2) als halbgesteuerte Brückenschaltung zelnen Thyristor und einer nachgtordneten, unausgeführt ist gesteuerten Brückenschaltung auszufuhren.

5. Stromverstärker nach einem der Ansprüche 1 Schließlich können η Transduktor.und π Thyri-

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristor- 30 storschaltungen zu einem Stromverstärker mit« vonschaltung (2) mit einem einzelnen Thyristor (8) einander unabhängigen Eingangen und « voneinander und einer nachgeordneten, ungesteuerten Brücken- unabhängigen Ausgangen zusammengeschaltet werschaltung (15) ausgeführt ist. den. .

6. Stromverstärker nach einem der Ansprüche 1 Der durch die Erfindung erreichte Vorteil .st zu-

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß η Trans- 35 sammengefaßt darin zu sehen, daß der bekannte duktoren (1) und η Thyristorschaltungen (2) zu mehrstufige Stromverstärker, von dem die Erfindung einem Stromverstärker mit η voneinander unab- ausgeht, so ausgestaltet und weitergebildet worden ist, hängigen Eingängen und η voneinander unab- daß der Ausgangsstrom in weiten Grenzen unabhängig hängigen Ausgängen zusammengeschaltet sind. von der Impedanz des Ausgangskreises dem Steuer-

40 strom linear zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist ein mehrstufiger Stromverstärker mit einem Trans-

duktor und einer nachgeschalteten Thyristorschaltung

angegeben worden, der ein sogenanntes Konstantstromverhalten aufweist.

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen, Vorzugs- 45 Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer weise einen zweistufigen Stromverstärker, bestehend Zeichnung, in der unter anderem Ausführungsbeispiele aus mindestens einem durchflutungsgesteuerten, strom- von erfindungsgemäßen Stromverstärkern dargestellt steuernden Transduktor mit einer Transduktordrossel sind, ausführlicher erläutert; es zeigt und Gleichrichtern und aus einer dem Transduktor F i g. 1 das Blockschaltbild eines erfindungsgemä-

nachgeschalteten Thyristorschaltung mit mindestens 50 ßen Stromverstärkers,

einem Thyristor, bei dem die Arbeitswicklung der F i g. 2 das Schaltschema einer Ausführungsform

Transduktordrossel den Zündkreis des Thyristors eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers, bei dei bzw. die Zündkreise der Thyristoren speist. der Ausgangsstrom als Gleichstrom abgegeben wird

Mehrstufige Stromverstärker der zuvor beschrie- F i g. 3 das Schaltschema einer Ausführungsforrr

benen Art sind vielfach bekannt (vgl. die DT-AS 55 eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers, bei dei 1221290 sowie die Literaturstellen »Automatik«, der Ausgangsstrom als Wechselstrom abgegeben wird Juli 1965, S. 261 bis 26S, und »Regelungstechnik«, F i g. 4 ein Steuerkennlinienfeld eines erfindungs

1964, Heft 3, S. 97 bis 104). Allen bekannten mehr- gemäßen Stromverstärkers mit dem Widerstand de: stufigen Stromverstärkern, von denen die Erfindung Ausgangskreises als Parameter, ausgeht, ist gemeinsam, daß der Ausgangsstrom 6p F i g. 5 ein Ausgangskennlinienfeld eines erfindungs nicht nur vom Steuerstrom, sondern auch von der gemäßen Stromverstärkers mit dem Steuerstrom al: Impedanz des Ausgangskreises abhängt. Mit anderen Parameter,

Worten ist der Ausgangsstrom dem Steuerstrom nicht F i g. 6 eine oszillographische Aufnahme des Ver

zwingend linear zugeordnet. laufs des Ausgangsstromes eines erfindungsgemäßei

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, 65 Stromverstärkers mit ohmisch-induktiver Belastuni den bekannten, eingangs beschriebenen, mehrstufigen im Ausgangskreis,

Stromverstärker so auszugestalten und weiterzubilden, F i g. 7 teilweise als Schaltschema, teilweise al

daß der Ausgangsstrom in weiten Grenzen unabhängig Blockschaltbild, einen Stromverstärker mit « von

Vv.η =

'U. mal

V —

'L'.dyn ~

N_s =

einander unabhängigen Eingängen und η voneinander U ₄ =

unabhängigen Ausgängen,

F i g. 8 ein Steuerkennlinienfeld des Stromverstärkers nach F i g. 7 mit den Widerständen der Ausgangskreise als Parameter und

F i g. 9 ein Steuerkennlinienfeld eines Stromverstärkers entsprechend der F i g. 7, jedoch ohne Gegenkopplungswicklung und ohne Mitkopplungswicklung, mit den Widerständen der Ausgangskreise als Parameter.

Der in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Stromverstärker ist im Ausführungsbeispiel zweistufig ausgeführt und weist einen durchflutungsgesteuerten, stromsteuernden Transduktor 1 und eine nachgeordnete Thyristorschaltung 2 auf. In das in der F i g. 1 dargestellte Blockschaltbild ist außerdem ein Ausgangskreis 3 sowie eine Rückführung 4 mit aufgenommen.

Den Schaltschemen (F i g. 2 und 3) von zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stromverstärkers ist zu entnehmen, daß der Transduktor 1 im wesentlichen aus einer Transduktordrossel 5 und Gleichrichtern 6besteht unddaßdieArbeitswicklung7 der Transduktordrossel 5 die Zündkreise der Thyristoren 8 der Thyristorschaltung 2 direkt speist. Erfindungsgemäß weist die Transduktordrossel 5 außer der Arbeitswicklung 7 und einer Steuerwicklung 9 eine vom Ausgangsstrom des Stromverstärkers durchflossene Gegenkopplungswicklung 10 auf. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind außerdem eine vom Zündstrom der Thyristoren 8 durchflossene Mitkopplungswicklung 11 und eine der Einstellung des Arbeitspunktes der Transduktordrossel 5 dienende Vorstromwicklung 12 vorgesehen.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers wird der Ausgangsstrom als Gleichstrom abgegeben. Bei dieser Ausfuhrungsform ist die Thyristorschaltung 2 als halbgesteuerte Brückenschaltung ausgeführt, weist also die Thyristorschaltung 2 neben den Thyristoren8 Gleichrichter 13 und eine sogenannte Freilaufdiode 14 auf.

Die F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromverstärkers, bei dem der Ausgangsstrom als Wechselstrom abgegeben wird. In 4s diesem Fall ist die Thyristorschalturg 2 mit einem einzelnen Thyristor 8 und einer nachgeordneten ungesteuerten Brückenschaltung 15 mit Gleichrichtern 16 ausgeführt.

Für den gesamten Widerstand des Steuerkreises steht der Widerstand 17, für den Widerstand des Zündkreises der Widerstand 18 und für den Widerstand des Ausgangskreises 3 der Widerstand 19. Außer dem Widerstand 19 gehört zu dem Ausgangskreis 3 noch die Induktivität 20.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Stromverstärkers wird im folgenden an Hand von Gleichungen erläutert, in denen die einzelnen Größen folgende Bedeutung haben:

Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Stromverstärkers,
Ausgangsspannung des Transduktors, Ausgangsspannung der Thyristorschaltung,

= Spannungsverstärkung des Transduktors, = Spannungsverstärkung der Thyristor-

schaltung,
= stationäre Gesamt-Spannungsver-

stärkung,
= dynamische Gesamt-Spannungsver-

stärkung,

= Windungszahl der Steuerwicklung, = Windungszahl der Gegenkopplungswicklung,

= Windungszahl der Mitkopplungswicklung,

= Windungszahl der Arbeitswicklung, = Zeitkonstante des Transduktors, = Zeitkonstante des Ausgangskreises, = Gesamt-Zeitkonstante des erfindungsgemäßen Stromverstärkers, = Steuerstrom des erfindungsgemäßen

Stromverstärkers,
= Ausgangsstrom des erfindungsgemäßen

Stromverstärkers,

= Zündstrom der Thyristorschaltung, = Stromverstärkung der Thyristorschaltung,

= Gesamt-Leistungsverstärkung des erfindungsgemäßen Stromverstärkers, = Widerstand des Ausgangskreises, = Widerstand des Zündkreises, = Formfaktor des Ausgangsstromes. = Laplace - Operator.

Wenn man den »Samplingeffekt« jeder Halbwelle vernachlässigt, kann man mit Hilfe der Laplace Transformation die Übertragungsfunktion G_{7 r} de: Transduktors wie folgt beschreiben:

Gr, =

Vv.Tr

T_Tr ■ ρ + 1 ■

Für die Spannungsverstärkung V_UTr des Trans duktors gilt die bekannte Gleichung

"U.Tr

Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man

N_s

2/

^YU.Tr

•ρ +

Die Spannungsverstärkung V_{11 Th} der Thyristoi schaltung ist durch die folgende Gleichung definier

6ο

G_Tr = übertragungsfunktion des Transduktors. G_A = übertragungsfunktion des Ausgangskreises,
G = Gesamt-Ubertragungsfunktion des erfin-

dungsgemäßen Stromverstärkers.
U₅ = Steuerspannung des erfindungsgemäßen Stromverstärkers,

U.Th

Die übertragungsfunktion des Ausgangskreises d< Stromverstärkers wird durch die folgende Gleichur beschrieben:

c =

= 1 (5)

T_aP+\ ■

Der Ausgangsstrom 1_A des Stromverstärkers wird. wie bereits ausgeführt, über die Gegenkopplungswicklung mit der Windungszahl N_c zurückgeführt. Dabei ist die Durchflutung 1_A ■ N_G der Durchflutung /_s · N_s entgegengerichtet.

Unter Berücksichtigung des in F i g. 1 dargestellten Blockschaltbildes des erfindungsgemäßen Stromverstärkers erhält man für die Gesamt-Ubertragungsfunktion die folgende Gleichung:

G =

2/ N_A

N_n Rs

Ns R,

'V. Tr ' 'V. TH

- p

Wenn die Spannungsverstärkung V_{v Tr} des Trans- Setzt man an Stelle der Spannungsverstärkung

duktors groß ist, also V_{Vi Tr} —* oo, was man durch ent- V_{v Th} der Thyristorschaltung deren Stromverstärkung

sprechende Wahl der Windungszahl N_M der Mit- Vi.th ^em' ^so erhält man für die Gesamt-Zeitkon-

kopplungswicklung erreichen kann, erhält man aus 20 stante T die Gleichung

der Gleichung (6) die Gleichung ₂

,5

(7)

Die Gleichung (7) ist die grundlegende Gleichung für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Strom-Verstärkers. Aus der Gleichung (7) kann man die folgenden charakteristischen Merkmale dieses Stromverstärkers ableiten:

a) Stationäres Verhalten Aus der Gleichung (7) erhält man für ρ —»0 U. Ν.·· R*

I/ A _ '*S ^ΛΧΑ (Ol

'V.stat — 7 r — KJ-B '

v_s N_G K₅

oder unter Berücksichtigung der Tatsache, daß U_A = l_A- R_A und U_x = /_s · R_s-

40

= N_SI

_S.

₍₉₎

45

Die Gleichung (9) beschreibt das Gesetz gleicher Durchflutung, das bei dem erfindungsgemäßen Stromverstärker ebenso gilt, wie bei einem normalen Transduktor. Die Gleichung (9) gilt jedoch nur, wenn die Windungszahl N_c der Gegenkopplungswicklung 1 oder zumindest so klein ist, daß die Stromverstärkung V₁. _Tr des Transduktors sehr groß ist.

b) Zeitkonstante Oj ZÄiiKonsianie

Stellt der Ausgangskreis eine rein ohmsche Last dar, so erhält man, wenn man in die Gleichung (7) T^ —»0 einsetzt, für die Gesamt-Übertragungsfunktion

\Lssi

in der für die Gesamt-Zeitkonstante Gleichung gilt:

(IQ)

N_A- N_c R_s

T. Tr

(12,

Aus den Gleichungen (11) und (12) folgt ohne weiteres, daß die Gesamt-Zeitkonstante T reziprok proportional der Stromverstärkung V_{1 Th} der Thyristorschaltung ist.

^c> Dynamisches Verhalten

Aus den Gleichungen (8) und (11) erhält man für gehe G.amt-Spannungsverstärkung V₁,,,

²'^w

Die dynamische Gesamt-Spannungsverstärkung V_{v dyn} nach Gleichung (13) ist also um die Spannungsverstärkung V_{11 Th} der Thyristorschaltung größer als die Spannungsverstärkung V_{v Tr} nach Gleichung (2).

Aus den Gleichungen (8) und (11) erhält man folgende Gleichung für die Gesamt-Leistunesverstärkung:

γ . J_ _ 7 f - ^N*

^UTr *^J '

60

die folgende Da das Verhältnis NJN₀ groß ist, in der Größen Ordnung 10² bis 10³, ist die Gesamt-Leistungsver Stärkung V_p um den entsprechenden Faktor größei als bei üblichen Transduktoren.

^d» «™uB einer Induktivität im Ausgangskreis

Aus Gleichung (7) folgt, daß die Gesamt-Über tragungsfunktion G des erfindungsgemäßen Strom verstärker« dann, wenn im Ausgangskreis eine Induk tivität vorhanden ist, in eine charakteristische Glei chung zweiter Ordnung übergeht. 1st die Ungleichunj

7" _

N_s<

2/

N_A-N_G

V_v__Tr

(15)
erfüllt, so fuhrt eine Änderung der Eingangsgröße des

7 ^V 8

erfindungsgemäßen Stromverstärkers, also des Steuer- unter dem Wert, der gemessen werden kann, weniger

stromes, zu einer schwingenden Ausgangsgröße, also als eine Periode, da der »Samplingeffekt« bei der Auf-

zu einem schwingenden Ausgangsstrom. Diese Er- stellung der Gleichungen vernachlässigt worden ist.

scheinung tritt auch bei einem normalen Transduktor Bei ohmisch-induktiver Belastung im Ausgangskreis

auf. 5 liegt entsprechend der Gleichung (15), wie die F i g. 5

Die F i g. 4 zeigt nun die experimentell aufgenom- zeigt, eine schwingende Ausgangsgröße vor.

menen Steuerkennlinien eines erfindungsgemäßen Die F i g. 7 zeigt einen Stromverstärker mit /i von-

Stromverstärkers mit folgenden Daten: einander unabhängigen Eingängen und η voneinander

unabhängigen Ausgängen, wobei η Transduktoren

1 ransduktor _{io un(}j _n Thyristorsdialtungen zusammengeschaltet sind.

Ringkern 0,05 χ 35 χ 25 χ 5 mm Mit

y.^{s 4}^ ^'j^g- Ii = Anzahl der parallelgeschalleten Strom- .

^c; 1 Wdg. verstärker

^ ■: · ·.; ™° ^Wf^g· . __ ... '⁵ allelgeschalteten

Thynstorschaltung Thyristoren 2 FF 245 Stromverstärkerund

(l\ Kt, 4U, IK) N_SA,Ns2.... N_Sj,... N_s.„ ■■= Windungszahlen der

Die Linearität der Steuerkennlinien ist, wie bei

einem normalen Transduktor, ausgezeichnet. Es hat 20 erhält man folgende Gleichung:
sich jedoch gezeigt, daß die Zündung der Thyristoren

bei sehr kleinem Steuerstrom, unter 3% des Maximal- _ ^-i!—

wertes, instabil ist. Dieser Nachteil kann dadurch be- 's ~ 2 's./ *'"'

hoben werden, daß für den Transduktor eine Speise- ' ⁼ '

spannung verwendet wird, deren Frequenz den 25 mit

l'^fachen Wert der Frequenz der Speisespannung der j

Thynstorschaltung hat. /_s., = -^- ■ N_s%i · /_s.,. (17)

Das gute Konstantstromvcrhalten des erfindungs- ^c
gemäßen Stromverstärkers bei Änderung der Impedanz des Ausgangskreises in weiten Grenzen zeigt die 30 Aus den Gleichungen (16) und (17) erhält man ohne Fig. 5, die das Ausgangskennlinienfeld des erfin- weiteres, daß die Durchflutungen N_s,/_Sl willkürlich dungsgemäßen Stromverstärkers mit dem Steuer- gewählt werden können. Für den Fall, daß N_Sl = N_s strom /_s als Parameter darstellt. Bei einer Änderung und I_SJ = /_s erhält man aus den Gleichungen (16) des Widerstandes R_A des Ausgangskreises zwischen und (17) die folgenden Gleichungen:
5 und 20 Ω ändert sich der Ausgangsstrom um weniger 35
als 0,1%. j

Die Ausgangsleistung des experimentell untersuch- /_s . = — · /_s, (18)
ten erfindungsgemäßen Stromverstärkers lag bei etwa "
2 kW und damit um den Faktor 10³ über der Ausgangsleistung des verwendeten Transduktor. Es kön- 40 N_s · I₄ = 11 · N_s ■ I_s . (19)
nen, wenn die verlangte Ausgangsleistung größer ist
als die Leistung der Thyristoren, auch mehrere Thyristoren parallel betrieben werden. Bei besonders Aus den Gleichungen (18) und (19) folgt, daß die großen Ausgangsleistungen verliert das Gesetz gleicher Ausgangsströme l_4i gleich sind, unabhängig vom je-Durchflutung, Gleichung (9). seine Gültigkeit. Diese 45 weiligen Widerstand R_Ai der Ausgangskreise.
Erscheinung kann dadurch eleminiert werden, daß F i g. 8 zeigt das Steuerkennlinienfeld für den in der die Spitzen des Ausgangsstromes reduziert werden. F i g. 7 dargestellten Stromverstärker mit η = 3. In Das kann z. B. dadurch geschehen, daß der Ausgangs- einem weiten Bereich sind die Steuerkennlinien, unstrom gefiltert wird. abhängig von der Impedanz des Ausgangskreises,

Die Gesamt-Zeitkonstante T des erfindungsgemä- 50 linear. Zum Vergleich ist in der F i g. 9 das Stcuer-

ßen Stromverstärkers kann für einen Ausgangskreis kennlinienfeld für den in F i g. 7 dargestellten Strom-

mit rein ohmscher Belastung nach Gleichung (11) be- verstärker, jedoch ohne Gegenkopplungswicklung und

rechnet werden. Der theoretische Wert liegt etwas ebne Mitkopplungswicklung gezeigt.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

ι z von der Impedanz des Ausgangskreises dem Steuer- Patentansnrüche- strom linear zugeordnet ist. ratentansprucne. Der erfindungsgemäße mehrstufige Stromverstärker, , e · c hei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist

1. Mehrstufiger, vorzugsweise zweistufiger be. dem ^^zu^_chne\ _da ⁶ _ß ^ Transduktordrossel