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Einrichtung zur Verhinderung des Überschreitens des vorgegebenen magnetischen
Arbeitsbereiches eines Ausgangstransformators Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zur Verhinderung des Überschreitens des vorgegebenen magnetischen Arbeitsbereiches
eines Ausgangstransformators, der zur Übertragung von in elektrischen Kreisen mittels
schalterartig wirkender Elemente erzeugten Impulsen gegebener Spannungsamplitude
dient.
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In der modernen Leistungselektronik werden in zunehmendem Maße Schaltungen
verwendet, die eine verlustarme Steuerung einer abgegebenen Gleichspannung oder
die Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung ermöglichen; gemeinsam
ist diesen Schaltungen eine Erzeugung rechteckähnlicher Impulse aus der speisenden
Gleichspannung und deren unmittelbare oder durch Pausen getrennte zeitliche Aneinanderreihung
mit gleichbleibender oder wechselnder Polarität. Zur Formung der Impulse werden
schalterartig wirkende Elemente, vorzugsweise Halbleiter-Stromrichterventile in
Form von Thyristoren oder auch Transistoren, verwendet, und zur Übertragung in den
Verbraucherstromkreis dient ein Ausgangstransformator, dessen Magnetisierungsverhältnisse
zu beachten sind, wenn die Ventile, insbesondere beim Einschalten, nicht überlastet
werden sollen.
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Sinschaltstromstösse durch Magnetisierung in den Sättigungsbereich
sind bei gdwöhnlichen Netztransformatoren eine geläufige Erscheinung, mit der man
rechnet und die wegen der Kurzschlußfestigkeit der dort verwendeten Schalter nicht
gefährlich ist. Ihre Stärke hängt von der
Remanenz des Eisenkern
und von der Schaltphase ab. Da bei Stromrichterspeisung die Sinschaltung der gesamten
Anlage In der Regel gleichzeitig durch einen Hauptschalter erfolgt, steht bei Beginn
des ersten Impulses die Betriebsspannung schon in voller Höhe zur Verfügung, sodaß
eine Aufmagnetisierung des Ausgangstransformators durch die ganze Spannungs-Zeit-Fläche
des ersten Impulses erfolgt. Dementsprechend würde ohne besondere Vorkehrungen bei
jeder Einschaltung die meist von einem niedrigen Remanenzwert ausgehende Magnetisierungslinie
unter Auftreten eines starken Magnetisierungsstromes bis weit in das Sättigungsgebiet
hinein ausgesteuert werden und die normale symmetrische Lage des magnetischen Arbeitsbereiches
würde sich erst nach einer größeren Anzahl von Spannungswechseln und Sättigungsstromspitzen
einstellen.
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Auf diese Weise können die gegen Überstrom empfindlichen Ventile beschädigt
werden oder es kann zu kurzschlußartigen Störungen in der Schaltung kommen. Ganz
besonders krass zeigen sich diese Erscheinungen bei Überspannungen.
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Es wurde daher seit jeher versucht, das Auftreten solcher starken
Magnetisierungsüberströme beim Einschalten von Stromrichtern zu verhindern, und
im wesentlichen wurden dazu zwei Wege beschritten: a) eine Überdimensionierung des
Ausgangstransformators b) eine Verringerung der Spannungs-Zeit-Fläche der Impulse
während des Übergangs intervalls nach dem Einschaltzeitpunkt entweder durch Absenken
der speisenden Gleichspannung oder durch Verringerung der Impulsdauer bzw. eine
gleichwertige Frequenzerhöhung.
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Die erste Methode ist technisch relativ einfach durchzufuhren, aber
unwirtschaftlich, da der zu große platzraubende, schwere und teuere Transformator
im Normalbetrieb nur teilweise ausgenUtzt wird.
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Die zweite Methode verlangt in beiden Fällen eine zusätzliche Steuerung,
die im Anfang des Übergangsintervalls nach dem Binschaltzeitpunkt die speisende
Spannung oder die Impulsdauer - meist auf die Hälfte - verringert und diese Größen
im zweiten Teil des Übergangs Intervalls auf ihre Normalbetriebswerte zurückführt.
Dadurch wird sichergestellt, daß der mit einer von der Höhe der speisenden Spannung
abhängigen Geschwindigkeit ansteigende Fluss entweder langsamer ansteigt oder bei
einem Anstieg mit normaler Geschwindigkeit nur die halbe Anstiegszeit zur Verfügung
hat und daher in beiden Fällen nur mehr kleinere Werte erreichen kann. Da bei jedem
Transformator grössenordnungsmässig zwei Einschaltfälle auftreten können, nämlich
ein günstiger, bei dem die erste Aufmagnetisierung den Remanenzfluss zuerst abbaut,
und ein ungünstiger, bei dem sie den Remanenzfluss zuerst verstärkt, muss jede,
starr auf den ungünstigen Fall ausgerichtete Schutzmaßnahme bei Eintreten günstiger
Fälle weit über das Ziel schiessen.
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Außerdem ist mit einer Verringerung der Impulsbreite zumindest bei
einfachen Wechselrichterschaltungen eine Erhöhung der Ausgangsfrequenz verbunden
und da bei einer Absenkung der Speise spannung, die entweder durch Vorsehen von
Anzapfungen der Speisequelle oder durch Vernichtung von Spannung in Vorwiderständen
erfolgen muß, auch die Verbraucherspannung absinkt, können beide Möglichkeiten zu
störenden Auswirkungen auf die Verbraucher führen und eignen sich daher nicht als
Basis £ür eine anzus-trebee a2lgemeingültige Technik.
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Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieser Probleme durch
exakte Überwachung und Begrenzung des im Ausgangstransformator auftretenden Flusses.
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Die Erfindung ist gekennzeichne-t durch ein im magnetischen Kreis
des Ausgangstransformators oder in einem magnetischen oder elektrischen Abbild dieses
Kreises angeordnetes, mit seiner
Ausgangsgröße die Größe des während
der Dauer eines Impulses von Null oder einem Remanenzwert ansteigenden Flusses in
diesem Kreis abbildendes Meßglied und einen in bekannter Weise diese Ausgangsgröße
messenden, bei deren Anwachsen über einen vorgegebenen Wert ansprechenden und dabei
durch Betätigung von schalterartig wirkenden Elementen im elektrischen Kreis eine
Beendigung des Impulses bewirkenden Schwellwertschalter.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird dem Schwellwertschalter
durch eine Hilfseinrichtung zu jedem Zeitpunkt, der dem Ende eines Impulses von
maximal zulässiger Dauer entspricht, durch impulsartige Erhöhung der Ausgangsgröße
des Meßglieaes oder impulsartige Erniedrigung des vorgegebenen Schwellwertes ein
Anwachsen dieser Ausgangsgröße über den Schwellwert vorgetäuscht.
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Da eine bevorzugte Anwendung auf dem Gebiet der Gleichstromsteller
und Wechselrichter liegt, wird die Erfindung nachfolgend anhand eines Gleichstromstellers
und zweier Wechselrichter beschrieben. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird als
Meßglied ein direkt im magnetischen Kreis des Ausgangstransformators angeordneter
Magnetdetektor, insbesondere ein Hallgenerator gezeigt. Aber auch die Anordnung
eines Magnetdetektors in einem magnetischen Abbild des magnetischen Kreises des
Ausgangstransformators, z. B. einer geeignet dimensionierten und geschalteten Drossel
bzw. die Anordnung eines elektrischen MeBgliedes in einem elektrischen Abbild des
magnetischen Kreises des Ausgangstransformators entspricht der erfindungsgemäßen
Lösung. Die folgenden Zeichnungen mögen zur Erleichterung des Verständnisses dienen.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleichstromsteller mit Impulstransformatorausgang
Hig. 2 zeigt die elektrischen und magnetischen Verhältnisse bei diesem Gleichstromsteller
Fig.
3 zeigt die magnetischen Verhältnisse bei Wechselrichtern im allgemeinen.
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Fig. 4 zeigt einen einfachen Wechselrichter in Mittelpunktschaltung,
der die erSindungsgemäíie i;inrichtung enthält Fig. 5 und 6 zeigen die elektrischen
und magnetischen Verhältnisse bei einem Wechselrichter dieser Bauart Fig. 7 zeigt
eine erweiterte, aus zwei lastseitig in Reihe geschalteten Wechselrichtern nach
Fig. 4 bestehende Wechselrichterschaltung, die eine verzögerungsfreie Steuerung
der Ausgangsspannung erlaubt.
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Fig. 8, 9, 10 zeigen die elektrischen und magnetischen Verhältnisse
für einen Wechselrichter nach Fig. 7, bei dem die Remanenz seines Transformators
6 0 ist.
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Fig. 12 und 13 zeigen verschiedene, durch die Anwendung von Wächterimpulsen
erzielbare günstigere Flußverläufe.
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Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemä.ße Gleichstromstel-1er mit Impulstransformatorausgang
dient zur Konstanthaltung einer Gleichspannung U2m und zur verlustarmen Spannungsumsetzung
und wirkt wie ein periodisch arbeitender Schalter, der nur für eine bestimmte Zeit
innerhalb einer Periode durch ein schalterartig wirkendes Element, vorzugsweise
einen Thyristor Th 1, die Spannungsquelle B mit dem Verbraucherkreis, bestehend
aus Freilaufdiode D 1, Siebdrossel L 1, einer weiteren Diode D 2, sowie einem Verbraucher
V in Form eines Widerstandes oder eines Elementes mit Gegenspannung, z. B. einer
zu ladenden Batterie oder einer Gleichstrommaschine mit Gegen-EMK verbindet.
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Er enthält außerdem im wesentlichen einen Impulstransformator T, einen
Widerstand R, eine Diode D 3, einen Taktgeber TG, die in bekannter Weise einen Löschkreis
bildenden Schaltelemente, nämlich Löschthyristor Th 2, Löschkondensator C, Drossel
L 2, Diode D 4 sowie erfindungsgemäß eine Hallsonde H und einen zweiwertigen Schwellwertschalter
SW
sowie eine als Wächter bezeichnete einrichtung W.
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Bei einem Gleichstromsteller ist die Verwendung eines Ausgangstransformators
prinzipiell nicht nötig, da durch Veränderungen des Impuls-Pausen-Verhältnisses
theoretisch jeder gewünschte Mit-telwert der abgegebenen Spannung, der zwischen
Null und der Höhe der speisenden Spannung liegt, erzielt werden kann. Praktisch
würde dies aber bei größeren Spannungsübersetzungen zu einem sehr ungünstigen Impuls-Pausen-Verhältnis
führen, das eine Glättung der abgegebenen Spannung sehr erschwert. Dieser Fall ist
z. B.
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bei Ladegeräten für Bordbatterien zur Versorgung der Gleichstrom-Hilfsbetriebe
von Gleichstromfahrzeugen gegeben, wo die relativ hohe Fahrdrahtspannung in die
wesentlich niedrigere Ladespannung für die Batterie umgesetzt werden soll. Hier
ist die Verwendung eines Transformators günstig, umsomehr, als sie auch wegen der
galvanischen Trennung einen Schutz für das Bedienungs- und Wartungspersonal ergibt.
Dieser Transformator wird als Impulstransformator betrieben, wobei die Aufmagnetisierung
durch die Spannungsimpulse besorgt wird, die Abmagnetisierung jedoch frei erfolgt,
indem im einfachsten Fall die während der Impulsdauer gespeicherte magnetische Energie
unter selbsttätiger Ausbildung eines entgegengesetzt gepolten Spannungsimpulses
in einem Nebenwiderstand vernichtet wird. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators
ist dabei so festzulegen, daß sich im Nennbetrieb ein derartiges Impuls-Pausen-Verhältnis
ergibt, daß der Transformator nach jedem Impuls Zeit hat, sich wieder abzumagnetisieren.
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Wie aus Fig. 2 unter gleichzeitiger Betrachtung der Fig. 1 zu ersehen
ist, liefert der Taktgeber TG in Zeitabständen, die der gewUnschten Impulsfrequenz
entsprechen, Impulse an den Eingang des Schwellwertschalters SW mit der Charakteristik
K. Diese Impulse dienen dazu, den Schwellwertschalter SW aus einem, dem Remanenzwert
§ R des Flusses im Impulstransformator
T zugehörenden, einer Zündung
des Löschthyristors Th 2 entsprechenden Zustand R, in den zweiten, eine Zündung
des Thyristors Th 1 bewirkenden Zustand Z 1 zu kippen. Der damit in den leitenden
Zustand versetzte Thyristor Th 1 schaltet die Primärwicklung des Transformators
T an die Gleichspannungsquelle B. Es beginnt durch diese Wicklung ein ansteigender
Magnetisierungsstrom im zu fließen, der im magnetischen Kreis des Transformators
T einen sofort ansteigenden Magnetfluß z erregt. Der Anstieg dieses Flusses beginnt
von Null oder einem Remanenzwert { R und hält mit einer von der Spannuiigshöhe abhängigen
Steilheit während der ganzen Einschaltdauer t 1 an, der erreichte Wert ist zu jedem
Zeitpunkt dem Produkt aus der zur Aufmagnetisierung tatsächlich vorhandenen "treibenden
Spannung" U 1 - d.i. die Speisespannung UB vermindert um den induktiven und ohmschen
Spannungsabfall im Primärkreis - und der abgelaufenen Impulsdauer proportional.
Dabei tritt in der Sekundärwicklung des Transformators T eine impulsförmige Spannung
U 2 auf, deren Höhe gegenüber der Höhe der treibenden Spannung U 1 durch das Übersetzungsverhältnis
des Transformators T festgelegt ist. Diese Spannung U 2 kann über die in Durchflußrichtung
beanspruchte Diode D 2 einen Strom I 2 über einen Verbraucherkreis treiben, dessen
Äquivalent primärseitig aufgebracht wird.
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Um den Transformator T bei Nennbetrieb möglichst gut auszunützen,
sollte sein Magnetfluß g! bei jeder Einschaltung bis zu einem optimalen Wert K,
der in der Nähe des Knikkes der Magnetisierungslinie liegt, ansteigen, diesen aber
möglichst nicht überschreiten. Aus diesem Grunde wurde erfindungsgemäß eine dauernde
Überwachung des Flusses durch eine Magnetsonde vorgesehen. Diese Magnetsonde, vorzugsweise
eine Hallsonde H, wird in den magnetischen Kreis
des Transformators
T eingefügt, entweder in einen Luftspalt oder, wenn dies nicht möglich ist, vorteilhaft
im Nebenschluß zu einem Luftspalt oder einer natürlichen Stoßfuge der Bleche. Auf
diese Weise wird die Hallsonde H von einem, von der Stärke des Hauptflusses abhängigen
Teilfluß durchsetzt und ihre Ausgangsgröße kann in einem wesentlichen Teilbereich
als dem Hauptfluß { proportional angesehen werden. Das Erreichen eines bestimmten
Wertes dieser Ausgangsgröße kann somit als Anzeichen für das reichen eines Flusses
festgelegter Höhe betrachtet und als Auslösekriterium zur Beendigung des Impulses
herangezogen werden. Zu diesem Zwecke ist der Ausgang der Hallsonde H mit dem Eingang
eines Schwellwertschalters SW, der bei Erreichen seines Schwellwertes 5 in den der
Zündung des Löschthyristors Th 2 entsprechenden Zustand Z 2 kippt, leitend verbunden.
Dadurch wird dieser Thyristor Th 2 leitend und schaltet in bekannter Weise den Löschkondensator
C 1 parallel zum Thyristor Th 1.
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Der Kondensator C 1 ist durch das bekannte, hier nicht näher beschriebene
Zusammenwirken aller, den Löschzweig bildenden Schaltungselemente so aufgeladen,
daß seine Spannung in Sperrichtung auf den Thyristor Th 1 wirkt und seine Ladung
groß genug ist, diesen zu löschen. In der damit eingeleiteten Impulspause fallen
Magnetisierungsstrom im und Fluß wieder, die Spannungen in den Wicklungen des Transformators
T wechseln ihre Vorzeichen, da auch die zeitliche Änderung des Magnetisierungsstromes
im nunmehr umgekehrt als während der Impulsdauer erfolgt. zin unerwünschter Stromfluß
in umgekehrter Richtung über den Verbraucherkreis kann aber dabei nicht erfolgen,
da die Diode D 2 in Sperrichtung beansprucht wird. Über den durch die Diode D 3
und den Widerstand R gegebenen Strompfad erfolgt ein Stromfluß, der einen raschen
Abbau der im Transformator T gespeicherten magnetischen Energie bewirkt und
somit
den Fluß des Transformators T rasch auf Null oder seinen Remanenzwert FR zurückführt.
Durch Abbau der in der Drossel L gespeicherten magnetischen Energie wird auch in
der Impulspause ein Strom über den Verbraucher und die breilaufdiode D 1 getrieben,
wodurch ein Lücken des Verbraucherstroms I 2 auch bei längeren Pausen verhindert
wird.
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Fig. 2 zeigt weiters eine dem Schwellwert S zugehörige symmetrische
Magnetisierungslinie MK sowie die zwischen dem Remanenzwert {R und einem dem Sehwellwert
S zugehörenden Flußwert K liegende Hysteresisschleife für den Impulstransformator
T, die rechteckförmige Charakteristik K des zweiwertigen Schwellwertschalters SW,
die an der Primärwicklung dieses Transformators auftretenden Impulse mit der Amplitude
U 1 sowie den Verlauf des Flusses .
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Hier ist zu erkennen, wie beimLeitendwerden des Thyristors Th 1 sofort
ein Anstieg des Flusses { im magnetischen Kreis des Transformators T beginnt, der
bei Brrei -chen des zugehörigen Schwellwertes S durch Zündung des Löschthyristors
Th 2 beendet wird.
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Der gewünschte magnetische Arbeitsbereich wird also in Beziehung gebracht
zu den Auslösewerten eines Schwellwertschalters SW, dessen Aufgabe es ist, durch
Umsteuern ein Überschreiten des magnetischen Arbeitsbereiches zu verhindern.
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Die Abmagnetisierung eines Transformatorkerns mit Luftspalt führt
auf einen niedrigen Remanenzpunk-t, in welchem ein unteres Ende des magnetischen
Arbeitsbereiches von Haus aus festgelegt ist. Zur Festlegung des ganzen Arbeitsbereiches
mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung kommt daher beim Impulstransformator nur
das andere, im
allgemeinen nahe dem Sättigungsbereich liegende
Ende des Arbeitsbereiches in E'rage.
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Der mit vollem Strich geeichnete steilere Verlauf des Flusses gilt
dabei für eine höhere Spannung U 1, der strichliert gezeichnete Verlauf des Flusses
m' für eine niedrigere, U 1'. Darunter ist die dabei in der Sekundärwicklung des
Transformators T auftretende impulsförmige Spannung-U 2 bzw. U 2' dargestellt, deren
linke Impulsflanken einen durch die Frequenz des Taktgebers TG bestimmten zeitlichen
Abstand tges aufweisen. Die Breite der Impulse ist durch die Höhe der Spannung U
1 bei gleichbleibendem Schwellwert S oder durch den Schwellwert S bei gleichbleibender
Spannung U 1- bestimmt.
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Weiters ist der Sekundärstrom I 2 bzw. I 2' angegeben, dessen Lücken
während der Impulspausen durch die Siebdrossel L und die Freilaufdiode D 1 verhindert
wird. Die Impulsreihen des Taktgebers TG mit den strichliert gezeichneten Wächterimpulsen
W und des Schwellwertschalters SW sind zuletzt dargestellt.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Beziehung zwischen
dem gewünschten magnetischen Arbeitsbereich des Ausgangstransformators und der auftretenden
Impulsbreite festgelegt und zwar so, daß der Arbeitsbereich auch bei Variation der
Impulsbreite niemals überschritten werden kann, wodurch eine unerwünschte Aussteuerung
in den Sättigungsbereich der Magnetisierungslinie mit Sicherheit vermieden wirde
Funktionell wird das dadurch erreicht, daß der ImpulsbFginn durch Einschalten des
als Impulsschalter wirkenden Thyristors Th 1 fremdgesteuert durch ein Startsignal,
das Ausschalten selbstgesteuert durch ein vom Flußwert justierbar abgeleitetes Stopsignal
bewirkt wird. Auf die beschriebene Weise wird sichergestellt, daß
beispielsweise
bei stärkeren Schwankungen der Versorgungsspannung stets -durch eine angepaßte Impulsbreite
eine Übersteuerung in den Sättigungsbereich mit Sicherheit vermieden wird.
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Durch die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ermöglichte Konstanthaltung
des magnetischen Arbeitsbereiches ist, wie aus der Integralform des Induktionsgesetzes
gudt = wn {.hervorgeht, auch eine Konstanthaltung der Spannungs-Zeit-Flächen der
Impulse trotz veränderlicher Speisespannung gewährleistet. Durch diese bleibt wiederum,
wie die Formel für den Mittelwert der abgegebenen Spannung
udt zeigt, dieser Mittelwert konstant. Eine Störgrößeneinwirkung in Form einer Anderung
der Speisespannung bleibt daher, ohne erst ausgeregelt werden zu müssen, wirkungslos.
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Durch Veränderung des Ansprechwertes des Schwellwertschalters SW mittels
einer bekannten, hier nicht gezeigten Stell- oder Regeleinrichtung ist es außerdem
möglich, die Impulsbreite und damit den übertragenen Spannungsmittelwert U 2 m gegenüber
dem Nennwert nach irgendeinem Programm zu verändern, wobei die Wiederholungsfrequenz
konstant gehalten oder ebenfalls gesteuert werden kann. Taktung uns und~Impulsbreitensteuerung
sind weitgehend voneinander unabhängig, solange die Auf- und Abmagnetisierung des
Ausgangstransformators T störungsfrei vor sich geht.
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In verstärktem Ausmaß tritt das Problem der Einschaltüberströme bei
Wechselrichtern auf, deren magnetische Kennlinien symmetrisch ausgesteuert werden.
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Hierzu werden in Fig. 3 die magnetischen Verhältnisse bei einem Wechselrichter
dargestellt.
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Da bei einem Wechselrichter die Speisespannung im Takt der Frequenz
umgepolt wird und die Primärwicklung des Transformators T dabei eine Wechseldurchflutung
erfährt, steigt der Fluß i im magnetischen Kreis des Tranformators in beiden möglichen
Richtungen jeweils auf einen höchsten Wert. Da bei optimaler Ausnützung des Transformators
T beide Höchstwerte jeweils im Knick der zugehörigen Magnetisierungslinie liegen
sollen sind die magnetischen Verhältnisse des Ubertragers mit den elektrischen Verhältnissen
so abzustimmen, daß bei Nennbetrieb die von der Spannungs-Zeit-Fläche eines Impulses
bewirkte FlußänderungA { gleich dem Abstand zwischen den beiden Höchstwerten bK1
WK2 ist, d. h., daß der ganze magnetische Arbeitsbereich durchlaufen wird. Dieser
ist jedoch im Vergleich zu Fig. 2 mindestens doppelt so groß.
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Der Transformator des ausgeschalteten Wechselrichters befindet sich
zufallsbedingt je nach dem Zeitpunkt des letzten Ausschaltens in einem der beiden
möglichen, der Remanenz entsprechenden magnetischen Zustände R1 R2 d. h.
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sein Fluß hat z. B. in einem ersten zu betrachtenden Einschaltfall
einen Wert R1' der sich aus dem Schnitt eines Astes der Magnetisierungsschleife
mit der Ordinatenachse ergibt. Je nach Beschaffenheit des Kernmaterials und der
Anzahl und Größe der Luftspalte kann dieser Wert mehr oder weniger von Null abweichen.
Beim Einschalten des Wechselrichters unter diesen Voraussetzungen beginnt ein erster
Impuls, dessen Spannungs-Zeit-Fläche ausreichen würde, den Flußwert in bekannter
Weise über den ganzen Arbeitsbereichi\ hinweg zu führen. Da aber in diesem ungünstigsten
Fall für die vom Remanenzpunkt #R1 ausgehende Flußänderung im Transformator nur
weniger als der halbe Arbeitsbereich, nämlich die Strecke uTR1K m zur Verfügung
steht, muß ein zusätzlicher Streufluß erzeugt werden, zu dessen Erregung der starke,
einem Kurzschlußstrom ähnliche Magnetisierungsstrom 1m1 notwendig ist, der das Binschalten
von
Wechselrichtern so unangenehm machen kann, da er eine starke -Belastung für die
gegen Überlastung empfindlichen schalterartig wirkenden Elemente darstellt und auch
deren ordnungsgemäßes Zusammenwirken in Frage stellen kann. Bin zweiter etwas günstiger
verlaufender Sinschaltfall beginnt mit dem Remanenzwert «R2 und einer ersten Magnetisierung,
die den Remanenzfluß zuerst abbaut.
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Dabei ergibt sich aber immer noch ein Magnetisierungsstrom im2' der
den Nennwert im wesentlich überschreitet.
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Aus Fig. 3 ist ebenfalls zu erkennen, daß für Voraussetzungen, die
dem ersten Einschaltfall entsprechen, eine Verringerung der Impulsdauer und damit
der Flußänderung auf die Hälfte, die eine zum Stand der Technik gehörende Maßnahme
darstellt, nicht geeignet ist, ein beträchtliches Anwachsen des Einschaltmagnetisierungsstromes
im über den Nennwert im zu verhindern.
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Einen erfindungagemäffen Wechselrichter, bei dem ein Ansteigen des
Flusses über einen einstellbaren Wert und damit ein Auftreten solcher Einschaltüberström;
durch vorzeitiges Beenden des Impulses sicher vermieden wird, zeigt die Fig. 4.
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Der von der Gleichspannungsquelle B mit Mittelanzapfung gespeiste
Wechselrichter in Mittelpunktschaltung enthält im wesentlichen zwei Thyristoren
Th 1, Th2 sowie zwei Rückarbeitsdioden D 1, D 2 als schalterartig wirkende Elemente,
Löschzweige in Form der Kondensatoren C 1, C 2 mit einer Nittelpunktsdrossel L,
einen Ausgangsübertrager T sowie die erfindungsgemäß angeordneten Elemente, nämlich
eine Hallsonde H und einen zweiwertigen Schwellwertschalter SW.
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Die beiden Thyristoren Th 1 und Th 2 liegen zwischen den
beiden
Polen + U3 und - U3 des symmetrischen Gleichspannungssystems B und einem Anschluß
der Primärwicklung des Transformators T. Der andere Anschluß dieser Primärwicklung
ist mit dem Nullpotential verbunden. Durch wechselweises Zünden von Th 1 und Th
2 im Takt der gewünschten Frequenz liegt abwechselnd + U3 oder - U3 am Transformator
T. Die Rückarbeitsdioden D 1 und D 2 übernehmen bei nicht rein ohmscher Last die
Führung des Rückstroms in jenen Zeitabschnitten, in denen Strom und Spannung in
T verschiedene Vorzeichen aufweisen. Da die Thyristoren einen Selbsthalteeffekt
zeigen, sind Schaltelemente in bekannter Anordnung vorgesehen, mit deren Hilfe bei
der Zündung eines Thyristors die Löschung des anderen erfolgt.
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Bs sind dies die Kondensatoren C 1 und C 2 sowie die Drossel L. Bs
ist auch bekannt, eigene Löschthyristoren zu verwenden, die diese Hilfselemente
aktivieren. Bei diesem einfachen Wechselrichter ist eine Änderung der Ausgangsspannung
durch Verändern des Tastverhältnisses nicht möglich, da sich an das Ende des einen
Impulses sofort der Beginn des nächsten Impulses anschließt und somit bei sich ändernder
Periodendauer stets eine Impulsbreite von 1800 elektrisch auftritt. Die Amplitude
der Ausgangsspannung ist dabei gleich der Höhe der Speise spannung mal dem Übersetzungsverhältnis
des Ausgangstransformators T abzüglich geringer Verluste.
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Brfindungsgemäß ist eine Hallsonde H im magnetischen Kreis des Transformators
T angeordnet, z. B. im magnetischen Nebenschluß zu einem kleinen Luftspalt, so daß
sie von einem Teil des Hauptflusses durchsetzt wird und daher mit ihrer Ausgangsgröße
ein vorzeichenrichtiges Abbild des im magnetischen Kreis des Transformators T in
beiden möglichen Richtungen wirksamen Flusses liefert. Die Ausgangsgröße wird auch
hier einem zweiwertigen Schwellwertschalter SW mit einstellbarem Ansprechwert für
jedes Vorzeichen
zugeführt und bewirkt bei ihrem Ansteigen über
einen der beiden vorzugsweise mit gleichen Beträgen festgelgeten Schwellwerte S,
das durch ein Ansteigen des magnetischen Flusses { des Transformators T über einen
vorgegebenen Wert hervorgerufen wird, ein Ansprechen des Schwellwertschalters SW.
Dieser weist aufgrund seiner rechteckförmigen Charakteristik ein Kippverhalten auf
und bewirkt so bei jedem Ansprechen einen Wechsel der Stromführung zwischen den
beiden Thyristoren Th 1 und Th 2. Dabei verursacht jeder in den leitenden Zustand
gesteuerte Thyristor vermittels der Elemente des Löschzweiges in bekannter Meise
eine Löschung des anderen Thyristors und durch die damit verbundene Beendigung des
Impulses wird ein weiteres Ansteigen des Flusses & im Transformator T verhindert.
Auf diese Weise kommen beim Einschalten des Wechselrichters selbsttätig verkürzte
Initialimpulse zustande, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
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Diese Fig. 5 zeigt die elektrischen und magnetischen Verhältnisse
bei einem einfachen Wechselrichter in Mittelpunktschaltung bei unveränderter Speise
spannung Ug. Auf der idealisierten magnetischen Kennlinie MK des Transformators
T sind zwei vorgegebene, durch die zugehörigen Paare von symmetrischen Schwellwerten
S 1 bzw. S 2 der rechteckförmigen Charakteristik K des Schwellwertschalters SW festgelegte
unterschiedlich große Arbeitsbereiche eingetragen, und zwar ein kleinerer, zwischen
den Punkten 1 - 1' und ein größerer, zwischen den Punkten 2 - 2'. Aus dem Verlauf
der Flüsse S1 für den kleineren bzw.S2 für den größeren Arbeitsbereich ist zu erkennen,
wie durch Änderung des Schwellwertes S eine Frequenzänderung bewirkt wird. Die zugehörigen
Impulsreihen der beiden Thyristoren sind ebenfalls angegeben.
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Fig. 6 zeigt für den gleichen Wechselrichter, aber für zwei verschiedene
Speisespannungswerte die elektrischen und vereinfachten magnetischen Verhältnisse,
Aus dem Verlauf der Flüsse zur für die niedrigere Speisespannung U 1 bzw. Zur für
die höhere Speisespannung U 1t ist zu erkennen, daß durch Änderung der Höhe der
Speisespannung eine Änderung der Steilheit des Flußanstieges und damit der Frequenz
bewirkt wird und zwar entspricht einer Erhöhung der Speisespannung eine Erhöhung
der Frequenz. Die Impulsreihen für die Thyristoren Th 1 und Th 2 sind ebenfalls
angegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung leistet somit im Falle eines Wechselrichters
folgende Funktionen: a) In allen Betriebszuständen wird eine Überschreitung des
vorgegebenen magnetischen Arbeitsbereiches vermieden.
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b) Die Spannungs-Zeit-Flächen verbleiben auf dem durch Wahl des Schwellwertes
vorgesehenen Betrag. Bei spnetanen Schwankungen der Betriebsspannung findet eine
selbsttätige Frequenzanpassung statt. Es unterliegt jedoch freier Wahl, die Frequenz
durch Herabsetzen des Schwellwertes zu erhöhen.
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c) Beim Einschalten werden ohne zusätzliche Maßnahmen Erstimpulse
gebildet, deren Breite sich selbsttätig dem jeweils gegebenen Remanenzzustand -und
der Spannungspolung des Erstimpulses anpaßt.
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Eine weitere erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung, die die Möglichkeit
einer prinzipiell verzögerungßfreien Steuerung der Ausgangsspannung bietet, zeigt
Fig. 7.
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Während beim-eben besprochenen Beispiel der erfindungsgemäße Steuerungskomplex
dazu dient, alternierende Impulse kalibrierter Spannungs-Zeit-Fläche herzustellen,
bietet eine Wechselrichterschaltung der nachfolgend beschriebenen Art die Möglichkeit,
alternierende kalibrierte Impulse mit Pausen aufeinanderfolgen zu lassen, so daß
bei entsprechend vorgegebener Grundfrequenz und Spannungs-Zeit-Fläche ein gewünschter
arithmetischer Mittelwert der abgegebenen Spannung resultiert, der durch Beeinflussung
von Grundfrequenz oder Spannungs-Zeit-Fläche oder von beiden trägheitsarm gesteuert
werden kann.
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Der erfindungsgemäße, aus Hallsonde H sowie zweiwwrtigem Schwellwertschalter
SW bestehende Schaltungskomplex ist in einer an sich bekannten lastseitigen Reihenschaltung
zweier Teilwechselrichter nach Fig. 4 angeordnet. Diese werden mit gleicher Frequenz
gesteuert und sind speisespannungsseitig parallel und wechselspannungsseitig in
Reihe geschaltet. Die Steuerung erfolgt in bekannter Weise durch einen Taktgeber
TG, der mit seinen Ausgangsimpulsen den sich gegenseitig löschenden Thyristoren
Th 1 bzw. Th 2 des fremdgesteuerten Teilwechselrichters in Abständen von 1800 elektrisch
Zündsignale liefert und damit Beginn und Dauer jeder Periode für den Wechselrichter
festlegt. Die Beendigung des Impulses erfolgt durch Zünden des nicht an der Stromführung
beteiligten Thyristors Th 3 bzw. Th 4 des zweiten, selbstgesteuerten Teilwechselrichters
in Abhängigkeit vom Erreichen des vorgegebenen höchstzulässigen Flußwertes im Transformator
T und die damit vermittels des Kommutierungszweiges L 2, C 3, C 4, erfolgende Löschung
des stromführenden Thyristors Th 3 bzw Th 4 des zweiten, selbstgesteuerten Teilwechselrichters.
In dem bis zum nächsten Impulsbeginn dauernden, als lHreilaufzeit bezeichneten Abschnitt
tritt
am Transfosmator T keine treibende Spannung U 1 auf und der Verbraucherstrom i 2
wird durch Abbau der magnetischen bzw. elektrischen energie von Siebkreiselementen,
z. B. einer Drossel L 3 und eines Kondensators C 5 aufrecht erhalten. Die bisher
bekannte Regelung, bei der die gegenseitige Phasenlage der beiden Teilwechselrichter
und damit die Impulsdauer in Abhängigkeit vom Mittelwert der Ausgangsspannung so
verändert wird, daß dieser Mittelwert konstant bleibt, muß verhältnismäßig träge
arbeiten, da eine plötzlich wirksam werdende Pulsbreitenänderung eine plötzliche
Zunahme der Spannungs-Zeit-Fläche und damit der Flußänderung verursachen würde,
die zu den gleichen kurzs chlußahnli chen Zuständen wie beim Einschalten führen
könnte. Auch hier bietet die Anwendung der erfindungsgemäßen, eine Hallsonde H und
einen Schwellwertschalter SW beinhaltenden Einrichtung eine Lösung dieser Probleme.
Einerseits wird durch die Begrenzung des Flusses auf einen einstellbaren Wert das
Auftreten kurzschlußartig wirkender Einschaltüberströme sicher vermieden, andererseits
ergibt sich, da nach dem Induktionsgesetz die Änderung des Flusses während jedes
Impulses der Spannungs-Zeit-Fläche des Impulses proportional ist, durch die erfindungsgemäße
Konstanthaltung dieser zwischen wählbaren Grenzen erfolgenden Flußänderung auch
eine Konstanzder Spannungs-Zeit-Flächen der Impulse und damit des gewählten Mittelvertes
der abgegebenen Spannung.
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Die Fig. 8, 9, 10 zeigen, wie durch die erfindungsgemäße Anordnung
im Komplex eines Wechselrichters in Brückenschaltung nach Fig. 7 der Einfluß von
Schwankungen der Höhe der speisenden Spannung UB auf den Einschaltvorgang sowie
auf den Mittelwert der abgegebenen Spannung ausgeschaltet wird.
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Fig. 8 zeigt vereinfacht die magnetische Kennlinie MK des Tränsformators
T mit dem magnetischen Arbeitsbereich, der durch die Schwellwerte S der rechteckförmigen
Charakteristik K des Schwellwertschalters SW festgelegt ist. Die speisende Spannung
hat hier eine mittlere Größe, der eine mittlere Steilheit für den Anstieg des Flusses
§ während jedes Impulses entspricht. Die Impulsreihen für alle vier Thyristoren
Th 1 bis Th 4 sind angegeben und ergeben durch die Überdeckung der Impulse von in
Reihe an der Speisespannung liegenden Thyristoren - Th 1 und Th 3 bzw. Th 2 und
Th 4 - die Impulsdauer für die pulsierende Ausgangswechselspannung U 2. Es ist deutlich
zu erkennen, wie durch die Verkürzung des ersten Impulses ein Überschreiten des
zulässigen Arbeitsbereiches verhindert wird.
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Fig. 9 zeigt dasselbe für eine erhöhte Speisespannung, die einen steileren
Flußanstieg während jedes Impulses verursacht. Durch die erfindungsgemäße Begrenzung
der Flußhöhe-wird aber trotzdem die Spannungs-Zeit-Fläche konstant gehalten und
die Erhöhung der Speisespannung durch Verkürzung der Ausgangsimpulse ausgeglichen,
wie dies durch Vergleich der Impulsreihen U 2 von Fig. 8 und Fig. 9 zu erkennen
ist. Beim Einschalten wird ebenfalls durch eine Verkürzung des ersten Impulses ein
Überschreiten des magnetischen Arbeitsbereiches verhindert.
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Fig. 10 zeigt den Betrieb des Wechselrichters mit der niedrigsten
betriebsmäßig vorgesehenen Speisespannung, die gerade noch ausreicht, während einer
Periode den Fluß- durch den ganzen vorgesehenen magnetischen Arbeitsbereich zu führen.
Auf diese Verhältnisse reagiert die Schaltung. durch ErzeugUng von Ausgangsimpulsen
der maximal möglichen Länge..Auch bei dieser sehr niedrigen Speisespannung käme
es beim Einschalten noch zu einer Überschreitung des zulässigen Arbeitsbereiches,
welehe aber durch die erfindungsgemäße Anordnung sicher verhindert wird, wie der
verkürzte erste Impuls zeigt.
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Fig. 11 zeigt die elektrischen und magnetischen Verhältnisse für einen
Wechselrichter nach Fig. 7, bei dem die Remanenz R seines Transformators einen von
Null verschiedenen Wert aufweist.
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Dieser Fall kommt in der Praxis am häufigsten vor und kann ohne wirksame
Gegenmaßnahmen zu besonders starken Einschaltüberströmen führen, wenn die erste
Aufmagnetisierung in der Richtung des Remanenzflusses iR erfolgt, da hier für den
vollen Flußhub nur mehr ein Bruchteil des Arbeitsbereiches zur Verfügung steht.
Wie man aus der Impulsreihe für U 2 erkennt, wird jedoch auch dieses Problem mittels
extremer Verkürzung des Initialimpulses gemeistert.
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Um bei einem extremen Absinken der speisenden Spannung unter einen
betriebsmäßig zulässigen Mindestwert zu verhindern, daß die reguläre Abfolge der
Ausgangsimpulse wegen Nichterreichens der Flußgrenzen innerhalb des zulässigen Zeitraumes
gestört wird, können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bei Schaltungen
nach Fig. 1 bzw. Fig. 7 Einrichtungen vorgesehen werden, die zu jedem Zeitpunkt,
der dem Ende eines Impulses von iaximal zulässiger Dauer entspricht, dem Schwellwertschalter
SW ein Anwachsen der Ausgangsgröße des Magnetdetektors über den vorgegebenen Schwellwert
S vortäuschen. Diese Einrichtungen, die auch als Wächter bezeichnet werden können,
liefern z. B. zu den entsprechenden Zeitpunkten geeignete Eingangsimpulse, sogenannte
Wächterimpulse, für den Schwellwertschalter SW, deren Amplitude größer ist als der
Schwellwert S. Es ist auch denkbar, daß diese Wächter eine impulsförmige Absenkung
des Schwellwertes 5 zu den entsprechenden Zeitpunkten vornehmen.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 kann der Wächter W- z. B. ein Differenzierglied
sein, das die zweite Flanke des vom Taktgeber TG gelieferten, zum Kippen des Schwellwertschalters
SW in die für die Zündung des Thyristors Th 1 notwendige Lage Z 1 dienenden Impulses
mit der Dauer tmax in
einen kurzen Impuls verwandelt und diesen
über eine Diode an den Eingang des Schwellwertschalters SW führt. Dadurch wird der
Schwellwertschalter in den zum Zünden des Löschthyristors Th 2 und damit zur Beendigung
des Impulses notwendigen Zustand Z 2 gekippt. Die Zeit tmax ist dabei so festzulegen,
daß nach ihrem Ablauf und vor Beginn des nächsten Impulses dem Transformator T genügend
Zeit zum Abbau seiner magnetischen Energie zur Verfügung steht.
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Bei der Schaltung nach Fig. 7 kann der Wächter W z. B. ein Differenzierglied
sein, das aus beiden Flanken der an den Ausgängen des Taktgebers TG auftretenden
Signale Impulse formt, die den Eingängen des Schwellwertschalters SW zugeführt werden.
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Fig. 12 zeigt einen der sich aus der Verwendung von Wächterimpulsen
ergebenden Vorteil.
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Die Anlage wird mit normal hoher Speisespannung betrieben und beim
Einschalten ist zufallsbedingt der Thyristor Th 3 gelöscht, der Thyristor Th 4 wird
leitend. Durch das vom Taktgeber TG verursachte Leitendwerden des Thyristors Th
1 ergibt sich ohne Wächterimpulse, wie der strichlierte Linienzug zeigt, ein Freilauf,
der solange anhält, bis durch Umschaltung zwischen den Thyristoren Th 3 und Th-4
am Ende der ersten Halbperiode eine Abmagnetisierung eingeleitet wird, die bis zur
Erreichung der unteren Flußgrenze anhält. Nach einer etwas größeren Freilaufdauer
beginnt nunmehr das normale Flußgeschehen Wie man sieht, entsteht mit der Zündung
des Thyristors Th 1 zunächst gar kein sekundärer Spannungsimpuls, -der nächste vom
Thyristor Th 2 ausgelöste Impuls ist noch verkürzt und erst in der zweiten Periode
treten normale I-pulse aul.
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Durch die Verwendung der durch vertikale Pfeile angedeuteten Wächterimpulse
hingegen wird, wie der volle Linien-Z-ug-- ze-igt,. zugleich mit dem Thyristor Th
1 auch der Thyristor
Th 3 leitend, wenn auch nur kurz, da die
so bewirkte AuSmagnetisierung rasch zur Erreichung des oberen Schwellwertes S führt
und der Schwellwertschalter SW anspricht, wodurch der kurze Erstimpuls beendet wird.
Die nach einem Freilauf beginnende Abmagnetisierung reicht über den ganzen Arbeitsbereich
und ergibt daher schon einen normalen Ausgangsimpuls. Hier entsteht also sofort
ein wenn auch verkürzter Erstimpuls und ein bereits normaler Zweitimpuls.
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Diese Gegenüberstellung wird durch die Bewegung des Arbeitspunktes
im Flußdiagramm der Fig. 12 besonders verdeutlicht. Im ersten Fall (ohne Wächterimpulse)
bleibt der Arbeitspunkt zunächst auf dem Wert RS , läuft hernach in einem verkürzten
Hub gegen das untere Ende des Arbeit-sbereiches um erst anschließend den ersten
vollen Hub auszuführen. Im zweiten Fall (mit Wächterimpulsen) bewegt sich nach der
Zündung des Thyristors Th 1 der Arbeitspunnt sofort in einem stark verkürzten Hub
gegen das obere Ende des Arbeitsbereiches um anschließend, ausgelöst durch Zündung
des Thyristors Th 2 den ersten vollen Hub nach unten auszuführen.
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Man sieht auch, daß die mitlaufenden, durch Pfeile angedeuteten Wächterimpulse,
wenn sie nicht benötigt werden, auch nicht stören.
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Fig. 13 zeigt die Vorteile der Wächterimpulse bei einer so geringen
Höhe der Speisespannung, daß der magnetische Arbeitsbereich in einer Periode nicht
mehr ganz durchfahren wird. Zuerst erfolgt eine Aufmagnetisierung, die wegen ihreß
Beginnes im hochliegenden Remanenzpunkt einen sogar verkürzte Ausgangsimpuls zur
Folge hat.
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Änschließend erfolgt, wie der strichlierte Linienzug zeigt} ohne Wåchterimpulse
aber lediglich eine Reihe von
Abmagnetisierungen mit dazwischenliegenden
Freiläufen, die eine Reihe von negativen Ausgangsimpulsen ergibt.
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Nach erreichung des unteren Schwellwertes S beginnt eine Reihe von
Aufmagnetisierungen mit Freiläufen bis zur neuerlichen erreichung des oberen Schwellwertes
5, die eine Reihe von positiven Ausgangsimpulsen zur Folge hat. Bei dieser geringen
Speisespannung würde also ohne Verwendung von Wächterimpulsen die Anlage keine brauchbare
Wechselrichtung ergeben.
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Da aber, wie der volle Linienzug zeigt, bei Verwendung von Wächterimpulsen
Aufmagnetisierungen und Abmagnetisierungen unmittelbar aufeinanderfolgen, entstehen
die Ausgarigsimpulse in der gewünschten Reihenfolge, wenn auch mit sehr kleiner
Amplitude.