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Schaltung zur Halbwellenregelung elektrischer Antriebsmotoren.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Halbwellenregelung elektrischer
Antriebsmotoren, insbesondere tTniversalmotoren, bei der ein steuerbares elektrisches
Ventil mit Thyratroncharakteristik zwischen den Anker und eine Feldwicklung geschaltet
ist, dessen Steuerkreis seine Steuerspannung über einen im wesentlichen an der Betriebsspannung
liegenden Spannun-steiler erhält.
Halbwellen-Regelungsschaltungen
zur Drehzahleinstellung und -regelung von elektrischen Antriebsmotoren sind an sich
bekannt (vgl. H. Richter, "Thyristoren und Triacs", Telekosmos-Verlag Franckh'sche
Verlagshandlung, Stuttgart, Kap. 9, 8. 65). Es ist dort eine Regelungsschaltung
beschrieben, bei der ein Thyristor und ein Antriebsmotor in Reihe a.n der Netzwechselspannungs
liegen. Die Steuerspannung bezieht dieser Thyristor über eine Diode5 die an der
Steurelektrode dieses Thyristors einerseits und andererseits an einem variablen
Ab griff eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der aus zwei in Reihe geschalteten
Widerständen und einer weiteren Diode besteht, die ebenfalls an der Netzwechselspannung
liegen.
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über die zu dem Spannungsteiler gehörende Diode ist die Ankergegenspannung
während der positiven Halbwelle unmittelbardem an dem Ab griff des Spannungsteilers
auftretenden Spannungsabfall, das ist der Spannungsabfall zwischen den Schleifer
und der unteren Anschluß, entgep:encrschaltet. Für die Zündung des Thyristors über
die an der Steuerelektrode des Transistors liegende zweite Diode ist diese Spannung
wirksam. Erhöht sich die Drehzahl des Motors, so wird die resultierende Zündspannung
kleiner, und der Thyristor wird später gezündet.
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Das wirkt der Drehzahlerhöhung wirksam entgegen. Erniedrigt
sich
dagegen die Drehzahl, beispielsweise weil die mechanische Belastung steigt, so wird
die wirksame Zündspannung weizen der kleiner werdenden Ankergegenspannung größer
und der Thyristor zündet entsprechend früher, wirkt also der Drehzahlerniedrigung
enten.
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Diese Schaltung hat eine Reihe von Nachteilen, die darin liegen, daß
der Einstellbereich für die Drehzahlen, insbesondere nach unten, daher einen für
viele Fälle nicht ausreichenden Umfang verfügt. Außerdem ist das Regelverhalten
im unteren Drehzahlbereich sehr mäßig, so daß es hier zu einem relativ unregelmäßgen
Drehzahlverhalten kommt, das als "Springgeffekt" bekannt ist, so daß eine derartige
Regelschaltung dann nicht verwendbar ist, wenn es auf gute Konstanz des Drehzahlverhaltens
im unteren Drehzahlbereich ankommt.
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Zur Vermeidung von Scbwingneigungen eines solchen Reglers hat man
schon daran gedacht, ein Därnpfungsglied zwischen der Steuerelektrode des Thyristors
und seiner Kathode anzubringen.
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Dieses Dämfungsglied ist in einer in Fig. 1 dargestellten Regelschaltung
durch einen Widerstand R4 und einen dazu parallel liegenden Kondensator cl realisiert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine HalbaJellen-Regelungsschaltung
für elektrische Antriebsmotoren anzugeben, die Über einen großen Einstellbereich,
ein besseres Regelverhalten im unteren Drehzahlbereich und über eine Lösung zur
Vermeidung des Springeffekts verfügt.
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Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung für eine Schaltung zur Halbwellenregelung
elektrischer Antriebsmotoren, bei der ein steuerbares elektrisches Ventil mit Thyratron-Verhalten
zwischen den Anker und eine Feldwicklung parallelgeschaltet ist, dessen Steuerkreis
seine Steuerspannung über einen im wesentlichen an der Betriebsspannung liegenden
Spannungsteiler erhält dadurch, daß die Spannung an einem Teil des Spannungsteilers
stabilisiert ist iind dieser trapezförmigen Spannung eine Sägezahnförmige Spannung
überlagert ist, so daß über den Steuerkreis die induzierte Ankerspannung mit der
Sägezahnspannung verglichen und das steuerbare elektrische Ventil mit Thyratroncharakteristik
gezündet wird, wenn die Differenz zzazischen Sägezahnspannung und induzierter Ankerspannung.
gleich der erforderlichen Zündspannung ist.
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Weitere Merkamlle, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Auf diese Weise werden mit der Erfindung eine Reine von Vorteilen
erzielt. Zunächst ist hier der geringere Einfluß von Netzwechselspannungen auf die
Drehzahl zu nennen, eine gute Remelcharakteristik, bei Vermeidung unregelmEßigen
Drehzahlverhaltens (Springeffekt), was besonders bei niedrigen Drehzahlen auftritt.
Außerdem werden diese Vorteile auf recht wirtschaftliche Weise erreicht, da die
Zahl der zusätzlichen Bauelemente fur eine Halbwellen-Regelschaltung nach dem Prinzip
der Erfindung gering ist, was sich auch positiv auf die Störanfällikeit einer solchen
Schaltung auswirkt.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 eine Halbwellen-Regelungsschaltung, bei der in
bekannter Weise ein Dämpfungsglied zwischen die Steuerelektrode und die Kathode
eines Thyristors geschaltet sind, um die Schwingneigung des Reglers zu verringern,
Figur
2 ein Diagramm zur Darstellung der Drehzahl in Abhängigkeit von dem Drehmoment für
einen geregelten und einen ungeregelten Motor, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer
Halbwellen-Regelschaltunz nach der Erfindung, und Figur lt ein Spannungszeitdiagramm
zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Halbwellen-Regelungsschaltung nach Fig.
3.
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Eine Regelung mit einer proportionalen Zuordnung zwischen Regelabweichung
und Stellgrößenabweichung wird bekanntlich (vgl. DIN 19 226) als proportional wirkender
Regler (P-Reg,ler) bezeichnet. Ein P-Regler hat jedoch auch die Eigenschaft, bei
änderung einer Störgröße eine Regelabweichung (P-Abweichung) dauernd beizubehalten
(bleibende Regelabweichung).
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Auch die Regelschaltung des Ausführungsbeispiels der Erfindung fällt
in die Kategorie solcher P-Regler. Es erscheint daher zweckmäßig, für die Beschreibung
dieses Reglers eine kurze Erläuterung der regelungstechnischen Begriffe voranzustellen.
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Zu den wesentlichen Begriffen solcher P-Regler zählen die folgenden:
Regelstrecke
= Teil der geregelten Anlage, in dem die Regelgröße konstant gehalten werden soll.
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Dies ist im vorliegenden Fall der elektrische Antriebsmotor, ein
Universalmotor, der in Küchen- und Werkzeugmaschinen Verwendung finden kann.
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RegelgröRe = Größe, die durch die Regelung konstant erhalten werden
soll.
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Es ist Ziel der vorliegenden Regelschaltung, die Drehzahl äußerst
konstant zu halten.
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Stellgröße = Große, durch die die RegelgröRe in gewünschter Weise
beeinflußt werden kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl durch Anderung
des Stromflußwinkels des steuerbaren elektrischen Ventils, im vorliegenden Falle
eines Thyristors, konstant gehalten.
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Stellglied = Teil des Regelkreises, der die Stellgröße beeinflußt.
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Dieses ist in der vorliegenden Schaltungsanordnung der bereits erwähnte
Thyristor.
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Störgrößen = Größen, die dem Konstanthalten der Regelgröße entgegenwirken,
zum Beispiel die Netzspannungsschwankungen, die mit zunehmender Betriebsdauer ansteigenden
Wicklungs temperaturen, vor allem aber Bela stungsschwankungen (das abgegebene Drehmoment
MM).
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Sollwert = Vorgegebener Wert, auf dem die Regelgröße (Drehzahl) durch
die Regelung gehalten werden soll.
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Istwert = Tatsächlich vorhandener Wert der Regelgröße (Drehzahl).
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Regelabweichung = (P-Abweichung) = Differenz zwischen Istwert und
Sollwert.
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Der P-Regler des vorliegenden Ausfilhrungsbeispiels ist eine selbstregelnde
Phasenanschnittsteuerung für einen Universalmotor, der im Halbwellenhetrieb arbeitet.
Durch die Selbstregelung dieses Reglers wird erreicht3 daß die Drehzahl des Motors
trotz unterschiedlicher Belastungen äußerst konstant gehalten werden kann.
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Anker- und Feldwicklungen F l, F 2 des Universalmotors (vgl.
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Fig. 3) werden nur von der positiven Halbwelle des Stromes durchflossen.
Im Leerlauf ist die Amplitude des Motorstromes nur von der Stellung des Sollwert-Stellers,
des Potentiometers R 3, abhängig. Sie ist eine Funktion des Stromflußwinkels, der3
wie der vorstehenden Aufstellung zu entnehmen ist, die StellgröRe des P-Reglers
darstellt. Bei großem Stromflußwinkel ist die Drehzahl (= Regelgröße) hoch, bei
kleiner Stellgröße entsprechend niedriger.
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Bei laufendem Motor wird im Anker eine Spannung induziert, deren Amplitude
der Drehzahl direkt proportional ist. Die induzierte Ankerspannung ist im P-Regler
des vorliegenden AusfUhrungsbeispiels der Istwert. Sollwert und Istwert werden über
den Steuerkreis des Thyristors miteinander verglichen.
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Die Differenz beeinflußt mit Hilfe des Stellgliedes die Stellgröße
und damit auch die Regelgröße.
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Zur Veranschaulichung dieser Verhältnisse ist in Fig. 2 als Diagramm
die Drehzahl n als Funktion des Drehmomentes MM dargestellt. Die ungeregelte Notorkennlinie
zeigt das Drehmomentverhalten eines TJniversalmotors ohne P-Regler. Es ist dort
der steile Abfall der Drehzahl mit zunehmender Belastung. festzustellen. Die geregelte
Motorkennlinie dagegen beginnt bei dem Sollwert von etwa 6000 U/min. Durch die Hauptstörgröße,
nämlich die Belastung an der Motorwelle, sinkt die Drehzahl ab. Damit sinkt ebenfalls
die induzierte Ankerspannung, so daß die Soll-Istwertdifferenz steigt.
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über das Stellglied wird somit die Stellgröße erhöht, und. zwar so
lange, bis die Drehzahl als Regelgröße konstant bleibt.
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Die bereits erwähnte, bleibende Regelabweichung im linearen Teil der
Kennlinie, das ist der Bereich zwischen 0, 0,5 und 0,65 kp . cm, beträgt 1500 U/min.
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Aus dem Diagramm der Fig. 2 sind also folgende Werte abgreifbar: Sollwert:
6000 U/min.
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Bleibende Regelabweichung: 1500 U/min., das entspricht etwa 25 %;
Schwankung der Hauntstörgröße: 0 bis 0,65 kp . cm, das entspricht etwa 0 bis 92
%; Drehmoment des Universalmotors bei n = 6000 D/min.
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(ungeregelt): 0,7 kp . cm.
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Daraus ist zu entnehmen, daß der P-Regler des Ausführunsbeispiels
eine Belastungsschwankung von 92 % bis auf eine bleibende Abweichung von 25 ^ ausregelt.
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Zur Wirkungsweise der Schaltung wurde bereits kurz erwähnt, daß das
steuerbare elektrische Ventil mit Thyratroncharakter, der Thyristor Thy in Fig.
3 nur während der positiven Halbwelle der Netzspannung gezündet wird, so daß nur
während dieser eit Strom fließen kann. Der Zündzeitpunkt wird von der Stellung,
des Schleifers am Potentiometer R3 bestimmt.
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Eine ZÜndung erfolgt, sobald die erforderliche Zündspannung erreicht
ist. Diese Zündspannung ist im Falle von Thyristoren als steuerbare elektrische
Ventile eine positive Gate-Spannung UGK, deren Höhe typenbedingt ist. Ein früher
Zündzeitpunkt entspricht einem großen Stromflußwinkel und dieser wiederum einer
hohen Drehzahl. Der Anker M und die Feldwicklungen F 1 und F 2 werden hierbei vom
Thyristorstrom durchflossen. Dieser Strom erzeugt in den Feld- und der Ankerwicklung
ein magnetisches Feld, so daß der Motor anläuft. Durch die Drehung des Ankers wird
aber in der Ankerwicklung eine Gegenspannung induziert, die als sogenannte Gegen-EMK
bekannt ist. Die Höhe dieser Gegen-F.MK ist der Motordrehzahl proportional und wirkt
der positiven Halbwelle der Spannung entgegen. In der negativen Halbwelle ist der
Thyristor
gesperrt, so daß er den Stromfluß durch den Anker und die Feldwicklungen unterbindet.
Infolge seines Schwungmomentes dreht sich aber der Anker, obwohl er sowie die Feldwicklungen
nicht stromdurchflossen sind, weiter. Der in dem Eisen der Feldpole gespeicherte
remanente Magnetismus erzeugt in der Ankerwicklung ehenfalls eine Spannung, die
der bereits erwähnten Gegen-EMK ähnlich, jedoch viel kleiner ist als diese. Entsprechend
der Stellung des Sollwert-Stellers, des Potentiometers RD, stellt sich die Drehzahl
des Motors automatisch so ein, daß die Differenz zwischen der anliegenden äußeren
Spannung und der Ankerspannung groß genug ist, um den erforderlichen Zündstrom schließen
zu lassen.
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Der erwähnte Soll-Istwert-Vergleich des Regelkreises erfolgt über
den Steuerkreis des Thyristors. Wenn die Zündspannung BG viel größer ist als die
induzierte Ankerspannung UBK, dann zündet der Thyristor Thy früh, was einem großen
Stromflußwinkel und damit einem hohen Strom und einer hohen Drehzahl entspricht.
Wird durch die Änderung am Sollwert-Steller R3 die Spannung UBG an der Gate-Elektrode
sehr viel kleiner als die induzierte Ankerspannung UK, dann zündet der Thyristor
Thy später. Die Folge davon sind ein kleiner Stromflußwinkel und somit ein kleiner
Strom, so daß die Drehzahl abfällt. Dieser Regelvorgang ist dann beendet,
wenn
die Spannung an der Gate-Elektrode UBG vermindert um die induzierte Ankerspannung
UBK gleich der zum Zünden des Thyristors mindestens erforderlichen Spannung Ugk
erf ist.
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Wie bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des P-Reglers erwähnt
wurde, ist die Hauptstörgröße das abgegebene Drehmoment. Erhöht sich nämlich die
Belastung an der Motorwelle, dann sinkt die Drehzahl. Die Folge davon ist, daß die
Spannung UBK kleiner wird und der Strom zu steigen beginnt.
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Die Regelung versucht nun den durch die Belastung hervorgerufenen
Drehzahlabfall zu kompensieren. Dieses gelingt mit dem vorgeschlagenen Regler bis
auf die bereits erwähnte bleibende Regelabweichung.
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Wie bei den bereits bekannten Schaltungen zur Drehzahlregelung, verhindert
die Diode D1, daß über den Spannungsteiler, R1 bis R5, den Kondensator C1 sowie
die Feldwicklung F2 auch in der negativen Halbwelle ein Strom fließt.
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Dadurch reduziert sich die Verlustleistung der Widerstände auf die
Hälfte
Der Kondensator C1, der im allzemeinen ein Flektrolytkondensator
sein wird, läßt sich auf diese Weise vor der Zerstörung durch die Wechselsnannung
schützen. Der bereits erwähnte remanente Magnetismus in den Feldspulen bleibt auf
diese Weise ebenfalls erhalten. Ein Stromfluß durch die Feldwicklungen auch in der
negativen Halbwelle würde eine Entmagnetisierung und damit eine Reduzierung der
induzierten Ankerspannung zur Folge haben.
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Wie bereits angedeutet wurde, ist zwischen der Gate-Elektrode und
der Kathode des Thyristors Thy ein Dämpfungsglied vorgesehen, das aus der Parallelschaltung
des Widerstandes R6 mit dem Kondensator C2 gebildet wird und die Schwingneigung
des P-Reglers stark vermindert. Der Universalmotor allein stellt bereits eine Regelstrecke
erster Ordnung dar, d.h.
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seine Sprungantwort verläuft aperiodisch. Der P-Regler neigt daher
zum überschwingen, wodurch die Regelgröße einen periodischen Verlauf nimmt. Um dieses
aber zu verhindern, muß die Zeitkonstante des Dämpfungsgliedes auf die Zeitkonstante
der Regelstrecke abgestimmt sein, um dieses zu verhindern.
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Der Widerstand R6 kompensiert die Streuung der fertigungsbedingten
Gate-Empfindlichkeit des Thyristors. Der Zündstrom schwankt, selbst bei gleichen
Thyristortypen, zwischen 600 uA und 1,5 mA (was einem Verhältnis von 1:2,5 entspricht).
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Durch die Parallel schaltung des Widerstandes R6 zum Gate.-Kathodenwiderstand
wird die Schwankung des dem Spannungsteiler, gebildet aus R1 bis R5, entnommenen
Stromes auf das Verhältnis 1:1,5 reduziert. Diese Reduktion reicht aus, um Vxemplarstreuungen
der Thyristoren auszugleichen.
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Die Aufgabe des Kondensators C2 ist die Speicherung der Zündenergie.
Während der Anker des Universalmotors rotiert, kann es zu sehr kurzen, einige Mikrosekunden
andauernden Kontaktunterbrechungen zwischen Bürsten und Kollektorlamellen kommen
(BGrstenfeuer). Diese Unterbrechungen haben unerwünscht starke Stromänderungen di/dt
zur Folge, die den thyristor löschen und damit sperren können. In diesem Fall muß
die in dem Kondensator C2 gespeicherte Energie ausreichen, um den Thyristor gezündet
zu halten.
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Der eigentliche Kern der Erfindung aber betrifft die Stabilisierung
des Spannungsabfalls am Spannungsteiler R2 bis R4, die durch eine Zenerdiode ZPY
realisiert wird. Die Drehzahl wird dabei von den Schwankungen der Netzspannung unabhängig.
Die konstante, trapezförmige Spannung U2 wird, wie bereits erwähnt wurde, für den
Soll-Istwert-Vergleich benötigt.
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Rinne weitere Besonderheit des Ausführungsbeispiels ist eine RC-Kombination,
bestehend aus dem Widerstand R5 und dem Kondensator C1, die sich an den letzten
Widerstand Rri des Spannungsteilerbereiches R2 bis R4 anschließt und dem verbindungspunkt
zwischen Anker und Feldwicklung F2 vor geschaltet ist.
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Der Elektrolyt-Kondensator C1 wird während der positiven Halbwelle
aufgeladen. Er entlädt sich über den Widerstand R5 während der negativen Halbwelle
aufgrund der gewählten Zeitkonstante jedoch nicht volständig.
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Dadurch wird der Trapezspannung eine sägezahnförmige Spannung überlagert.
über den Steuerkreis wird nun die induzierte Ankerspannung, die eine Gleichspannung
ist, mit der säg-ezahnförmigen Spannung verglichen. Der Thyristor zündet dann, wenn
die Differenz zwischen der sägezahnförmigen Spannung UBG und der induzierten Anker
spannung UBK gleich der erforderlichen Gate-Spannung UGK erf ist.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Wirkungsweise der Regelschaltung nach
Fig. 3 ist in Fig. 4a bis c der zeitliche Verlauf einiger wesentlicher Spannungen
der Regelschaltung dargestellt. Fig. 4a zeigt die Spannung UAK, die zwischen
der
Anode und Kathode des Thyristors Thy gemessen wurde.
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Fig. 4b veranschaulicht die Form eines Säge zahnes der sägezahnförmigen
Spannung, wie sie an dem aus R5 und Cl gebildeten RC-Glied anliegt. Fig. 4c schließlich
zeigt den Verlauf der Spannung zwischen der Kathode von Dl und dem Punkt B, an dem
das eine Ende dieses RC-Gliedes, der Anker und ein Anschluß der Feldwicklung FR2
zusammengeschaltet sind. Die Diagramme sind praktisch über eine Periode der Eingangswechselspannung
gemessen. Fig. 4c zeigt also sehr deutlich, wie der trapezförmigen Spannung zwischen
der Kathode der Diode D1 und dem Punkt B die Spannung U3, die in Fig. 4b dargestellt
ist, überlagert ist.
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L e e r s e i t e