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EINRICHTUNG ZUR PHASENSTEUERUNG EINES VENTIL-
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UMFORMERS Die Erfindung betrifft in automatisch gesteuerten Systemen
arbeitende Vent;ilumformereinrichtuneen, insbesondere eine Einrichtung zur Phasensteuerung
eines Ventilumformers.
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Die Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers.kann hauptsächlich
in Systemen der automatischen Steuerung von Ventilumformern bei der Gleichstromübertragung
mit hchen Anforderungen an die Schnelligkeit und Genauigkeit der Steuerung, d.h.
in Systemen ausgewertet werden, die mit hoher Genuriit für eine Symmetrie von Steuerimpulsen
- für eine Gleichheit von Abständen zwischen den Steueimpulsen, eine genaue Üboreinstimmung
von Betriebsparametern des Umformers
mit Vorgabewert, eine maximale
Schnellwirkung in Uberganuszuständen sorgen nüssen.
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Bei den bekannten Einlanaleinrichtungen zur Phasensteuerung der Ventilumformer
werden die Steuerimpulse unabhangig von der Zahl der Ventile des Ventilumformers
in einem der gesatten Einrichtung gemeinsamen Impulsgenerator erzeugt und dann über
die Ventile des Ventilumformers nach einem Ringprinzip verteilt. Dies sichert die
größte Symmetrie von Impulsen und vereinfacht das 3etriebsfertigmachen der Einrichtung.
Der Arbeitswirkungsgrad der Einrichtungen zur automatischen Steuerung der Ventilumformer
wird durch einen Transformationskoeffizienten: ein Verhältnis von Verschiebungswert
des Zündwinkels zum Abweichungswert eines dem Eingang der Steuereinrichtung zugeführten
Steuersignals gekennzeichnet.
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Je grö3er der Transformationskoeffizient ist, desto wirksauer ist
die Steuereinrichtung für einen Ventilumformer.
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Die einkanaligen Steuereinrichtungen rür Ventilumformer weisen einen
konstanten, vom Betrieb des Umformers unabhängigen 'lransformationskoeffizienten
auf.
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Der Wert des Transformationskoeffizienten ist durch eine Stabilitätsbedingung
begrenzt. Bei Uberschreiten des zulässigen Wertes des Transformationskoefizienten
köLnen in einem automatischen Regelungssystem Selbst schwingungen entstehen.
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Der Wert des Transformationskoeffizienten v!ird daher in der Regel
als zulässiger Grenzwert unter den .iedingungen der Sichcrung der Stabilitcit in
den ungünstigsten Zuständen, d.h. von
den für den vorgegebenen Änderungsbereich
möglichen 3etriebsparametern des zu regelnden Umformers (Strom, Zündwinkel u.ä.)
minimal, eingestellt. hierbei liegt für alle übrigen Betriebszustände der Steuereinrichtung
eine übermäßige Reserve nach dem Transformationskoeffizienten vor, und dies hat
eine Herabsetzung der Schnellwirkung und der Genauigkeit der Steuerung in diesen
Betriebszuständen zur Folge.
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Es ist eine Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers
(siehe US-PS lfr. 3683261) bekannt, die eine Gebereinheit für ein Steuersignal,
deren einer Eingang an den Ventilumformer und deren anderer Eingang an eine Einheit
für ein Vergleichssignal angeschlossen ist, und einen Sägezahngenerator enthält,
dessen Ausgangssignal samt dem Ausgangssignal der Formierungseiheit für ein Steuersignal
auf ein Nullorgan trifft, dessen Ausgang über eine Einheit zur Phasenbegrenzung
mit dem Eingang eines Steuerimpulsgenerators verbunden ist, dessen Ausgang an den
Eingang einer Impulsverteilereinheit für die Ventile des Ventilumformers und an
den Eingang des Sägezahngenerators gekoppelt ist.
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Diese Einrichtung arbeitet wie folgt. Das Nullorgan spricht in dem
Augenblick an, wo die ansteigende Flanke des Sägezahnsignals und das durch die Gebereinheit
für ein Steuersignal in Form einer Differenz aus der Regel- und der Vorgabegröße
irgendeines Betriebsparameters des Ventilumformers erzeugte Steuersignal gleich
sind. Als Betriebsparameter kommen Strom, Spannung, Leistung u.a. in Frage.
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Im Augenblick des Ansprechens des Nullorgans gibt ab der Steuerimpulsgenerator
Steuerimpulse. Diese Impulse treffen zum einen am Sägezahngenorator zur Erzeugung
von Steilflanken des S&gezahnsignals und zum anderen an der Impulsverteilereinheit
ein, von wo diese Impulse nach der Verteilung nach einem Ringprinzip an die Ventile
des Ventilumformers gelangen.
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Im eingeschwungenen Betriebszustand des Ventilumformers sind die
Vorgabe- und die Regelgröße der 3etriebsparameter konstant, und das Steuersignal
ist also unveränderlich. Die Steilheit und die Amplitude des Sägezahnsignals sind
in der Weise gewählt, daß bei diesem Betrieb, beispielsweise für einen Sechsventilumformer
in Brückenschaltung, die St Steuerimpulse in einem Abstand von 1/6 der Periode der
wechselstromseitigen Netzspannung folgen.
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Im Ubergangszustand ändert sich das Steuersignal, und in Abhängigkeit
von dieser Änderung verschieben sich zeitlich die momente, wo das Steuersignal und
die ansteigende Flanke des Sägezahnsignals gleich werden, d.h. sich die in den Dilomenten
der Gleichheit vom Sägezahn- und Steuersignal erzeugten Steuerimpulse um einen Wert
verschieben.
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einer Der Transformationskoeffizient derartigen Einrichtung wird
durch die Steilheit der ansteigenden Flanke des Sägezahmsignals bestimmt. Linearer
Charakter, unveränderliche Steilheit und Amplitude der Flanken des Sägezahnsignals
bestimmen einen konstanten Wort des Transformationskoeffizienten für
beliebige
Zustände des Umformers.
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Der vorliegenden erfindung zur Phasensteuerung eines Ventilumeormers
haftet der Kachteil an, daß, da der Transformationskoeffizient unter der Stabilitätsbedingung
von den für den vorgegebenen Änderungsbereich möglichen Betriebsparametern des zu
regelnden Umformers (Strom, Zündwinkel α u.a.) minimal gewählt wird, die Steuereinrichtung
für alle übrigen Betriebsarten durch eine nicht volle Ausnutzung nach dem Transformationskoeffizienten
gekennzeichnet ist, was eine Reduzierung der Schnellwirkung und der Genauigkeit
der Steuerung unter diesen Verhältnissen bewirkt, Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde eine Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers mit einem variablen
'Gransformationskoeffizienten durch Änderung der Flankensteilheit und der Amplitude
des Sägezahnsignals in Ubereinstimmung mit Änderungen eines (abstimmenden) Steuersignals
zu schaffen.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Einrichtung
zur Phasensteuerung eines Ventilumformers, die eine Gebereinheit für ein Steuersignal,
deren einer Eingang an den Ventilumformer und deren anderer Eingang an eine Einheit
für ein Vergleichssignal angeschlossen ist, einen Sägezahngenerator enthält, dessen
Ausgangssignal samt dem Ausgangssignal der Gebereinheit für ein Steuersignal auf
ein Nullorgan trifft, dessen Ausgang über eine Einheit zur Phasenbegrenzung mit
dem Eingang eines Steuerimpulsgenerators verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang
einer Impulsverteilereinheit
für die Ventile des Ventilunformers
und an den ersten Eingang des Sägezahngenerators gekoppelt ist, der Sägezaimgenerator
gemäß der Erfindung einen zweiten, mit den Ausgang der Gebereinheit für ein Steuersignal
elektrisch gekoppelten und zur Übertragung eines die Amplitude des Sgezahnsignals
ändernden Signals vorgesehenen eingang aufweist.
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Zweckmäßig enthält der Sagezahngenerator einen Integ-Sägezahngenerators
auftritt. Während der zweite Eingang des rator, dessen erster Eingang als zweiter
Eingang des Integrators mit demselben Eingang des Sagezahngenerators über eine Reihenschaltung
aus einem Invertor und einem elektronischen Schalter verbunden ist, dessen Steuereingang
mit dem Ausgang des Steuerimpulsgenerators gekoppelt ist.
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Zur Umwandlung des die Amplitude des Sägezahnsignals ändernden Signals
nach einem nichtlinearen Gesetz ist es bei der Einrichtung zur Phasensteuerung eines
Ventilumformers erforderlich, die elektrische kopplung des Ausganges der Gebereinheit
für ein Steuer signal mit dem zweiten Eingang des Sägezahngenerators mit Hilfe eines
Funktionalumformers herzustellen.
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Derartige Ausführung der Einrichtung zur Phasensteuerung des Vontilumformers
gestattet es, die Flankensteilheit und die Amplitude des Sägezahnsignals zu ändern,
was seinerseits eine Änderung des Transformationskoeffizienten der Einrichtung ermöglicht.
Bei der Einschaltung einer derartigen Einrichtung in einen geschlossenen Kreis der
automatischen Steuerung kann man den Wert des Verstärkungsfaktors in diesem geschlossenen
Kreis ändern, was die Möglichkeit gibt, optimale Bedingungen für Regelungsstabilität,
Schnellwirkung und Genauigkeit bei
einem beliebigen Zündwinkel
« des Ventilumformers zu wählen.
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Die Ausnutzung der Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers
bei der Gleichstromübertragung gibt die Möglichkeit, die Behebung von Fehlervorgängen
zu beschleunigen und folglich die Uberlastung der Ausrüstung von Umformerunterstationen
abzusenken, diese Ausrüstung durch zeduzierung von Reserven für die überlastung
zu verbilligen, die Wiederherstellung eines Normalbetriebs in einem Energieversorgungssystem
zu beschleunigen.
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Die große Genauigkeit der Einrichtung gestattet es auch, eine leichtere
Ausrüstung der Unterstationen auf Grund einer exakteren Begrenzung der maximalen
Belastung zu wählen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand einer Beschreibung ihrer Ausführungsbeispiele
und beiliegender Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 Blockschaltung
des Ventilumformers mit der Einrichtung zur Phasensteuerung des Ventilumformers,
gemäß der Erfindung; Fig. 2 Strukturschaltbild der Einrichtung zur Phasensteuerung
des Ventilumformers, gemäß der Erfindung; Fig. 3 Prinzipschaltbild eines nichtlinearen
Elements im Ruckkopplungskreis des Funktionalumformers, gemäß der Erfindung; Fig.
4 Prinzipschaltbild der Impulsverteilereinheit für die Ventile des Ventilumformers,
gemäß der Erfindung;
Fig. 5 Prinzipschaltbild der Einheit zur l-hasenbegrenzung,
gemäß der Erfindung; Fig. 6 a,b,c,d,e Zeitdiagram fur die Erzeugung eines Sägezahnsignals
veränderlicher Amplitude bei α< 15°; Fig. 7 a,b,c,d,e Zeitdiagramm für
die Erzeugung eines Sägezahnsignals veränderlicher Amplitude bei D<>400.
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Die Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers 1 (Fig.
1) enthält eine Gebereinheit 2 für ein Steuersignal, deren Eingang 3 an eine Einheit
4 für ein Vergleichssignal und deren anderer Eingang 5 mit dem Ventilumformer 1
elektrisch gekoppelt ist.
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Die Einrichtung zur Phasensteuerung des Ventilunformers 1 schließt
auch ein in bekannter Weise ausgeführtes Nullorgan 6 ein; dessen einer Eingang 7
elektrisch mit der Gebereinheit 2 für ein Steuersignal und dessen anderer Eingang
8 an einen Sägezahngenerator 9 angeschlossen ist.
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Ein Eingang 10 des Sägezahngenerators 9 ist mit einem Funkt/ionalumformer
11 verbunden, dessen Eingang 12 an die Gebereinheit 2 für ein Steuersignal gekoppelt
ist.
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Bei der vorliegenden Einrichtung gibt es eine Einheit 13 zur Phasenbegrenzung,
deren Eingang 14 an das Nullorgan 6 angeschlossen ist, und einen nach der Schaltung
eines Univibrators ausgeführten Steuerimpulsgenerator 15, dessen Eingang 16 mit
der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung gekoppelt ist.
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Das Signal vom Steuerimpulsge-nerator 15 gelangt auf einen Eingang
17 des Sägezahngenerators 9 und auf einen Eingang 18 einer Impulsverteilereinheit
19 für Ventile 20, 21, 22, 23, 24, 25 des Ventilumformers 1.
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Die Impulsverteilereinheit 19 weist sechs mit jeweiligen Eingängen
32, 33, 34, 35, 36, 37 der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung und mit den Ventilen
20, 21, 22, 23, 24, 25 des Ventilumformers 1 elektrisch gekoppelte Ausgänge 26,
27, 28, 29, 30, 31 auf.
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Die Einheit 13 zur Phasenbegrenzung ist mit einem Spannungstransformator
38 verbunden, der eine an den Umformer 1 wechselstromseitig angeschlossene primäre
Dreiphasenwicklung und eine sekundäre Sechsphasenvicklung aufweist, deren jede Phase
an sechs Eingänge 39, 40, 41, 42, 43> 44 der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung
angeschlossen ist.
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Der Ventilumformer 1 enthält sechs nach der Schaltung einer wechselstromseitig
über einen Transformator 45 ges.peisten und gleichstromseitig an eine Belastung
46 angeschlossenen Dreiphasenbrücke verbundene steuerbare Ventile 20, 21, 22, 23,
24, 25. Als Belastung kommen Elektromotor, Gleichstromübertraguna,sleitung u.a.
in Frage.
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Fig. 2 zeigt ein Strukturschaltbild der Einrichtung zur Phasensteuerung
des Ventilumformers 1, wo die Einheit 4 für ein Vergleichssignal ein Potentiometer
47 darstellt, dem eine stabile Spannung Ud zugeführt wird. Das Vergleichssignal
wird an einem Schieber 48 des Potentiometers 47 abgenommen.
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Die Gebereinheit 2 für ein Steuersignal enthält
einen
Operationsverstärker 49 mit einem Rückkopplungswiderstand 50 und zwei Eingangswiderständen
51 und 52. Der Eingangswiderstand 51 ist mit dem Potentiometer 47 verbunden.
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Der Sägezahngenerator 9 enthält einen aus einem Operationsverstärker
54 mit einem Kondensator 55, einem Widerstand 56 im Rückkopplungskreis des Integrators
53, einem mit dem Funktionalumformer 11 verbundenen Eingangswiderst&nd 57 und
einem mit einem Widerstand 59 und dem Kollektor eines Transistors 60 gekoppelten
Eingangswiderstand 58 aufgebauten Integrator 53. Der Widerstand 59 und der Transistor
60 stellen einen elektronischen Schalter 61 dar.
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Der als Signaleingang des elektronischen Schalters 61 auStretende
Anschluß des Widerstandes 59 ist mit einem aus einem Operationsverstärker 63 mit
einem Rückkopplungswider stand 64 und einem an den Punktionalumformer 11 angeschlossenen
Eingangswiderstand 65 aufgebauten Invertor 62 verbunden.
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Die einen Steuereingang des elektronischen Schalters 61 darstellende
Basis des Transistors 60 ist mit dem Steuerimpulsgenerator 15 gekoppelt.
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Der Funktionalumformer 11 enthält einen Operationsterstärker 66 mit
einem nichtlinearen Element 67 im Rücklcopplungskreis und einem mit der Gebereinheit
2 für ein Steuersignal gekoppelten Eingangswiderstand 68.
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Das nichtlineare Element 67 im Rückkopp?Lungskreis ist in Form dreier
Parallelzweige ausgeführt, deren einer eine Zener-Diode 69 (Fig. 3)> zweiter
einen Widerstand 70 und dritter
eine Reihenschaltung aus einer
Diode 71 und einer Zener--Diode 72 enthält, deren Verbindungspunkt über einen Widerstand
?3 an eine Vorspannungsquelle - U5 gekoppelt ist. Die Knickspannung der Zener-Diode
69 ist größer als die Knickspannung der Zener-Diode 72 gewählt.
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Die Impulsverteilereinheit 19 für die Ventile des Ventilumformers
1 enthält sechs Flipflops 74, ?5> 76, 77, 78, 79 (Fig. 4) mit getrennter Einstellung
in den 1- und C-Zustand und einem Freigabeeingang C für die Einstellung, die in
einer Ringschaltung in der Weise verbunden sind, daß der direkte Ausgang Q und der
invertierende Ausgang Q eines jeden Flipflops mit dem Eingang R bzw. dem 1-Eingang
S des nächstfolgenden Flipflops verbunden sind. Das Signal vom Steuerimpulsgenerator
15 wird auf die Freigabeeingänge C sämtlicher sechs Flipflops gegeben.
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Die Einheit 13 zur Phasenbegrenz,ung weist sechs Kanäle dO, 81, 82,
83, 84, 85 (Fig. 5) zur Impulsphasenbegrenzung nach der Zahl der Ventile des Ventilumformers
1 auf. Alle sechs Kanäle sind in der gleichen Schaltung ausgeführt. Der Kanal enthält
eine Eingänge 87, 8d, 89 aufweisende UND-Schaltung 86, deren Ausgang als Ausgang
des Kanals auftritt. Der Eingang 87 ist mit einem in bekannter Weise ausgeführten
Nullorgan 90 verbunden. Der Eingang 89 ist mit dem Eingang 37 der Einheit 13 zur
Phasenbegronzung gekoppelt, während der Eingang 8a mit dem Ausgang einer zwei Eingänge
92, 93 aufweisenden ODER-Schaltung 91 verbunden ist. Der Eingang 92 ist über ein
in bekannter Weise ausgeführtes Verzögerungselement 94 und
über
einen aus einem im Kreis in Reihe liegenden Kondensator 96 und einem parallelgeschalteten
Winderstand 97 bestehenden Differenzierkreis 95 mit dem Nullorgan 90 verbunden.
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Der Eingang 93 ist mit dem eingang 14 der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung
verbunden. Der Eingang des Nullorgans 90 ist mit dem Eingang 39 der Einheit 13 zur
PhasenbegrenzungP gokoppelt.
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Die Einheit 13 zur Phasenbegrenzung enthält auch eine ODER-Schaltung
98, deren sechs Eingänge 99, 100, 101, 102, 103, 104 mit den Ausgängen eines jeden
der jeweiligen Kanäle 60, 81, 82, 83, 84, 85 verbunden sind.
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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der vorliegenden Einrichtung
zur Phasensteuerung eines Ventilumformers 1 sollen in Fig. 6 Zeitdiagramme der Erzeugung
eines Sagezahnsignals veränderlicher Amplitude am Ausgang des Generators 9 bei α<15°
aufgeführt werden. Es zeigt: Fig. 6 a Spannungsverlauf U1 am Ausgang des Steuerimpulsgenerators
15; Fig. 6 b Verlauf der die Amplitude der Sägezahnspannung ändernden'Spannung U2
am zweiten Eingang des Generators 9; Fig. 6 c Spannungsverlauf U3 am Ausgang des
elektronischen Schalters 61; Fig. 6 d Spannungsverlauf U4 am Eingang des Operationsverstärkers
54 des Integrators 53; Fig. 6. e Spannungsverläufe U5 am Ausgang des Integrators
53;
U6 am Ausgang der Gebereinheit 2 für ein Steuersignal.
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In Fig. 7 sind Zeitdiagramme rür die Erzeugung eines Sägezahnsignel
veränderlicher Amplitude am Ausgang des Generators 9 bei α< 40° aufgeführt;
Fig. 7 a Spannungsverlauf U7 am Ausgang des Steuerimpulsgenerators 15; Fig. 7 b
Verlauf der die Amplitude der Sägezahnspannung ändernden Spannung U8 am zweiten
Eingang des Generators 9; Fig. 7 c Spannungsverlauf U9 am Ausgang des elektronischen
Schalters 61; Fig. 7 d Spannungsverlauf U10 am eingang des Operationsverstärkers
54 des Integrators 53; Fig. 7 e Spannungsverläufe U11 am Ausgang des Integrators
53; U12 am Ausgang der Gebereinheit @ 2 für ein Steuersignal.
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Die Einrichtung zur Phasensteuerung eines Ventilumformers 1 arbeitet
wie folgt. Im Sägezahngenerator 9 (Fig. 1) wird ein linear ansteigendes Signal -
flache Anstiegsflanke des Sägozahnsignals U5 (Fig. 6e) erzeugt, das dem Eingang
8 des Nullorgans 6 zugeführt wird. Auf den Eingang 7 dieses Nullorgans 6 vjird ein
Steuersignal U6 von der Gebereinheit 2 für ein Steuersignal gegeben. Im Laufe der
Zeit, wo das Sägezahnsignal U5 das Steuersignal U6 betragsmäßig unterschreitet,
befindet sich das Nullorgan 6 im Zustand Null, das
Signal an dessen
Ausgang ist gleich Null. Im Vorgang des Anstiegs der flachen Flanke des Sägezahnsignals
U5 kommt ein Augenblick tI, wo dieses Signal gleich der eteuersignal U6 wird. Dies
bewirkt eine Umschaltung des Nullorgans 6, an seinen Ausgang erscheint ein Einheitssignal.
Die Umschaltung des Nullorgans 6 stellt einen Befehl dar, der nach dem Durchgang
durch die Einheit 13 zur Phasenbegrenzung auf dem Eingang 16 des nach der Schaltung
eines-Univibrators ausgeführten Steuerimpulsgenerators 15 eintrifft und einen Impuls
U1 (Fig. 6a) Vorgegebener unveränderlicher Dauer to erzeugte Dieser Impuls kommt
am Eingang 17 des Sägezahngenerators 9 an und bewirkt die Erzeugung der Steilflanke
des Sägezahnsignals U5 (Fig. 6c).
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Die Steilflanke ist linear-absteigend, ihre Dauer richtet sich nach
der Dauer to des Impulses U1. Die Erzeugung der steil abfallenden Flanke des Sägezahnsignals
U5 veranlaßt die Rückschaltung des Nullorgans 6 in den Zustand Null. Infolgedessen
fällt das Sägezahnsignal U5 wieder unter das Steuersignal U6 ab. Nach der Erzeugung
der steil abfallenden Flanke fängt der Sägezahngenerator 9 an, die nächste Anstiegsflanke
(Zeitpunkt t2) zu erzeugen und im weiteren wird der Vorgang wiederholt.
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Die Impulse vom Ausgang des Generators 15 (Fig. 1) treffen auch an
der Impulsverteilereinheit 19 ein, wo sie auf dic sechs Ausgang 26, 2? 28, 29, 30,
31 nach der Zahl der Ventile 20, 21, 22, 23, 24, 25 des Umformers 1 verteilt werden.
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Die Impulsverteilung erfolgt nach einem Ringprinzip. Läßt einer der
am Eingang der Impulsverteilereinheit 19 angekommenen Impulse einen Impuls am Ausgang
26 erscheinen, so bewirkt der nächste einen Impuls am Ausgang 27 usw. Nach dem Auftroten
des Impulses am Ausgang 31 der Einheit 19 kommt die Reihe wieder an den Ausgang
26. Die Impulse von den Ausgängen 26, 27, 28, 29, 30, 31 der Einheit 19 werden auf
die jeweiligen Ventile 20, 21, 22, 23,'24, 25 des Ventilumformers 1 übermitteilt,
worauf sie öffnen0 Die Parameter des Sägezahnsignale U5 sind derart gewählt, daß
seine Taktdauer To/6 bei unveranderlichem Steuersignal U6 um das Sechsfache kleiner
als die Taktdauer T0 der wechselstromseitigen Spannung des Umformers 1 ist. Hierbei
ist die Impulsperiode an jedem der Ausgänge 26, 27, 28, 29, 30, 31 der Einheit 19
genau gleich der Periode der v:echselstromseltigen Spannung des Umformers 1, und
die den Zündwinkel bestimmende Impulsphase weist also bezüglich der wechselstromseitigen
Spannung einen bestimmten unveranderlichen Wert auf.
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Ändert sich das Steuersignal U6, bekommt es beispielsweise ein Inkrement
von #U6 (Fig. 6), so verschiebt sich der Augenblick der Gleichheit der Signale U5
und U6 um einen Wert von #t1 = t5 - t4 bezüglich des Augenblicks t4, der dem unveränderlichen
Steuersignal entspricht. Die neue Lage des Augenblicks der Gleichheit vom Steuersignal
U6 und Sägezahnsignal U5 (Zeitpunkt t5) entspricht einem anderen Phasenwert der
Steuerimpulse gegenüber den Spannungen auf der Wechselstronseite und folglich auch
einem anderen Zündwinkel α.
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So erfolgt bei Änderung des Wertes des Steuersignals eine Änderen
der Impulsphase, eine Phasensteuerung. Das Verhältnis des Wertes der Phasenverschiebung
zu einer diese bewirkenden minderung des Steuersignals kennzeichnet den Arbeitswirkungs-£:rad
der Steuereinrichtung und wird Transformationskoeffizieten Kα genannt.
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Das Steuersignal U6 wird in der Gebereinheit 2 für ein Steuersignal
in Form einer Differenz zwischen einem Signal vorgegebener Größe und einem Signal
gemessener Größe eines Betriebsparameters erzeugt. Zu diesem Zweck ist in der Einheit
2 der summierende Operationsverstärker 49 (Fig. 2) mit dem Viderstand 50 im Rückkopplungskreis
und den zwei Eingangswiderständen 51 und 52 enthalten. Auf den Widerstand 52 wird
ein der Regelgröße eines Betriebsparameters, beispielsweise dem gleichgerichteten
Strom des Umformers, entsprechendes Signal vom Umformer 1 gegeben, das von irgendeinem
im Umformer 1 montierten Stromgeber, beispielsweise einem (in Fig. nicht angedeuteten)
Gleichstromtransformator, geliefert wird. Auf den Widerstand 51 wird ein Signal
von der Einheit 4 für ein Vergleichssignal eingespeist. Dessen Wert ist gleich dem
erforderlichen Wert des zu regelnden Betriebsparam.eters, weist aber ein umgekehrtes
Vorzeichen auf. Hierbei bildet sich am Ausgang des Operationsverstärkers 49 ein
einer Differenz vom Vorgabe- und dem Istwert des zu regelnden Betriebsparameters
gleiches .Signal aus. Gerade dieses Signal wird als Steuersignal U6 ausgenutzt.
Steigt der Richtstrom des Umformers (Betriebsparameter
) an, so
führt das zur Überschreitung des Signals vorgegebener Größe durch das vom Istwert
des gleichgerichteten Stroms abhängige Signal und folglich zur Vergrögerung des
Ausgangssignals des Operationsverstärkers 49, d.h. des Steuersignals. Hierbei verschieben
sich im Sägezahngenerator 9 die Zeitpunkte der Gleichheit vom Sägezahn- und Steuersignal
und folglich auch die Steuerimpulse am Ausgang des Steuerimpulsgenerators 15 in
Richtung einer Verzögerung. Die Verschiebung der Steuerimpulse in Richtung der Verzögerung
hat eine Verringerung der gleichgerichteten Spannung des Umformers 1 und also eine
Stromabnahme und die Wiederherstellung der Vofgabegröße des gleichgerichteten Stroms
zur Folge.
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Zur Vorgabe der erforderlichen Größe des Betriebsparameters enthält
die Steuereinrichtung die Einheit 4 für ein Vergleichssignal.
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Um diesen Wert einzustellen, wird der Schleifer 48 des Potentiometers
47 verschoben, dessen entgegengesetzten sonden eine stabilisierte Spannung Ud zugeführt
wird.
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Der Bereich der Phasenverschiebung der Steuerimpulse ist begrenzt.
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In Richtung einer Voreiling dürfen sich die Steuerinpulse nicht mehr
als um einen dem Zündwinkel α = 0° entsprechenden Wert verschieben, weil nur
unter dieser Bedingung an den Ventilen des Umformers eine für deren Zünden erforderliche
positive Spannung erhalten bleibt.
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In Richtung der Verzögerung ist die Verschiobuns der
Steuerimpulse
durch die Bedingung einer Störung der richtigen Schaltfolge der Ventile des Umformers
im \;echselrichterbetrieb beschränkt.
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Zu diesem Zweck gibt es in der Steuereinrichtung die Einheit 13 zur
Phasenbegrenzung der Steuerimpulse.
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Das als Auslösebefehl für cen Steuerimpulsgenerator 15 dienende Signal
vom Nullorgan 6 gelangt zum eingang der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung und trifft
von deren Ausgang auf dem Eingang des Generators 15 ein. Den Eingängen 39, 40,41,
42, 43, 44 werden Wechselspannungen von den sechs Phasen der Sekundärwicklung des
mit seiner Primärwicklung an die Primärwicklung des Krafttransformators 45 des Umformers
1 angeschlossenen Spannungstransformators 38 zugeführt.
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In der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung sind sechs gleiche Kanäle
80, 81, 82, 83, 84, 85 nach der Zahl der Ventile des Umformers 1 (Fig. 5) enthalten.
Von der mit dem Eingang 38 der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung gekoppelten Phase
des Spungstransformators 38 wird die Spannung auf as Nullorgan 90 des Kanals 80
eingespeist. Am Ausgang des Nullorgans nimmt das Signal einen Nullwert zu den Zeitmomenten,
wo dessen sinusförmige Eingangsspannung negativ, und einen Einheitswert, wo diese
Spannung positiv ist, an. Da die Spannungen an der sechsphasigen Sekundärwicklung
des Spannungstransformators 38 mit den Linienspannungen (Außenleiterspannungen)
der Sekundärwicklung des Krafttransformators 45 in Phase liegen, entsprechen die
positiven Werte der Spannung am Eingang 38 und die Einheitswerte des Signals am
Ausgang des Nuilorgans 90 der
positiven Spannung am Ventil 20 des
Umformers 1.
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Das einen Einheitswert gleichzeitig mit der Erscheinung der -positiven.
Spannung am Ventil 20 des Umformers 1 annehmende Signal am Ausgang des Nullorgans
90 wird als Freigabesignal zum Durchgang eines AuslösesiUnals für den Steuerimpulsgenerator
15 vom Nullorgan 6 ausgenutzt. Zu diesem Zweck gelangt das Signal vom Nullorgan
6 auf den Eingang 93 der ODER-Schaltung 91 und trifft nach dem Durchlauf durch diese
auf den Eingang 88 der UND-Schaltung 86 ein, die es nur bei einem gleich zeitigen
Anliegen des Signals auch noch am Eingang 87 passieren kann. Bis also das Einheitssignal
am Eingang 87 der UDD-Schaltung 86 und folglich dre positive Spannung am Venti1-20des
Umformers 1 erschienen ist, darf kein Impuls zum Ventil 20 geschickt werden. Die
UiD-Schaltung 86 weist auch einen dritten Eingang 89 auf, an dem über den Eingang
37 der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung ein Signal vom Ausgang 31 der Impulsverteilereinheit
19 eintrifft. Am Ausgang 31 (Fig. 2) der Impulsverteilereinheit 19 liegt ein Einheitssignal
in dem Fall vor, wenn der vorhergehende Impuls zum vorhergehenden Ventil 25 vom
Ausgang 31 der Einheit 19 geschickt worden ist. Ein Freigabesignal erscheint also
am Eingang 89 der UND-Schaltung 86, wenn das vorhergehende Ventil 25 durch den vorhergehenden
Impuls geöffnet worden ist. Derartige Schaltung gestattet es, das Ringprinzip für
die Impulsverteilung beizubehalten.
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Die Phasenverschiebung. der Steuerimpulse. in Richtung der Verzögerung
darf nicht zu groß sein. Dies kann eine Störung der richtigen Schaltfolge im Wert-
lrichterbetrieb veranlassen.
Zur Begrenzung der Impulsverschiebung
durchläuft das Signal.vom Ausgang des Nullorgans 90 den aus dem Kondensator 96 und
dem Widerstand 97 zusammengesetzten Differenzierkreis 95, an dessen Ausgang sich
ein kurzzeitiger Impuls in dem Augenblick ausbildet, wo das Signal am Ausgang des
Nullorgans 90 vom Null- in den Einheitswert übergeht, dann wird dieses Signal im
VerzögerunOselement 94 verzögert und gelangt auf den Eingang 92 der ODER-Schaltung
91. Die Verzögerungszeit ist gleich dem zulässigen ert der Verzögerung der Steuerimpulse
gewählt. Falls am Eingang 93 der ODER-Schaltung 91 im Laufe der zulässigen Verzögerungszeit
kein Signal-vom Nullorgan 6 ankommt, so trifft an dessen Stelle am Eingang 92 dieser
Schaltung ein Signal vom Verzögerungselement 94 ein, das auch zum Eingang d8 der
UND-Schaltung 86 durchkommt.
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Die übrigen Kanäle 81, 82, 83, 84, 85 sind in der gleichen Schaltung
mit dem Kanal 80 ausgeführt. Die Signale von den Ausgängen aller sechs Kanäle 80,
81, 82, 83, 84, 85 kommen an den Eingängen 99, 100, 101, 102, 103, 104 der ODER--Schaltung
98 an. Am Ausgang dieser Schaltung 98, der auch als Ausgang der Einheit 13 zur Phasenbegrenzung
dient, erscheint also das Signal zugleich mit dem Auftreten des Signals am Ausgang
eines beliebigen der Kanäle 80, 81, 82, 83, 84, 85, und der allen sechs Kanälen
und allen sechs Ventilen 20, 21, 22, 23, 24, 25 gemeinsame Steuerimpulsgenerator
15 erzeugt einen Steuerimpuls nach dem Signal eines beliebigen der Kanäle 80, 81,
82, 83, 84, 85.
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Die Impulsverteilereinheit 19 arbeitet wie folgt. Vor Beginn der
Arbeit wird eines der Flipflops 74, 75, 76, 77, 78, 79 (Fig. 4), beispielsweise
das Flipflop 74, in den 1-Zustand gestellt, wenn das Signal am Ausgang Q = 1 und
am Ausgang Q = 0 ist. Die übrigen Flipflops 75, 76, 77, 7d, 79 werden in den O-Zustand:
Q = O,Q = 1 gestellt. In den Zeitabständen, wo die Steuerimpulse ausbleiben, wird
derartiger Zustand der Flipflops beibehalten, weil bei Fehlen des Signals am Freigabeeingang
C eine Umsteuerung der Flipflops unmög lich ist. Mit dem Auftreten eines Steuerimpulses
am Eingang der Impulsverteilereinheit 19 erscheint ein Freigabesignal an den Eingängen
C aller sechs Flipflops. Das Flipflop 75 schaltet hierbei in den 1-Zustand un, weil
vom Ausgang Q des Flipflops 74 das Einheitssignal am Eingang R des Flipflops 75
eintrifft und es in den 1-Zustand setzt. Die Flipflops 76, 77, 78, 79 bleiben im
O-Zustand, weil das Einheitssignal von den Ausgängen Q der Flipflops 75, 76, 77,
78 an den jeweiligen Eingangen R ankommt und deren O-Zustand verstärkt.
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Vom Ausgang Q des Flipflops 79 kommt das Einheitssignal zum Eingang
R des Flipflops 75 und schaltet es in den O-Zustand um. Infolge der Einwirkung des
Steuerimpulses erweisen sich also das Flipflop 75 im 1- und die übrigen Flipflops
im O-Zustand. Durch den nächsten Impuls schaltet in den 1-2ustand das Flip-Flop
76, dann 77 usw. um. Die Impulsverteilereinheit 19 wird hierbei nach dem Ringprinzip
umgeschaltet.
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Der Sägezahngenerator 9 arbeitet folgenderweise. Ein auf den Eingang
10 kommendes Signal wird durch den Invertor
62 invertiert. Vom
Ausgang des Invetors 62 gelangt das die Gleiche Form wie am Eingang 10 nur mit dem
anderen Vorzeichen aufweisende Signal auf den Signaleingang des elektronischen Schalters
61. Spcrrt der transistor 60 des elektronischen Schalters 61, so gelangt das Signal
vom Ausgang des Invertors 62 über die Widerstände 59, 58 zum Eingang des Operationsverstärkers
54. Leitet der Transistor 60, so wird der Verbindungspunkt der Widerstände 59 und
58 an tasse gelegt. Da an der Basis des Transistors 60 vom Eingang 17 Steuerimpulse
eintreffen, erweist sich dieser Transistor als gesperrt, wenn ein Impuls ankommt,
und als leitend wenn dieser ausbleibt, deshalb hat das Signal 3 (Fig. 6c) an dessen
Kollektor einen Nullwert, wenn der Steuerimpuls U1 (Fig. 6a) ausbleibt, und einen
Wert proportional dem Signal U2 (Fig. 6b), jedoch mit dem anderen Vorzeichen, wenn
der Steuerimpuls komnt. Mit der Änderung der Größe des Signals U3 zum Zeitpunkt
t3 am Eingang 10 ändert sich dementsprechend die Amplitude des Impulssignals U3
am Kollektor des Transistors 60.
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Am Eingang des Operationsverstärkers 54 trifft auch über den Widerstand
57 ein nichtinvertiertes Signal vo Eingang 10 des Sägezahngenerators 9 ein. Die
Summe U4 (Fig. 6d) der von den Widerständen 57 und 58 kommenden Signale stellt ein
Eingangssignal des Integrators 53 dar. Der ert des Widerstandes 57 ist derart gewäht,
daß der Gleichstromanteil des Signals U4 gleich Null ist. Das Signal U4 wird durch
den Operationsverstärker 54 Lit dem Kondensator 55 im Rückkopplungskreis integriert.
Das Signal U5 an dessen Ausgang stellt eben ein auf den Eingang des Nullorgans 6
geliefertes Sägezahnsignal
dar. Der widerstand 56 im Rückkopplungskreis
des Operationsverstärkers 54 ist zur Verhinderung der Wanderung des Ausgangssignals
in den Sättigungsbereich des Verstärkers erforderlich.
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Der Transformationskoeffizient der Steuereinrichtung hängt von der
Größe des abstimmenden Signals U2 ab. In Fig. 7 sind Zeitdiagrame für die Formierung
eines Sägezahnsignals am Ausgang des Generators 9 bei α>40° wiedergegeben.
Das Signal Ud in Fig. 7b hat einen größeren Wert als das Signal U2 in Fig. 6b. Eine
höhere Amplitude weisen dementsprechend Signale U9 in Fig. 7c am Kollektor des Transistors
60, Summe U10 (Fig. 7d) von Signalen an den Widerständen 57 und 58 und Sägezahnsignal
U12 am Ausgang des integrierenden Operationsverstärkers 54 auf. Hierbei ist aus
einem Vergleich von Fig. 6e und 7e ersichtlich, daß gleichen Werten des Inkrementes
# U6 = #u11 des Steuersignals zum Zeitpunkt t3 bzw.
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zum Zeitpunkt t6 verschiedene Verschiebungsgrößen des nächstfolgenden
Steuerimpulses # t1 #t2 entsprechen, d. h. größeren Werten des zusätzlichen (abstimmenden)
Steuersignals entspricht ein kleinerer Transformationskoeffizient K2 Indem man den
Wert des zusätzlichen Steuersignals vergrößert, kann man den Transformationskoeffizienten
E d verkleinern und umgekehrt.
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Das den Transformationskoeffizienten abstimwende Steuersignal gelangt
auf den Eingang 10 des Generators 9 vom Ausgang des Funktionalumformers 11.
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Der Funktionalumformer 11 ist zur Erzeugung des die Amplitude des
Sägezahnsignals nach einem nicht linearen Gesetz
in der Weise ändernden
Signals vorgesehen, daß für den gesamten Änderungsbereich des Zündwinkels α
und folglich für den Änderungsbereich des Steuersignals der von der Amplitude des
Sägezahnsignals abhängige Verstärkungsfaktor K0 des geschlossenen Regelkreises nahe
an dem nach der Stabilitäsbedingung maximal zulässigen liegt.
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Der die Stabilität slchernde maximal zulässige Verstärkungsfaktor
hängt nichtlinear von verschiedenen Betriebsparametern: Zündwinkel, Belastungsstrom,
Kommutierungswinkel u. a.
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ab. Diese Abhängigkeiten können analytisch berechnet Werden.
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In der Regel nimmt der maximal zulässige Verstärkungsfaktor bei Vergrößerung
des Zündwinkels und des Laststroms ab.
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Für den größten Last strom wird die Stabilität eingehalten, wenn
der Verstärkungsfaktor für kleine Zündwinkel und also für kleine Werte des Steuersignals
konstant und genüGend groß bleibt. .it @ Zunahme des Zündwinkels α nimmt er
ab und wird, beginnend mit einem bestimmten Wert des Zündwinkels Cd wieder konstant,
aber betragsmäßig geringer.
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Hierbei wird die Stabilität für kleinere Lastströme um so mehr gewährleistet.
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Der Funktionalumformer 11 stellt einen Operationsverstarker 66 mit
eine linearen Eingangswiederstand 68 und einem nicht linearen Widerstand 67 im Rückkopplungskreis
(Fig. 3) dar.
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Für geringe Werte des Signals am Eingang des Widerstandes 68 (vom
Nullwert bis zu einem der Stabilisierungsspannung der Zener-Diode 72 gleichen Wert)
wird am Ausgang des
Operationsverstärkers 66 eine konstante, der
Stabilisierungsspannung der Zener-Diode 72 gleiche Spannung dadurch gehalten, daß
die Diode 71 bei diesem Betrieb durch einen vom Ausgang des Operationsvcrstärkers
66 über Widerstand 70» Diode 71 und Widerstand 73 zur Vorspannungsquelle - Us fließenden
Strom leitend gemacht wird. Hieroei wird zwischen den Eingang und dem Ausgang des
Operationsverstärkers 66 durch die Zener-Diode 72 eine unveränderliche, der Stabilisierungsspannung
der Zener-Diode gleiche und vom Signal am Widestand 68 unabhängige Spannung gehalten.
Dies bedeutet, daß am Ausgang des Funktionalumformers 11 die Spannung gleichfalls
unveränderlich und gleich der Stabilisierungsspannung der Zener-Diode 72 sein wird.
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Fär Werte des Signals am Eingang des Widerstandes 68 größer als Stabilisierungsspannung
der Zener-Diode 72, kleiner als Stabilisierungsspannung der Zener-Diode 69 sperrt
die Diode 71, und im Rückkopplungskreis bleibt nur der Widerstand 70. Dies entspricht
einer proportionalen Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingangssignal. Beim anstieg
des Eingangssignals von einen der StabilisierungsslJannung der Zener-Diode 72 gleichen
Wert bis zur Stabilisierungsspannung der Zener-Diode 69 steigt also die Ausgangsspannung
mit steigendem Eingangssignal an.
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Bei Erreichen der Stabilisierungsspanung der Zener--Diode 69 durch
das Eingangssignal hört ein weiterer Anstieg des Ausgangssignals dadurch auf, daß
die leitend gewordene
Zener-Diode 69 den widerstand 70 überbrückt
und den weiteren Anstieg des Ausgangssignals verhindert.
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Die Werte der Stabilisierungsspannungen der Zener-Dioden 72 und 69
und der Wert das Viderstandes 70 sind derart gewählt, daß das Ausgan£ssignal des
Verstärkers 66 bis zu dem Zündwinkel α = 150 des Umformers entsprechenden
Werten des Eingangssignals am Widerstand 68 konstant bleibt, dann auf α =
400 entsprechende Winkelwerte anwächst und danach wieder konstant bleibt.
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Eleineren Werten des vom Ausgang des Operationsverstärkers 66 am
Eingang 10 des Sägezahngenerators 9 ankommenden Signals entspricht eine kleinere
Amplitude des Sägezahnsignals und folglich ein größerer Transformationskoeffizient.
Bei Zunahme des Steuersignals von Null bis zum Höchstwert wird der Transformationskoeffizient
daher zuerst (bis zum Zündwinkel α = 150) konstant und groß sein, dann (beginnend
mit den Zündwinkel c<= 150 und endend beiu zündwinkel α = 400) abnehmen
und dann (beginnend mit dem Zündwinkel 0< = 40°) wieder unveränderlich, aber
klein bleiben.