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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Spannungsversorgungsgerät für Wechselstrom
mit elektronisch geregelter Spannung, welches die Vorteile von bestehenden
elektromechanischen Stromreglern und bestehenden elektronischen
Spannungsreglern vereint, obwohl es nicht deren Begrenzungen und
Nachteile aufweist.
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Die
bestehenden elektromechanischen Spannungsregler, beispielsweise
für eine
Ein-Phasen-Wechselstromleitung bestehen gewöhnlich aus einem Transformator,
dessen Sekundärwicklung
in Reihe mit der Phase der Leitung geschaltet ist, die geregelt
werden soll, wobei der besagte Transformator aus diesem Grunde gewöhnlich als
Reihen-Transformator bezeichnet wird und mit einem Ende seiner Primärwicklung
an den Mittelabschnitt der Spule eines Spar-Transformators mit einstellbarem Übersetzungsverhältnis angeschlossen ist
und wobei der besagte Spar-Transformator parallel zur Starkstromleitung,
die geregelt werden soll, dem besagten Reihen-Transformator nachgeschaltet
ist. Das andere Ende der Sekundärwicklung
des Reihen-Transformators ist mit der Bürste des bewegbaren Anschlusses
des Spar-Transformators mit einstellbarem Übertragungsverhältnis verbunden,
wobei besagte Bürste
mittels einer Servo-Steuerung mit einem in beiden Drehrichtungen
laufenden Motor betätigt
wird, der von einer elektronischen Verarbeitungseinheit angetrieben
wird, welche die Leitungsausgangsspannung überwacht. Wenn die Ausgangsspannung
dem vorgegebenen Sollwert entspricht, ist die besagte Bürste in
einer solchen Position, dass sie die Primärwicklung des Reihen-Transformators
kurzschließt,
die somit entregt ist. Wenn dagegen die Leitungsausgangsspannung
höher oder
niedriger ist als der Sollwert, bewegt die Servo-Steuerung die Bürste in
der einen oder der anderen Richtung derart, dass der Primärwicklung
des Reihen-Transformators eine Spannung zugeführt wird, die in Bezug auf
die Spannungszuführung
zur Sekundärwicklung
des besagten Transformators gleich-phasig oder gegen-phasig sein kann,
und deren Wert derart bemessen ist, dass die Ausgangsspannung des
Kreises auf einen solchen Wert erniedrigt oder erhöht wird,
dass Letztere auf den gewünschten
Sollwert zurückgeführt wird.
Die elektromechanischen Regler dieser Art sind vorteilhaft, weil
die Spannung nahezu kontinuierlich geregelt werden kann und sie
gestatten die Ausnutzung der elektromechanischen Trägheit der
Servo-Steuerung, um nutzlose schnelle Schwingungen im Regelkreis
zu vermeiden und sie besitzen den Vorteil, dass sie hohe Stromspitzen
und große
Phasenverschiebungen ertragen, die beispielsweise beim Starten von
mit dem geregelten Netzwerk verbundenen Elektromotoren auftreten
können,
da sie in Reihenschaltung zur Leitung lediglich die Sekundärwicklung
des Reihen-Transformators aufweisen, der außerdem vorteilhaft ist, weil
er ein bestimmtes Netzwerk-Rauschen filtert und eliminiert. Andererseits
liegt die Begrenzung der besagten Regler darin, dass sie bewegliche
Teile besitzen, die regelmäßige Wartungsarbeiten
erfordern und dass ihre Ansprechzeiten ziemlich lang sind.
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Andererseits
bestehen die existierenden elektronischen Spannungsregler im Wesentlichen
aus einem Spar-Transformator, der an seinem Ausgang mit mehreren
Abgriffen ausgerüstet
ist, von denen jeder eine Spannung liefert, die gleich der Sollspannung
oder, in unterschiedlicher Weise gegenüber der Sollspannung, mit vorgegebener
Abstufung erhöht
oder erniedrigt ist, wobei an jedem Sockel ein TRIAC vorgesehen
ist und Ausgänge
der verschiedenen TRIACs zueinander parallel geschaltet sind. Eine
elektronische Mikro-Prozessor-Einheit überwacht
die Eingangsspannung des Spar-Transformators und vergleicht sie
mit einem vorgegebenen Sollwert; wenn der erfasste Wert jenseits
vorgegebener Schwellenwerte liegt, steuert die besagte Einheit den
TRIAC an, welcher eine Spannung liefert, die in Bezug auf die Eingangsspannung
in geeigneter Weise erhöht
oder erniedrigt ist, so dass der Wert der Ausgangsspannung so nah
wie möglich
dem Wert der Sollspannung entspricht. Diese Art eines Reglers ist
vorteilhaft, da er keine beweglichen Teile enthält und daher keine regelmässigen Wartungsarbeiten
erfordert, die bei elektromechanischen Reglern notwendig sind, und
er zeigt ein besseres Ansprechen auf Veränderungen. Andererseits weisen
elektronische Regler nicht die oben erwähnten Vorteile auf, die elektromechanische
Regler besitzen, und sind weniger betriebssicher als die Letzteren,
weil die TRIACs von Netzwerk-Betriebsströmen durchflossen sind, und
weil die besagten Komponenten zweifellos weniger zuverlässig sind
als ein elektromechanisches System.
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Das
Dokument
US-A-3 018
431 offenbart einen Spannungsregler für Wechselstrom mit:
Reihen-Transformatoren,
deren Sekundärwicklungen
in Reihe an die Phase der Leitung angeschlossen sind,
ein Schaltsystem,
eine
Prozesseinheit,
eine Abtasteinheit für die Ausgangsspannung,
wobei
die Prozesseinheit die jeweiligen primären Transformator-Wicklungen
in Bezug auf die Änderung
der Ausgangsspannung sowie einen Phasen-Inverter schaltet.
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Das
Dokument
US-A-5 883
503 offenbart ein Spannungsausgleichssystem mit:
einem
Transformator, der mit seiner Sekundärwicklung in Reihe zur Phase
der Leitung angeschlossen ist,
ein Schaltsystem,
eine
Prozesseinheit,
wobei die Prozesseinheit die jeweilige primäre Transformator-Wicklung
in Bezug auf die Änderung
auf die Phasenspannung sowie einen Phasen-Inverter schaltet.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Spannungsregler
in Übereinstimmung mit
dem anhängenden
Anspruch 1 und abhängigen
Ansprüchen.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung und die Vorteile, die sich aus
ihr ergeben, werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der besagten Erfindung, die als bloßes, nicht einschränkendes
Beispiel in den Figuren des beigefügten einzigen Zeichnungsblattes
dargestellt ist, in welchen:
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1 ein
Schaltbild für
die Ausbildung und die Verwendung eines der in der Vorrichtung gemäß der Erfindung
verwendeten Reihen-Transformatoren zeigt;
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2 den
Kern und die Wicklungen des Transformators nach 1 im
Querschnitt zeigt und die Anordnung der besagten Wicklungen verdeutlicht;
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3 ein
Basis- und Block-Schaltbild des elektronischen Reglers nach der
Erfindung zeigt.
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Wie
in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung erwähnt, verwendet
der erfindungsgemäße Regler
Reihen-Transformatoren, die jeweils durch Kurzschluss oder Spannungszuführung zu
ihrer Primärwicklung über feststehende,
elektronisch gesteuerte Schalter, beispielsweise mittels eines TRIAC,
zyklisch entregt oder erregt werden müssen. Die Verwendung eines
traditionellen Reihen-Transformators hätte es notwendig gemacht, zwei
TRIACs zu verwenden, von denen einer für den Kurzschluss und der andere
für die
Erregung der Primärwicklung
des Transformators bestimmt wäre
und die besagten TRIACs sollten aufgrund von Befehlen geschaltet
werden, wobei sie für
einen infinitesimalen Zeitraum in einem Kurzschluss-Status verbleiben.
Diese Bedingung, welche dennoch durch die vorliegende Patentanmeldung
geschützt
ist, erzeugt, obwohl sie einerseits das Selbstausschalten der TRIACs
vereinfacht, andererseits Schaltüberströme, die
mit hohen Widerstandsbelastungen neutralisiert werden müssen, was
zu Raum- und Wärmeabführungsproblemen
führen kann.
Die folgende Lösungs-Idee
ist dazu verwendet worden, dieses erste Problem zu lösen. 1 B
zeigt einen Reihen-Transformator, der später Booster genannt wird, dessen
Sekundärwicklung 2 in
Reihe an die Phase L der Leitung angeschlossen ist, welche geregelt
werden soll, wobei der besagte Booster mit zwei Primärwicklungen 1 und 101 versehen
ist, welche durch Öffnungs-
und Schließ-Mittel 3 und 103,
beispielsweise jeweils durch TRIACs, die zusammen ein feststehendes
Schaltsystem 9 (s. unten) bilden, gesteuert werden. Einer
dieser TRIACs, beispielsweise der TRIAC 3, hält die entsprechende
Primärwicklung 1 im
Kurzschluss oder öffnet
sie, während
der andere TRIAC 103 die entsprechende Primärwicklung 101 geöffnet hält, oder
sie mit der Spannungszuführung
in der Richtung, welche durch die Prozesseinheit vorgegeben ist,
verbindet und den Betrieb der Vorrichtung steuert (s. unten). Um
den Wert der internen Schaltströme
im Booster B zu begrenzen, ist die Sekundärwicklung 2 vorzugsweise
zwischen den beiden Primärwicklungen 1 und 101 angeordnet,
wie in 2 dargestellt, wobei die Bezugsziffer 4 den
Magnetkern des besagten Boosters bezeichnet. Bei dieser Lösung besitzen
die Primärwicklungen 1, 101 eine
geringe Kopplung miteinander, wohingegen sie in wirksamer Weise
mit der Sekundärwicklung
gekoppelt sind. Die Spulen 1 und 101 können beispielsweise die
gleiche Anzahl von Windungen besitzen und die äußere Spule 101, deren
Impedanz höher
ist, ist zum Schalten von Spannungen geeigneter, während die
innere Spule 1 kurzgeschlossen oder geöffnet ist.
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Der
so aufgebaute Booster B wird in der nachfolgend beschriebenen Weise
verwendet. Eine elektronische Prozesseinheit 5 erfasst
den Ausgangsspannungswert Vu und weitere charakteristische Merkmale
der Leitung L über
die Verbindungsleitung 6 und kann außerdem mit dem Eingang verbunden
sein, wie durch die Bezugsziffer 7 dargestellt, um die
Eingangsspannung Vi und andere charakteristische Merkmale der besagten Leitung
L zu erfassen, wie beispielsweise die Frequenz. Die Funktion der
Einheit 5 besteht darin, zu prüfen, ob sich die Ausgangsspannung
Vu in Bezug auf einen vorgegebenen Sollwert verändert und den Betrieb des Reglers
so zu steuern, dass, wenn die Ausgangsspannung Vu in Bezug auf den
Sollwert abnimmt oder zunimmt, die besagte Ausgangsspannung jeweils
um die Regelspannung in Abhängigkeit
von den Dimensionierungs-Charakteristiken des Boosters angehoben
oder erniedrigt wird. Lo bezeichnet den Null-Leiter der zu regelnden
Leitung. Der die Primärwicklung 1 des
Boosters steuernde TRIAC 3 ist mit den beiden Enden der
besagten Wicklung verbunden und ist mit seinem Gate an die Prozesseinheit
angeschlossen. Andererseits ist der TRIAC 103 zwischen
ein Ende der Primärwicklung 101 des
Boosters und einen von der Einheit 5 gesteuerten Phasen-Inverter 8 geschaltet
und innerhalb der besagten Einheit angeordnet, wobei der Phasen-Inverter die
Ausgangsspannung Vu gleich-phasig oder um 180° Phasen-verschoben erfasst.
Der andere Anschluss der Primärwicklung 101 ist
mit dem Null-Leiter Lo verbunden. Die Wirkungsweise der so strukturierten
Vorrichtung ist folgende. Wenn die Ausgangsspannung Vu völlig oder
angenähert
der in der Einheit 5 vorgegebenen Sollspannung entspricht,
hält die
besagte Einheit den TRIAC 3 gesperrt und den TRIAC 103 geöffnet. Der
Booster liefert gar keine Regelspannung und die Ausgangsspannung
Vu entspricht der Eingangsspannung Vi. Wenn andererseits die Einheit 5 herausfindet,
dass die Ausgangsspannung Vu niedriger oder höher ist als die vorgegebene
Sollspannung, öffnet
die besagte Einheit 5 den TRIAC 3 und sperrt den
TRIAC 103, womit erreicht wird, dass die Einheit 8 der
Primärwicklung 101 die
Ausgangsspannung Vu jeweils gleich-phasig oder gegen-phasig zuführt, so
dass der Booster eine Regelungsspannung Vr erzeugt, die zur Ausgangsspannung
Vu addiert oder von ihr subtrahiert werden kann, die somit in geeigneter
Weise vergrößert oder
verkleinert wird.
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3 zeigt
das Ausführungsschaltbild
eines Spannungsreglers nach der Erfindung, welcher einen oder mehrere
Booster umfasst, die mit B1, B2 und Bn bezeichnet sind, wobei die
besagten Booster mit entsprechenden Schaltsystemen 9', 9'', 9n verbunden sind, welche
mit den TRIACs, wie beispielsweise in 1 beschrieben,
ausgerüstet
sind, wobei jedes System von der Prozesseinheit 5 gesteuert
wird, die, wie unter Bezugnahme auf 1 bereits
gesagt, mit dem Ausgang der Leitung L und möglicherweise auch mit dem Leitungseingang
verbunden ist. Die Anzahl der den Regler bildenden Booster ist durch
den Genauigkeitsgrad begrenzt, den man für die Regelung der Ausgangsspannung
in Bezug auf den Eingangsspannungswert erhalten möchte und
der geregelt werden soll.
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Eine
Veränderung
der Ausgangsspannung Vu im Hinblick auf den in der Einheit
5 vorgegebenen
Sollwert erlaubt es der besagten Einheit zunächst zu erkennen, ob sie den
beziehungsweise die Booster mit einer gleich-phasigen oder gegen-phasigen
Spannung im Hinblick auf die Ausgangsspannung versorgen muss, um die
besagte Ausgangsspannung zu vergrößern oder zu verkleinern und
zur gleichen Zeit definiert die besagte Einheit
5, welchen
oder welche Booster fortschreitend und mit der Maximalgeschwindigkeit
aktiviert oder deaktiviert werden müssen, um eine schrittweise
Regelung zu simulieren, die im Wesentlichen kontinuierlich ist und völlig ähnlich derjenigen
eines elektro-mechanischen Reglers, obwohl sie schneller in ihrem
Ansprechen ist. Die Kontinuität
der Einfügung
zur Spannungsregelung kann erhalten werden, indem man der Regel
der binären
Nummerierung folgt. Analysieren wir beispielsweise den Fall von
vier Boostern, die in der nachfolgenden Tabelle mit a), b), c) und
d) bezeichnet werden. Die Ziffern 0 und 1 bezeichnen jeweils einen
entregten Booster und einen erregten Booster. Jeder Booster kann
einen Spannungswert addieren oder subtrahieren, welcher der Hälfte des
vorhergehenden Wertes entspricht, ausgehend von dem Booster mit
dem höchsten
Wert bis zu demjenigen mit dem niedrigsten Wert.
| A | b | c | d | Werte | Summe |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 2 | 2 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 2
+ 1 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 4 | 4 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 4
+ 1 | 5 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 4
+ 2 | 6 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 4
+ 2 + 1 | 7 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 8 | 8 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 8
+ 1 | 9 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 8
+ 2 | 10 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 8
+ 2 + 1 | 11 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 8
+ 4 | 12 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 8
+ 4 + 1 | 13 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 8
+ 4 + 2 | 14 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 8
+ 4 + 2 + 1 | 15 |
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Die
Booster werden der oben angegebenen Tabelle folgend schnell einer
nach dem anderen angeschlossen oder abgetrennt, egal ob die hinzuzufügende Spannung
positiv oder negativ ist. Wenn sie negativ ist ändert der Inverter das Vorzeichen
aller Werte. Vorzugsweise wird kein Sprung gemacht, weil diese Bedingung,
obwohl sie sogar einerseits, insoweit es die Regelgeschwindigkeit
betrifft, vorteilhaft wäre,
was nicht immer notwendig ist, andererseits die Kontinuität und die
Gleichmäßigkeit
der Korrektur gefährden
würde.
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Nachdem
die Ausgangsspannung innerhalb der Grenzen des vorgegebenen Wertes
zurückgeführt worden
ist, verbleibt sie dort und es erfolgen keine Schaltungen bis eine
Veränderung
der Eingangsspannung oder eine Spannungsänderung aufgrund von auf das
Netzwerk L–Lo
einwirkenden Lasten es erzwingen, aus dem besagten Bereich herauszugehen.
Die Einheit 5 wird mit einer geeigneten Trägheit versehen,
um kurzzeitige und unnütze
Schaltungen zu vermeiden, so dass die Ausgangsspannung Vu sich innerhalb
eines gegebenen Bereichs um einen angemessenen Wert frei verändern kann.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung keine Einzelheiten
betreffend die Ausführung
der Prozesseinheit 5 mit dem Phasen-Inverter 8 und
der Schalteinheit 9 enthält, da diese von Fachleuten
abgeleitet werden können.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Beschreibung sich auf
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung bezieht, die verschiedenen Veränderungen und Variationen unterworfen
werden kann, insbesondere solche konstruktiver Natur, welche sich
beispielsweise auf die Verwendung anderer Schaltmittel als TRIACs
beziehen können,
beispielsweise SCRs oder IGBTs oder andere Änderungen, die Techniker leicht
ableiten können.
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In der Beschreibung zitierte
Druckschriften
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Diese
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Obwohl die Zusammenstellung der Druckschriften mit großer Sorgfalt
vorgenommen wurde, können
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In
der Beschreibung zitierte Patentdokumente