-
Elektrischer Zeitkreis Die Erfindung betrifft einen elektrischen ,Zeitkreis,
der dazu dient, das Ansprechen eines stromwertempfindlichen Gerätes, z. B. eines
Relais oder Auslösers, zu verzögern. Es ist bekannt, zu diesem Zweck einen Impulsspeicher
zu verwenden, dem eine Anzahl aufeinanderfolgender und untereinander gleich großer
elektrischer Impulse zugeführt werden und dessen Speicherzustand den Steuerkreis
des stromwertempfindlichen Gerätes unmittelbar oder mittelbar beeinflußt.
-
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß elektrische Impulse in
Form von Spannungs- oder Stromstößen bekanntlich u. a. durch Umsättigung eines hochgesättigten
Magnetkernes erzeugt werden können. Für die Ummagnetisierung einer Drossel oder
eines Wandlers vom Sättigungszustand einer Richtung auf den Sättigungszustand in
der entgegengesetzten Richtung wird ein Spannungszeitintegral von einer durch die
Abmessungen und den Kernwerkstoff eindeutig bestimmten Größe benötigt, das in einem
Spannungszeitdiagramm als Fläche in Erscheinung tritt. Dieses Spannungsintegral
wird bei einem schwach belasteten Wandler auch in der Sekundärwicklung induziert.
Der Sättigungswandler wirkt also während seiner Umsättigung wie ein gewöhnlicher
Spannungswandler. Durch wiederholte Umsättigung erhält man aufeinanderfolgende Spannungsstöße,
die in der Darstellung im Spannungszeitdiagramm sämtlich untereinander die gleiche
Flächengröße aufweisen. Hat der Sekundärkreis eines Sättigungswandlers dagegen sehr
niedrigen Widerstand, der praktisch einem Kurzschluß gleichkommt, so
verhält
er.sich während seiner Umsättigung, streuungsarmen. Aufbau vorausgesetzt, ähnlich
wie ein Stromwandler mit dem durch die Windungszahl der Primärwicklung und Sekundärwicklung
gegebenen Übersetzungsverhältnis. Man erhält in diesem Fall durch wiederholte Umsättigung
des Sättigungswandlers aufeinanderfolgende Stromstöße, die, im Stromzeitdiagramm
dargestellt, sämtlich untereinander die gleiche Flächengröße aufweisen.
-
Auf diesen Erwägungen beruht die Erfindung. Sie besteht darin, daß
ein Sättigungswandler mit Wechselstromerregung zur Impulsabgleichung in einem elektrischen
Zeitkreis verwendet wird. Bisher wurden zu diesem Zweck in bekannten elektrischen
Zeitkreisen gewöhnlich Entladungsstrecken mit eindeutig bestimmter Ansprechspannung,
z. B. Funkenstrecken, Glimm- oder Hochvakuumröhren, verwendet. Diese Mittel haben
aber eine verhältnismäßig begrenzte Lebensdauer. Auch mechanische Schaltmittel,
die natürlich ebenfalls zur Impulsabgleichung verwendet werden können, sind erheblichem
Verschleiß unterworfen. Demgegenüber ermöglicht die Erfindung einen besonders einfachen
Aufbau eines Zeitkreises aus ruhenden und praktisch keinem Verschleiß ausgesetzten
Teilen. Ein weiterer Vorteil, der z. B. bei der Zusammenarbeit des Zeitkreises mit
einem Synchronschalter Bedeutung hat, besteht darin, daß die Spannungs- oder Stromstöße
durch die Stromnulldurchgänge des Erregerstromes des Wandlers ausgelöst werden.
Auch wenn die Stromnulldurchgänge infolge von Einschwingvorgängen nicht in gleichen
Abständen voneinander liegen, arbeitet der Zeitkreis so; daß der Zeitpunkt der Auslösung
relativ zu einem Stromnulldurchgang immer dieselbe Lage hat. Dadurch ist auch in
solchen Fällen die Auslösung eines Synchronschalters zur rechten Zeit möglich, indem
der zu schaltende Strom zur Erregung des zum Zeitstromkreise gehörenden Sättigungswandlers
verwendet wird. Im Gegensatz dazu ergeben sich bei einem Zeitkreise bekannter Art,
bei welchem ein Schwingungskreis gegebener Frequenz verwendet wird, infolge von
Abweichungen der Nulldurchgänge des zu schaltenden Stromes von der normalen Lage
ebensolche Abweichungen vom richtigen Schaltzeitpunkt.
-
Ein Synchronschalter, der in einem vorgeschriebenen Takt wiederholt
eingeschaltet und unter Verwendung eines Zeitkreises nach der vorliegenden Erfindung
jedesmal mit regelbarer Verzögerung wieder im Öffnungssinn ausgelöst wird, eignet
sich z. B. :als Schweißtakter zur selbsttätigen Steuerung eines elektrischen Schweißgerätes.
Der Zeitkreis ist wegen seiner geringen Empfindlichkeit gegen mechanische oder elektrische
Überbeanspruchung für die Verwendung in rauhen Betrieben, zu denen u. a. auch die
Schweißwerkstätten gehören, besonders gut geeignet.
-
Durch Vormagnetisierung kann der Sättigungswandler zusätzlich magnetisch
gesteuert werden. Dadurch wird die Phasenlage der Nulldurchgänge der Gesamterregung
und damit der Impulse verändert. Eine Vormagnetisierung mit Gleichstrom ergibt eine
gegenseitige Verschiebung der positiven und negativen Impulse, so daß ihr Zeitwinkelabstand
in einer Richtung größer und in der anderen kleiner als 18o° e1. ist. Wird der Sättigungswandler
bis zu einem so hohen Sättigungsgrad vormagnetisiert, daß er beim Scheitelwert des
Nennstromes einer von ihm überwachten Einrichtung nicht aus dem Sättigungszustand
herauskommt, so ist der Wandler im normalen Betriebsbereich der überwachten Einrichtung
unwirksam. Erst bei einem zur Entsättigung ausreichenden Überstrom setzt die Impulsübertragung
ein. Ein angeschlossener Auslöser spricht also auf Überstrom an, aber nur in dem
Fall, wenn die Dauer des Überstromes länger ist als die Verzögerungszeit des Zeitkreises.
-
In der Zeichnung sind in Fig: i, 3, q. und 6 verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt. Die Fig. 2 und 5 enthalten Schaubilder zur
Erläuterung der Wirkungsweise, und Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Synchronunterbrechung
eines Stromkreises mit einem durch zusätzliche Einrichtungen vervollständigten Zeitkreis
gemäß der Erfindung.
-
Nach Fig. = ist die Primärwicklung eines Sättigungswandlers 2 in einem
Stromkreis zo angeordnet, der von einem Wechselstrom I durchflossen wird. Die Windungszahl
und der Kernquerschnitt des Wandlers sind so bemessen, daß der Kern nur bei sehr
kleinen Augenblickswerten in der Nähe des Stromnuliwertes ungesättigt, bei stärker
vom Nullwert abweichenden Augenblickswerten dagegen bereits hochgesättigt ist. Als
Kernwerkstoff wird vorteilhaft eine Eisensorte mit scharfen Sättigungsknicken verwendet.
An die Sekundärwicklung ist über einen Gleichrichter 3 eine Spule q. eines Auslösers
oder eines Relais angeschlossen. Parallel zu der Reihenschaltung des Gleichrichters
3 und der Spule q. ist die Reihenschaltung eines weiteren Gleichrichters 5 und eines
Kondensators 6 geschaltet. Der Kondensator 6 ist durch einen einstellbaren Entladewiderstand
7 überbrückt. Unter der Voraussetzung, daß der Widerstand der Spule q. einen niedrigen
Wert hat, wird der Sättigungswandler im Bereich seiner Umsättigung als Stromwandler
mit dem durch die Windungszahlen gegebenen Übersetzungsverhältnis wirksam. Ist der
Sättigungswandler streuungsarm gebaut, so tritt bei jedem Nulldurchgang stets das
gleiche Spannungszeitintegral, d. h. der gleiche Spannungsstoß in V/Sek. auf. Infolge
des geringen Gesamtwiderstandes des Sekundärkreises werden durch die Spannungsstöße
untereinander gleich große Stromstöße mit gleichbleibender Asekundenzahl erzeugt.
Der Gleichrichter 5 läßt nur die Stromstöße einer Richtung zum Kondensator 6 gelangen,
so daß dessen Spannung mit jedem zweiten Stromstoß etwas ansteigt. Damit ist der
scheinbare Widerstand des Kondensatorstromzweiges nach jedem zweiten Stoß größer.
Dementsprechend steigen die anteiligen Stromstöße in dem Spulenstromzweig, dessen
Widerstand in der Durchlaßrichtung unverändert bleibt. Fig. 2 zeigt im oberen Teil
den Verlauf des den Sättigungswandler erregenden Wechselstromes I und im unteren
Teil den Verlauf des in der Auslösespule q. fließenden Stromes i.
-
Sobald nach einer bestimmten Periodenzahl ein Stromstoß den Auslösewert
A erreicht, spricht das
stromwertabhängige Gerät, zu dem die Spule
q. gehört, an. Die Anzahl der Perioden und damit die Verzögerungszeit kann mit Hilfe
eines regelbaren Entladewiderstandes 7 eingestellt werden. Der Gleichrichter 3 verhindert
das Zustandekommen negativer Stromstöße. Bei Wegfall des Gleichrichters 3 würden
diese negativen Stromimpulse, da sie vom Kondensator nicht beeinflußt werden, von
vornherein in voller Höhe die Spule q. durchfließen, wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet
ist. Infolgedessen würde bereits der erste dieser negativen Impulse die Auslösung
herbeiführen. Es ist natürlich auch möglich, diese vorzeitige Auslösung dadurch
zu verhindern, daß das stromwertempfindliche Gerät polarisiert ausgeführt wird.
In diesem Fall ist der Gleichrichter 3 überflüssig. Der Gleichrichter 3 kann auch
durch einen Widerstand 8 überbrückt werden, der den Spannungsanstieg begrenzt und
so bemessen ist, daß die von ihm durchgelassenen negativen Stromstöße kleiner sind
als der Auslösewert A. Der gleiche Erfolg kann auch dadurch erzielt werden, daß
statt des mit der Spule q. in Reihe geschalteten Gleichrichters 3 ein zur -Spule
parallel geschalteter Gleichrichter vorgesehen wird, der einen Anteil der negativen
Stromstöße durchläßt. Wird dieser zweite Parallelzweig ebenso ausgestaltet wie der
erste, wird er also gemäß Fig. 3 außer mit einem Gleichrichter 5' noch mit einem
Kondensator 6' und einem dazu parallel geschalteten regelbaren Entladewiderstand
7' ausgerüstet, so haben auch die negativen anteiligen Stromstöße, welche die Spule
q durchfließen, steigende Spitzenwerte aufzuweisen. Mit einer derartigen Anordnung
ist es infolgedessen möglich, die Verzögerungszeit nach Halbperioden abgestuft einzustellen.
Der unmittelbaren Parallelschaltung mehrerer Stromzweige ist ihr Anschluß an getrennte
Wicklungen des Sättigungswandlers gleichwertig.
-
Bei den verschiedenen Zeitkreisen kann die Verzögerung mit einfachen
Mitteln unwirksam gemacht werden, wenn eine sofortige Auslösung erwünscht ist. In
der Anordnung nach Fig. i braucht nur ein Arbeitskontakt g zum Gleichrichter 3 parallel
geschaltet zu werden. Statt dessen könnte man natürlich auch einen Ruhekontakt im
Kondensatorstromkreis anordnen. Auch in der Anordnung nach Fig. 3 können die beiden
Parallelzweige zwecks sofortiger Auslösung durch einen Ruhekontakt unterbrochen
werden.
-
Nach Fig. q. ist die Primärwicklung eines Sättigungswandlers 12 in
einem Wechselstromkreis ii angeordnet. Der Sekundärkreis weist nur eine schwache
Belastung auf, so daß der Sättigungswandler während seiner Umsättigung wie ein Spannungswandler
arbeitet. Bezeichnet n die Sekundärwindungszahl und 0 den Kraftlinienfluß, so ist
die Spannung
und somit das Spannungszeitintegral f edt = n4 0 - io-8 bzw.
die ihm bei einer vollständigen Ummagnetisierung von dem Sättigungswert - 0S2" auf
den entgegengesetzten Sättigungswert -f- 0S9" oder umgekehrt entsprechende Fläche
F," = 2 n - 0",. Die Höhe der Spannung ist dabei von der an der Primärwicklung
liegenden Spannung während der Umsättigung abhängig.' Die so erzeugten Spannungsstöße
werden über einen Trockengleichrichter 13 einer Drossel 15 zugeführt. Die Spannungsfläche,
welche diese Drossel 15 zur Umkehr des Sättigungsflusses benötigt, sei FD.
Diese sei größer als die Fläche F2". Aus Fig. 5, wo für den Sättigungswandler 12
und für die Drossel io in gleichem Maßstab die Kurven des Produktes aus Windungszahl
n"" (für die Sekundärseite des Wandlers) bzw. nD (für die Drossel) und Kraftfluß
0" bzw. OD bis zum Sättigungsfluß 0SU, bzw. OSD in Abhängigkeit vom Strom i", bzw.
iD eingezeichnet sind, kann entnommen werden, wie etwa die stufenweise Umsättigung
der Drossel 15 durch die aufeinanderfolgenden gleichgerichteten Spannungsstöße erfolgt.
Es ist dabei nicht von negativer Sättigung ausgegangen, sondern von der Remanenz
im Punkt R mit dem Kraftfluß $RD, da angenommen ist, daß die Drossel 1,5 im Augenblick
des ersten Spannungsstoßes keine zusätzliche Durchflutung aufweise, jedoch vorher
auf negative Sättigung gebracht worden sei. Nach k Spannungsstößen ist die Drossel
positiv gesättigt. Es gilt angenähert
Drückt man die Flußwerte durch die Produkte aus den Induktionen B mit gleichen Indizes
und den Eisenquerschnitten QD, Q," für Drossel und Wandler aus, so ergibt sich
Setzt man BRD = b - BSD, worin b kleiner als i ist, und nimmt für
die Drossel 15 und den Wandler 12 gleichen Kernwerkstoff, mithin BSD = Bsw
, so ist
k ist daher ein ausschließlich von der elektrischen Dimensionierung von Wandler
und Drossel abhängiger Wert. Die abgeleitete Gleichung läßt auch einige Möglichkeiten
erkennen, die zur Veränderung von k vorliegen, nämlich Variation der Windungszahl
und des Eisenquerschnittes.
-
Den Verlauf des Stromes kann man aus Fig.5 entnehmen, in die auch
der ungefähre Flußverlauf eingetragen ist. Solange der Fluß sich im steilen Teil
der Hysteresisschleife ändert, entsprechen den einzelnen Spannungsstößen Stromstöße,
deren größter Augenblickswert etwa dem Punkt K entspricht. Erst bei Überschreitung
des Sättigungsknicks erhöht sich der Stromstoß sprunghaft. Liegt also in der Anordnung
nach Fig. q. eine Erregerspule 1q. eines Relais oder Auslösers, dessen Ansprechwert
etwas größer als der durch Punkt K gegebene Stromwert ist, so stellt diese Anordnung
einen Zeitkreis dar, in dem z. B. nach
einer vorher bestimmten Zahl
von Spannungsstößen bzw. bei einer regelmäßigen Folge derselben nach bestimmter
Zeit ein Auslöser od. dgl. betätigt wird. Ist die Frequenz des Stromes im Primärkreis
v; so ist die kürzeste erzielbare Verzögerungszeit
In Zweiwegschaltung über die Gleichrichter 13 und 13' nach Fig. 3 ist die kürzeste
Verzögerungszeit
. In diesen Intervallen läßt sich die Zeit auch einstellen. Zweckmäßig wird für
die Kerne des Wandlers i2 und der Drossel 15 eine Eisensorte mit scharfem Sättigungsknick
und hoher Remanenz verwendet, wie es z. B. in Blech mit Vorzugsrichtung, welches
außerdem noch in Form eines Bandkernes angeordnet sein könnte, gegeben ist. Mit
der Maßgabe, daß der Wandler i2 zur Betätigung des Auslösers genügend leistungsstark
sein muß, ist bei der- Auslegung eine untere Grenze für den Wert F" gegeben.
-
Besonders vorteilhaft ist bei Anordnung nach Fig. q. oder 6 die Tatsache,
daß der Auslösestromstoß sprunghaft auftritt, wodurch man die bezüglich Ansprechgenauigkeit
an das Auslöseglied 1¢ zu* stellenden Forderungen stark herabsetzen kann.
-
Oben wurde vorausgesetzt, daß die Drossel 15 zu Beginn des Vorganges
negative Remanenz besitzt. Dazu ist es notwendig, sie vorher mit einem Spannungsstoß
negativer Richtung auf Sättigung zu bringen. Dies ist z. B. in einer Schaltung nach
Fig. 7 möglich, in der mit Hilfe eines Zeitkreises, dessen Teile mit den gleichen
Bezugsziffern wie in Fig. 6 versehen sind, im Stromkreis eines Verbrauchers 16 ein
Synchronkontakt 17 nach seiner Einschaltung mit einer gewissen Verzögerungszeit
durch Kraftflußverlagerung in einem permanenten Haltemagneten 18 wieder geöffnet
werden soll. Vor dem Einschalten des Kontaktes 17 wird ein Stromkreis einer Hüfserregerspule
ig der Drossel 15 kurzzeitig geschlossen, wodurch bei geeigneter Richtung des Stromstoßes
die Drossel gesättigt wird und einen Fluß behält, welcher der negativen Remanenz
entspricht.
-
Sollen zwei aufeinanderfolgende verschieden lange Zeiten eingestellt
werden, wie etwa beim Nahtschweißen, so kann ein und dieselbe Drossel verwendet
werden, wobei die Magnetisierung in einer Richtung eine Zeit ergibt, die Zurückmagnetisierung
bei anderer Windungszahl mit einer zweiten, abweichenden Zeit erfolgt.