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Induktiver Wechselrichter Im Zuge vieler Anwendungen der Elektrotechnik
kommt die Aufgabe vor, einen Gleichstrom wirtschaftlich zu regeln. Als wirtschaftliche
Regelung eines Stromes gilt die willkürliche Änderung seiner Stärke durch Schaltmittel,
die im Vergleich zur geregelten Energie kleine Verluste hervorrufen. Bei Wechselstrom
wird dies bestens durch Stromrichter erreicht, wobei die elektronischen Stromrichter
für gegenüber ihrer Brennspannung hohe Betriebsspannungen beliebiger Leistung, :induktive
Stromrichter für mittlere und Kontaktstromrichter für kleine Leistungen eingesetzt
werden.
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Der Leonardumformer bildet die klassische Form der wirtschaftlichen
Gleichstromregelung. Ein besserer Weg ist bis zum heutigen Tage nicht bekänntgeworden.
Er wird deshalb noch immer weitgehend verwendet, wie z. B. in Walzwerken. Bei stationären
Anlagen, die Drehstrom zur Verfügung haben, tritt der Umformer als Gleichrichter
auf. Als Stellglied der selbsttätigen Kurssteuerung von Flugzeugen bewerkstelligt
der Leonardumformer im Gegensatz zum Umrichter die Gleichstromumspannung unmittelbar
ohne den Umweg über Wechselstrom. Von dem Merkmal der Stromartwandlung abgesehen,
unterscheidet sich die nachbeschriebene Erfindung, als Umrichter verwendet, vom
Leonardumformer allein dadurch, daß sie keine mechanisch bewegten Teile erfordert.
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Der Gleichstrom, der mit der heraufkommenden Wechselstromtechnik stark
in den Hintergrund gedrängt worden war, erlebt in jüngster Zeit eine neue Blüte.
In der Starkstromtechnik ist der überlegene Wirkungsgrad des Gleichstrommotors,
bei Fernleitungen über etwa 3oo km ,de größere Wirtschaftlichkeit
des
Gleichstroms als die des Wechselstroms unbestritten. Aber auch die gesamte Meßtechnik
einschließlich der Nachrichtentechnik mit und ohne Draht ist auf Gleichstromversorgung
angewiesen. _ In der Meßtechnik ,lautet die Regelaufgabe anders als bei der Energieregelung.
Die Regelgröße soll durch Verstellung eines Regelorgans beeinflußt werden. Gegenüber
der Verstärkung einer Gleichstromleistung von io-is W, wie sie bei einem Kompensator
vorkommt, versagt jeder bekannte Gleichstromverstärker; der elektronische infolge
unvermeidlicher Schwankung des Gitterstroms oder Rauschpegels der Elekfirometerröhre,
der magnetische infolge Wanderung des Nullpunkte. Zur Ausnutzung des Wechselstromverstärkers
bedient man sich teils der meist im Vakuum arbeitenden. Kontaktwechselrichter, teils
eines Kondensator-oder neuerdings Kristallmod@ulators. Eine- mechaniklose Lösung
wurde bisher nicht vorgeshlagen.
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Der Meßwechselrichter stellt den periodischen Sonderfall der allgemeinen
Aufgabe dar, einen Gleichstrom willkürlich zu schließen oder zu öffnen. So einfach
dies mit. Hilfe eines mechanischen Schalters geschieht, so schwierig ist es elektrisch
durchzuführen. Selbst der Aufwand des Leonardumformers ist dagegen machtlos wegen
der-mechanischen Trägheit der Maschine.
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Die Lösung ist gegeben durch einen heizleiter-und mechaniklosen Wechselrichter-Gleichrichter
mit im Verhältnis zur Schaltzeit trägheitslos zwischen Null und Nennhöhe regelbarer
Ausgangsspannung sowie lastunabhängiger Wechselspannung. Bogenwechselrichter mit
nachgeschaltetem Gleichrichter arbeiten zwar heizleiter-, mechanik-und im vorigen
Sinne träghefslos, sind aber ebenso wie die Kontaktstromrichter lastabhängig, während
die Ausgangsspannung von Kontaktstromrichtern und Einankerumformern nicht regelbar
ist. Hochvakuumröhren wiederum haben inneren Widerstand (Anodenverlustleistung).
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Alle geforderten Bedingungen zusammen erfüllt der induktive Wechselrichter,
gekoppelt mit einem induktiven steuerbaren Gleichrichter. Das Gerät arbeitet ruhend,
es benötigt somit keinerlei War- ü tung und ist lagen- und stoßunempfindlich. Ein
induktiver Wechselrichter ist ein induktiver Stromrichter mit Zwangsstromwendung.
Das ist eine Schaltmaßnahme, die der bei Quecksil'berdampfströmrichternneuerdings
(194i) bekanntgewordenen Zwangskommutierung, nämlich der Löschung des brennenden
Bogens durch Stoßkompensation der positiven Anodenwechselspannung, analog .ist.
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Für induktive Stromrichter ist Zwangsstromwendung neu.
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Eine Übertragungssperre, die die Zwangsstromwendung- mittels eines
als ein Übertrager von vernachlässigbarem Querwiderstand ausgebildeten Sperrgliedes
bewirkt, bildet den eigentlichen Erfindungsgedanken. -Legt man ging Drossel mit
hochpermeablem Eisenkern, eine sogenannte Schaltdrossel, an eine Gleichspannung,
so fließt ein Einschaltstrom iD gemäß Bild i. Im Rayleighgebiet des Eisens verläuft
die (ausgezogene) Stromkurve nach oben konkav infolge des nicht linearen Ganges
der Permeabilität.
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-Nach Ablauf der Zeitkonstante erreicht der Strom praktisch den durch
den Ohmschen Widerstand der Drässelwicklung gegebenen Wert I. Wird jetzt die Stromwendung
erzwungen, so fällt der Strom auf Null. Erfolgt am Ende des Rayleighgebietes eine
Stoßmagnetisierung (Bild 2), so liegt ein .induktiver Zerhacker vor.
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Diese Stoßmagnetisierung, bei der Magrnetisierungsstrom und Betriebsstrom
gleichsinnig durch die Drossel fließen, ist vom induktiven Stromrichter bekannt.
Sie entspricht der Zündung einer Entladungsstrecke. Im umgekehrten Fall; der Zwangsstromwendung,
wobei die gesättigte Drossel in den ungesättigten Zustand versetzt werden muß, also
Magnetisierungs- und Gleichstrom gegenphasig fließen, muß Ummagnetisierungsarbeit
geleistet werden.
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Aus Gründen der notwendigen Entkopplung von Gleich- und Magnetisierungsstrom
wird die Drossel stets mit mindestens zwei Wicklungen ausgestattet sein. Der Magnetisierungsstoßstrom
induziert eine Stoßspannung .in den meist niederohmigen. Gleichstromkreis. Dadurch
wird die Stoßspannung belastet, was bei der Zwangsstromwendung auf Kosten einer
sicheren Ummagnetismerung ginge. Die Übertragung des Stoßstromes in den oder die
weiteren Kreise, in denen die Drossel liegt, ist somit zu unterbinden.
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Die Übertragungssperre, die in Bild 3 galvanisch vorgesehen ist, aber
auch induktiv gewählt werden kann, beruht darauf, da.ß das Sperrglied S eine der
übertragenen Stoßspannung uD der Schaltdrqssel D
gleiche Spannungsspitze in
Gegenphase -uD entwickelt und damit Übertragung des -Stoßstroms verhindert.
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Die Gegenphasigkeit hat jedoch zur Folge, daß auch der Sättigungszustand
von Schaltdrossel D und Sperrglied S gegenläufig ist, also in der Durchlaßphase,
in der das System Drossel-Sperrglied DS (Bild 3) einen möglichst kleinen Scheinwiderstand
haben soll, das Sperrglied S ungesättigt ist, d. h. einen etwa hundertmal so- hohen
Scheinwiderstand besitzt, wie sein Wirkwiderstand beträgt. Der Scheinwiderstand
des Sperrgliedes S darf aber höchstens in der Größenordnung des Wirkwiderstandes
der Drossel D liegen, wenn ein brauchbarer Durchlaß zustandekommen soll.
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Das bedeutet, daß das Sperrglied bei praktisch verschwindendem Querwiderstand,
also mit wenig Windungen, eine hohe Spannungsspitze erzeugen kann. Dieser sowohl
für die Übertrager- wie für die, Impulstechnik neuen Anforderung läßt sich gleichwohl
mit den Mitteln der heutigen Technik (Ferromagnetikum, Kernaufbau extrem kleiner
Streuung) in hinreichendem Maße genügen, wie Versuche gezeigt haben.
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Der Kondensator C1 einer Starteinrichtung (Bild 3) wird in der Ruhestellung
des Schalters Sch über den Widerstand R entladen. Damit ist der Wechselrichter
betriebsbereit. Wird der zweipolige
Schalter Sch geschlossen,
so wird durch den Kontakt k1 eine Gleichspannung + - an den Eingang des Wechselrichters,
gelegt. Ein über den Kontakt k2 fließender Erregungsstromstoß versetzt das eine
der beiden Drosselsysteme DS in den Durchlaßzustand. Dadurch werden die beiden auf
die Wechselrichterfrequenz abgestimmten Siebkreise LC angestoßen und setzen den
Wechselrichtermechanismus in Tätigkeit. Dieser Mechanismus wird-im=einzelnen verfolgt,.
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Der Gleichstrom fließt vom Pluspol über den Kontakt k1 und die Leitung
k zum Kontakt k2, von dort über den leeren Kondensator C1 zur Wicklung s3 und d3
des Systems DS dieses durch die StarteinrichtungRCi gekennzeichneten Zweiges des
Wechselrichters und zum Minuspol zurück. Dadurch wird das System DS nach Maßgabe
der Kapazität des Kondensators erregt.
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Daraufhin fließt Gleichstrom von Plus über k1, k
zu den Wicklungen
d2, s2 des Systems DS und über die Wicklung t1 des Transformators T zu Minus zurück.
Dieser Gleichstromimpuls induziert in der Zweitwicklung t2 des Transformators T
eine Spannung, die die beiden Kreise LC anstößt.
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Nach einer Viertelperiode der entstehenden geglätteten Wechselspannung
-,- (Bild 3) erfolgt in dem gestarteten System DS die Zwangsstromwendung über die
Wicklungen d1 und s1, in deren Antiparallelschaltung die erfindungsgemäße Gegenphasigkeit
zum Ausdruck kommt. Dieser Vorgang tritt in Bild 4 am Ende der ausgezogenen Kurve
des Stroms i" ein, mit dem der Wechselrichter belastet wird. Jetzt ist das- System
DS gesperrt, der Wechselstrom schwingt vermöge der in L und C gespeicherten Energie
aus bis zu seinem Nulldurchgang. In diesem Augenblick gibt das andre System DS den
Stromdurchgang.frei, die Schwingkreise werden erneut angefacht, ,und der soeben
beschriebene Vorgang wiederholt sich sinngemäß.
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Wird die Stromwendung im Stromseheitelwert erzwungen, so ist die Anfachung
optimal. Da der Zeitpunkt der Stromwendung beliebig verschoben werden kann, was
bekanntermaßen durch Phasendrehung geschieht, ist es in einfacher Weise möglich,
den Wechselrichter regelbar zu machen, und zwar sowohl nach Lastunabhängigkeit wie
nach Höhe der nutzbaren effektiven Spannung bzw. beides zusammen. Im Leerlauf wird
der Gleichstromquelle nicht mehr Energie entnommen, als zur Aufrechterhaltung der
gewünschten Wechselspannung nötig ist. Darin wird der erfindungsgemäße Wechselrichter
von keiner der bekannten Typen erreicht, die alle bei Leerlauf nicht betriebsfähig
sind.
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Die Phasenlage der induktiven Schaltvorgänge wird mittels der Wicklungen
d3 und s3 der Systeme DS, die in Reihe an der Stromquelle liegen, eingestellt. Die
-dabei auftretende Stoßspannung RD ist für optimale Aussteuerung in Bild 5 dargestellt.
Die Phasenlage ist das Ergebnis der durch die Wicklungen d2 und s2 sowie d3 und
s3 fließenden Magnetisierungskomponenten. Die Vormagnetisierung ist lastabhängig
und wird mit einer durch das Schaltzeichen eines Regelwiderstandes angedeuteten
Regeleinrichtung abgeglichen. Steigt dfie Magnetisierung über das 9o° entsprechende
Maß, so sinkt die Ausgangsspannung bzw. bei konstanter Ausgangsspannung :die zugehörige
Last. Ein über die 9o°-Lage in der anderen Richtung ausgesteuerter Wechselrichter
nimmt zusätzliche Verlustleistung über seinen Eigenverbrauch hinaus auf.
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Die Wicklungen d3 und s2 müssen so bemessen sein, daß bei jeder Aussteuerung
die Phasenbedingung der Übertragungssperre erfüllt ist. Ebenso versteht sich, ,daß
die Induktivität der Schaltdrosseln D eines regelbaren Wechselrichters um die Regelreserve
größer ausgelegt werden muß als bei einem gewöhnlichen Gerät. Die Regelfunktion
der Lastunabhängigkeit und. der Höhe der Ausgangsgleichspannung läßt sich bei einem
Umrichter vorteilhafterweise trennen, und zwar zweckmäßig so, daß der Wechselrichter
auf Lastunabhängigkeit geregelt und als Gleichrichterteil der bekannte induktive
gesteuerte Stromrichter, gegebenenfalls mit Glättungskondensator abgeschlossen,
benutzt wird.