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Anordnung zur Erzeugung einseitiger periodischer elektrischer Impulse
mittels Wechselspannung Periodische elektrische Impulse, wie sie unter anderem zur
Änderung des Magnetisierungszustandes eines magnetischen Kreises zu Steuerzwecken
benutzt werden, können bekanntlich mit Wechselspannung erzeugt werden, indem eine
Erregerwicklung, welche die Impulse empfängt, an die Sekundärwicklung eines Sättigungswandlers
angeschlossen wird, dessen Primärwicklung in Reihenschaltung mit einer gewöhnlichen
Drossel an die Wechselspannung gelegt wird. Die Wechselspannung liegt, solange der
Magnetkern des Sättigungswandlers gesättigt ist, im wesentlichen an der Drossel.
Wenn der Sättigungswandler in den ungesättigten Zustand gelangt, übernimmt seine
Primärwicklung die Spannung und überträgt sie durch seine Sekundärwick= Jung auf
den Erregerkreis, wo infolgedessen ein Strom in der Erregerwicklung erzeugt wird.
Mit Hilfe eines etwa im Sekundärkreis liegenden Ventils, z. B. eines Trockengleichrichters,
können dabei einseitige Impulse durch Unterdrückung der anderen Richtung erzeugt
werden. Die Erregerwicklung bildet für den Sättigungswandler eine Bürde, die den
Primärkreis des Sättigungswandlers belastet und einen Spannungsabfall an der Drossel
verursacht, wodurch die Spannungsimpulse verschliffen, d. h. in ihrer Höhe herabgesetzt
werden. Infolgedessen ist zur Erzeugung eines gegebenen Erregerstromes ein verhältnismäßig
hoher Leistungsaufwand erforderlich. Dieselben Nachteile hat eine ebenfalls bekannte
Anordnung, bei welcher statt
eines Sättigungswandlers mit Primär-
und Sekundärwicklung eine durch die Wechselspannung erregte Hilfsdrossel vorgesehen
ist, an der die Spannung für den Impulsstromkreis abgegriffen wird. Eine derartige
Hilfsdrossel ist im Grunde genommen nichts anderes als..ein - in Sparschaltung ausgeführter
- Sättigungswandler, und ihre Wirkungsweise ist grundsätzlich die gleiche. Die erwähnten
Nachteile treten auch dann auf, wenn, wie bekannt, zur Beeinflussung- der Größe
und der zeitlichen Lage der Impulse eine Vormagnetisierung für die Hilfsdrossel
bzw. den Sättigungswandler vorgesehen ist.
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Demgegenüber wird mit der Erfindung eine Verbesserung erzielt, indem
statt eines Sättigungswandlers eine Sättigungsdrossel verwendet wird, die vormagnetisiert
und in Reihenschaltung mit der Erregerwicklung an die Wechselspannung angeschlossen
ist. Die Vormagnetisierung hat natürlich eine Unsymmetrie des Stromes in der Erregerwicklung
zur Folge, so daß die Impulse der einen Richtung gegenüber denen der anderen vorherrschend
sind bzw. überhaupt Impulse nur in einer Richtung auftreten, in der anderen unterdrückt
werden. Derartige einseitige Impulse dienen beispielsweise zur Steuerung von Relais
und Impulsschaltern oder zur Magnetisierung von Schaltdrosseln, die bekanntlich
zur Erleichterung des Unterbrechungsvorgangs bei mechanischen Schaltern insbesondere
für häufige Schaltungen, z. B. für Schweißtakter oder mechanische Stromrichter für
Starkstrom, verwendet werden können.
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In der Zeichnung sind in den Fig. i und 3 Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt; Fig. 2 ist ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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Die Anordnung nach Fig. i dient zur Erregung eines Magneten 2 mit
einem Anker 3, der zur Betätigung eines beweglichen Schaltelements od. dgl. dienen
möge. Der Magnet :2 trägt eine Erregerwicklung 4 und eine Hilfswicklung 5. Ferner
ist eine Sättigungsdrossel mit einem Magnetkern 6 vorhanden. Letzterer trägt eine
Wicklung 7, die mit der Erregerwicklung q. in Reihe geschaltet ist. Der dadurch
gebildete Erregerkreis ist an eine Wechselspannungsquelle i, beispielsweise die
Sekundärwicklung eines Speisetransformators, angeschlossen, deren Spannung mit u
bezeichnet ist. Die Sättigungsdrossel 6 ist ferner mit einer Vormagnetisierungswicklung
8 versehen, die über einen Einstellwiderstand 9 und eine Stabilisierungsdrossel
io aus einer Gleichspannungsquelle, z. B. einer Batterie i i, gespeist wird.
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Die Wirkungsweise der Anordnung sei im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert.
Darin ist in Abhängigkeit von der Zeit t der Verlauf der Spannung 24 und des Erregerstromes
i unter Vernachlässigung der endlichen Breite der Hysteresisschleife des Kernes
6 dargestellt. Die positive Richtung des Stromes i sei durch den Pfeil in Fig. i
festgelegt.
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Infolge positiver Vormagnetisierung des Kernes 6 der Sättigungsdrossel
mit einem Vormagnetisierungsstrom i,, bildet sich der Steuerstrom i in negativer
Richtung nur bis zu einer solchen Höhe i,,' aus, daß die Vormagnetisierung mit dem
Strom i,, gerade aufgehoben wird und der Magnetkern 6 in den ungesättigten Zustand
gelangt. Es ist also i,,' w7 = i,, w8, wenn die Windungzahlen der Wicklungen 7 und
8 mit w und den entsprechenden Indizes bezeichnet werden. In diesem Zustand stellt
die Drosselwicklung 7 einen hohen induktiven Widerstand dar, gegenüber welchem der
Widerstand der Steuerwicklung q. praktisch vernachlässigbar ist, so daß also die
gesamte Spannung u an der Drosselwicklung 7 liegt. Der Magnetisierungszustand der
Sättigungsdrossel durchläuft dabei die Hysteresisschleife zunächst, solange die
Spannung u negative Werte hat, in Richtung auf das negative Sättigungsknie, ohne
jedoch dieses vor dem Ende der negativen Spannungshalbwelle zu erreichen. Letzteres
setzt eine entsprechende Bemessung der Sättigungsdrossel voraus. Beim Richtungswechsel
der Spannung u beginnt sich der Magnetisierungszustand wieder in Richtung des positiven
Sättigungsknies zu ändern. Von dem Augenblick an, wo in dieser Richtung die Sättigung
erreicht ist, bildet sich ein positiver Impuls aus, dessen Höhe dadurch bestimmt
ist, daß nunmehr praktisch die gesamte Spannung u an der Erregerwicklung q. erscheint.
Die schraffierten Flächen des positiven und des negativen Abschnittes sind gleich
groß, da eine Gleichrichtervdirkung nicht auftritt. Durch die Höhe des Vormagnetisierungsstromes
i" ist also nicht nur die Höhe des negativen Stromabschnittes, sondern auch die
Höhe des positiven Impulses bestimmt, und die letztere kann infolgedessen mittels
des Widerstandes 9 eingestellt werden. Der Stromimpuls erreicht seinen Höchstwert
beim Richtungswechsel der Spannung u, mit welchem zugleich auch wieder die rückläufige
Magnetisierungsänderung einsetzt, und ist beendet, wenn der Magnetkern 6 der Sättigungsdrossel
wieder in den ungesättigten Zustand gelangt. Darauf beginnt das beschriebene Spiel
von neuem. Bei der beschriebenen Schaltung steht die gesamte Speisespannung zur
Ausbildung eines ausreichenden Stromimpulses zur Verfügung, ohne daß verlusterzeugende
Widerstände erforderlich sind.
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Durch eine zusätzliche Gleichstromerregung des Magnetkreises 2 mit
Hilfe der Wicklung 5 kann die vom negativen Stromabschnitt erzeugte Erregung aufgehoben
werden, so daß ein rein einseitiger Impuls erzielt wird. Im Schaubild der Fig.2
drückt sich dies dadurch aus, daß die Nullinie für die Kurve i um den Betrag
i,,' tiefer rückt. Liegt die Wicklung 5, wie gezeichnet, mit der Vormagnetisierungswicklung
8 der Sättigungsdrossel in einem gemeinsamen Stromkreise in Reihe, so ist die Stärke
der Zusatzerregung durch die Windungszahlverhältnisse der Wicklungen q., 5, 7 und
8 bestimmt. Ein vollständiger Ausgleich des negativen Abschnittes wird erreicht,
wenn w.: w4 = w": w. ist. Dieser Ausgleich bleibt erhalten, wenn die Impulshöhe
mittels des Einstellwiderstandes 9 geändert wird. Es ist nämlich stets i" w5
= i" w4. In den Zeiten zwischen den Impulsen hat dann die resultierende
Durchflutung
des Magneten :2 den Wert Null, d. h. der Magnet ist in den genannten Zwischenzeiten
unerregt. Wird in den Zwischenzeiten eine negative oder auch eine positive Erregung
gewünscht, so sind die Windungszahlverhältnisse entsprechend anders zu wählen. Die
mittleren Höhen der positiven und negativen Abschnitte des Erregerstromes ändern
sich in der vorerwähnten Schaltung proportional zueinander; wenn der Widerstand
g verändert wird. Zugleich ändert sich in geringem Maße auch die Breite, d. h. die
Zeitdauer der Impulse. Letztere kann ferner nötigenfalls durch Änderung der Windungsspannung
der Drosselwicklung 7 wesentlich beeinflußt werden. Das geschieht entweder durch
Änderung der Speisespannung u oder durch Änderung der wirksamen Windungszahl der
Drosselwicklung 7, z. B. mit Hilfe von Anzapfungen. Zum vollständigen Ausgleich
der negativen Abschnitte des Stromes i muß die Windungszahl der Wicklung 8 oder
der Wicklung 4. im gleichen Verhältnis geändert werden.
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Gemäß Fig. 3 handelt es sich bei dem Magnetkreis, dessen Magnetisierungszustand
durch Impulse beeinflußt werden soll, um den Kern 2 einer Schaltdrossel, deren Hauptwicklung
12 mit dem Kontakt 13 eines mechanischen Gleichrichters in Reihe geschaltet
ist. In der Figur ist eine Dreiphasenanordnung angedeutet, welche auf einen Verbraucher
1q. arbeitet, jedoch ist der besseren übersicht halber nur eine Phase vollständig
dargestellt; die beiden anderen Phasen sind gleich auszugestalten. Anordnungen mit
anderer Phasenzahl können daraus in bekannter Weise abgeleitet werden. Gleiche Teile
wie in Fig. z sind in Fig. 3 mit gleichen Bezugsziffern versehen. Durch die aus
den Teilen q. bis I I bestehende Hilfsanordnung werden dem Schaltdrosselkern 2 einseitige
Rückmagnetisierungsimpulse in positiver Richtung zugeführt. Die Phasenlage der Speisespannung
ist so gewählt, daß die Rückmagnetisierungsimpulse in den Zeiten zwischen der Öffnung
des Kontaktes 13 und seiner erneuten Schließung auftreten.
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Damit die Rückmagnetisierungsimpulse in jedem Betriebszustand des
Schaltgleichrichters den Ablauf der Ausschaltvormagnetisierung nicht gefährden und
die kurz vor dem Einschalten durch die Einschaltvormagnetisierung erreichte Potentialgleichheit
der beiden sich schließenden Gegenkontakte nicht beeinträchtigen, soll die Rückmagnetisierung
in einem kurzen Zeitabschnitt stattfinden und vor dem Nulldurchgang ins Positive
der einzuschaltenden Spannung beendet sein. Während fast der ganzen Periode mit
Ausnahme der Rückmagnetisierungszeit ist der Magnetkern 6 ungesättigt, die Sättigungsdrossel
übernimmt die Speisespannung dieses Kreises und begrenzt entsprechend ihrer Vormagnetisierung
den durch ihre Wicklung 7 fließenden Strom.
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Nach der Umsättigung des Drosselkernes 6 ändert der über die Wicklung
7 fließende Strom seine Richtung. Es bildet sich der Rückmagnetisierungsimpuls aus.
Die Schaltdrossel wird rückmagnetisiert und begrenzt entsprechend der Breite ihrer
Hysteresisschleife den Rückmagnetisierungsimpuls; falls während der Rückmagnetisierungsdauer
noch irgendwelche Vormagnetisierungen der Schaltdrossel entgegengesetzt wirksam
sind, muß der Rückmagnetisierungsimpuls um einen entsprechenden Betrag höher sein.
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Der Grad der Rückmagnetisierung, d. h. welcher Anteil der gesamten
Flußänderung der Schaltdrossel sich während der Rückmagnetisierungsdauer vollzieht,
hängt von der Vormagnetisierungsstärke des Drosselkernes 6 ab, weil die positive
und negative während einer Periode im Rückmagnetisierungskreis transportierte Elektrizitätsmenge
einander gleich sind.
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Die Gleichheit der transportierten Elektrizitätsmenge wird zwangläufig
dadurch aufrechterhalten, daß sich die Dauer des Rückmagnetisierungsimpulses bei
einer stärkeren Vormagnetisierung der Sättigungsdrossel verlängert.
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Falls die Vormagnetisierung des Kernes 6 so stark erhöht, d. h. die
Rückmagnetisierung so weit gesteigert wird, daß der Schaltdrossel eine größere Spannungsfläche
zur Verfügung steht, als sie überhaupt aufnehmen kann, dann wird der Strom im Rückmagnetisierungskreise
nach der Umsättigung der Schaltdrossel nur durch Wicklungswiderstände begrenzt und
kann somit unerwünschte hoheAugenblickswerte annehmen. Diese hohen Stromaugenblickswerte
können grundsätzlich durch einen ohmscheu Widerstand herabgesetzt werden, der jedoch
Spannungsverluste und dadurch einen schlechten Wirkungsgrad hervorrufen würde. Vorteilhafter
ist es, statt eines. Widerstandes eine an und für sich bekannte Strombegrenzungsschaltung
mit folgenden Eigenschaften anzuwenden: Die Schaltung soll eine beliebige Stromstärke
bis zu einem einstellbaren Grenzwert - möglichst ohne einen Spannungsabfall hervorzurufen
- durchlassen. Ist die Grenzstromstärke erreicht, so soll die Schaltung die ganze
treibende Spannung aufnehmen und für das weitere Anwachsen der Stromstärke einen
sehr großen Widerstand bieten.
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Fig. 3 enthält beispielsweise eine solche Strombegrenzungsschaltung.Eine
Glättungsdrosseli5 hat die Aufgabe, einen dauernd konstanten Strom aufrechtzuerhalten.
Ein Ventil 16 ist in Sperrichtung, bezogen auf den Rückmagnetisierungsimpuls, geschaltet
und fast während der ganzen Periode stromführend, mit Ausnahme der Zeit, in welcher
eine Strombegrenzung stattfindet. Eine Gleichspannungsquelle 17, die in Fig. 3 als
dreiphasige Gleichrichterschaltung dargestellt ist, macht den durch den Widerstand
18 eingestellten Grenzwert des Stromes vom Grad der Rückmagnetisierung unabhängig.
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Zusätzlich wird der Schaltdrosselkern 2 durch eine Wicklung ig dauernd
negativ mit Gleichstrom vormagnetisiert, der über einen Einstellwiderstand 2o und
eine Stabilisierungsdrossel 21 aus einer Batterie 22 entnommen werden kann. Außerdem
kann zur spannungsabhängigen Vormagnetisierung ein Hilfskreis, enthaltend einen
Einstellwiderstand 23 und ein Ventil 2q., vorgesehen sein, der einerseits
an
eine Anzapfung der Hauptwicklung 12, vorzugsweise in der Mitte, und andererseits
an die Folgephase angeschlossen ist. Eine derartige kombinierte Vormagnetisierung,
der Schaltdrossel ist beispielsweise in den Patenten 869 983 und 922 o61 früher
vorgeschlagen worden und dient dazu, eine selbsttätige Anpassung der Vormagnetisierung
an verschiedene Betriebszustände des mechanischen Gleichrichters zu erzielen, so
daß die Kontakte stets praktisch strom- und spannungsfrei geöffnet werden. Die Rückmagnetisierungsimpulse,
die von der Hilfsanordnung 4 bis i i geliefert werden, dienen zur Abkürzung der
Einschaltstufen, d. h. der stromschwachen Pausen, die von der Schaltdrossel bei
der Kontaktschließung verursacht werden und die jedesmal erst beendet sein müssen,
bevor der Strom über den geschlossenen Kontakt 13 steil ansteigen kann.
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Die Anwendung von Strom- bzw. Durchflutungsimpulsen der vorgeschriebenen
Art ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; sondern allgemein
für elektrisch gesteuerte Einrichtungen verschiedener Art geeignet.