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Anordnung zur Speisung von Verbrauchern mit veränderlicher Gegenspannung
unter Verwendung von magnetischen Verstärkern Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur Speisung von Verbrauchern mit veränderlicher Gegenspannung, insbesondere
von aufladbaren Batterien, unter Verwendung von wenigstens zwei voneinander unabhängigen
und parallel arbeitenden spannungssteuernden Magnetverstärkern.
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Bei derartigen Verbrauchern, z. B. Gleichstrommotoren, Batterien,
aber auch elektrochemischen Bädern, ist eine veränderliche Gegenspannung vorhanden,
die bei Betriebsbeginn entweder Null ist oder einen von Null verschiedenen Wert
hat. Normalerweise wird beim Betrieb derartiger Verbraucher gefordert, daß in einem
Teil der Betriebszeit auf konstante Spannung (auch konstante Drehzahl), in einem
anderen Teil der Betriebszeit auf konstanten Strom zu regeln ist.
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Die bekannten Schaltungen mit mehreren Verstärkern vermögen diese
Aufgabe nicht oder nur unvollkommen zu lösen. Bei einer dieser Anordnungen sind
zur Speisung von Verbraucbern mit veränderlicher Gegenspannung und fester Spannung
zwei voneinander unabhängige und parallel geschaltete spannungssteuernde Magnetverstärker
vorgesehen. Sie arbeiten gleichzeitig, um sowohl die Verbraucher fester Spannung
mit Hilfe eines besonderen Kohledruckreglers mit konstanter Spannung als auch den
Verbraucher veränderlicher Gegenspannung bei niedriger Gegenspannung des letzteren
zunächst mit einem konstanten Strom zu versorgen.
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Bei einer anderen bekannten Batterieladeschaltung sind die Magnetverstärker
in ihrem Wirkungskreis hintereinandergeschaltet. Ihre Funktion besteht lediglich
darin, den Ladestrom zu begrenzen und am Ende der Ladeperiode zu verkleinern. Eine
andere bekannte Schaltungsanordnung gestattet es, eine ähnliche Aufgabe zu lösen.
Bei dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung
eines Gleichrichters
bis zu einem vorgegebenen Stromwert auf einen konstanten Wert geregelt. Ist der
vorgegebene Stromwert erreicht, so wird durch die Schaltung ein weiterer Stromanstieg
verhindert. Dazu werden gleichfalls zwei Magnetverstärker benutzt. Diese sind aber
wirkungsmäßig hintereinandergeschaltet, indem die Wicklung des einen Verstärkers
von dem anderen Verstärker gesteuert wird. Die Strom-Spannungs-Regelung wird bei
der bekannten Anordnung dadurch erreicht, daß die lastabhängige Regelgröße und die
gegenspannungsabhängige Regelgröße über einen Gleichrichter gegengeschaltet sind,
so daß die jeweils größere der beiden Regelgrößen die Regelung bestimmt. Die Magnetverstärker
sind dabei mit besonderen Rückkopplungswicklungen versehen, die eine Selbstsättigung
bewirken. Die Nacheinanderschaltung der beiden Magnetverstärker führt dabei zu einer
unerwünschten Verzögerung, da sich eine Änderung des Eingangssignals erst auf den
einen und danach auf den anderen Magnetverstärker auswirken kann. Der letzte Magnetverstärker
muß dabei stets für die Maximalwerte der in den einzelnen Bereichen auftretenden
Spannungen und Ströme bemessen werden. Diese Forderungen können zu einer erheblichen
Steigerung des Aufwandes führen. Letzteres gilt besonders dann, wenn Aussteuermöglichkeiten
für mehr als zwei Bereiche benötigt werden, die Strom- und spannungsmäßig auseinanderliegen.
Gerade in diesem Fall wird die bekannte Schaltung häufig nicht alle Aufgaben erfüllen
können, da eine grundlegende Änderung des Eingangssignals auch die Änderung einer
Reihe weiterer Werte erfordert, um ein dynamisch günstiges Verhalten und damit die
Wirksamkeit des Magnetverstärkers voll zu erhalten.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, der es gestattet, über den Fall
der Spannungsregelung mit Strombegrenzung hinaus die Bereiche, in denen eine Stromregelung,
und die Bereiche, in denen eine Spannungsregelung erfolgen soll, beliebig zu wählen.
Dies ist mit einer Anordnung zum Speisen von Verbrauchern mit veränderlicher Gegenspannung,
insbesondere von aufladbaren Batterien, unter Verwendung von wenigstens zwei voneinander
unabhängigen und parallel arbeitenden spannungssteuernden Magnetverstärkern nach
der Erfindung möglich, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Magnetverstärker,
von denen der eine laststromabhängig und der andere gegenspannungsabhängig gesteuert
wird, in Schwellwertschaltung, z. B. durch Einführen einer konstanten Vormagnetisierung,
ausgeführt sind, so daß in einem vorgebbaren Bereich nur der eine und in einem anschließenden
Bereich nur der andere Magnetverstärker arbeitet.
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Dabei kann die Beeinflussung der Schwellwertschaltung zeitabhängig
durch ein Zeitrelais oder lastabhängig durch ein Meßglied für die Verbraucherspannung
bzw. den Verbraucherstrom erfolgen.
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Für die Ladung von Batterien in drei Ladebereichen können drei für
voneinander abweichende Gleichspannungen ausgelegte magnetische Verstärker vorgesehen
werden, von denen der erste magnetische Verstärker von Laststrom gesteuert wird
und im ersten Ladebereich eine Ladung mit konstantem Strom bewirkt, der zweite magnetische
Verstärker von der Batteriespannung gesteuert wird und im zweiten Ladebereich eine
Ladung mit konstanter Spannung bewirkt und der dritte für die größte Gleichspannung
ausgelegte und vom Laststrom gesteuerte magnetische Verstärker bei Stromdurchgang
eine zusätzliche, auf dem zweiten magnetischen Verstärker vorgesehene Steuerwicklung
derart beeinflußt, daß dessen Aussteuerung stark erhöht wird und eine Regelung auf
konstanten Strom bewirkt.
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Zur Steuerung von Gleichstromnebenschlußmotoren, die nach Beendigung
des Anlaßvorganges auf konstante Drehzahl geregelt werden, kann der erste magnetische
Verstärker zur Strombegrenzung während des Anlaßvorganges und der zweite magnetische
Verstärker nach Beendigung des Anlaßvorganges zur Konstanthaltung der Drehzahl dienen.
Zur Steuerung des zweiten magnetischen Verstärkers läßt sich ein Drehzahlgenerator
verwenden. Als der Drehzahl proportionalen Spannung kann aber auch die Summenspannung
aus der Ankerspannung und einer Zusatzspannung wegen des durch den Ankerstrom verursachten
Spannungsabfalles im Ankerkreis herangezogen werden.
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An Hand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele
sei der Erfindungsgegenstand näher erläutert. In Fig. i ist eine Anordnung zur Ladung
einer Batterie dargestellt. Es ist üblich, eine Batterie zunächst mit konstantem
Strom und alsdann mit konstanter Spannung zu laden. Im Sinne der Erfindung sind
nun zwei spannungssteuernde magnetische Verstärker To und 2o vorgesehen, die beide
in Schwellwertschaltung ausgeführt sind. Der magnetische Verstärker =o enthält zwei
einander entgegenwirkende Steuerwicklungen, von denen die eine durch den Ladestrom
über den Gleichstromwandler i mit Hilfsgleichricbter 2 und über einen einstellbaren
Widerstand 3 gespeist wird. Die andere Steuerwicklung wird aus einer an die Klemmen
q. angeschlossenen, nicht dargestellten Spannungsquelle über einen einstellbaren
Widerstand 5 mit konstantem Strom gespeist. Für den zweiten Ladebereich dient der
magnetische Verstärker 2o, der auch zwei einander entgegenwirkende Steuerwicklungen
aufweist. Die eine wird durch die Spannung an der Batterie 6 über den einstellbaren
Widerstand 7 gespeist, die andere von einer an die Klemmen 8 angeschlossenen, gleichfalls
nicht dargestellten Spannungsquelle über den einstellbaren Widerstand g. Die magnetischen
Verstärker liegen dabei mit den Paaren von Gleichrichterelementen =i und i2 sowie
21 und 22 in einer unvollständigen Brückenschaltung, die neben ihrer Selbstsättigung
einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung als Ausgangsgröße bewirkt. Die magnetischen
Verstärker werden von einer an die Klemmen 13 angeschlossenen, gleichfalls nicht
dargestellten Wechselspannungsquelle über einen Transformator =q. mit mindestens
zwei Sekundärwicklungen gespeist.
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Hinsichtlich der Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung ergibt
sich folgendes: Bei InbetriebnahmeversuchtdermagnetischeVerstärker2o, gemäß der
ihm gestellten Bedingung (Spannungskonstanthaltung) zu arbeiten. Da aber die Batterie
6
entladen ist, würde die Batterie einen höheren Strom als den Nennstrom
aufnehmen. Der magnetische Verstärker io, der über den Gleichstromwandler i gesteuert
wird, ist nun in Schwellwertschaltung ausgeführt, und zwar wird der Schwellwert
(eine konstante Vormagnetisierung des magnetischen Verstärkers io) durch den Widerstand
5 eingestellt. Der magnetische Verstärker io wird nun wirksam, sobald der Ladestrom
den Schwellwert überschreitet, und wirkt über den Gleichstrom«-andler i auf die
nachgeschaltete Steuerwicklung im Sinne einer Stromkonstanthaltung. Sinkt dann am
Ende des ersten Ladebereiches der Strom wegen der steigenden Batteriespannung allrnählich
ab, so unterscheidet er den Schwellwert, und die bisher tatsächlich unwirksame Spannungsregelung
ist nunmehr allein wirksam. Während im ersten Ladebereich gewissermaßen zur Strombegrenzung
auf konstanten Strom geregelt wird, wird im zweiten Ladebereich auf konstante Spannung
geregelt.
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Um einen weiteren Ladebereich mit wieder konstantem Strom anzuschließen,
wird durch die den Übergangspunkt charakterisierende Größe die Schwellwertschaltung
für den magnetischen Verstärker 2o ausgelöst. Dies kann dadurch geschehen, daß der
vom Gleichstromwandler i gespeiste Steuerstromkreis gegen Ende des zweiten Ladebereiches
geändert wird (Änderung des Widerstandes 3) und der magnetische Verstärker 2o abgeschaltet
wird. In einfachster Weise ist dies möglich, indem ein beim Beginn des Ladens eingeschaltetes
Zeitrelais anspricht, wenn die übliche Zeitdauer für die beiden Ladebereiche abgelaufen
ist. Vorteilhafter ist es jedoch, die Um- bzw. Abschaltung durch eine die Batteriespannung
und den Ladestrom messende Einrichtung, z. B. einen Amperestundenzähler, ausführen
zu lassen, und zwar schon aus Gründen der Zeitersparnis, da ein Zeitrelais eine
besonders stark entladene Batterie berücksichtigen muß, während in vielen Fällen
die Batterie nicht so stark entladen sein wird und die Zeitdauer für die beiden
Ladebereiche kleiner gehalten werden kann.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sind in Fig. 2 und 3 die Kennlinien
i2 --- f (Hst) von magnetischen Verstärkern dargestellt, wobei i" der Ausgangsstrom
des magnetischen Verstärkers und H# die steuernde Feldstärke ist. Fig. 2 zeigt die
Kennlinie, wenn nur eine Steuerwicklung vorhanden ist, während Fig.3 die Kennlinie
darstellt, wenn zwei Steuerwicklungen vorgesehen sind, von denen die eine konstante
Vormagnetisierung Hk liefert.
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Bei Anlagen größerer Leistung wird man die beiden magnetischen Verstärker
nicht unmittelbar auf den Verbraucher einwirken lassen, sondern vorteilhaft zur
Steuerung eines den Verbraucher speisenden gittergesteuerten Gleichrichters verwenden.
In Fig. 4 ist veranschaulicht, wie die magnetischen Verstärker io und 2o auf die
Steuerwicklungen 31 und 32 der zum Gitterkreis gehörenden sättigbaren Drossel einwirken.
Die Batterie 6 wird von einem mehrphasigen Gleichrichter 15, bestehend aus Entladungsgefäß,
Transformator und gegebenenfalls Saugtransformator, über eine Glättungsdrosse116
gespeist. Die Steuerwicklungen 31 und 32 wirken in gleicher Richtung auf die Drossel
magnetisierend, während die dritte Steuerwicklung 33 eine konstante, aber mittels
des Widerstandes 34 einstellbare, entgegengerichtete Magnetisierung liefert. Die
diesen Magnetisierungsstrom liefernde Spannungsquelle 35 kann mit einer oder beiden
der anderen Spannungsquellen identisch sein.
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Fig. 5 zeigt die genaue Ausbildung zweier mit 18o° Phasenverschiebung
gespeister Gitterkreise. In bekannter Weise enthalten die Gitterkreise eine negative
Vorspannung über die an die Klemmen 36 angeschlossene Spannungsquelle und die unmittelbar
am Gitter liegenden Strombegrenzungswiderstände 37' und 37". Die eigentliche Steuerwechselspannung,
die über die Klemmen 38 zugeführt wird, liefert über den Transformator 39 eine sinusförmige
Wechselspannung, deren eine Halbwelle die Reihenschaltung aus Widerstand 40' und
Wicklung 41' der Doppeldrossel 30 und deren andere Halbwelle die Reihenschaltung
aus Widerstand 40" und Wicklung 41" speist. Die von den Steuerwicklungen 31, 32
und 33 gelieferte, resultierende Vormagnetisierung bestimmt die Phasenlage, in der
jeder Drosselzweig sich in der zugehörigen Halbwelle sättigt und damit die Spannungsaufteilung
schlagartig derart ändert, daß an den Widerständen 40' und 40" eine steil ins Positive
ansteigende Spannung auftritt. Diese ist die den Einsatz der Anoden wirklich steuernde
Wechselspannung.
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An Stelle der weiter oben erwähnten Möglichkeit, am Ende des zweiten
Ladebereiches einen dritten Ladebereich durch Änderung des Steuerstromkreises und
Abschalten des zweiten magnetischen Verstärkers zu erreichen, kann man auch einen
dritten magnetischen Verstärker vorsehen. Diese Möglichkeit ist in Fig. 6 der Zeichnung
veranschaulicht. Die Schaltung des magnetischen Verstärkers io bleibt gegenüber
der Fig. i ungeändert. Der magnetische Verstärker 2o besitzt eine weitere Steuerwicklung,
die von dem dritten magnetischen Verstärker 5o derart gesteuert wird, daß am Ende
des zwei'.en Ladeber; iches die Aussteuerung des zweiten magnetischen Verstärkers
durch den Ausgangsstrom des dritten magnetischen Verstärkers möglichst schlagartig
vergrößert wird. Durch diese Aussteuerung wird der zweite magnetische Verstärker
unwirksam, und der dritte magnetische Verstärker kann dann den dritten Ladebereich,
nämlich Ladung mit einem gegenüber dem ersten Ladebereich kleineren Ladestrom, sicherstellen.
Daß in diesem Zeitabschnitt der erste magnetische Verstärker nicht wirksam sein
kann, liegt daran, daß der erste magnetische Verstärker eine maximale Gleichspannung
liefert, die kleiner ist als die, die zu Beginn des dritten Ladebereiches erforderlich
ist. Der magnetische Verstärker 5o wird ebenfalls mit den Paaren von Gleichrichterzellen
51 und 52 in unvollständiger Brückenschaltung betrieben. Obwohl es natürlich auch
möglich ist, daß der dritte magnetische Verstärker einen eigenen Gleichstromwandler
aufweisen kann, empfiehlt es sich doch, nur einen Gleichstromwandler i für die magnetischen
Verstärker io und 5o vorzusehen und für jeden dieser beiden magnetischen Verstärker
getrennte und getrennt einstellbare Bürden vorzusehen.
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Ein anderes Beispiel des Erfindungsgedankens ist die Regelung von
Gleichstromnebenschlußmotoren
auf konstante Drehzahl, die beim Anlassen
eine Strombegrenzung erfordern. Hierfür ist die Schaltung nach Fig. I bzw. 3 geeignet.
Der magnetische Verstärker io bewirkt ein Anlassen unter Einhaltung der Stromgrenze,
und beim Erreichen der vorgesehenen Drehzahl übernimmt der magnetische Verstärker
2o die Regelung auf konstante Drehzahl. Der durch die an die Klemmen 8 angeschloss°ne
Spannungsquelle gelieferte Vormagnetisierungsstrom ist der Sollwert, während der
Istwert durch einen Drehzahlgenerator oder durch eine Summenspannung, bestehend
aus Ankerspannung und Zusatzspannung zur Kompensation des durch Ankerstrom verursachten
Spannungsabfalles im Ankerkreis, darstellbar ist.