DE1067068B - !Magnetische Verstärkeranordnung - Google Patents
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Description
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AUSLEGESCHRIFT:
AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:
kl. 21 a 2 18/08
INTERNAT. KL. H 03 f 3. NOVEMBER 1958
15.OKTOBER 1959
30. J U L I 1964
WEICHT AB VON
WEICHT AB VON
(W 24381 VIII a/21 a !)
Die Erfindung betrifft eine magnetische Verstärkeranordnung
mit einem Netzgerät, das einen Spartransformator mit Anzapfung aufweist, derart, daß Spannungen
gleicher Größe, aber entgegengesetzter Phase an den beiden Hälften des Spartransformators verfügbar
sind, um einem oder mehreren magnetischen Verstärkern mit je einem Rückstellkreis und einem Ausgangskreis,
der vom Spartransformator mit Wechselspannung einer bestimmten Phase versorgt wird, wobei
der Rückstellkreis eine Rückstellwicklung enthält, die induktiv mit einem sättigbaren Magnetkern gekoppelt
ist und in Reihe mit dem nichtlinearen Teil eines ersten nichtlinearen Gliedes liegt, während der
Ausgangskreis eine ebenfalls induktiv mit dem Magnetkern
gekoppelte Ausgangswicklung enthält, die in Reihe mit einem Gleichrichter und dem nichtlinearen
Teil eines zweiten nichtlinearen Gliedes liegt, derart, daß nur während einer Halbwelle der erwähnten
Wechselspannung ein Strom durch die Ausgangswicklung fließen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Speisespannung solcher magnetischer Verstärker in
einfacher Weise für alle Zwecke, einschließlich des Rückstellkreises, des Steuerkreises und der nichtlinearen Glieder bereitzustellen.
Bisher waren besondere Gleichspannungsquellen erforderlich, um die nichtlinearen Glieder phasenrichtig
zu speisen. Die Erfindung ermöglicht es, diese Gleichspannungsquellen entbehrlich zu machen. Die nichtlineareft
Glieder spielen eine wesentliche Rolle beim Betrieb der magnetischen Verstärkerstufen und führen
echte logische Funktionen aus. Sie sind nicht Gleichrichtern für sogenannte selbstgesättigte Drosseln
gleichzustellen, die man nach bekanntem Vorschlag im Ausgangskreis gewöhnlicher magnetischer Verstärker
angeordnet hat, denn diese bekannten Gleichrichter dienen nur zur Gleichstromvormagnetisierung der betreffenden
Drosseln. Bei dieser bekannten Schaltung besteht der Steuerkreis der magnetischen Verstärker
auch nur aus einer Steuerwicklung ohne zusätzliche nichtlineare Glieder.
Damit besondere Gleichspannungsquellen zur phasenrichtigen Speisung der nichtlinearen Glieder entfallen
können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die die Wechselspannung für den Ausgangskreis liefernde
Klemme des Spartransformators mit dem ersten nichtlinearen Glied im Rückstellkreis derart verbunden
ist, daß jeweils nur während der zweiten Halbwelle der betreffenden Wechselspannung ein Strom
durch dieses nichtlineare Glied fließen kann und damit den Stromfiuß durch den Rückstellkreis gestattet
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen. Hierin ist der Win-Magnetisctie
Verstärkeranordnung
Patentiert für:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 14. November 1957 (696 429)·
V. St. ν. Amerika vom 14. November 1957 (696 429)·
Harley A. Perkins, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
dungssinn der, einzelnen Wicklungen auf den sättigbaren
Magnetkernen in bekannter Weise durch einen Punkt bezeichnet. Wenn also der Strom in das mit
einem Punkt versehene Ende einer Wicklung eintritt, so sucht er den betreffenden Kern positiv zu sättigen
und umgekehrt.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen magnetischen Verstärkeranlage, bestehend
aus dem magnetischen Verstärker und der Stromversorgungsanordnung, und
Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines ähnlichen magnetischen Verstärkers, der ebenfalls mit der Stromversorgungsanordnung
nach Fig. 1 verbunden werden kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage enthält einen magnetischen Verstärker 30 und eine Stromversorgungsanlage
100.
Der magnetische Verstärker 30 besteht aus einem sättigbaren Magnetkern 31, auf dem sich eine Rückstellwicklung
32 und eine Steuerwicklung 33 befinden. Der Rückstellkreis für diesen Verstärker besteht aus
einer Reihenschaltung, die von einer Klemme 36 zu einer Eingangsklemme 10 führt und die Rückstellwicklung
32, einen Gleichrichter 34 und einen Gleichrichter 11 enthält. Ein nichtlineares Glied 20, das aus
einem Gleichrichter 21 und einem Widerstand 22 besteht, ist in Reihe zwischen Erde und eine Klemme
37 geschaltet. Der Verbindungspunkt des Gleichrichters 21 und des Widerstandes 22 ist an die Verbin-
409 653/358
dungssteile der Gleichrichter 11 und 34 angeschlossen. Der Steuerkreis des magnetischen Verstärkers 30
enthält die S teuer wicklung 33 in Reihe mit einem Gleichrichter 35 und führt von der Klemme 37 zu
einer Ausgangsklemme 43. Zwischen eine Klemme 44 und Erde ist ein nichtlineares Glied 40 eingeschaltet,
das aus einem Widerstand 42 und*einem Gleichrichter
41 besteht. Die Verbindungsstelle des Widerstandes
42 und des Gleichrichters 41 ist mit der Ausgangsklemme 43 verbunden.
Die Stromversorgungsanlage 100 enthält eine Wechselstromquelle, die z. B. aus einem Transformator 50
bestehen kann, einen Spartransformator 60 und ein sättigbares Reaktanzglied 70. Der Transformator 50
besitzt einen Magnetkern 51, eine Primärwicklung 53 und eine mit geerdeter Mittelanzapfung versehene Sekundärwicklung
52. Die Wechselspannung wird an die Primärwicklung 53 angelegt. Die Enden der Sekundärwicklung
52 sind mit den Endklemmen 63 und 68 des Spartransformators 60 verbunden. Dieser Spartransformator
besitzt einen Magnetkern 61, auf dem sich eine Wicklung 62 mit Anzapfungen 64, 65, 66
und 67 befindet, die in bestimmten Abständen zwischen den Klemmen 63 und 68 angeordnet sind. Die
Klemme 63 ist mit einer Anschlußstelle A, die Klemme 64 über eine Wicklung 72 der Sättigungsdrossel 70
mit einer Anschlußklemme C, die Klemme 65 mit einer Anschlußstelle B, die Klemme 66 mit einer Anschlußklemme
E und die Klemme 67 über eine Wicklung 73 der Drossel 70 mit einer. Anschlußstelle D verbunden,
während die Klemme 68 mit einer Anschlußstelle F in Verbindung steht.
Die sättigbare Drossel 70 besteht aus einem sättigbaren Kern 71 mit Wicklungen 72 und 73. Ein Widerstand
74 ist zwischen die Anschlußstellen C and D
eingeschaltet.
Die Stromversorgungsanordnung 100 arbeitet folgendermaßen. Die der Primärwicklung 53 des Transformators
50 zugeführte Wechselspannung induziert zwei Wechselspannungen in der Sekundärwicklung 52
beiderseits der geerdeten Mktelanzapfung. Diese
Wechselspannungen sind bekanntlich gegeneinander um 180° phasenverschoben. Der Einfachheit halber
soll die auf derjenigen Seite der Sekundärwicklung 52, welche mit der Klemme 63 verbunden ist, induzierte
Spannung mit der Phase Φ und die auf derjenigen Seite, welche mit der Klemme 68 verbunden
ist, induzierte Spannung mit der Phase Θ bezeichnet werden.
Die Spannungen mit den Phasen Φ und Θ, die an
den Klemmen 63 und 68 des Spartransformators 60 abgenommen werden können, haben einen größeren
Wert als die Spannungen an den anderen Anzapfungen desselben. Sie werden für den Steuerkreis und
die nichtlinearen Glieder des Verstärkers 30 verwendet. Andererseits sind bekanntlich die Spannungen an
den Anzapfungen 64 und 67 größer als diejenigen an den Anzapfungen 65 und 66 des Spartransformators
60. Die beiden letzteren Spannungen werden den Rückstellkreisen des magnetischen Verstärkers 30 und anderer
ebenso aufgebauter magnetischer Verstärker zugeführt.
Offenbar haben die Spannungen an den Anschlußstellen A, B und C die Phase Φ, während die Spannungen
an den Anschlußstellen D, E und F die Phase Θ aufweisen.
Bei einer ersten Betriebsweise des magnetischen Verstärkers 30 ist die Klemme 36 mit der Anschlußstelle
B, die Klemme 37 mit der Anschlußstelle F und die Klemme 44 mit der Anschlußstelle A verbunden.
Bei einer ersten Halbperiode der an die Primärwicklung 53 angelegten Wechselspannung ist die Spannung
an der Stelle A negativ und sucht den Magnetkern 31 positiv zu sättigen. Auch die Spannung an der Stelle B
ist in dieser Halbperiode negativ, aber der Stromfluß durch die Rückstellwicklung 32 ist durch den Gleichrichter
34 gesperrt.
In der zweiten Halbperipde der Netzwechselspannung ist die Spannung an der Klemme 37 negativ,
aber der Stromfluß durch die Steuerwicklung 33 wird durch den Gleichrichter 35 gesperrt. Jedoch ist in dieser
Halbperiode die Spannung an der Klemme 36 positiv, so daß ein Strom in der Rückstellwicklung 32
fließen kann, der den Magnetkern 31 negativ zu sättigen sucht.
Die Amplitude der hier erwähnten Spannungen ist ausreichend, um den Magnetkern 31 bei Anlegung an
die Steuer- bzw. Rückstellwicklung positiv oder negativ zu sättigen. Die erwähnten nichtlinearen Glieder
20 und 40 sind in bekannter Weise so ausgelegt, daß sie den Fluß eines bestimmten Magnetisierungsstromes in den Wicklungen 32 und 33 ohne merklichen
Spannungsabfall gestatten, jedoch den magnetischen Verstärker gegen übermäßige Ströme schützen.
In der ersten obenerwähnten Halbperiode ist die Spannung an der Klemme 44 negativ, und der Strom
kann durch den Gleichrichter 41 des nichtlinearen Gliedes 40 in Durchlaßrichtung fließen, wobei die Amplitude
dieses Stromes durch den Widerstand 42 begrenzt ist. Deshalb kann der an die Klemme 37 gelangende
Magnetisierungsstrom in dieser ersten Halbperiode durch die Steuerwicklung 33, den Gleichrichter
35 und den Gleichrichter 41 in Sperrichtung fließen. In der zweiten Halbperiode ist die Spannung an
der Klemme 37 negativ, und der Strom fließt von Erde durch den Gleichrichter 21 des nichtlinearen Gliedes
20, wobei seine Größe durch den Widerstand 22 begrenzt ist. Deshalb kann der Strom von der Klemme
36 durch die Steuerwicklung 32, den Gleichrichter 34 und den Gleichrichter 21 in Sperrichtung fließen.
Der magnetische Verstärker 30 wechselt dauernd zwischen positiver und negativer Sättigung, ohne daß
eine Ausgangsspannung an der Klemme 43 auftritt, bis ein Eingangssignal mit der richtigen Phase und
einer bestimmten Größe an die Eingangsklemme 10 angelegt wird. Das der Eingangsklemme 10 zugeführte
Signal sperrt den Stromfluß durch den Gleichrichter 34 und bestimmt damit das Ausmaß der in der Rückstellhalbperiode
erfolgenden Rückstellung. Da in der nachfolgenden Halbperiode der Magnetkern 31 nicht
negativ gesättigt ist, fließt ein' Ausgangsstrom von der Steuerwicklung 33 über den Gleichrichter 35 zur
Klemme 43.
Die Größe dieses Ausgangsstromes hängt grundsätzlich von der Größe des der Eingangsklemme 10
zugeführten Signals ab.
Wenn ein Ausgangsstrom mit entgegengesetzter Phase vom magnetischen Verstärker 30 gewünscht
wird, so werden die Klemmen 36, 37 und 44 mit entsprechenden Klemmen der Stromversorgungsanordnung
100 verbunden, welche die gleiche Spannungsgröße, aber entgegengesetzte Phase haben. In dieser
Situation wird auch eine entgegengesetzte Phase des Eingangssignals erforderlich.
Bei gewissen Anwendungen ist es erwünscht, daß mehrere magnetische Verstärker der in Fig. 1 dargestellten
Art in Kaskade geschaltet werden. Wenn Kerne mit vollkommen rechteckiger Hysteresisschleife
und Gleichrichter ohne Sperrstrom in magnetischen Verstärkeranlagen mit Spannungsrückstellung ver-
Claims (7)
- 5 6wendet werden, so ist theoretisch der Ausgangsstrom sorgungsanordnung 100 ist die gleiche. Der Hauptder darin enthaltenen sättigbaren Magnetkerne eine unterschied zwischen den Verstärkern 30 in Fig. 1 Funktion des Betrages, der den sättigbaren Kernen und 2 liegt darin, daß in Fig. 2 der Gleichrichter 34 durch die Rückstellwicklungen mitgeteilten Rückstel- weggelassen ist und das nichtlineare Glied 20, belung. Ein an den Eingang einer solchen Kaskaden- 5 stehend aus dem Gleichrichter 21 und dem Widerschal tung angelegtes Signal strebt danach, die Rück- stand 22, so im Rückstellkreis angeordnet wurde, daß Stellspannung der ersten Stufe am Rückstellgleich- eine Rückstellung des Magnetkerns 31 nur durch ein richter zu sperren, wenn die Größe des Eingangs- Eingangssignal möglich ist, das der Klemme 10 zusignals in irgendeinem bestimmten Zeitpunkt größer geführt wird.als diejenige der Rückstellspannung ist. Deshalb fin- ίο Falls die Klemmen 37 und 44 wieder mit den Andet keine Rückstellung des Magnetkerns der ersten schlußstellen F bzw. A der Stromversorgungsanlage Stufe mehr statt, und in der nächsten Halbperiode er- 100 verbunden sind, so ist die Arbeitsweise des mazeugt die Steuerspannungsquelle einen vollen Aus- gnetischen Verstärkers 30 die gleiche, wenn die Spangangsstrom, wenn die Windungszahl der Ausgangs- nungen der Steuerwicklung 33 und dem nichtlinearen wicklung gerade ausreicht, um dem Magnetkern eine 15 Glied 40 zugeführt werden. Da aber der Rückstell-Flußänderung zu erteilen, die bei einer gegebenen wicklung 32 keine Rückstellspannung zugeführt wird, Steuerspannung doppelt so groß wie die Sättigungs- wird der Magnetkern 31 nur rückgestellt, wenn ein flußdichte ist. Durch entsprechende Anordnung kann Signal mit richtiger Phase und bestimmter Größe der erreicht werden, daß die Ausgangsspannung der ersten Klemme 10 zugeführt wird. Die Phase dieses Ein-Stufe einer magnetischen Verstärkerschaltung in Kas- 20 gangssignals muß um 180° gegen die an die Klemme kade groß genug ist, um die Rückstellspannung der 37 angelegte Steuerspannung verschoben sein. Die zweiten Stufe zu sperren. Man erhält also unter den Rückstellung des Magnetkerns 31 wird in diesem Zeitoben erwähnten Umständen an der zweiten Stufe in punkt aufrechterhalten, weil das nichtlineare Glied 20 gleicher Weise wie in der ersten Stufe einen vollen nur dann einen Stromfluß durch den Gleichrichter 21 Ausgangsstrom. Dies wir,d in allen iV-Stufen der Kas- 25 in Sperrichtung erlaubt, wenn die an die Klemme 37 kadenschaltung wiederholt. . ■ angelegte Spannung negativ ist.Praktisch können jedoch Magnetkerne mit voll- Der Ausgangsstrom an der Klemme 43 des magne-kommen rechteckiger Hysteresisschleife, soweit bis tischen Verstärkers 30 wird durch die Größe der Ein-jetzt bekannt ist, stets nur angenähert, aber nicht er- gangsspannung an der Klemme 10 bestimmt. Wennreicht werden. Die Restflußdichte der bekannten Ma- 30 kein Eingangssignal vorhanden ist, so ergibt sich dergnetkernwerkstoffe ist geringer als die maximale volle Ausgangsstrom an der Klemme 43. Wenn da-Flußdichte. Deshalb wird der Magnetkern der ersten gegen das Eingangssignal seine volle vorbestimmteStufe nicht während einer vollen Steuerhalbperiode Größe hat, so ist überhaupt kein Ausgangsstrom invollständig gesättigt. Auch sind keine Gleichrichter einer bestimmten Halbperiode an der Klemme 43 vor-mit völlig verschwindendem Sperrstrom verfügbar. 35 handen.Dieser Sperrstrom der Gleichrichter verändert den Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsfor-Magnetfluß im Magnetkern während der Rückstell- men der Erfindung ergeben eine Vereinfachung der halbperiode weiter. Infolgedessen erzeugt ein an den Schaltung, die weniger Bauteile der Stromversor-Eingang einer Kaskadenschaltung von Verstärkern gungsanordnung benötigt und die Anzahl der Speiseangelegtes Signal am Ausgang der ersten Stufe einen 40 spannungen, die verfügbar sein müssen, herabsetzt. Stromflußwinkel, der kleiner als der Stromfluß winkel Besonders bemerkenswert ist es, daß die Gleichstromdes Eingangssignals ist. Eine weitere Verkleinerung vorspannung wegfällt, die normalerweise den nichtdes Stromflußwinkels tritt in jeder weiteren Stufe ein, linearen Gliedern zugeführt wird, indem statt dessen so daß nach einer genügenden Anzahl JV von Stufen Wechselspannungen verwendet werden, welche die unter Umständen überhaupt kein Ausgangsstrom mehr 45 nichtlinearen Glieder versorgen, wenn die entsprechenauftritt, den Wechselspannungen negativ sind. Auch liefernDiese Schwierigkeit kann dadurch überwunden wer- die Wechselspannungen in der angegebenen Weise in den, daß eine Spannung mit spezieller Wellenform den positiven Halbperioden als Vorspannungen der den Rückstellwicklungen der in Kaskade befindlichen nichtlinearen Glieder Sperrspannungen, wodurch der magnetischen Verstärker zugeführt wird. Hierzu 50 Gleichrichter im Steuerkreis der magnetischen Verdienen in der Stromversorgungsanordnung 100 die stärker die Verwendung spezieller Wellenformen der Klemmen 64 und 67 des Spartransformators 60, die Rückstellspannungen gestattet, wenn mehrere magneüber die Wicklungen 72 und 73, welche sich auf dem tische Verstärkerstufen in Kaskade geschaltet sind, sättigbaren Magnetkern 71 der Drossel 70 befinden, ohne daß andere Mittel zur Kompensation der induan die Anschlußstellen C und D geführt sind. 55 zierten Spannungen erforderlich sind. In den Speise-Bei dieser Betriebsart des magnetischen Verstärkers leitungen sind keine Gleichrichter mehr, erforderlich,30 werden die Klemmen 37 und 44 wieder mit den und es sind weniger Anschlußstellen nötig, um dieAnschlußstellen F und A verbunden. Dagegen wird magnetischen Verstärker mit Strom zu versorgen,die Klemme 36 mit dem Anschlußpunkt C verbunden, „um die richtige Phase der Rückstellspannung zu lie- 60 Patentansprüche:fern. Wie erwähnt, müssen zwecks Phasenänderung 1. Magnetische Verstärkeranordnung mit einemdes Ausgangsstromes des Verstärkers 30 die Klem- Netzgerät, das einen Spartransformator mit An-men 36, 37 und 44 mit entsprechenden Klemmen der zapfung aufweist, derart, daß Spannungen gleicherStromversorgungsanordnung 100 verbunden werden, Größe, aber entgegengesetzter Phase an den bei-die eine Spannung gleicher Größe, aber entgegengesetz- 65 den Hälften des Spartransformators verfügbarter Phase liefern. In diesem Falle muß dann die sind, und einem oder mehreren magnetischen Ver-Klemme36 statt mit der Klemme C mit der KlemmeD stärkern mit je einem Rückstellkreis und einemverbunden werden. Ausgangskreis, der vom Spartransformator mitIn Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform eines Wechselspannung einer bestimmten Phase versorgtmagnetischen Verstärkers dargestellt. Die Stromver- 70 wird, wobei der Rückstellkreis eine Rückstellwick-lung enthält, die induktiv mit einem sättigbaren Magnetkern gekoppelt ist und in Reihe mit dem nichtlinearen Teil eines ersten nichtlinearen Gliedes liegt, während der Ausgangskreis eine ebenfalls induktiv mit dem Magnetkern gekoppelte Ausgangswicklung enthält, die in Reihe mit einem Gleichrichter und dem nichtlinearen Teil eines zweiten nichtlinearen Gliedes liegt, derart, daß nur während einer Halbwelle der erwähnten Wechselspannung ein Strom durch die Ausgangswicklung fließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wechselspannung für den Ausgangskreis (33) liefernde Klemme (F) des Spartransformators (60) mit dem ersten nichtlinearen Glied (20) im Rückstellkreis (32) derart verbunden ist, daß jeweils nur während der zweiten Halbwelle der betreffenden Wechselspannung ein Strom durch dieses nichtlineare Glied (20) fließen kann und damit den Stromfluß durch den Rückstellkreis (32) gestattet (vgl. Fig. 1 und 2). ao
- 2. Magnetische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellwicklung (32) an eine gegenphasige Klemme (B, C) des Spartransformators (60) angeschlossen ist, derart, daß die von dieser Klemme gelieferte a5 Wechselspannung jeweils während der zweiten Halbwelle der auf den Ausgangskreis gelangenden Spannung einen Rückstellstrom in der Rückstellwicklung verursacht.
- 3. Magnetische Verstärkeranordnung nach An-Spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Gleichrichter (34) in Reihe mit der Rückstellwicklung (32) und dem nichtlinearen Teil (21) des ersten nichtlinearen Gliedes (20) geschaltet ist.
- 4. Magnetischer Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindung zwischen dem Spartransformator und der Rückstellwicklung eine sättigbare Drossel (70) eingeschaltet ist.
- 5. Magnetischer Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Ausgangskreis liegende zweite nichtlineare Glied (40) mit einer Klemme (A) des Spartransformators von gleicher Phase wie die Spannung 'für die Rückstellwicklung verbunden ist.
- 6. Magnetische Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme (10) so im Rückstellkreis angeordnet ist, daß beim Auftreten eines Eingangssignals der Rückstellstrom durch den Rückstellkreis unterdrückt wird.
- 7. Magnetische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme (10) derart im Rückstellkreis angeordnet ist, daß beim Auftreten eines Eingangssignals ein Rückstellstrom während der zweiten Halbwelle der den Ausgangskreis versorgenden Wechselspannung im Rückstellkreis fließt (Fig. 2).In Betracht gezogene Druckschriften:
BBC-Sonderdrucke vom Mai 1957 und März 1955 (Ind. 4047/S und 4042/S);Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 1954, Juli, S. 265 bis 270, insbesondere die Fig. 6 und 4;Buch von Stonn, »Magnetic Amplifiers«, 1955, Fig. 20.11 auf S. 337.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 909 638/244 10. (409 653/358 7.641
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