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Vorrichtung zur Herstellung und Regelung der Speisung einer Belastung
durch einen Stromwandler Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
und Regelung der Speisung einer Belastung aus einem Stromwandler über wenigstens
einen an die Sekundärwicklung des Wandlers angeschlossenen Gleichrichter, dessen
Primärwicklung mit Wechselstrom gespeist wird.
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Es ist bereits eine Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom in
ununterbrochenen Gleichstrom mittels in die Wechselstromleitung in zwei parallelen
Zweigen eingeschalteter Primärwicklungen von vorzugsweise untereinander gleichen
Transformatoren, die paarweise durch periodisches Kurzschließen der Sekundärwicklung
nur Ströme einer Richtung hindurchlassen, bekannt, wobei in jeder Phase einer mehrphasigen
Wechselstromleitung die beiden an ungleichen Wechselstromklemmen der Phase liegenden
Transformatoren eines jeden Paares in verschiedenen Stromzweigen angeordnet sind,
und die Gleichstromabnahme in der Mitte der Brücken erfolgt. Zum periodischen Kurzschließen
der Sekundärwicklungen der Transformatoren werden elektrische Ventile mit Gleichrichterwirkung
verwendet. Bei dieser bekannten Einrichtung handelt es sich somit um eine Schaltung
zur Gleichrichtung eines Wechselstromes.
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Es ist ferner eine Schalt und Steuerdrossel mit mindestens zwei Wicklungen,
von denen eine Wicklung mit der zu steuernden Einrichtung in Reihe an der speisenden
Wechselspannung liegt, bekannt, wobei eine zweite Wicklung der Schalt- und Steuerdrossel
durch einen steuerbaren Widerstand überbrückt ist und dieser steuerbare Widerstand
vorzugsweise durch einen über eine Gleichrichterschaltung an die Sekundärwicklung
angeschlossenen Transistor gebildet wird, Bei dieser Einrichtung wird nicht eine
Belastung kurzgeschlossen, sondern praktisch ein Gleichrichter, der an die Sekundärwicklung
eines Transformators angeschlossen ist, wobei die Primärwicklung des Transformators
in Serie mit .der Belastung geschaltet ist. Diese Einrichtung wirkt wie ein in Serie
mit der Belastung geschalteter Unterbrecher.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere, eine eingangs erwähnte Vorrichtung
so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis
entspricht. Hierfür werden erfindungsgemäß bei einer derartigen Vorrichtung zur
Herstellung und Regelung der Speisung einer Belastung aus einem Stromwandler, wobei
diese Speisung über wenigstens einen an die Sekundärwicklung des Wandlers angeschlossenen
Gleichrichter erfolgt, dessen Primärwicklung mit Wechselstrom gespeist wird, Einrichtungen
zur periodischen Kurzschließung der Belastung während Zeiten regelbarer Dauer vorgesehen,
welche wenigstens einen gesteuerten Gleichrichter enthalten, der zwischen eine Klemme
des Gleichrichters und das nicht mit diesem verbundene Ende der Belastung geschaltet
ist, und zwar derart, daß beide Gleichrichter von den gleichen Halbwellen des Sekundärstroms
durchflossen werden können, wobei ferner ein System zur Herstellung der Leitfähigkeit
des gesteuerten Gleichrichters zu regelbaren Zeitpunkten vorgesehen ist, wobei die
Regelung der Leitfähigkeit des gesteuerten Gleichrichters vorzugsweise durch die
Änderungen einer Kenngröße des Primärstroms gesteuert wird.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird das Steuersystem,
wenn die Frequenz der Kurzschließung der Belastung gleich der Frequenz des Primärstroms
ist, mit wenigstens einer sättigbaren Wicklung versehen, welche zwischen das mit
den Gleichrichtern verbundene Ende der Sekundärwicklung und die Steuerelektrode
des gesteuerten Gleichrichters geschaltet ist, wobei Einrichtungen zur Steuerung
der Sättigung dieser Wicklung mit einer gewissen Verzögerung nach dem Beginn einer
jeden Halbwelle des Sekundärstroms vorgesehen sind, weiche vorzugsweise eine Einrichtung
umfassen, welche einen Gleichstrom liefert, dessen Stärke von wenigstens einer der
folgenden drei Kenngrößen abhängt: Effektivwert der primären Spannung, Effektivwert
und Frequenz des Primärstroms.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen
der Erfindung wird bei einer derartigen Vorrichtung, wenn die Frequenz der Kurzschließung
der Belastung von der Frequenz des Primärstroms unabhängig ist, das Steuersystem
mit einem zweiten gesteuerten Gleichrichter versehen, welcher mit dem ersten durch
einen Kondensator in an sich bekannter Weise gekoppelt ist, wobei ein Summer abwechselnd
die Leitfähigkeit des einen oder des anderen dieser beiden gesteuerten Gleichrichter
herstellt, wobei die Vorrichtung vorzugsweise durch einen von einer Pilotanordnung
kommenden Wechselstrom gesteuert wird, welchem ein Gleichstrom überlagert ist, dessen
Stärke von wenigstens einer der drei nachstehenden Kenngrößen abhängt: Effektivwert
der primären Spannung, Effektivwert und Frequenz des Primärstroms.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
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F i g. 1 zeigt das elektrische Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Regelvorrichtung, welche nur zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung
dient und aufs äußerste vereinfacht ist; F i g. 2 ist ein Schaubild, welches die
Änderungen der Stromstärke in der Belastung dieser Vorrichtung zeigt; F i g. 3,
4 und 5 zeigen elektrische Schaltbilder von drei verschiedenen erfindungsgemäßen
Regelvorrichtungen.
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Es sei angenommen, daß die Speisung einer Belastung 1 aus einem Wechselstromerzeuger
2 über einen Stromwandler 3 vorgenommen werden soll, z. B, zum Zwecke der selbsttätigen
Regelung des Stromerzeugers.
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Die Belastung 1 kann eine an dem Wechselstromerzeuger angebrachte
-Hilfserregerwicklung sein, oder auch die Erregerwicklung einer Wirbelstrombremse
einer Anordnung, welche den Antrieb des Stromerzeugers mit konstanter Drehzahl durch
eine Antriebsquelle veränderlicher Drehzahl herstellen soll.
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Der Wechselstromerzeuger 2 speist eine veränderliche Belastung 4,
welche z. B. ein elektrisches Verteilungsnetz an Bord eines Flugzeugs sein kann,
welches gegebenenfalls wenigstens ein Radarsystem enthält.
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Bei der vereinfachten, in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist
die Primärwicklung 31 eines einphasigen Stromwandlers 3 zwischen den Wechselstromerzeuger
2 und die veränderliche Belastung 4 geschaltet, während die Belastung 1 über einen
Gleichrichter 5 von der Sekundärwicklung 32 des Wandlers 3 gespeist wird.
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Ein gesteuerter Gleichrichter 6 ist parallel an die Sekundärwicklung
32 oder die Belastung 1 so geschaltet, daß er für die gleichen Halbwellen des Sekundärstroms
leitend sein kann, wie der Gleichrichter 5.
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Der leitende Zustand des Gleichrichters 6, welcher durch ein weiter
unten beschriebenes System 7 gesteuert wird, schließt die Belastung 1 kurz, da hierdurch
gleichzeitig derselbe Strom an die beiden Enden der Belastung angelegt wird. Der
die Belastung 1
durchfließende Strom ist daher Null, wenn der Gleichrichter
6 leitend ist.
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Diese augenblickliche Aufhebung des Stroms in der Belastung könnte
nicht durch einfache Unterbrechung des Sekundärkreises hergestellt werden. Während
der Zeit, während welcher der Stromfluß in der Sekundärwicklung verhindert werden
soll, werden nämlich die aufgezwungenen primären Ampere-Windungen nicht durch praktisch
gleiche sekundäre Ampere-Windungen ausgeglichen, so daß sie als magnetisierende
Ampere-Windungen wirken und in der Sekundärwicklung sehr hohe Überspannungen erzeugen.
Diese überspannungen können insbesondere den gesteuerten Gleichrichter zerstören,
dessen zulässige höchste Sperrspannung im allgemeinen klein ist.
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Wenn jedoch die Aufhebung des Stroms durch Umleitung des Sekundärstroms
in der obigen Weise erhalten wird, sind die sekundären Ampere-Windungen den primären
Ampere-Windungen gleich, so daß keine ungewünschten Überspannungen auftreten können.
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Die Speisung der Belastung 1 kann leicht durch Einstellung der Kurzschlußdauer,
d. h. der Dauer der Leitfähigkeit des Gleichrichters 6, geregelt werden.
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Diese Kurzschließung kann nach zwei Methoden gesteuert werden, je
nachdem, ob die Frequenz dieser Steuerung gleich der Frequenz des von dem Wechselstromerzeuger
gelieferten Stroms ist (nachstehend mit A bezeichneter Fall) oder von dieser Frequenz
unabhängig ist (Fall B).
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Die fünf Schaubilder a, b, c, d und e der F i g. 2 erläutern
diese beiden Methoden.
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In diesen Schaubildern ist die Zeit als Abszisse und die Stromstärke
in der Belastung 1 als Ordinate aufgetragen.
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Das Schaubild a betrifft den Fall, daß der Gleichrichter 6 niemals
leitend ist. Die Speisung der Belastung 1 ist dann am größten.
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Die Schaubilder b und c betreffen den Fall A, wobei
der Gleichrichter 6 mit einer verhältnismäßig langen Verzögerung t1 bzw. mit einer
verhältnismäßig kurzen Verzögerung t2 nach Beginn einer jeden Halbwelle leitend
gemacht wird. Je kürzer diese Verzögerung ist, um so schwächer ist die Speisung
der Belastung.
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Die Schaubilder d und e betreffen den Fall B, wobei
die Leitfähigkeit des gesteuerten Gleichrichters während jeder vierten Nutzhalbwelle
des Stroms bzw. während drei Halbwellen von vier hergestellt wird. Die Speisung
der Belastung ist um so kleiner, je häufiger der Gleichrichter 6 leitend wird.
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Das System zur Steuerung des Gleichrichters 6 ist in F i g. 1 allgemein
mit 7 bezeichnet.
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Dieses System 7 erhält über 8 eine Information bezüglich des Primärstroms
oder der Primärspannung, insbesondere bezüglich des Effektivwerts der Stromstärke
oder der Spannung, welche in einer Anordnung 9 gebildet wird, sowie über 10 ein
Wechselsignal, dessen Frequenz entweder gleich der des Primärstroms ist, wobei dann
das Signal zweckmäßig an einer Wicklung 11 entnommen wird, welche von der Sekundärwicklung
32 beeinflußt wird oder mit dieser verbunden ist, oder dessen Frequenz von der Frequenz
dieses Stroms unabhängig ist, wobei dann das Signal durch eine Pilotanordnung 12
gebildet wird.
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Das System 7 wertet das von ihm empfangene Wechselsignal und die Information
so aus, daß es bei 13 der Steuerelektrode des Gleichrichters 6 eine Folge von Impulsen
oder steilen Wellenfronten liefert, welche die Leitfähigkeit dieses Gleichrichters
zu entsprechenden Zeitpunkten herstellen.
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Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden diese Zeitpunkte so bestimmt,
daß die hierdurch bewirkten Änderungen der Speisung der Belastung 1 ausgenutzt werden
können, um die Änderungen einer Kenngröße (Effektivwert der Spannung, Effektivwert
der
Stromstärke, Frequenz) des von dem Wechselstromerzeuger 2 gelieferten Primärstroms
auszugleichen, wodurch eine selbsttätige Regelung des Wechselstromerzeugers erzielt
werden kann (wie dies schematisch durch den gestrichelten Pfei127 angedeutet ist).
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In der Praxis wird natürlich nicht die in F i g. 1 dargestellte vereinfachte
Schaltung benutzt, welche nur zur Erläuterung der Erfindung dient.
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F i g. 3 zeigt eine praktische Ausführung der Schaltung, bei welcher
die mit einer Mittelanzapfung versehene Sekundärwicklung 32 des Stromwandlers 3
eine Doppelweggleichrichtung bewirkt. Diese symmetrische Schaltung enthält einen
Gleichrichter 5, einen gesteuerten Gleichrichter 6 und ein System 7 für jede der
beiden Halbwellen. Es bewirkt eine doppelt so große Speisung der Belastung 1 wie
die vorhergehende Schaltung.
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Der gesteuerte Gleichrichter 6 kann ein gasgefülltes Thyratron sein,
wird jedoch vorzugsweise durch ein Halbleiter-Thyratron gebildet, welches unter
dem Namen »Thyristor« oder »gesteuerter Gleichrichter« bekannt ist, und dessen innerer
Spannungsabfall in leitendem Zustand größenordnungsmäßig nur 1 V beträgt.
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Nachstehend sind unter Bezugnahme auf F i g. 4 und 5 zwei Ausführungsformen
des Steuersystems 7 beschrieben, welche beide Regelvorrichtungen für dreiphasige
Wechselstromerzeuger betreffen.
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Die bereits oben beschriebenen Teile tragen in F i g. 4 und 5 die
gleichen Bezugszeichen.
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Der Stromwandler 3 ist in jeder der beiden Schaltungen durch einen
Verbundtransformator 14 mit zwei Primärwicklungen 141 ersetzt, welcher
in seiner Sekundärwicklung 142 eine Stromstärke liefert, welche gleichzeitig zu
der Stärke des Primärstroms und der Spannung desselben proportional ist, d. h. zu
der von dem Wechselstromerzeuger gelieferten Leistung.
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Bei der in F i g. 4 dargestellten und den Fall A betreffenden Ausführung
sind ein Gleichrichter 5 und ein gesteuerter Gleichrichter 6 jeder der drei Sekundärwicklungen
142 des Transformators zugeordnet.
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Das Steuersystem eines jeden gesteuerten Gleichrichters 6 enthält
eine sättigbare Wicklung 15, deren eine Klemme mit dem gleichen Ende der Sekundärwicklung
wie der dem gesteuerten Gleichrichter zugeordnete Gleichrichter 5 verbunden ist,
während ihre andere Klemme über einen Gleichrichter 16 und einen Widerstand 17 mit
der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters verbunden ist.
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Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, welche die Sättigung der Wicklung
zu den gewünschten Augenblicken steuern und eine Steuerschleife 18 und eine
Anordnung 9 umfassen, welche mit der Primärspannung gespeist wird, von welcher sie
die gewünschte Kenngröße (Spannung oder Frequenz) feststellt, worauf sie in die
Schleife 18 einen Gleichstrom schickt, dessen Stärke eine Funktion des Wertes der
Kenngröße ist. Die Stärke dieses Gleichstroms bestimmt den Zeitpunkt einer jeden
Halbwelle, zu welchem die Wicklung 15 gesättigt wird, was die Aussendung eines Entsperrungsimpulses
zu dem gesteuerten Gleichrichter zur Folge hat. Diese Anordnung 9 wird z. B. durch
einen Detektor und einen Verstärker mit einem Stromausgang gebildet und kann magnetisch,
elektronisch oder elektromagnetisch arbeiten.
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Ein Widerstand 19 schließt den Stromkreis der Wicklung 15 für die
nicht ausgenutzten Stromhalbwellen, und ein parallel zu der Belastung 1 geschalteter
Gleichrichter 20 nimmt die Sperrspannungsspitzen an den Klemmen der Belastung auf.
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Das obige System arbeitet folgendermaßen: Die Leitfähigkeit eines
jeden gesteuerten Gleichrichters 6 wird eingeschaltet, sobald die ihm zugeordnete
Wicklung 15 durch die positive Halbwelle des in diesem Augenblick von der entsprechenden
Sekundärwicklung 142 gelieferten Stroms gesättigt wird, wodurch diese Halbwelle
im gleichen Augenblick über 5 und 6
an die beiden Enden der Belastung
1 angelegt wird, wodurch diese für den Rest dieser Halbwelle kurzgeschlossen wird.
Der Nulldurchgang dieser Halbwelle bewirkt selbsttätig die Sperrung des gesteuerten
Gleichrichters 6.
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Bei der in F i g. 5 dargestellten, den Fall B betreffenden Ausführung
sind zwei Gleichrichter 5 jeder der drei Sekundärwicklungen 142 des Wandlers zugeordnet
(Sechsphasenschaltung), während ein einziger gesteuerter Gleichrichter 6 zur Kurzschließung
der Belastung 1 vorgesehen ist.
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Mit dem gesteuerten Gleichrichter 6 ist mittels eines Kondensators
21 ein durch eine Gleichspannungsquelle 23 gesteuerter zweiter gesteuerter
Gleichrichter 22 gekoppelt. In einer derartigen an sich bekannten Schaltung bewirkt
die Zündung eines der gesteuerten Gleichrichter 6 und 22 selbsttätig
die Sperrung des anderen und umgekehrt.
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Die Zündung der beiden gesteuerten Gleichrichter 6
und 22 wird
durch einen Summer 24 gesteuert, welcher abwechselnd die Steuerelektroden der gesteuerten
Gleichrichter mit der Spannungsquelle 23 verbindet. Dieser Summer wird durch zwei
Wicklungen gesteuert, von denen die Wicklung 25 mit einem Wechselstrom konstanter
Frequenz aus einer Pilotanordnung 12 gespeist wird, während die andere Wicklung
26 aus einer Anordnung 9 mit einem Gleichstrom gespeist wird, dessen Stärke von
dem Wert der Kenngröße des zu überwachenden Primärstroms abhängt. Diese Anordnung
ist z. B. in der oben erläuterten Weise ausgebildet.
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Dieses System arbeitet folgendermaßen: Je nach der Stärke des durch
die Wicklung 26 fließenden Gleichstroms, dessen Wirkung sich der Wirkung des die
Wicklung 25 durchfließenden Wechselstroms überlagert, verbindet der Summer 25 während
einer mehr oder weniger langen Zeitdauer einer jeden Periode die Spannungsquelle
23 mit der Steuerelektrode des einen der beiden gesteuerten Gleichrichter 6 und
22, wodurch dieser leitend und somit der andere gesperrt wird, wobei die umgekehrten
Verhältnisse während des Restes einer jeden Periode vorliegen. Die Belastung 1 wird
also während einer mehr oder weniger langen Zeitdauer einer jeden der durch die
Pilotanordnung 12 bestimmten Perioden entsprechend der zu überwachenden Kenngröße
des Primärstroms kurzgeschlossen.
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Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann z. B. die
Änderung der Speisung der Belastung 1 für von einer Regelung verschiedene Zwecke
ausgenutzt werden. Ferner können diese Änderungen, anstatt durch eine Kenngröße
des Primärstroms gesteuert zu werden, z. B. von Hand gesteuert werden.