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Hochleistungsverstärkereinrichtung für kleine Spannungen mit einer
Kaskade aus einem Magnetverstärker und einem Generator Es ist bekannt, hohe Verstärkungsgrade
durch eine Kaskadenschaltung aus einem magnetischen Verstärker und einem elektrischen
Generator zu erzielen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, von dieser Einrichtung ausgehend,
eine Hochleistungsverstärkereinrichtung für kleine Spannungen zu schaffen, deren
dynamisches Verhalten auf einfache und wirksame Weise beeinflußt werden kann. Diese
Aufgabe wird unter Anwendung einer Rückkopplung erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Ausgang des Generators ganz oder teilweise auf den Eingang des Magnetverstärkers
im Sinne der Unterstützung des Magnetverstärkersteuerstromes rückgekoppelt ist und
im Rückkopplungspfad Blindwiderstände zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens
der Verstärkereinrichtung angeordnet sind.
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Die Anwendung einer Rückkopplung ist, insbesondere auch bei Magnetverstärkern,
bekannt. Die Rückkopplung des Magnetverstärkerausganges auf den Eingang hat jedoch
eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen. Jeder Magnetverstärker verzerrt bekanntlich
die Sinusform der Netzspannung. Im Rückkopplungskreis werden daher kräftige Oberwellenströme
auftreten, die besonders bei fester Kopplung die Steuerung des Magnetverstärkers
beeinträchtigen. Die zur Unterdrückung der Oberwellen erforderlichen Glättungsmittel
machen nun aber die Einschaltung von Blindwiderständen im Rückkopplungskreis, wie
sie an sich - z. B. bei Röhrenverstärkern - zur Erzielung
eines
bestimmten dynamischen Verhaltens bekannt und üblich ist, praktisch sinnlos.
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Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Die Kombination
eines Magnetverstärkers mit einer Verstärkermaschine gestattet die Anwendung einer
mit erheblicher Leistung arbeitenden und praktisch oberwellenfreien Gleichstromrückkopplung,
die mit beliebigen Blindwiderständen beschaltet werden kann.
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Als Generator kann eine einfache Gleichstrommaschine verwendet werden,
deren Erregerkreis - falls es sich um die Verstärkung von Gleichspannungen handelt
- ein Gleichrichter vorgeschaltet ist. Es kann aber auch eine Querfeldverstärkermaschine
(eine sogenannte Amplidyne) Verwendung finden oder eine unsymmetrische Verstärkermaschine
(ein sogenanntes zweistufiges Rototrol). Durch die Verwendung derartiger Maschinen
wird der Verstärkungsgrad gegenüber einfachen Verstärkungsmaschinen noch entsprechend
erhöht. Die Verstärkereigenschaft der Amplidyne und des Rototrols ist zwar bekannt.
Durch die Kombination mit einem Magnetverstärker wird aber der Vorteil erzielt,
daß die für den Betrieb dieser Maschinen erforderliche Steuerleistung noch weiter
verringert werden kann und daß sich - ebenso wie bei einer einfachen Gleichstrommaschine
- die Möglichkeit einer Rückkopplung auf den Magnetverstärker ergibt.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert. Zunächst
zeigt Fig. I grundsätzlich die Kombination eines Magnetverstärkers mit einer Gleichstrommaschine
unter Anwendung einer Rückkopplung.
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In Fig. I ist I ein Magnetverstärker und 2 ein (zweipolig gezeichneter)
Gleichstromgenerator, der durch einen Motor 3 mit konstanter Drehzahl angetrieben
wird. Der Magnetverstärker trägt die Wicklungen 4, 4', 5 und 6. Der Wicklung 5 wird
die Steuergleichspannung Us zugeführt. Die der Erregerwicklung 7 des Generators
2 zugeführte Spannung, die durch den Gleichrichter 8 gleichgerichtet wird, liegt
über die Wicklungen 4, 4' des Magnetverstärkers an einer Wechsefspannungsquelle
RS. Der Magnetverstärker I ist so eingestellt, daß, solange die Steuerspannung Us
Null ist und somit keine Vormagnetisierung stattfindet, durch die Wicklungen 4,
4' nur ein sehr kleiner Strom fließt. Sobald jedoch über die Wicklungen 5 Strom
fließt, wird der Fluß des magnetischen Kreises in an sich bekannter Weise so geändert,
daß durch die Wicklungen 4, 4' verstärkter Strom fließt. Dieser Strom des Magnetverstärkers
ist der Erregerstrom für den Gleichstromgenerator 2, welcher eine weitere Verstärkung
vornimmt.
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Ein vom Generatorstrom und/oder der Generatorspann.ung abhängiger
Strom ist im Sinne der Unterstützung des Magnetverstärkersteuerstromes auf den Verstärker
rückgekoppelt. In der Schaltung nach Fig. I erfolgt die Rückkopplung über einen
in den Ausgangsstromkreis des Generators :2 eingeschalteten, vorzugsweise einstellbaren
ohmschen Widerstand 9, so daß die an den Klemmen Io, II auftretende Spannung proportional
dem Generatorausgangsstrom ist. Dementsprechend ist auch der durch die Rückkopplungswicklung
6 fließende Strom proportional dem Ausgangsstrom.
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Der Widerstand 9 kann gegebenenfalls auch parallel zu den Ausgangsklemmen
15, 16 des Generators 2 liegen, in welchem Falle der Rückkopplungsstrom durch die
Spule 6 der Generatorspannung proportional ist.
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Es ist noch nachzuholen, daß der Generator 2 in an sich bekannter
Weise mit einer Nebenschlußwicklung I2 und/oder mit einer Reihenschlußwicklung 13
versehen sein kann. 14 ist der Widerstand (Last) des Nutzkreises des Generators.
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In den Rückkopplungskreis werden nun zur Beeinflussung des dynamischen
Verhaltens der Verstärkereinrichtung Blindwiderstände gelegt. Ausführungsbeispiele
sind in den Fig. 2 bis dargestellt.
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Bei Verstärkern bestecht bekanntlich die Gefahr der Aufschaukelung
von Schwingungen. Um diese zu vermeiden, können in den Rückkopplungskreis Dämpfungsmittel
eingeschaltet werden. In Fig.2 ist ein Beispiel hierfür gegeben, wo gleiche Bezugszeichen
wieder auf gleiche Teile wie in Fig. I verweisen.
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Statt des Widerstandes 9 in Fig. I ist hier ein Kondensator 17 in
den Ausgangskreis des Generators 2 eingeschaltet, dessen Klemmen Io und II an der
Rückkopplungswicklung 6 (Fig. I) liegen. Dieser Kondensator wirkt raschen Stromänderungen
durch die Rückkopplungswicklung 6 entgegen, denn bei einer raschen Zunahme des Generatorstromes,
der beim stationären Zustand durch die Rückkopplungswicklung 6 fließt, nimmt der
Kondensator zunächst Strom auf, dämpft also den Anstieg, und umgekehrt wirkt er
einem Absinken des Generatorstromes entgegen dadurch, daß er seine Energie an die
Rückkopplungswicklung 6 abgibt.
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Ist in Fig. I die Last 14 des Generators 2 eine induktive Last, beispielsweise
die Erregerwicklung eines Generators, Motors od. dgl., so kann es erwünscht sein,
die Änderungsgeschwindigkeit des verstärkten Stromes zu erhöhen. Zur Erreichung
dieses Zieles können Wechselstromwiderstände in solcher Schaltung in den Rückkopplungskreis
gelegt werden, daß die Spannung an der Rückkopplungswicklung 6 während der Änderung
des Ausgangsstromes oder der Ausgangsspannung des Generators erhöht wird. Bei dem
Beispiel nach Fig. 3 besteht der Wechselstromwiderstand aus einer Drossel 18, die
zum Widerstand 9 (Fig. i) in Serie liegt. Steigt der Generatorstrom, so liegt an
den Klemmen io und ii während der Änderung eine höhere Spannung als bei stationärem
Betrieb. Dementsprechend fließt auch während dieser Zeit durch die Rückkopplungswicklung
6 ein erhöhter Strom, welcher eine vorübergehende Übererregung des Generators :2
veranlaßt, so daß dieser den Sollwert entsprechend schnell erreicht. Bei sinkendem
Generatorstrom wird durch die auftretende Selbstinduktionsspannung der Drossel die
Rückkopplungswicklung 6 vorübergehend mit stark verringertem
Strom
gespeist und auf diese Weise wiederum eine verstärkte Stromänderung erzielt.
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In Fig.4 liegt die an die Klemmen Io, fI angeschlossene Rückkopplungswicklung
6 des Magnetverstärkers I (Fig. I) über eine Parallelschaltung eines Kondensators
I9 mit einem ohmschen Widerstand 2o an den Klemmen des Widerstandes g. Mit dieser
Schaltung wird eine gleiche Wirkung erreicht wie bei der Anordnung nach Fig. 3.
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Bei verschiedenen Anwendungsfällen der Verstärkeranordnung kann es
vorteilhaft sein, dafür zu sorgen, daß der Strom durch die Rückkopplungswicklung
6 und gegebenenfalls ebenso der Ausgangsstrom des Generators nach oben begrenzt
wird. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise an die Stelle des ohmschen Widerstandes
9 in Fig. I ein Element mit nichtlinearer Widerstandscharakteristik eingeschaltet
sein, dessen Widerstand mit zunehmendem Strom sinkt, wie es beispielsweise bei Überspannungsableitern
benutzt wird. Dabei kann es des weiteren vorteilhaft sein, wenn die Widerstandscharakteristik
dieses nichtlinearen Widerstandes so verläuft, daß sie erst von einem bestimmten
Stromwert ab abfällt. Dadurch wird erreicht, daß die Begrenzung des Rückkopplungsstromes
erst von diesem Stromwert ab einsetzt.
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Bei Generatoren ist bekanntlich die Abhängigkeit zwischen Erregerstrom
und Ausgangsstrom infolge der Magnetisierungskennlinie teilweise nicht linear. Um
eine Linearität über den ganzen Bereich zu erreichen, kann die Rückkopplung in Verbindung
mit nichtlinearen Widerständen herangezogen werden, deren Charakteristik entsprechend
verläuft, d. h., der Widerstand des nichtlinearen Widerstandes muß in diesem Falle
bei größerer Eingangsspannung Us zunehmen.
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Die beschriebene Erfindung läßt sich sinngemäß auch auf Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer
anwenden, die des in Fig. I erforderlichen Antriebsmotors 3 nicht bedürfen.