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Schaltung zur Regelung der von Trockengleichrichtern abgegebenen Gleichspannung
Zur Regelung von Wechselspannungen kann man in den Wechselstromkreis eine Drosselspule
einschalten, die mit regelbarem Gleichstrom vormagnetisiert wird, etwa derart, daß
eine besondere Wicklung an der Drosselspule mit Gleichstrom beschickt wird. Da der
Wechselfluß in der Drosselspule in unerwünschter Weise auch in der Gleichstromwicklung
eine Spannung induziert, so kann man zwei auf der Wechselstrom- und auf der Gleichstromseite
in Reihe geschaltete Drosselspulen vorsehen, die derart geschaltet sind, daß die
in dem Gleichstromkreis induzierten Wechselspannungen sich gegenseitig aufheben.
Man kann diese Anordnung auch dazu benutzen, die von einem Gleichrichter gelieferte
Gleichspannung zu regeln, indem man in die Wechselstromseite des Gleichrichters
eine Drosselspule mit regelbarer Gleichstromvormagnetisierung einschaltet.
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Fig. z der Zeichnung zeigt eine derartige bekannte Anordnung. Eine
Wechselstromquelle r speist über eine Graetz-Schaltung von vier Trockengleichrichtern
a einen Gleichstromverbraucher 3. Auf der Wechselstromseite sind nun in Reihe die
beiden Drosselspulen q. und 5 eingeschaltet. Für die Gleichstromvormagnetisierung
dieser beiden Drosselspulen dienen die Wicklungen 6, 7, 8 und 9. Die in Reihe geschalteten
Wicklungen 6 und 7 werden von dein Gleichstrom des Verbrauchers 3 durchflossen.
Da nun eine gewisse Proportionalität zwischen dem Vormagnetisierungsgleich-
Strom
und dem von den Drosselspulen aufgenommenen Wechselstrom besteht, so kann man durch
diese Rückkopplungserregung der beiden Drosselspulen erreichen, daß die beiden noch
vorhandenen Vormagnetisierungswicklungen 8 und 9, die von einer regelbaren Gleichspannung
io gespeist werden, nur ganz geringfügige Ströme zu führen brauchen, die die gesamte
Gleichstromvormagnetisierung auf den jeweiligen für die Regelung der Gleichspannung
am Verbraucher erforderlichen Wert bringen.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt an Hand der Magnetisierungskurve i i die
Wirkungsweise der Gleichstromvormagnetisierung. Bei einer sinusförmigen, der Drosselspule
zugeführten Wechselspannung besteht der Gesamtfluß der Drossel aus einem Gleichfluß
Og und aus einem sinusförmigen Wechselfluß 0",. Aus dieser Flußkurve wird unter
Benutzung der Magnetisierungskurve i i der Drossel der Gesamtstrom i in Abhängigkeit
der Zeit t erhalten. Der Arbeitspunkt bewegt sich auf der Magnetisierungskurve dabei
zwischen den Punkten A und B. Der Gesamtstrom i läßt sich zerlegen
in eine Gleichstromkomponente ig und in eine Wechselstromkomponente i, Man sieht,
daß der Strom i, der durch die Gleich- und die Wechselstrommagnetisierung bedingt
ist, im wesentlichen ein Gleichstrom ist, jedoch aus einzelnen in zeitlichen Abständen
aufeinanderfolgenden Stromstößen besteht. Man kann nun durch die Änderung der Gleichstromvormagnetisierung
bei derartigen Schaltungen erreichen, daß die den Verbrauchern zugeführte Gleichspannung
in ähnlicher Weise geregelt wird wie bei elektrischen Entladungsgefäßen mit unstetiger
Steuerung durch das Steuergitter.
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In folgendem ist das bekannte Prinzip der Steuerung durch gleichstromvormagnetisierte
Drosseln an Hand der Fig. 3 bis 6 der Zeichnung näher erläutert. In Fig. 3 speist
die Wechselstromquelle i über einen Transformator 12 und über die beiden Trockengleichrichter
13 und 14 in der dargestellten Schaltung den Gleichstromverbraucher 15. Mit den
beiden Trockengleichrichtern sind nun die Drosselspulen 16 und 17 in Reihe geschaltet,
deren Gleichstromvormagnetisierungswicklungen 18 an eine regelbare Gleichspannung
ig angeschlossen sind. Durch die in Reihe mit den Gleichrichtern geschalteten Wicklungen
der beiden Drosselspulen 16 und 17 fließen also immer nur einzelne Wechselstromhalbwellen,
und zwar, wie aus dem Diagramm der Fig.4 hervorgeht, fließen durch die Drosselspule
17 die Halbwellen 20, während durch die Drosselspule 16 die um i8o° verschobenen
Halbwellen 2i fließen. Aus einem Vergleich der Fig.4 mit dem unteren rechten Teil
der Fig. 2 geht hervor, daß diese Stromkurven 2o bzw. 21 weitgehend mit dem resultierenden
Magnetisierungsstrom an einer Drosselspule übereinstimmen, die einerseits von den
vollen Wechselstromperioden magnetisiert wird, andererseits von einem Gleichstrom,
der in seiner Stärke dem magnetisierenden Wechselstrom etwa proportional ist. Der
in den Wicklungen 16 oder 17 fließende Strom gemäß den Kurven 2o oder 21 bewirkt
also annähernd dieselbe Magnetisierung wie der normale Wechselstrom und der in den
Wicklungen 6 oder 7 fließende, dem Wechselstrom proportionale Gleichstrom an den
Drosselspulen oder 5 der Fig. i. Dementsprechend müssen mit der eigentlichen Gleichstrommagnetisierungswicklung
i8 in Fig. 3 ebenfalls nur geringe Differenzmagnetisierungen bewirkt werden, obgleich
bei der Anordnung nach Fig. 3 an den Drosselspulen eine eigentliche Rückkopplungsmagnetisierung,
wie sie durch die Wicklungen 6 oder 7 in Fig. i bewirkt wird, nicht vorhanden ist.
Es wird also in Fig. 3 der Effekt der geringen zu regelnden Gleichströme in den
Wicklungen 18 mit wesentlich einfacheren Mitteln erreicht. Außerdem wird aber auch
eine Steuerwirkung durch Verlagerung des Kommutierungszeitpunktes, also des Zeitpunktes,
in dem der Strom von dem Gleichrichter 13 auf den Gleichrichter 14 übertritt, herbeigeführt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Verlagerung des Kommutierungszeitpunktes
durch Änderung der Gleichstromvormagnetisierung in den Wicklungen 18 dient die Magnetisierungskurve
der Fig. 5 unter Berücksichtigung der Hysteresis und des zeitlichen Verlaufs der
Spannungen und Ströme in Fig. 6. Es wurde hierbei angenommen, daß der Verbraucher
i5 auf der Gleichstromseite infolge seines hohen induktiven Widerstandes praktisch
einen konstanten Gleichstrom führt. Auch der Steuerkreis i8 soll beispielsweise
infolge eines vorgeschalteten hohen induktiven Widerstandes praktisch konstanten
Gleichstrom führen. In Fig. 6 sind die von dem Transformator 12 gelieferten Spannungen
seiner beiden sekundären Wicklungshälften ac, o und u6 o in Abhängigkeit
von der Zeit eingetragen. Bis zu dem Zeitpunkt 1 soll der Stromkreis 17 den Gesamtstrom
führen, wie die Kurve i" angibt, so daß k" o hierbei gleichzeitig die Gleichspannung
ug, die dem Verbraucher 15 über die beiden Gleichrichter 13 und 14 zugeführt wird,
darstellt. Die Drosselspule 17 ist hierbei, da sie noch den vollen Gleichstrom führt,
gesättigt entsprechend dem Punkt A der Magnetisierungskurve der Fig. 5. Nach dem
Zeitpunkt I wird die treibende Spannung im Stromkreis 16 größer als die von 17,
und der Kreis 16 sucht allmählich den Gleichstrom zu übernehmen, wobei zunächst
beide Gleichrichter 13 und 14 leitend sind, da sie ja beide Strom führen. An der
Drossel 16, die noch mit geringer Magnetisierung und dementsprechend hoher Induktivität
arbeitet, liegt hierbei in dem Bereich I bis II praktisch die gesamte vertikal schraffierte
Differenzspannung ub = 2ivo- teuo. Im Zeitpunkt I arbeitet die Drossel 16
auf dem Punkt B der Magnetisierungscharakteristik entsprechend ihrer Gleichstromvormagnetisierung
durch die Wicklung 18. Bis zu dem Zeitpunkt II nimmt der Fluß der Drosselspule 16
auf den Wert C im Sättigungsknie der Magnetisierungskurve zu. Der Strom iv steigt
während dieser Zeit I bis II nur wenig an, und dementsprechend nimmt auch der Strom
i" nur wenig ab, da die Drossel 16 in der Zeit I bis II infolge
geringer
Sättigung noch eine hohe Induktivität besitzt und dementsprechend die ganze Spannungsdifferenz
ub auf sich nimmt. In dem Zeitpunkt II gelangen nun die Ströme an beiden Drosselspulen
17 und 16 in den gesättigten Bereich der Drosseln, die beiden Drosselspulen haben
also beide geringe Induktiv ität und sind gut leitend, so daß die Gleichspannung
ist. Unter dem Einfluß der Kommutierungsspannung 40 und zi"a nimmt hier der
Strom i" rasch auf den ungesättigten Wert entsprechend dem Sättigungsknie ab, und
il, steigt ebenso rasch an.
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In dem Zeitbereich II bis III sind noch beide Gleichrichter leitend
und die Drossel 16 gesättigt, so daß an der nunmehr ungesättigten Drossel 17 praktisch
die gesamte Spannungsdifferenz u" liegt. Die Gleichspannung zsg ist von dem Zeitpunkt
II ab praktisch nur noch durch die Transformatorspannung 40 bestimmt. Im
Punkt III wird nun der Strom i" = Null, der Gleichrichter 13 tritt in den Sperrbereich
und übernimmt die Spannung u'.,
während die Drossel 17 spannungslos wird.
Im Zeitpunkt IV wiederholt sich der geschilderte Kommutierungsvorgang von neuem.
Durch die Veränderung der V ormagnetisierung mit Hilfe der Wicklungen 18 wird nun
der Arbeitspunkt B der Magnetisierungskurve verschoben; es verändern sich damit
der Flußbereich SB bzw. CB und damit auch die Zeitpunkte II und III. Hierdurch
wird der im Zeitpunkt II liegende »Zündpunkt« bzw. der Punkt, in dem eine besonders
starke Verminderung des Stromes i" und eine ebenso starke Vermehrung des Stromes
'b eintritt, verschoben und damit auch die Höhe der mittleren Gleichspannung zig
verändert. Durch die vormagnetisierten Drosseln wird also bewirkt, daß der Strom
nicht sofort im Zeitpunkt I von der Transformatorwicklung mit dem höchsten Potential
übernommen wird, sondern daß der Stromübergang erst nach einer Zeit erfolgt, in
der sich der durch die Hilfsvormagnetisierung bestimmte Arbeitspunkt der vormagnetisierten
Drosseln von seinem ungesättigten Bereich bis in den gesättigten Bereich bewegt.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Schaltung zur Regelung der
von Trockengleichrichtern abgegebenen Gleichspannung mit Hilfe von Drosselspulen,
deren Gleichstromvormagnetisierung in der geschilderten Weise geändert wird, wobei
eine einphasig gespeiste Graetz-Schaltung der Trockengleichrichter vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß sind vormagnetisierte Drosselspulen in benachbarten Brückenzweigen
mindestens eines Wechselstromanschlusses der Graetz-Schaltung angeordnet. Man erzielt
durch die Anordnung nach der Erfindung, die infolge der Graetz-Schaltung keines
Gleichrichter-Transformators bedarf, mit einfachen Mitteln eine stetige und leicht
steuerbare Regelung der Spannung in weiten Grenzen. Die neue Anordnung eignet sich
entsprechend der Verwendung von Trockengleichrichtern, insbesondere für kleinere
Leistungen.
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An Hand der Fig.7 bis io ist die Erfindung näher erläutert. In Fig.
7 wird der Verbraucher 15 von der einphasigen Wechselspannung i über durch Graetz-Schaltung
vereinigte Gleichrichter 22 und 23 gespeist. Von den Drosselspulen 2.4 und 25 ist
die eine in eine von einer Halbwelle des Wechselstromes durchflossene Seite der
Graetz-Schaltung eingeschaltet und die zweite in eine von der zweiten Halbwelle
des Wechselstromes durchflossenen Seite der Graetz-Schaltung. An sich würde es ausreichen,
jede Drosselspule nur mit einer Wicklung auszurüsten, die in eine Seite der Graetz-Schaltung
eingeschaltet ist. Bei der Anordnung nach Fig. 7 sind jedoch beide Drosselspulen
mit je zwei Wicklungen ausgerüstet, und jede Drosselspule ist mit der einen Wicklung
in die eine Seite, mit der zweiten Wicklung in die zweite von derselben Halbwelle
des Wechselstromes durchflossenen Seite der Graetz-Schaltung eingeschaltet. Diese
Anordnung hat den Vorteil, daß die Widerstände bzw. die Spannungsabfälle, die durch
die Einschaltung der Drosselspule in die Graetz-Schaltung hineingebracht werden,
nunmehr auf die q. Seiten gleichmäßig verteilt werden, so daß die Stromverteilung
in der Graetz-Schaltung nicht ungünstig beeinflußt wird. Die beiden Wicklungen jeder
Drosselspule werden also immer nur von einer Halbwelle und gleichzeitig mit Strom
beschickt. Außerdem wirken beide Wicklungen einer Drosselspule in derselben Richtung
magnetisierend. Schließlich sind dann auch noch die von einer regelbaren Gleichspannungsquelle
i9 gespeisten Vormagnetisierungswicklungen 18 an den Drosselspulen vorhanden. Die
Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht im übrigen der der Fig. 3. Die Anordnung
nach Fig. 8 deckt sich mit der der Fig. 7, jedoch besitzen die beiden Drosselspulen
24 und 25 noch je eine Wicklung 26 und 27, die von dem vollen Wechselstrom der Stromquelle
i durchflossen werden. Diese Anordnung hat zur Folge, daß der Rückkopplungseffekt
an den vormagnetisierten Drosselspulen kleiner als bei der Anordnung der Fig. 7
ist. Dementsprechend muß von der Gleichstromquelle i9 ein größerer Vormagnetisierungsgleichstrom
geliefert werden. Dies kann in manchen Fällen vorteilhaft sein. Bei der Anordnung
nach Fig. 7 wird man bei der Regelung der Drosselspulen durch Änderung der Gleichstromvormagnetisierung
die Richtung des von der Stromquelle i9 gelieferten Gleichstromes mitunter wechseln
müssen. Bei der Anordnung nach Fig.8 braucht man hingegen den von der Stromquelle
i9 gelieferten Gleichstrom nur von einem Maximal- bis zu einem Minimalwert zu regeln.
Denselben Effekt erreicht man bei der Anordnung nach Fig. 9 dadurch, daß die beiden
Drosselspulen 2.4 und 25 zwei Zusatzwicklungen 28 und 29 besitzen, die von dem Gleichstrom
des Verbrauchers 15 durchflossen werden.
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Hier tritt also zu dem an sich vorhandenen Rückkopplungseffekt der
Fig.7 noch ein zweiter derartiger Effekt hinzu, so daß die Rückkopplung
größer
als iooo/o ist. Bezüglich der Regelung an der Stromquelle i9 hat dies dieselbe Wirkung,
wie an Hand der Fig. 8 geschildert.
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Fig. io zeigt eine Schaltung, die sich mit der der Fig. 7 deckt, jedoch
sind die Drosselspulen 24 und 25 mit den Gleichrichtern 22 und 23 in der Aufeinanderfolge
der Reihenschaltung vertauscht.