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Spannungsregler Die Erfindung bezieht sich auf ein Paar von Reihen-Parallel-Wechselstromschaltern
zur Steuerung von Wechselspannungen in Einpahsen- oder Mehrphasenkreisen und auf
Mittel zur dauernden Steuerung dieser Schalter. Das Schalterpaar kann insbesondere
vorteilhaft bei lJechselspannun£sreglern und bei Frequenzvervielfachern verwendet
werden.
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Bei der Konstruktion eines hechselspannungsreglers sind folgende Nerkniale
erwünscht, um eine optimale- Leistung und Zuverlässigkeit zu erzielen: 1. Die Regelmittel
sollten keine beweglichen Teile enthalten.
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2. Die Konstruktion sollte mechanisch und elektrisch robust sein und
unempfindlich gegen falsche Bedienung.
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3. Die Regelmittel sollten einen guten Wirkungsgrad im Verhältnis
zu dern Stand der Technik haben.
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4. Die Regelmittel sollten im wesentlichen durch die Größe, die Wellenform
oder den Leistungsfaktor des Laststromes nicht beeinflußt werden.
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5. Die Rel,e]mittel sollten eine konstante niedrige Impedanz an den
Lastklemmen erzeugen.
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6. Die Schaltung sollte eine extrem hohe Ansprechgeschwindigkeit haben.
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Die in der Technik bisher bekannten Wechzelspannungsregler umfassen
folgende Arten: 1. Transformatoren mit veranderbaren Anzapfungen.
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2. Regeltransformatoren mit Schleifbürsten.
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3. Regeltransformatoren mit beweglichen Spulen.
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4. Induktionsregler.
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5. Transduktoren.
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6. Phasengesteuerte IJechselstromschalter und Stromwender mit Thyratrons,
Quecksilberdampfvorrichtung und Thyristoren.
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7. Schaltungen mit thermioniscnen Vakuuciröhren.
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8. Schaltungen mit Leistungstransistoren.
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Allen diesen bekannten Anordnungen fehlt mindestens eines der oben
genannten wünschenswerten Merkmale. So enthalten beispielsweise die Regler des Typs
1 bis 4 bewegliche Teile und haben eine verhaltnismcißij; lange Anspreclizeit. Die
Regler des Typs 7 und 8 sind elektrisch empfindlich und schwierig gegen Fehler zu
schÜtzen. Der Regler des Typs 5 wird beeinflußt von der Form des Laststroms und
hat eine Ausgangsimpedanz, die sich abhcingig von der Zeit ändert.
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Der in letzter Zeit am meisten verwendete Typ 6 verwendet Thyristoren
und hat eine Ausgangsspannung, welche eine Funktion des Leistungsfaktors der Last
ist, und hat an den Ausgangsklemmen eine Impedanz, welche sich von fast null bis
fast unendlich ändert und dies mit der doppelten Frequenz der Speisespannung. Die
bei diesem Typ erhaltene minimale Ansprechzeit beträgt eine Halbwelle der Speisefrequenz.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannungsregler mit allen eingangs
aufgezählten wünschenswerten Merkmalen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Wechselspannungsregler der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß eine erste Gleichrichterbrücke vorgesehen ist, deren Wechselstromanschluß
in Reihe mit der Wechselstromquelle und der Last liegt und zu deren Gleichstromanschluß
der eine kontaktlose Schalter parallel liegt, daß eine zweite Gleichrichterbrücke
vorgesehen ist, deren Wechselstromanschluß an der Sekundärwicklung eines mit der
Primärwicklung parallel zur Last liegenden Transformators angeschlossen ist, deren
Gleichstromanschluß parallel zu dem zweiten kontaktlosen Schalter liegt, daß der
negative Gleichstromanschluß der ersten Gleichrichterbrücke mit dem positiven Gleichstromanschluß
der zweiten Gleichrichterbrücke verbunden ist, daß die beiden nicht miteinander
verbundenen Gleichstromanschlüsse der beiden Gleichrichterbrückenschaltung an einen
Speicherkondensator angeschlossen sind.
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i3ei manchen Anwendungen hat die Erfindung noch den zusätzlichen Vorteil,
daß sowohl der Leistungsfaktor des Eingangsstromes als auch die Wellenform der Ausgangs
spannung steuerbar ist.
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Die Erfindung soll nunmehr anhand der Figuren näher beschrieben werden.
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Figur 1 zeigt-die theoretische Schaltung eines Reihen-Parallel-Wechselstromschalters
zur Erklärung der Erfindung.
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Figur 2 zeigt, wie der Regelschalter nach Figur 1 als Spannungsregler
geschaltet werden kann.
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Die Figuren 3a, 3b, 3c und 3d zeigen Spannungs-Zeit-Nurven zur Verdeutlicnung
von verschiedenen Betriebsweisen der Schaltung von Figur 2.
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Figur 4a zeigt, wie die Schaltung von Figur 1 als elementarer theoretischer
Frequenzwandler geschaltet werden kann und zeigt seine Wirkungsweise sowohl als
Zyklokonverter als auch als Frequenzverdoppler.
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Die Figuren ltb und 4c zeigen Spannungs-Zeit-Kurven zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Schaltung von Figur 1.
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Figur 5 zeigt die Grundschaltung einer zwangskommutierten Thyristorschaltung
in TBalbbrückenschaltung, welche zur Erläuterung der Weiterentwicklung der vorliegenden
Erfindung dient.
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Figur 6 zeigt, wie die Schaltung von Figur 5 gewandelt werden kann,
so daß sie wie ein Paar von Wechselstromschaltern wirkt.
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Figur 7 zeit eine Schaltungsanordnung eines Reihen-Parallel-lt'echselstromregelschalters
gemäß der Erfindung, der aus der Schaltung von Figur 6 entwickelt wurde.
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Figur 8 zeigt einen Einphasenspannungsregler mit einem Schaltregler
gemäß der Erfindung.
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Figur 9 zeigt einen Dreiphasenspannunsregler mit einem Regler gemäß
der Erfindung.
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Figur 10 zeigt die Schaltung einer automatischen spannungsgeregelten
Stromversorgung für elektrostatische Entstaubungsanlagen.
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Figur 1 zeigt die grundlegende theoretische Schalteranordnung. Die
beiden Schalter X und Y sind so miteinander gekoppelt, daß das Schließen des einen
Schalters auf einen Steuerbefehl vom Steuersignalgenerator ST automatisch den anderen
Schalter öffnet. Daher ist immer einer der beiden Schalter entweder X oder Y geschlossen.
Figur 2 zeigt, wie diese Anordnung zwischen der Wechselstromquelle S und einer Last
Z angeordnet ist. Diese Schaltung ist rein theoretisch, kann jedoch als Spannungsregler
verwendet werden und besitzt alle wünschenswerten Figenschaften, die eingangs dargelegt
wurden.
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Es soll angenomriien werden5 daß das Schalterpaar von Figur 2 in analoger
Weise wie die bekannte Phasensteuerung arbeitet.
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Mit anderen orten, der Schalter Y wird in dem Moment geschlossen,
wo die Speisespannung null ist und der Schalter X einen steuerbaren Bruchteil der
Halbwelle der Speisespannung später. Dann kann die effektive Spannung an der Last
geregelt werden durch Änderung des Bruchteils der IIalberellenzeit, während der
der Schalter X leitet. Figur 3a zeigt das Spannungszeitverhältnis für diese Betriebsart
(Analogie zur üblichen Phasensteuerung). Im oberen Teil der Figur ist auf der Abszisse
die Zeit, auf der Ordinate
die Spannung aufgetragen.-Die gestrichtelte
Kurve zeit den Spannungsverlauf an der Spannungsquelle, die ausgezogene Kurve den
Spannungsverlauf an der Last. Im unteren Teil der Figur ist jeweils mit X und Y
der Bereich bezeichnet, in dem der Schalter X bzw. Y leitend ist.
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Dieses Verfahren weicht in der Art von der Ueblichen Phasensteuerung
ab, daß die Ausgangsspannun£ vollständig von den Zuständen der Schalter abhängig
ist, die nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden können. Daher zeigt diese Anordnung
keine Änderung der Ausgangsspannung infolge einer Änderung des Laststromes, der
Wellenform oder des Phasenwinkels. Da weiterhin zu jeder Zeit entweder der eine
oder der andere Schalter geschlossen ist, liegt die Last immer an der inneren Impedanz
der Spannungsquelle S, welche niedrig gemacht werden kann, oder auch der Null-Impedanz
des Schalters Y. Im Gegensatz hierzu haben die üblichen Phasenregler eine unendliche
Impedanz bezüglich der Last während der Perioden5 wctirend der der einzelne Reihenschalter
nicht leitend ist. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil, wenn die Last abgestimmte
Schaltkreise enthält, wie dies zum Beispiel erforderlich ist bei der Unterdrückung
der Harmonischen im der Ausgangsspannung mit einem Filter. Da schließlich X oder
Y zu jedem beliebigen Zeitpunkt durch ein entsprechendes Signal von ST geschlossen
werden kann, kann das vorliegende System auf momentane Störungen ansprechen. So
kann beispielsweise ein plötzlicher überstrom oder ein Kurzschluß bei der Last Z
unmittelbar nach seinem Auftreten unterbrochen werden durch Öffnung von X. Das gleichzeitige
Schließen von Y hält die Lastspannung auf Null, während der überstrom absinkt und
verhindert das Autreten von gefährlichen Wiederkehrspannungen.
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Die Reihen-Parallel-Schalteranordnung nach Figur 2 ist nicht begrenzt
auf die Arbeitsweise analog zu der bekannten Phasenregelung, wie dies anhand von
Figur 3a erläutert wurde. Die Figuren 3b bis 3d zeigen drei von einer unendlichen
Anzahl von Schaltfolgen, welche vorgesehen sein können. Figur 3b zeigt ein Schema,
in dem die Wellenform der Ausgangsspannung immer symmetrisch bezüglich der Spitzenspannung
ist, wobei der Effektivwert der Spannung dadurch regelbar ist, daß die Dauer der
Leitperioden der beiden Schalter verändert wird. Der obere Teil der Figuren 3b bis
3d zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an der Wechselspannungsquelle (gestrichelte
Kurve) und an der Last (ausgezogene Kurve). Darunter sind die Leitzeiten der Schalter
X und Y eingezeichnet.
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Diese Betriebsart hat einen besseren Eingangsleistungsfaktor als die
Betriebsart nach Figur 3a. Bei den l!ellenformskizzen von Figur 3c können die Schaltzeitpunkte
beliebig gewählt werden, um eine Spannungsregelung zusammen mit entweder einer Optimierung
der Ausgangswellenform (um eine Anpassung an eine spezielle Last zu erzielen oder
eine Korrektur des Eingangsleistun,Dsfaktors zu erreichen.
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Bei der Arbeitsweise, welche in Figur 3d dargestellt ist, ist die
chaltfrequenz wesentlich größer als die Wechselstromspeisefrequenz und die Ausgangsspannungsregelung
wird erzielt durch Veränderung des Bruchteils der Schaltzeit, während der der Reihenschalter
X leitend ist (Hochfrequenz-Impulsbreitenmodulation). Diese Betriebsweise ist besonders
geeignet für die Verwendung als Wechselspannungsregler (zusammen mit einem p,usgangsfilter)
für La,ten, die eine Sinusspannung erfordern. In diesem Falle
ergibt
sich der Vorteil einer sehr hohen Ansprechgeschwindigkeit, eines hohen Eingangsleistungsfaktors
und einer minimalen Filtergröße (weil die reaktiven Elemente, welche dazu benötigt
werden, die relativ hohe Schaltfrequenzkomponente aus der Ausgallgsspannung auszusieben,
ziemlich klein' sind).
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Figur 4a zeigt einen möglichen theoretischen Schaltkreis zur Verwendung
der Schalter nach Figur 1, welche in mancher beziehung eine analoge Funktion zu
den üblichen Einphasenzyklokonvertern haben. Die Last Z wird zwischen den gemeinsanen
Anschluß der Schalter X und Y und die Mittelanzapfung C des Autotransformators TR
geschaltet, dessen Anschlüsse A und B direkt an den Wechselspannungsgenerator S
angeschlossen sind. Wenn die Schalter zu geeigneten Augenblicken betätigt werden,
ist es möglich, eine Ausgangsspannung,sfunktion zu erzeugen mit Grundfrequenzen,
die kleiner oder größer sind als die der Wechselspannungsquelle 5. In Figur 4b sind
Wellenformen für den Betrieb der Schaltung dargestellt, wenn eine Ausgangsgrundfrequenz
von einem Drittel der Elngangsfrequenz erzielt wird. Eine Frequenzverdopplun,g ist
durch die Wellenformen von Figur 4c dargestellt. Wenn diese Schaltung von einem
normalen Zyklokonverter ableitet wird, ist letzterer nicht in der Lage, als Frequenzverdoppler
zu wirken, und da er sich auf die Netzspannungskonmutierung bezieht, haben die praktischen
Ausführungsformen den Nachteil, daß unnütze Kreis ströme entstehen und daß die Wellenform
der Ausgangsspannung vom Leistungsfaktor der Last abhangt. Solche Nachteile entstehen
bei Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht.
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Obwohl bisher nur die Rede von Hinphasenwechselspannungsregelung war,
kann die Technik der Reihen-Parallel-Schalter5 wie sie bisher erläutert wurde, auch
für mehrphasige Spannungsregelung. verwendet werden.
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Der Ausgangspunkt für die Entwicklung des Reihen-Parallel-Wechselstromschalters
gemäß der Erfindung ist der einfache statische Wechselrichterkreis in fIalbbrückenschaltung,
der in Figur 5 dargestellt ist. Die Beschreibung dieser Schaltung und viele Arten
der Konmiutierungskreise, welche verwendet werden können, sind in der Literatur
über. die statischen Wechselrichter beschrieben. Die Funktion dieser Schaltung5
wie sie üblicherweise angewendet wird, besteht darin, den Punkt Q abwechselnd an
den positiven und den negativen Anschluß der Gleichstromversorgung anzuschließen.
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Es kann daher ein Strom entweder vom positiven Eingangsanschluß zum
Anschluß Q fließen (jedoch nicht umgekehrt) oder von Q zum negativen Eingangsanschluß(jedoch
nicht umgekehrt). Die beiden Thyristoren X und Y leiten abwechselnd durch Anlegen
geeigneter Steuerimpulse an ihre Steuerelektroden G und H. Die Funktion des als
Blockschaltbild dargestellten Kommutierungskreises ist es, sicherzustellen, daß
beim Leitendwerden des einen Thyristors der andere eine Vorspannung in Sperrichtung
erhält, die so groß ist und eine solche Dauer hat, daß, sein Laststrom absinkt und
er wieder zum nichtleitenden Zustand zuritckkehrt. Die beiden Thyristoren bilden
daher einen Gleichspannungs-Reihen-Parallel-Schalter, der die Punkte P und Q sowie
Q und T abwechselnd verbindet. Die Schaltung von Figur 5 kann weder an Wechselspannungen
angeschlossen werden noch hält sie Wedhselapannungen aus. Jedoch durch iiinzufügen
von zwei Einphasenbrückengleichrichtern, enthaltend die Dioden Dl bis D4 und D5
bis D8, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, werden diese beiden Nachteile behoben.
Man beachte die Anschlüsse K und L von Figur 6.
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Wenn der Thyristor X sich im nichtleitenden Zustand bein+ det, kann
kein Strom von K zu L fließen oder umgekehrt von einem äußeren Stromkreis, vorausgesetzt,
daß die Spannung
der festen Gleichspannungsquelle gleich oder größer
ist als die Spitzenspannung der Wechselspannung, welche an eine äußere Schaltung
angelegt wird, von der K und 1, ein Teil ist. Ilenn keine Versorgungsgleichspannung
anliegt (d.h.
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wenn die Anschlüsse + und - direkt verbunden sind) und die äußere
Schaltung den Punkt IM plötzlich positiver macht als den Punkt L, dann kann ein
Strom fließen über K, D3, +, -, D6, D55 D2 und L oder wenn L positiver ist als 1f,
dann fließt ein Strom über D1, +, -, D8, D7, Dlt und K.
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Jedoch das Vorhandensein der Gleichspannungsque-lle bewirkt-, daß
die Dioden eine "pannun£ in Sperrichtung erhalten und daß es daher für einen äußeren
Kreis den Anschein hat, als ob die Anschlüsse K und L voneinander isoliert waren,
Außerdem bewirken die Diodenbrücken, daß es der Schaltung unmöglich ist, eine Spannung
an den Anschlüssen K und L zu erzeugen, die- nicht in einem <~ußeren Kreis erzeugt
wird, an den die Schaltung angeschlossen ist.
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Es soll nun angenommen werden, daß der Thyristor X gezündet ist (also
leitet) durch Anlegen eines geeigneten Impulses an seine Steuerelektrode. Wenn der
äußere Schaltkreis, von dem K und L ein Teil sind, K plötzlich positiver als L macht,
dann kann ein Strom von dem äußeren Schaltkreis über den Strompfad K, D3, X, D2
und L fließen. Umgekehrt, wenn L positiver als K ist, dann kann der äußere Strom
über den Strompfad L, D1, X, D4 und K fließen. Der Spannungsabfall zwischen den
Anschlüssen L und K kann für jede Polarität der treibenden Spannung nicht den Reihenspannungsabfall
der beiden Dioden plus dem des einen Thyristors überschreiten (etwa 3 bis 4 V in
der Praxis). Deshalb erscheinen die Anschlüsse K und L bei leitendem Thyristor X
für einen äußeren Stromkreis als sehr niedrige Impedanz.
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Es wurde oben gezeigt, daß je nachdem, ob der Thyristor X leitend
oder nichtleitend ist, die Anschlüsse L und K für einen äußeren Stromkreis eine
niedrige bzw. sehr hohe Impedanz darstellen. Tatsächlich ist das Verhalten mit großer
Näherung bei der praktischen Anwendung dem eines mechanischen Schalters ähnlich.
Es kann weiter mit einer ähnlichen Begrünung wie oben gezeigt werden, daß die Anschlüsse
F und II dasselbe Verhalten zeigen und es kann entnommen werden, daß die beiden
Schalter, welche durch K, L und F, 14 gebildet werden, so miteinander verknüpft
sind, daß abwechselnd einer der Thyristoren X und Y leitet, so daß das Schließen
des einen das öffnen des anderen bewirkt. Jedoch ist die Anordnung von Figur 6 noch
kein Reihen-Parallel-Schalter, da der Anschluß L nicht direkt mit dem Anschluß F
oder H verbunden werden kann und auch nicht der Anschluß K mit den Anschlüssen F
oder II verbunden werden kann, ohne einen Kurzschluß der Dioden D2 und D7 und D5
oder D4 und D7 oder D4 und D5 bewirken.
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Figur 7 zeigt die endgültige Modifikation der Halbbrücke von Figur
5, die notwendig ist zu erreichen, Aaß sie'als Rei;nen-Parallel-X^.echselspannungsschalter
gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Ein Transformator TR1 mit einem Wicklungsverhältnis
von eins wird dazu verwendet, um eine elektrische Isolation zwischen den Anschlüssen
F, II und K, L zu erzielen, so daß die Primärwicklung CB des Transformators mit
dem Ende C an den Anschluß L des ersten schalters angeschlossen ist. Wenn der Thyristor
Y gezündet wird, ist die Sekundärwicklung von TR1 effektiv kurzgeschlossen durch
die niedrige Impedanz bei F und II, so daß die Primärwicklung CB wiederum eine niedrige
Impedanz für einen äußeren Stromkreis hat. Umgekehrt, wenn der Thyristor Y nichtleitend
ist, ist die Sekundärwicklung von TR1 nicht belastet und ein äußerer Stromkreis
5 der an C und B
angeschlossen ist, findet die sehr hohe Impedanz
der llagnetisierungsinduktivität von TR1 als einzigen Stromweg.
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Die festgelegte Gleichstror'speisespannung, die für eine zufriedenstellende
Arbeit des Kommutierungskreises erforderlich ist, wird gewöhnlicih durch einen großen
Kondensator C1 verwirklicht, der, wenn die Schalter in Schaltungen von Figur 2 oder
Figur 4a verwendet werden, auf dem Spitzenwert der Spannung durch die Stromquelle
S über die Diodenbrücke D1 bis D4 und D5 bis 1)8 geladen gehalten wird, unabhärgig
davon, welcher der beiden Thyristoren X oder Y sich in leitendem Zustand befindet.
Nur die Verluste im Kommutierungs1reis müssen durch die Gleichspannungsquelle crgcXnzt
werden und diese sind klein im Vergleich zu der Leistung, die durch die Schalter
geschaltet wird. Der Transformator TR1 kann nicht nur, wie dargestellt, zwischen
den Anschlüssen B und C liegen und de Parallelsehalter zugeordnet sein, sondern
er kann auch zwischen den Anschlüssen A und C liegen und so dem Reihenschalter zugeordnet
sein.
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Bei der Verwendung des Paares von Regelsehaltern werden Signale an
die Steuerelektroden der Thyristoren abwechselnd so angelegt, daß bei einem ersten
Zustand eine niedrige Impedanz zwischen den Anschlüssen A und C erzeugt wird und
gleichzeitig eine hohe Impedanz zwischen den Anschlüsse sen C und B und daß bei
einem zweiten Zustand eine hohe Impedanz erzeugt wird zwischen den Anschlüssen A
und G und gleichzeitig, eine niedrige Impedanz zwischen den Anschlüssen C und B.
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Das Reihen-Parallel-Wechselstromschalterpaar gemäß der Erwindung enthält
daher einen ersten Satz von Gleichrichterdioden, die zu einer ersten Gleichrichterbrücke
zusammengeschaltet sind, einem zweiten Satz von Gleichrichterdieden,
die
zu einer zweiten Gleichrichterbrücke zusammetges chaltet sind, gleichte Wechselstromeingangsklemmen,
die an die htechselstromeing,ange der beiden rücken angeschlossen sind, wobei einer
der Eingänge einen Transformator umfaßt, der getrennte Primär- und Sekundärwicklungen
hat, einen Energiespeicherkondensator, dessen positive Belegung an den positiven
Gleichstromanschluß der ersten Gleichrichterbrücke angeschlossen ist und dessen
negative Belegung an den negativen Gleichstromanschluß der zweiten Gle-ichrichterbrücke
angeschlossen ist, eine Verbindung zwischen dem negativen Gleichstromanschluß der
ersten Gleichricterbrücke und dem positiven Gleicilstromansclluß der zweiten Gleichrichterbrücke
(diese Verbindung wird später als Mittelanzapfung bezeichnet), zwei Thyristoren
und die dazu gehörigen Schaltkreise zur Impulskommutierung in einer EIalbbrückenwechselrichterschaltung,
wobei der positive Gleichstromanschluß der Halbbrückenwechselrichterschaltung an
die positive Belegung des Energiespeicherkondensators angeschlossen ist und der
negative Gleichstromanschluß der Halbbrückenwechselrichterschaltung an die negative
Belegung des Energiespeicherkondensators angeschlossen ist, eine Verbindung zwischen
dem Ausgangs- oder Wechselstromanschluß der genannten Halhbrückenwechselrichterschaltung
und der genannten Mittelanzapfung, wobei die echselstromeingangsanschlÜsse des einen
,rückengleichrichterkreises die Anschlüsse des einen Schalters bilden und die Prirriärwicklung
des genannten Transformators die Anschlüsse des anderen Schalters bilden.
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Im Falle eines mehrphasigen Reihen-Parallel-Wechzelstromschalterpaares
kann eine Anzahl von Einphasen-Heihen-Parallel-Wechselstromschalterpaaren verwendet
werden, die der Anzahl der zu regelnden Phasen entspricht.
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Es kann aber auch ein mehrphasig;er Isoliertrnnsformator verwendet
werden, der getrennte Primärwicklungen hat, von dellen die ersten Enden die-ersten
Anschlüsse des mehrphasigen Reihenschalters des oben genannten Schalterpaares bilden
und die zweiten Enden dieser Wicklungen die zweiten Anschlüsse des mehrphasigen
Reihenschalters des genannten Paares, bei dem der erste Drückengleichrichter ein
Mehrphasenbrückengleichrichterkreis ist, dessen Wechselstromanschlüsse an die Sekundärwicklungen
des genannten Transformators angeschlossen sind (diese Wicklungen können in Sternschaltung
oder in Polygonschaltung geschaltet sein), bei den der zweite Brückengleichrichter
in rlehrphasenbrtickenschaltung geschaltet ist, dessen Wechselstromanschlüsse die
Anschlüsse des Parallelschalters des oben genannten Schalterpaares bilden und auch
mit jedem der zweiten Enden der Primäriicklungen des oben genannten Isolationstransformators
verbunden sind.
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Figur 8 zeigt den Schalter von Figur 7 als Spannungsregler, aufgebaut
nach der theoretischen Schaltung von Figur 2. Es wird hierbei die Komplementärimpulskommutierung
nach Mc .lurray-Bedford verwendet, die eine Induktivität D mit Mittelanzapfung und
die Kondensatoren C2 und C3 verwendet.
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Einzelheiten der Wirkungsweise dieser Schaltung sind in der Literatur
der statischen Wechselrichter bescrlrieben.
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Der Magnetverstärker TR2 und die Dioden D9 bis D12 dienen zur Wiedergewinnung
der überflüssigen Kommutierungsenergie, welche dem Kondensator Cl wieder zugefÜilrt
wird.
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Bei dieser Schaltung führt der Transformator TR2 nicht allein die
Kommutierungskreisströme, welche auf ein Miiiimum iieiab -gesetzt werden sollen,
sondern auch den Laststrom zur äußeren Schaltung. Obwohl es wünschenswert ist, daß
die
überflüs sipe Kommut ierungsenergie zurückgespeist wird über
TR2 und die Dioden D9 bis D12 zum Kondensator C1, ist es nicht erwünscht, daß C1
eine Ladung erhält, die proportional dem äußeren Laststrom ist. Wenn dies geschieht,
ergibt sich ein unkontrollierter Anstieg der Spannung an Cl yroportional zurn Last
strom. Dies kann zu einer U'berbeanspruchung der Lastthyristoren führen und muß
vermieden werden. Deshalb ist der Transformator TR1 mit einem sattigbaren Kern aufgebaut
und ist so bemessen, daß die Gesamtmenge der Allergie, welche pro Schaltzyklus bei
einer gegebenen Spannung zu C1 zurückgespeist werden kann, immer geringer ist als
die Energie, die von C1 den Kommutieruntskreisen während dieses Schalt zyklus zugeführt
wird. Es wurde gefunden, daß die Korlmutierungskreisströme trotz dieser Beschränkung
noch zufriedenstellend kontrolliert werden und d lfein unerwünschter Spannungsanstieg
an C1 auftritt.
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Figur 9 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Dreiphasenausführung
der Erfindung. Diese Anordnung weicht gering von der Einphasenform ab, und zwar
in der Weise, daß nun die Reihenschalter mit den Dioden D21 bis D26 und dem Thyristor
X transformatorgekoppelt sind und daß die Reihenschalter mit den Dioden D27 bis
D32 und dem Thyristor Y direkt gekoppelt sind. In anderer Beziehung ist die Wirkungsweise
dieser Schaltung ähnlich der von Figur 8.
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Es werden nur zwei Thyristoren für die volle Leistungsregelung in
einem mehrphasigen System benötigt, ganz glich wie groß die Anzahl der Phasen ist.
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Die Schaltungsanordnung von Figur 10 ist die eines Spannungsreglers
für eine elektrostatische Entstaubungsanlage, wie sie zuvor beschrieben wurde. Es
soll kurz angenommen werden,
daß die Einrichtung im Betrieb ist
und daß keine Funkenüberschläge im Entstauberkreis auftreten, der an die Gleichspannungsausgänge
+ und - angeschlossen ist. Dann ist der Ausgang des Regelfunktionsgenerators RF,
der ein Funkenzahlintegrator sein kann, beispielsweise vom Spannungskompensationstyp
oder von einem anderen be-kannten Typ, wie er bei Stromversorgungen von elektrostatischen
Entstaubungsanlagen verwendet wird, eine Gleichspannung, deren ert sich nur sehr
stufenweise während einiger Perioden der Versorgungsspannung ändert. Der Null-Spannungsgenerator
N erzeugt kurze Gleichspannungsimpulse immer dann, wenn die Speisespannung durch
den Wert Null geht, und dieser Impuls wird dazu verwendet, den Sägezahngenerator
SZ zu diesem Zeitpunkt auf Null zurückzustellen. Der Ausgang des Sägezahngenerators
ist eine sägezahnförmige Gleichspannung, welche während jeder Ilalbwelle gleichmäßig
von I?ull ansteigt und wieder rasch auf Null abfällt, um bei der nächsten EIalbwelle
wieder neu zu beginnen. Der Komparator KP vergleicht die Ausgänge von RF und SZ.
Er hat eine insgesamte positive Rückkopplung und kann daher arbeiten analog wie
ein Schmitt-Trigger, der eine positive Ausgangsspannung erzeugt, wenn immer der
Ausgang von RF den von SZ übersteigt, und, einen Ausgang von Null, wenn immer der
Ausgang von RF einer ist als der von SZ. Beim Beginn jeder Halbwelle ist-der Ausgang
von SZ gleich Null, während der von RF einen etwas größeren Wert hat und daher ist
der Ausgang von KP positiv. Von diesem Punkt an ist die Regelung digital und es
ist eher angebracht, bei den positiven Ausgängen als von den Ausgängen einer "logischen
Eins" zu sprechen oder einfach von einer "Eins". Gleichermaßen sind die Ausgänge
null eine "logische Null" oder einfach eine "Null".
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Beim Beginn jeder Halbwelle hat dann KP den Ausgang Eins.
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Der Wechselrichter W erzeugt den komplementären Wert des Ausgangs
von KP, in diesem Falle Null, und die beiden Signale werden an den Eingängen F1
und F2 dem Flip-Flop-Kreis FF zugeführt. Der Flip-Flop-Kreis hat daher die Eingänge
F1 ist gleich Eins und F2 ist gleich Nüll und daher die Ausgangszustände F3 ist
gleich Eins und F4 ist gleich Null. Diese Ausgänge werden den Puffer-Isolatorelementen
DX und BY zugeführt und in geeigneter Weise verarbeitet, so daß sie zur Steuerung
der statischen Schalter X und Y verwendet werden können. Es soll angenommen werden,
daß die Pufferkreise BX und BY nichtumkehrend sind und daß die statischen Schalter
X und Y jeweils geschlossen werden, wenn sie am Eingang das Signal einer logischen
Eins erhalten. Der Schalter X ist daher geschlossen, wenn die Speisespannung null
ist, weil die Ausgangsspannung von RF größer ist als die von SZ, während der Schalter
Y geöffnet ist.
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Etwas später während der hier betrachteten Italbwelle erreicht die
Sägezahnausgangsspannung von SZ plötzlich einen Wert, der größer ist als der von
RF und der Komparator KP ändert seinen Zustand, so daß am Ausgang die Spannung Null
erscheint. Die Ausgänge von W, FF, BX und BY ändern in diesem Moment ihren Zustand,
woraus sich ein Schließen des Schalters Y und ein Öffnen des Schalters X ergibt.
Dieser Zustand bleibt so lange stabil bis zum Beginn der nächsten Halbwelle, wenn
die.schnell fallende Ausgangsspannung von SZ den Steuerkreis dazu veranlaßt, wieder
den Schalter X zu schließen und den Schalter Y zu öffnen. So setzt sich dieser Prozess
zyklisch fort, wobei Xwährend des ersten Teils jeder Halbwelle geschlossen ist und
Y während des übrigen Teiles der fIalbwelle. Wenn die Ausgangsspannung
des
Regelfunktionsgenerators RF absinkt, dann wird der Schalter X früher nach der Spannung
Null geöffnet, weil die feste Sägezahnausgangsspannung von SZ die verminderte Ausgangsspannung
von RF in einer kürzeren Zeit übersteigt.
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Umgekehrt bewirkt ein größerer Ausgang von RF, daß der Schalter X
für eine längere Zeitdauer jeder Halbwelle geschlossen ist, so daß es möglich ist,
den Bruchteil der Halbwelle, während der der Schalter X geschlossen ist, zu steuern
und damit die mittlere Wechselspannung, die dem Transformator TR3 zugeführt wird.
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Es kann gezeigt werden, daß die Spannungswelle, die an TR3 geliefert
wird, entgegengesetzt gerichtet ist bezüglich der Spannungswelle einer üblichen
Phasensteuerung, so daß man diese Betriebsart als umgekehrte Phasensteuerung" bezeichnen
kann. Dies hat mehrere Vorteile für die Regelung der Last an der Entstaubungsanlage.
Erstens bewirkt das Vorhandensein des Parallelschalters Y von Figur 1, daß ein Strompfad
vorhanden ist flir das Schließen eines Magnetisierungsstrones im Transformator TR3
während der Perioden, während der der Schalter X offen ist. Wenn daher X Oeöffnet
ist, wird die induktive Energie, die in Wicklungen von TR3 gespeichert ist, nicht
in unkontrollierter Weise an die Last abgegeben, sondern bleibt weiterhin gespeichert.
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Die Ausgangsspannung von TR3 wird daher zu dieser Zeit bei Null gehalten
und es werden keine induktiven Ausgleichsspannungen erzeugt. Zweitens kann, weil
die Schalter X und Y voll steuerbar sind, der Überschlag eines Funkens im Lastkreis,
der einen raschen Anstieg des Stromes in der Primärwicklung von TR3 erzeugt, durch
den Stromtransformator TH1 festgestellt werden und den Regelfunktionsgenerator RF
beeinflussen, so daß augenblicklich dessen Aus£angsspannung gewandert wird, so daß
der Komparator KP seinen Zustand
ändert und der Reihenschalter
X geöffnet wird. Es wurde in der Praxis gefunden, daß der Schalter X innerhalb von
100 Mikrosekunden nach der Feststellung eines Funkenüberschlages durch TR4 voll
geöffnet ist. Für diese kurze Zeit reicht die Streureaktanz von TR3 aus, um den
Funkenstrom auf einen beherrschbaren Wert zu begrenzen. Die Anordnung gemäß der
Erfindung benötigt daher ke-ine großen Drosselspulen, um die Funkenströme im Staubabscheider
zu begrenzen.
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Zwei weitere Vorteile beruhen direkt auf der umgekehrten Phasensteuerung.
Erstens eliminiert sie die steilen Teile des Anstiegs der Ausgangsgleichspannung,
die mit der üblichen Phasensteuerung verbunden ist und erzeugt anstelle dessen einen
sanften Anstieg der Spannung von der Sinuswellen-l^Jechselstromquelle. Dies bewirkt,
daß die Kapazität des Abscheiders sicher aufgeladen wird nach dem Überschlag eines
Funkens in einer Halbwelle, ohne daß gefährliche Überstrombedingungen im Gleichrichter
erzeugt werden und ohne daß eine Strombegrenzungsdrossel benötigt wird. Dies gibt
der Erfindung einen großen Vorteil bei dem Verhalten nach einem Funkenüberschlag
oder einem Lichtbogen gege.nüber Anordnungen, bei denen für diesen Zweck eine Drossel
verwendet wird. Da zweitens der Reihenschalter immer während des ersten Teils jeder
Halbwelle leitet, ist der effektive Nettoleistungsfaktor bei der Erfindung stets
besser. Die Erfindung kann daher dazu beitragen, das Nacheilen des Leistungsfaktors,
wie es in Stromverteilungsnetzen auftritt, zu korrigieren.
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Anlag7en: 5 Patentansprüche