Stromversorgungsgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversor- gungsgerät mit wenigstens zwei Phasen für die Spei sung eines Verbrauchers aus einem Wechselstromnetz über steuerbare Halbleiteranordnungen. Solche Ge räte, bei welchen der Verbraucher von einem Wech selstromnetz über eine Stromrichterschaltung in Form einer zwei- oder mehrphasigen Sternpunktschaltung oder mehrphasigen Polygonschaltung, z. B.
Dreieck schaltung, oder einer ein- oder mehrphasigen Brük- kenschaltung gespeist wird und die Steuerung der Speisung des Verbrauchers unter Benutzung minde stens einer steuerbaren Halbleiteranordnung vorge nommen wird, können der Stromversorgung dienen.
Für diese Zwecke ist bereits eine Nüttelpunkt- gleichrichterschaltung bekannt geworden, bei welcher in dem für beide Wechselstrom-Halbwellen gemein samen Mittelpunktszweig der Schaltung, d. h. zwi schen der Mittelanzapfung des Transformators und dem gemeinsamen Pol der in den aufeinanderfolgen den Halbwellen für die Stromführung wirksam wer denden elektrischen Ventile ein in seiner Durchlässig keit steuerbarer Transistor vorgesehen ist, der auch nach Art eines Schalttransistors betrieben werden kann.
Bei einer solchen Anordnung muss in Kauf genommen werden, dass ein lückender Gleichstrom entsteht, und ausserdem ist der Transistor in einem solchen Falle derart beansprucht, dass an ihm wegen des von ihm jeweils in voller Höhe zu führenden Verbraucherstromes eine relativ hohe Verlustleistung entsteht, so dass bei einer vorgegebenen Belastbarkeit eines Transistors nur relativ geringe Leistungen in einer entsprechenden Stromrichterschaltung gesteuert werden können.
Nach der Erfindung ist ein Stromversorgungsgerät mit wenigstens zwei Phasen für die Speisung eines Verbauchers aus einem Wechselstromnetz über steu- erbare Halbleiteranordnungen dadurch gekennzeich net, dass eine Regelung oder Steuerung durch vonein ander abweichende Aussteuerung der verschiedenen Phasen innerhalb der einzelnen Perioden erfolgt. Hierbei sind unter Phasen nicht nur verschiedene Phasen eines mehrphasigen Wechselstromes,
wie bei spielsweise eines Dreiphasenwechselstromes, sondern auch zeitliche Phasenabschnitte, in denen der Ström über verschiedene Stromwege fliesst, wie beispiels weise bei einer an ein Einphasennetz angeschlossenen 'Mittelpunktschaltung, zu verstehen. Eine Verringe rung des Aufwandes kann hierbei dadurch erreicht werden, dass nur in einzelnen Phasenleitungen bzw.
Halbwellenstromwegen einer Gleichrichterschaltung steuerbare Halbleiteranordnungen, in den restlichen Phasenleitungen (Halbwellenströmwegen) jedoch nichtsteuerbare Halbleiteranordnungen vorgesehen werden. Soweit es sich hierbei um eine Regelung auf konstante Werte handelt, ist es dann z. B. möglich, eine Änderung in den steuerbaren Halbwellenstrom- wegen schon innerhalb der einzelnen Perioden, und zwar in einem solchen Sinne durchzuführen, dass diese den in den anderen Stromwegen auftretenden Abweichungen entgegenwirkt.
Auf diese Weise kann also bereits innerhalb der einzelnen Perioden, in denen z. B. einzelne Halbwellenstromwege gerade einen grösseren Strom. führen, durch Herabdrücken des Stromes in den anderen Stromwegen eine Aus regelung auf einen praktisch konstanten Mittelwert erreicht werden.
Statt einer Steuerung mittels einer Halbleiteranordnung kann gegebenenfalls in der Stromrichteranlage auch eine Regelung benutzt wer den, indem die vorhandenen steuerbaren Halbleiter anordnungen abhängig von einer elektrischen Grösse der Stromversorgung, z. B. Ausgangsspannung oder Ausgangsstrom, gesteuert werden.
Es kann sich auch eine solche Anordnung als zweckmässig erweisen, in welcher sowohl eine Regelung abhängig von der Spannung als auch eine solche abhängig vom Strom erfolgt, wenn es erwünscht ist, in der Anlage ausser der Regelung auf eine vorbestimmte -bzw. konstante Spannung auch eine Regelung auf Begrenzung des von der Anlage gelieferten Stromes herbeizuführen, sofern der Strom dazu neigt, einen gewissen als oberen Grenzwert anzusehenden Betrag zu über schreiten.
Es soll dabei nicht ausgeschlossen werden, dass die Kennlinie nicht lediglich für die Strombe grenzung einen steilen Abfall aufweist, sondern dieser kann gegebenenfalls mit einer vorbestimmten Neigung erfolgen, wenn eine solche Arbeitsweise der Anord nung für den gespeisten Verbaucher zweckmässig sein sollte.
Eine solche Anordnung bringt den Vorzug mit sich, dass über einen der Halbwellenzweige der be nutzten Gleichrichterbrücke oder über einen der Aussenleiter bzw. Phasenleiter der Gleichrichter schaltung auch dauernd ein Strom geliefert werden kann, während gleichzeitig in dem anderen Aussen leiter bzw. Phasenleiter oder dem anderen Halbwel- lenstromdurchgangsweg der Gleichrichterbrücke eine entsprechende Steuerung der Stromführung stattfindet.
Das Wesen des Anmeldungsgegenstandes läuft in seiner allgemeinsten Form also darauf hinaus, dass der Formfaktor der jeweilig benutzten Gleichrich- terschaltung verändert werden kann, wobei aber keine Unterbrechung der Stromführung in Kauf genommen zu werden braucht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann für einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte Arbeitsweise der Anordnung, wenn in ihr als steuer bare Halbleiteranordnung ein Halbleiterstromtor be nutzt wird, welches also in einem bestimmten Zeit wert während des Verlaufes einer Spannungshalbwelle an die Stromführung während dieser übernimmt, damit für die Durchführung der Regelung kein be sondere Verstärker benutzt zu werden braucht, aus dem Arbeitsverhalten einer Zenerdiode Nutzen ge zogen werden,
indem ihr steiler Kennlinienteil be nutzt wird für die Erzeugung des Spannungsabfalles an einem zu ihr in Reihe liegenden Widerstand, an welchem die Regelabweichung bzw. ein dieser pro portionaler Wert für die Durchführung der Regelung abgenommen wird.
Aus der Fühleranordnung einer solchen Anord nung kann für deren Regelung auf konstante Aus gangsspannung dabei auch unmittelbar Nutzen für die Erzeugung der Strombegrenzungswirkung in der Schaltung gezogen werden.
Bekanntermassen haben Zenerdioden als auch steuerbare Halbleiteranordnungen, wie Transistoren, einen gewissen Temperaturgang, so dass also ihre Kennlinie temperaturabhängig verändert bzw.
ver lagert wird. Sollte diese Erscheinung im Rahmen einer erfindungsgemässen Lösung unerwünscht sein, so kann eine entsprechende Kompensationsanord- nung vorgesehen werden, wobei entweder je eine Kompensationseinrichtung für jedes in seinem Tem peraturgang zu eliminierende Schaltungselement oder für alle in ihrem Temperaturgang zu beherrschenden Schaltungselemente eine entsprechende gemeinsame Kompensationseinrichtung benutzt wird.
Gegebenenfalls kann im Rahmen der Erfindung der Aufbau der Anlage derart gewählt werden, dass bereits im System an sich vorhandene Schaltungsele mente als integrierende Bestandteile einer solchen Kompensationseinrichtung bemessen und ausgenutzt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Sekundärwicklung eines Transformators. Dieser bildet ein Element einer zweiphasigen Sternpunkts- bzw. einer Mittelpunkts- gleichrichterschaltung. Zu diesem Zwecke sind als elektrische Ventile die nichtsteuerbare Halbleiteran ordnung 2a und das steuerbare Halbleiterlement 3, dem eine nichtsteuerbare Halbleiteranordnung 2b vorgeschaltet ist, die einen Strom in der Richtung von der Transformatorwicklung nicht durchlässt, vorgesehen.
In der gemeinsamen Leitung für die beiden Halbwellen des Wechselstromes zwischen dem Punkt 4 der Schaltung und der Mittelanzapfung 5 der Sekundärwicklung 1 des Transformators liegen in Reihe der zu speisende Belastungswiderstand bzw. Verbraucher 6 sowie gegebenenfalls eine Glättungs- drossel 7. Zur Steuerung des Durchlassverhaltens der Halbleiteranordnungen bzw. Flächen-Transistors 3 wird eine Spannung benutzt, die mittels der verstell baren Kontakte 8 bzw. 9 an dem Potentiometerwider- stand 10 abgenommen wird, der an seinen Klemmen 11 und 12 von einer Hilfsgleichspannung gespeist wird.
Zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise einer solchen Schaltung wird nunmehr auf die Kurven schaubilder nach den Fig. 2 bis 7 Bezug genommen. Die Fig. 2, 4 und 6 veranschaulichen jeweils ein ent sprechendes Spannungskurvenschaubild, die Fig. 3, 5 und 7 ein entsprechendes Stromkurvenschaubild.
Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Verhält nisse, wenn an die Stromrichterschaltung vom Wech- selstromnetz die normale Wechselspannung geliefert wird, die Fig. 2 und 3, wenn von dem Wechsel stromnetz eine gegenüber der normalen niedrigere Spannung bzw. Unterspannung geliefert wird, und schliesslich die Fig. 6 und 7, wenn von dem Wech selstromnetz gegenüber dem Normalwert ein höherer Spannungswert geliefert wird bzw. in jenem über- spannung besteht.
In diesen Kurvenschaubildern sind jeweils die nachfolgenden Bezeichnungen gewählt. U2 bezeichnet die Wechselspannung der einen Halbwelle, und U, bezeichnet die Wechselspannung der anderen Halb welle, welche allerdings jeweils beide in dem Kurven schaubild schon im Zustand ihrer Gleichrichtung gezeigt sind.
In Anlehnung an die Fig. 1 ist jeweils die Spannungshalbwelle, welche zu einem Strom in Durchlassrichtung über das obere Ventil 2a führt, durch den Index 2 gekennzeichnet, und diejenige Spannungshalbwelle, welche zu einem Stromfluss über die steuerbaren elektrischen Halbleiteranordnungen 3 führt, ist mit dem Index 3 gekennzeichnet. Die gleiche sinngemässe Kennzeichnung ist auch für die Ströme gewählt,
die ihren Weg über die elektrischen Ventil einrichtungen 2a bzw. 3 nehmen. Die Gleichspan nungsmittelwerte, welche den in der Flussrichtung der Ventile treibenden Wechselspannungen über eine Wechselspannungsperiode' entsprechen, sind jeweils entsprechend mit U82 und U" gekennzeichnet und sinngemäss auch die Mittelwerte der Ströme, welche ihren Weg über die Ventileinrichtungen 211 bzw.
3 nehmen, entsprechend mit J82 und Je,. Die über eine Periode der Wechselspannung sich ergebende ent sprechende mittlere Gleichspannung, welche die Spei sung des Verbrauchers bestimmt, ist mit U8 und der entsprechende über eine Periode sich ergebende mitt lere Gleichstrom mit J8 gekennzeichnet.
Wie bereits angeführt, veranschaulichen die Fig. 4 und 5 nach Spannung bzw. Strom denjenigen Zu stand der Anlage, in welchem für die Lieferung der vorbestimmten konstanten Ausgangsspannung U88 vom Wechselstromnetz die angenommene Normal- Spannung geliefert wird.
Damit die Anordnung sowohl den Fall der wechselstromseitigen Unterspannung als auch den Fall der wechselstromseitigen überspannung beherrschen kann, damit am Ausgang der--Strom- richteranordnung der vorbestimmte bzw.
konstante Gleichspannungswert geliefert wird, muss also in dem Zustand gemäss dem Kurvenschaubild nach Fig. 4 die Anordnung auf einen mittleren Gleichspannungs- wert mit Hilfe der steuerbaren Halbleiteranordnungen 3 gesteuert sein. Das ist in dem Kurvenschaubild nach Fig. 4 auch eindeutig zu erkennen.
In der Darstellung ist die vereinfachte Annahme gemacht, dass das Ventil 2a in seiner Durchlassrichtung praktisch keinen Widerstand aufweist, sodass also die von der Sekun därwicklung 1 des Transformators gelieferte Wech selspannung identisch ist mit der Spannung, die zwischen der Kathode des Ventiles 2a und dem Mit telpunkt der Transformatorwicklung 1 auftritt.
In der Fig. 4 ist daher die volle Wechselspannungshalbwelle U2 zu erkennen, die dann auftritt, wenn am oberen Ende der Sekundärwicklung 1 positive Polarität be steht. In der nachfolgenden Halbperiode, in welcher am unteren Ende der Transformatorwicklung 1 posi tive Polarität herrscht, wird von dieser die Spannungs- halbwelle geliefert,
welche durch die Steuerung der steuerbaren Halbleiteranordnungen 3 auf einen vorbe stimmten Widerstandswert in seiner Durchlassrich- tung auf den Wert herabgesetzt ist, wie er in Form der Spannungskurve U3 in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Jeder der beiden Spannungshalbwellen U2 bzw. U3 entspricht ein bestimmter mittlerer Gleichspannungs- wert, bezogen auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes, wie sie durch die beiden Werte U82 und U83 veranschaulicht sind.
Beide Gleichspannungs- werte U82 und U9", bezogen auf die gesamte Periode, ergeben die Summenspannung U88, die zwischen den Ausgangsleitungen der Ventile und dem Mittelpunkt der Transformatorwicklung 5 auftritt und die Span nung am Gleichstromverbraucher bestimmt.
Im Stromschaubild nach Fig. 5 sind die entspre chenden Verhältnisse für den Strom J2 über das Ventil 2a, den Strom J3 über die steuerbaren Halbleiteran ordnungen 3 und die diesen Wechselstromhalbwellen entsprechenden auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes bezogenen Gleichstrommittelwerte J82 und J" sowie den auf den Zeitwert der Periode mit seinem Mittelwert bezogenen Gesamtstrom, der über die Anordnung fliesst,
zu erkennen. Diese Ver hältnisse nach den Fig. 4 und 5 wurden erreicht, indem mittels der am Potentiometer 10 abgenomme nen Steuerspannung die steuerbaren elektrischen Halbleiteranordnungen 3 auf einen entsprechenden Widerstandswert ausgesteuert wurden. Es ist in diesem Falle an eine stetige Aussteuerung des Transistors 3 gedacht worden. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch gegebenenfalls als steuerbare elektrische Halb leiteranordnung 3 auch ein solches vom Charakter eines Halbleiterstrommotores benutzt werden, worauf im Verlaufe der Beschreibung noch näher eingegan gen werden wird.
Wie bereits ebenfalls angeführt, veranschaulicht die Fig. 2 denjenigen Zustand einer Stromrichteran- lage, in welchem vom Wechselstromnetz eine gerin- gere Spannung als die angenommene normale Span nung geliefert wird oder, kurz gesagt, das Netz also gegenüber seinem Normalwert Unterspannung hat.
Offensichtlich muss also in diesem Falle dafür Sorge getragen werden, dass nunmehr der über die steuer bare elektrische Halbleiteranordnung 3 gelieferte Spannungsbetrag U'3 und Strombetrag 1'g einen ent sprechend grösseren anteiligen Wert annehmen, damit am Ausgang der Anordnung der Normalwert oder konstante erwünschte Wert der Gleichspannung U88 und der diesem entsprechende Wert des Gleichstro mes 188 geliefert werden.
Die Wechselspannung U'2 nach Fig. 2 hat nach der Annahme also in diesem Falle einen geringeren Scheitelwert als die Wechselspannung U2 im Falle der Fig. 4.
Ihr entspricht ein geringerer mittlerer Gleich spannungswert U'92. Da nach wie vor der auf die Zeit einer Periode bezogene mittlere Gleichspannungswert den Wert U" haben muss, muss nunmehr zwischen dem Ausgang der steuerbaren elektrischen Halbleiter anordnung 3 und dem Mittelpunkt 5 der Sekundär Wicklung 1 des Transformators eine Wechselspan nungshalbwelle auftreten, die die Kurvenform Us hat, damit sich dieser entsprechend ein mittlerer Gleich spannungswert, bezogen auf die Periode des Wech selstromes, vom Wert U'" ergibt,
so dass die Summe aus U'82 und U'" gleich der erwünschten Gleich- spannung U8 ist, die sich, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, als die mittlere Gleichspannung ergibt, welche die Speisung des Gleichstromverbrau chers bestimmt. Sinngemäss ergeben sich im Stromschaubild nach Fig: 3 die entsprechenden Verhältnisse für die Ströme.
J'2 veranschaulicht die Stromhalbwelle des Wechsel stromes über das Ventil 2a, T'3 die entsprechende Halbwelle des Wechselstromes über die steuerbare elektrische Halbleiteranordnung 3.
Jeder dieserStrom- halbwellen entspricht ein auf die Periode des Wech selstromes bezogener Gleichstrommittelwert J'92 und T'93. Die Summe dieser Gleichstrommittelwerte ergibt den Strom J98 als Verbraucherstrom.
In den Fig. 6 bzw. 7 sind, wie bereits angeführt, diejenigen Ver hältnisse kurvenmässig veranschaulicht, welche sich dann ergeben, wenn auf der Wechselstromseite eine entsprechende überspannung auftritt. Die Wechsel spannungshalbwelle, die zur Stromführung über das Ventil 2a Anlass gibt, hat nunmehr einen grösseren Scheitelwert als die Wechselspannung U2 nach der Fig. 4.
Da nunmehr dieser Wechselspannungshalb- welle U'2, bezogen auf den Zeitwert der Periode des Wechselstromes, eine höhere mittlere Gleichspannung vom Wert U"92 entspricht,
braucht zur Erreichung des Ausgangswertes U98 der Gleichspannung über die steuerbare elektrischeHalbleiteranordnung 3 nur noch zwischen dem Ausgang dieser elektrischen Halbleiter anordnung 3 und der Mittelanzapfung 5 der Sekun- därwicklung des Transformators 1 eine Wechselspan nungshalbwelle zu entstehen, wie sie durch die Kurve U"3 veranschaulicht ist,
damit ein entsprechender vorgegebener Gleichstrommittelwert U"93, bezogen auf den Zeitabschnitt der Periode des Wechselstro mes, zur Entstehung gelangt und sich schliesslich wieder U98 mit einem konstanten Wert als der Sum menwert aus U"92 und U"93 ergibt. Im Stromschau bild nach Fig. 7 ergeben sich die Verhältnisse, dass T', einen grösseren Wert als nach Fig. 5 hat.
Dieser Stromhalbwelle entspricht somit bereits ein grösserer Gleichstrommittelwert J"92 als nach der Fig. 5. Es braucht somit sinngemäss nur noch ein entsprechend kleinerer Betrag als Gleichstrommittelwert J"93 ge liefert zu werden, damit sich der erwünschte Gleich strom J98 über den Verbraucher ergibt.
Bei einer solchen Anordnung wird die elektrische Halbleiteranordnung 3 nur mit einer relativ geringen Verlustleistung beansprucht. Um das zu veranschau lichen, sind ausser den bisher bereits in den Kurven schaubildern benutzten Bezeichnungen in diese noch in den Fig. 4 und 6 die Differenzspannungswerte der Scheitelwerte der beiden Spannungshalbwellen einge tragen.
Für die Betrachtung wird der Einfachheit halber in gleicher Weise, wie es für das obere elek trische Ventil 2a angenommen worden ist, unterstellt, dass an der Halbleiteranordnung 3 im Zustand seiner vollen Durchlässigkeit praktisch ebenfalls kein Span nungsabfall auftritt. Für die elektrische Belastung der Halbleiteranordnung 3 sind in jedem Falle der an ihm auftretende Spannungsabfall und der ihn durch- <RTI
ID="0004.0104"> fliessende Strom, also das Produkt beider, bestim mend. Aus den Kurvenschaubildern nach den Fig. 2 und 3 ist bei der angenommenen Vereinfachung zu erkennen, dass die Sekundärspannung des Transfor- mators so gewählt wurde, dass sich gerade die erfor derliche Ausgangsspannung U98 ergibt, wenn die elektrische Halbleiteranordnung 3 auf den Wert sei ner grössten Durchlässigkeit ausgesteuert ist,
also nach der Annahme praktisch den Spannungsabfall Null in Durchlassrichtung aufweist. Besteht aber an der elektrischen Halbleiteranordnung 3 in seiner Durchlassrichtung praktisch der SpannungsabfallNull, so ist auch die Durchgangsleistung, die von dem elektrischen Ventil zu beherrschen ist, praktisch sehr klein. Im Falle einer Netzüberspannung, wie sie an hand der Fig. 6 und 7 erläutert worden ist, ergibt sich ebenfalls nur eine geringe Verlustleistung an dem elektrischen Ventil 3,
denn obwohl nunmehr der von der elektrischen Halbleiteranordnung 3 zu überneh mende Spannungswert grösser geworden ist, ist gleich zeitig der über dieses Ventil fliessende mittlere Gleich stromwert J"93 kleiner geworden, so dass sich also als Produkt ein relativ kleiner Verlustleistungswert an der Halbleiteranordnung 3 ergibt.
Der Verlust leistungswert, der sich im Falle der Fig. 4 ergibt, hat einen entsprechenden Mittelwert zwischen diesen beiden äussersten Grenzwerten, welche sich dann ergeben, wenn der höchste durch eine solche Schal tung zu beherrschende überspannungswert und der nach ihr zu beherrschende geringste Unterspannungs- wert der Netzspannung auftreten.
Um den technischen Fortschritt, der durch die Er findung erreicht wird, gegenüber der erwähnten be kannten Schaltung zu erläutern, bei welcher bei einer zweiphasigen Sternpunktschaltung die Steuerung der Speisung des Verbrauchers mittels einer Halbleiteran ordnung erfolgt, welche in Reihe mit dem Verbraucher zwischen dem gemeinsamen Anschlusspunkt der bei den Gleichrichterventile und dem Mittelpunkt der spei senden Transformatorwicklung erfolgt,
wird nunmehr noch auf die Fig. 8 Bezug genommen, in welcher eine solche Schaltung veranschaulicht ist. In dieser bezeichnet wieder 1 die Sekundärwicklung eines Transformators. Von dieser wird über die beiden Gleichrichterventile <I>2a</I> und<I>2b</I> der Verbraucher 6 über die steuerbare Halbleiteranordnung 3a gespeist, wobei wieder gegebenenfalls in Reihe mit dem Ver braucher eine Drossel 7 benutzt sein kann. Bei einer solchen Schaltung ergeben sich die Verhältnisse, wie sie in den Kurvenschaubildern nach den Fig. 9 bis 12 veranschaulicht sind.
In den Fig. 9, 11 und 12 sind wieder die gleichartigen Spannungsverhältnisse be züglich der speisenden Wechselspannung angenom men. Fig. 11 soll also den Zustand veranschaulichen, in welchem durch eine entsprechende Steuerung der elektrischen Halbleiteranordnung 3a der Ausgangs wert der Gleichspannung bei einem vorausgesetzten normalen Wechselspannungswert geliefert wird.
Fig. 9 veranschaulicht wieder den Fall, wobei im Netz gegenüber dem angenommenen Normalwert Unter spannung, und Fig. 12 den Fall, wo im Netz gegen über dem angenommenen Normalwert überspannung besteht.
Die Bezeichnungen für die Spannungen und die Ströme, die jeweils entweder als Durchlassströme in den einzelnen Ventilen auftreten bzw. als Spannun gen zwischen der Kathode des einzelnen Ventiles und dem Mittelpunkt der Schaltung bzw. der Mittelan zapfung des Transformators geliefert werden, sind jeweils wieder in gleichartiger Weise sinngemäss ge kennzeichnet, wie es in den Fig. 2 bis 7 der Fall war.
Zusätzlich ist in diese Schaubilder noch der Span nungswert eingetragen, der nunmehr als Spannungs abfall U93" an der elektrisch- steuerbaren Halbleiter anordnung 3a in Reihe zum Verbraucher 6 und der Drossel 7 auftritt. Zwischen dem Ausgang jedes der Ventile<I>2a</I> und<I>2b</I> und der Mittelanzapfung 5 der Schaltung tritt je eine gleich grosse Wechsel spannungshalbwelle auf.
Die diesen entsprechenden Gleichstrommittelwerte U921 U'92b und U'92" sowie U92b, U"92" und U"92b haben also gleich grosse Werte, bezogen auf die Periode des.
Wechselstromes und liefern jeweils zusammen zwischen dem Punkt 5 der Schaltung und der Kollektorelektrode des steuerbaren Halbleiterelementes 3a die Gleichspannung U9. Die Wirkung, die die steuerbare Halbleiteranordnung 3a zu erfüllen hat, ist also jeweils daran gebunden, dass über diese der volle Verbraucherstrom fliesst, so dass an dieser eine Verlustleistung auftritt, welche be stimmt ist durch den Stromwert und den jeweiligen Differenzspannungswert,
der durch den Spannungs- abfall der elektrischen Halbleiteranordnung 3a in bezug auf den dem vollen Wechselspannungsscheitel- wert entsprechenden Gleichspannungsmittelwert zu schaffen ist, damit sich am Ausgang der erwünschte Gleichspannungswert U9-U""=U" ergibt, der für die Speisung des Verbrauchers bestimmend ist.
Bereits aus diesen Hinweisen ist zu erkennen, dass die Ver lustleistung, welche der Transistor nach einer solchen bekannten Schaltung zu übernehmen hat, wesentlich grösser ist als diejenige, die er bei einer erfindungs gemässen Anordnung nach Fig. 1 zu übernehmen braucht.
Bei diesen vorstehenden Betrachtungen ist der Gleichspannungsabfall an der Drossel 7 vernachlässigt worden. Für die Veranschaulichung der Stromver hältnisse ist das eine gezeigte Kurvenschaubild nach Fig. -10 ausreichend, denn es ist kennzeichnend für jeden der verschiedenen Zustände des Netzes.
Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt, bei welcher nur in einem der schaltungsmässigen Halbwellen- Wechselstromzweige eine steuerbare Halbleiteranord nung vorgesehen ist. Es kann viehmehr auch an die Stelle des Ventils 2a in der Fig. 1 eine steuerbare Halbleiteranordnung treten, so dass dann in jedem der einzelnen Halbwellen-Wechselstromwege je eine steuerbare Halbleiteranordnung vorhanden ist.
Das ist in der beispielsweisen Schaltung nach Fig. 13 der Zeichnung veranschaulicht. Soweit in dieser Figur die gleichen Schaltungselemente wie in Fig. 1 vor handen sind, sind für diese der Einfachheit halber die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. In Serie mit dem Ventil 2a ist hier eine steuerbare Halbleiteranordnung 13 gesetzt, die einen Strom nur in der Richtung vom Transformator nicht durchlässt. Es sind also hier zwei steuerbare Halbleiteranord nungen 3 und 13 vorhanden.
Zur Steuerung der Halbleiteranordnung 13 ist eine weitere Hilfsschal- tung vorgesehen, welche aus dem Potentiometer 14 mit den Abgriffen 15 und 16 und einer an dessen Klemmen 17, 18 angeschlossenen Steuergleichspan- nungsquelle besteht. Aus dieser Schaltung ist abzu lesen,- dass nach ihr gleichartige Effekte wie mit einer Anordnung nach Fig. 1 erreicht werden können.
Darüber hinaus hat diese Anordnung jedoch den Vorzug, dass auch die nach Fig. 1 in ihrem Wert festen Wechselspannungsanteile, wenn die Halbleiter anordnung 13 durchlässig ist, in ihrem Wert am Ausgang dieser Anordnung herabgesetzt werden können, so dass nunmehr eine beliebige Summen bildung aus einem Wechselspannungsanteil und einem entsprechenden Gleichspannungsanteil, bezogen auf die Periode des Wechselstromes, aus Teilbeträgen beider Wechselspannungswellen vorgenommen wer den kann.
Dabei ist der Ausgangswert dann wieder durch die Summe der mittleren Gleichspannungswerte bestimmt, die, bezogen auf die Periode des Wechsel- Stromes, den Ausgangswerten zwischen der Kathode der einzelnen steuerbaren Halbleiteranordnung und der Mittelanzapfung des Transformators 5 ent sprechen.
Eine solche Schaltung ermöglicht es auch beispielsweise, zur Bildung einer entsprechenden Summenausgangsspannung in beiden Halbwellen stromwegen, mit den Halbleiteranordnungen bei einer abweichenden Aussteuerung derselben oder auch wahlweise nur mit der einen der beiden Halbleiter anordnungen 3 oder 13 als Steuerglied zu arbeiten, während gleichzeitig das andere mit einem bestimmten konstanten Wert, beispielsweise seinem grössten Durchlasswert,
benutzt wird. Es kann ausserdem dadurch in diesem Fall eine beliebige relative Auf teilung der an den beiden Halbleiteranordnungen 3 und 13 auftretenden elektrischen Verlustleistungen stattfinden.
Nach diesen Darlegungen erscheinen besondere Kurvenschaubilder für die verschiedenen Netzspan- nungsverhältnisse entbehrlich, da sie nach den bereits zur Schaltung nach Fig. 1 gegebenen Erläuterungen sinngemäss entwickelt werden können.
Fig: 14 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem solchen Falle, wenn an Stelle eines stetig ausgesteuerten Transistors, wie z. B. 2' nach Fig. 8, in einem der Halbwellenstromzweige ein Halbleiterstromtor 31 benutzt wird. Die in dieser Schaltung vonhandene, nicht steuerbare Halbleiter anordnung 2 sorgt wiederum, wie es bereits früher erläutert worden ist, dafür, dass trotz einer verschie denartigen Aussteuerung von 31 betriebsmässig keine Stromunterbrechung in der Speisung des Verbrau chers auftreten kann.
Soweit im Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 wie der die gleichartigen Schaltungselemente wie in Fig. 8 vorhanden sind, so sind für die Zwecke einer ein facheren übersicht über den Zusammenhang der beiden Schaltungen in beiden Figuren für diese Schal tungselemente die gleichen Bezugszeichen benutzt worden.
Die Steuerung des Halbleiterstromtores 1 nach diesem Ausführungsbeispiel der Fig. 14 erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise.
Auf dem Eisenkern des Haupttransformators ist zusätzlich zu der Sekundärwicklung 1 eine weitere Sekundärwicklung la vorgesehen. Die von beiden Sekundärwicklungen gelieferten Spannungen sind da her phasengleich. Die von der Sekundärwicklung la gelieferte Spannung bildet die Hilfswechselspannung in einem Stromkreis, der eine Drossel bzw. einen Transduktor 37 mit Sättigungswinkelsteuerung ent hält, wobei 35 das zu dieser Drossel bzw. diesem Transduktor gehörige elektrische Ventil bezeichnet.
Zu dieser Drossel 37 mit Sättigungswinkelsteuerung gehört ferner, um den Zeitpunkt ihres Überganges in die Sättigung bzw. das von ihr in jeder Wechsel spannungsperiode übernommene Spannungszeitinte- gral in vorbestimmter Weise einstellen zu können, die Steuermagnetisierungswicklung 38.
Diese liegt in einem Steuerkreis, der an seinen Anschlüssen 11 und 12 von einer geeigneten Spannungsquelle gespeist wird, welche ihren Strom über den Widerstand 10 schickt, an welchem wie bei einem Potentiometer die beiden einstellbaren Abgriffe 8 und 9 vorgesehen sind. Dieser Steuerkreis enthält in bekannter Weise einen zusätzlichen ohmschen Widerstand 39 oder einen entsprechenden geeigneten induktiven Wider stand.
Je nach der Einstellung der Steuermagnetisierung an der sättigungsfähigen Drossel 37 und das dadurch an dieser bestimmte Spannungszeitintegral wird mit dem Übergang der Drossel 37 in die Sättigung an dem Potentiometerwiderstand 36 als Lastwiderstand in dem Arbeitsstromkreis der sättigungsfähigen Dros sel dann ein entsprechender Spannungswert entstehen, welcher anteilig die Steuerspannung Uz für die Steuer strecke des Halbleiterstromtores liefert, damit dieses auf Durchlässigkeit gesteuert bzw.
im Sinne der üblichen Ausdrucksweise gezündet wird und somit dann für die Speisung des Verbrauchers 6 über den restlichen Teil der Halbperiode des Wechselstromes durchlässig ist. Die entsprechenden Spannungs- bzw.
Stromver hältnisse, welche sich bei Benutzung einer Schaltungs anordnung nach Fig. 14 ergeben, sind des näheren in den Kurvenschaubildern nach den Fig. 15, 17, 19 bzw. 16, 18, 20 veranschaulicht. Diesen Kurven- schaubildern sind noch jeweils die Kurvenschaubilder 21, 22, 23 für den Verlauf der Zündspannung Uz, durch welche das Halbleiterstromtor 31 auf Durchlass gesteuert bzw. gezündet wird, zugeordnet.
Der zeitliche Zusammenhang zwischen den Zünd- spannungs-Schaubildern, den Spannungskurvenschau- bildern nach den Fig. 15, 17, 19 und den Strom kurvenschaubildern nach den Fig. 16, 18, 20 ist dadurch gegeben, dass jeweils in jedem einzelnen die drei Zeitwerte t1, tz und t2 eingetragen sind.
t1 be zeichnet den Zeitpunkt des möglichen frühesten Beginns des Stromflusses über das Stromtor und t2 den Endzeitpunkt dieser Halbperiode des Wechsel stromes. tz ist der Zeitpunkt, in welchem das Strom tor gezündet bzw. auf Durchlässigkeit gesteuert wird und durchlässig wird.
In den vorausgehend beschriebenen Ausführungs beispielen ist jeweils eine Anordnung zur Steuerung der Speisung des Verbrauchers wiedergegeben. Wie bereits angeführt, kann die Erfindung aber auch dann mit Vorteil angewendet werden, wenn die Verbrau cherausgangsspannung auf einen bestimmten Wert, insbesondere einen konstanten Wert, geregelt werden soll und, gegebenenfalls in Verbindung damit, zusätz lich gleichzeitig eine Strombegrenzung des maximal vom Stromrichter bezogenen bzw. gelieferten Stromes eintreten soll.
Zur näheren Erläuterung einer solchen Anord nung wird auf die Fig. 24 der Zeichnung Bezug genommen. Soweit in dieser Darstellung wieder die gleichen Schaltungselemente vorhanden sind wie in Fig. 1, sind der Einfachheit halber für diese die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. Die Schaltung enthält also wieder einen Transformator T, dessen für die Speisung des Verbrauchers wirksame Sekundärwicklung mit 1 bezeichnet ist. Die Schaltung enthält weiterhin das nichtsteuerbare Ventil 2a und die steuerbare Halbleiteranordnung 3, der eine nicht steuerbare Halbleiteranordnung 2b vorgeschaltet ist.
Der Verbraucher ist wieder mit 6 bezeichnet und die gegebenenfalls für Glättungszwecke benutzte Drossel mit 7. Um die Anordnung auf konstante Ausgangs spannung zu regeln, ist ein Spannungsteilerwiderstand 19 vorgesehen, der zwischen die Gleichstrompole der Schaltung über eine Gleichrichterbrücke 20 einge schaltet ist. Der Spannungsteiler 19 besitzt einen einstellbaren Abgriff 19a. Das untere Ende 19b des Spannungsteilers 19a ist über die Leitung 21 an den Emitter der Halbleiteranordnung 3 angeschlossen.
Über den Umschalter 22 kann die Leitung 23 wahl weise mit dem oberen Ende 19c des Spannungsteiler widerstandes oder dem Abgriff 19a desselben in leitende Verbindung gebracht werden, so dass im ersteren Falle der der Istspannung proportionale Spannungswert durch den Spannungsabfall am gesam ten Spannungsteilerwiderstand 19, im letzteren durch den Spannungsabfall an einem Teilwiderstand des selben bestimmt ist. Die Leitung 23 ist an das rechte Ende eines Widerstandes 24 in einem Sollwertgeber <I>SG</I> angeschlossen.
Dieser Widerstand 24 liegt in Reihe mit der Zenerdiode 25 an den Gleichstrom polen einer Gleichrichterbrücke 26, die über die Sdkundärwicklung 1' des Transformators T gespeist wird. Der Kondensator 27 dient zur Glättung der von der Gleichrichterbrücke 26 gelieferten Ausgangs gleichspannung. Durch die Zenerdiode 25 ist in der Anordnung ein Sollwert festgelegt.
Wie aus der an den Gleichstrompolen des Verbrauchers 6 eingetra genen Polarität und der Schaltung an sich zu erken- nen ist, wird die an dem Spannungsteiler 19 jeweils abgegriffene Istspannung der Spannung an der Diode 25 entgegengeschaltet. Der Vergleichswert beider Spannungen bestimmt dann die Spannung; mit wel cher die Halbleiteranordnung 3 an ihrer Steuerstrecke ausgesteuert wird, so dass sie dann einen entsprechen den Widerstandswert an ihrer Emitter-Kollektor- Strecke bzw. Arbeitsstrecke besitzt.
Durch die Be nutzung des Umschalters 22 können zwei verschie dene Werte an dem Spannungsteiler 19 nach Wahl abgegriffen werden, was sich dann als zweckmässig ergibt, wenn von dem Gerät zwei verschiedene Aus gangsspannungen geliefert werden sollen, beispiels weise um eine Batterie entweder im Erhaltungsla- dungsbetrieb oder für ihre Aufladung zu speisen. Durch Veränderung des Abgriffes an dem Spannungs teiler 19 werden der Halbleiteranordnung entspre chend verschiedene Sollspannungswerte vorgetäuscht.
Die Schaltung enthält weiterhin noch eine Hilfs- einrichtung, um den von dem Gerät gelieferten Strom wert auf einen bestimmten maximalen, entweder konstanten Wert oder einen nach einer gewissen abfallenden Kennlinie zunehmenden Strom bei ab nehmender Spannung zu regeln, also das Gerät nach einer geknickten Stromspannungskennlinie bzw. J-U- Kennlinie auszuregeln, wenn J den Ausgangsstrom und U die Ausgangsspannung an dem Gerät bezeich nen.
Zur Erreichung dieses Effektes enthält die Schal tung erstens, wie angegeben, noch die Gleichrichter brücke 20 sowie eine Regeldrossel 28, z. B. in Form eines Reihentransduktors. Die Arbeitswicklungen dieses Reihentransduktors sind mit 28a und 28b bezeichnet,
die Wicklungen für die konstante Vor magnetisierung zur Festlegung des Arbeitspunktes des Reihentransduktors mit 28c und 28 d und die Steuer wicklungen des Transistors schliesslich mit 28e und 28f. Die Wicklungen 28c und 28d für die konstante Vormagnetisierung sind an die Gleichstrom-Ausgangs- klemmen der Gleichrichterbrückenschaltung 20 über den Reihenwiderstand 29 angeschlossen.
30 bezeich net die Sekundärwicklung des Transformators T, über welche die Hilfsspannung für die Regeldrossel 28 geliefert wird, zufolge welcher ein entsprechender Strom durch die Arbeitswicklungen 28a und 28b der Reihentransduktoranordnung sowie über die Gleich richterbrücke 20 fliesst. Diese Gleichrichterbrücke 20 wirkt, solange der Strom, welcher zufolge der Ver braucherspannung über die Gleichrichterventile 20 fliesst, grösser ist als derjenige Strom, der seinen Weg über die Arbeitswicklungen 28a und 28b nimmt,
im Arbeitsstromkreis der Regeldrossel praktisch nur als ein Kurzschlussweg, da die Ventile von 20 dauernd geöffnet gehalten werden. Sobald aber der Strom über die Arbeitswicklungen der Regeldrossel 28 denjeni gen Wert überschreitet, der zufolge der Verbraucher spannung über die Brücke 20 fliesst, wird aus dieser Brücke ein Doppelweggleichrichter, über welchen nunmehr Gleichstrom entsprechend dem überstrom- wert fliesst,
der ebenfalls seinen Weg über den Ver braucher nimmt. Auf diese Weise entsteht an dem Spannungsteiler 19 ein durch diesen Zusatzstrom be stimmter grösserer Spannungsabfall, so dass der Halb leiteranordnung 3 an ihrer Steuerstrecke wieder ein anderer Steuerwert vorgetäuscht wird, der dazu führt, dass die Halbleiteranordnung 3 für einen grösseren Durchlasswiderstand ausgesteuert und damit die an den Verbraucher gelieferte Gleichspannung entspre chend abgesenkt wird.
Durch eine geeignete Bemessung und Wahl der Ventile in der Gleichrichterbrücke 20 kann auch un- mittelbar eine Kompensation derjenigen Fehler an der Halbleiteranordnung 3 und der Zenerdiode erfol gen, welche sich durch äussere Temperatureinflüsse an diesen Halbleiteranordnungen wegen des Verhal- tesn ihrer Werkstoffe ergeben können. Bestehen z. B.
die Halbleiteranordnungen 20 aus Selengleichrichter- ventilen, so haben diese bekanntlich einen negativen Temperaturkoeffizienten. Die Siliziumdiode 25 bei spielsweise, die als Zenerdiode benutzt ist, hat dage gen einen positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. bei anwachsender Temperatur wächst die an den Klem men der Zenerdiode bestehende Spannung. Es würde also auf diese Weise ihre Kennlinie temperaturab hängig verschoben.
Wenn nun gleichzeitig die Gleich richterbrücke 20 in ihren Ventilen derart bemessen ist, dass diese einen entsprechenden entgegengesetzten Temperaturgang in ihrer Kennlinie zu demjenigen aufweisen, der an der Zenerdiode 25 entsteht, so gelingt es auf diese Weise, eine Kompensation -der temperaturabhängigen Spannungsveränderung in dem von der Zenerdiode bestimmten Sollwert zu erreichen.
Gleichzeitig kann auch die Bemessung der Ventile der Gleichrichterbrücke 20 zur Kompensation der temperaturgängigen Änderungen erfolgen, die an der steuerbaren Halbleiteranordnung 3 in dem System entstehen können.
Die Anordnung nach. Fig. 24 arbeitet mit einer stetigen Aussteuerung der Halbleiteranordnung 3.
In Fig. 25 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Regelanordnung veran schaulicht, wenn statt mit einer stetigen aussteuer baren Halbleiteranordnung 3 mit einer Halbleiter anordnung vom Charakter eines Halbleiterstromtores gearbeitet wird. Soweit in dieser Schaltung wieder die gleichartigen Schaltungselemente vorhanden sind wie in Fig. 24, sind für diese unmittelbar der Ein fachheit halber die gleichen Bezugszeichen beibehal ten worden. Das in diesem Falle an Stelle der Halb- leiteranordnung 3 benutzte Halbleiterstromtor ist wieder mit 31 bezeichnet.
In dieser Anordnung ist wieder, wie in Fig. 24, auch die Sollwertgeberanord- nung SG vorhanden, durch welche an der Zenerdiode 25 der konstante Vergleichsspannungswert geliefert wird.
Die Anordnung nach Fig. 25 unterscheidet sich weiterhin von der Schaltung nach Fig. 24 dadurch, dass sie für die Erzeugung der Tastspannung, mit welcher die Halbleiteranordnung 31 zu bestimmten Zeitwerten innerhalb der Wechselspannungskurve auf Durchlässigkeit gesteuert bzw. gezündet wird, noch eine Reihenschaltung aus der. Zenerdiode 32 und dem ohmschen Widerstand 33 aufweist., Diese Schaltung arbeitet in der folgenden Weise.
Durch die an dem Widerstand 19 zwischen seinem Ende 19d' und dem Abgriff 19e bestehende Spannung wird die Zenerdiode 32 in Sperrichtung auf ihrer Kennlinie bis zu einem Arbeitspunkt nach dem Knick vorgespannt, wenn eine Kennlinie U=f(J) in Betracht gezogen wird, wobei die Spannung auf der Ordinate und der Strom auf der Abszisse des Koordinaten systems aufgetragen sind.
Nach dieser ergeben sich bei relativ kleinenSpannungsänderungen relativ grosse Stromänderungen. Das bedeutet in der Schaltung, dass, wenn relativ kleine Änderungen in der Aus gangsspannung des Gerätes entstehen und damit ent sprechende relativ kleine Änderungen zwischen 19d und 19e, sich relativ grosse Änderungen des Stromes ergeben, der über den linearen Widerstand 33 fliesst. An diesem Widerstand 33 werden sich daher bei relativ kleinen Spannungsänderungen der Verbrau cherspannung relativ grosse Änderungen des Span- nungsabfalles ergeben,
die in. ihrem Vergleich mit der an der Zenerdiode 25_ bestehenden Spannung dann entsprechend grosse Änderungen für die Steuerung der Zündung der Halbleiteranordnung 31 ergeben. Es ist also auf diese Weise möglich, für eine wirk same Steuerung des Halbleiterventiles 31 ohne be sonderen zusätzlichen Verstärker zu arbeiten.
Eine Anordnung im Sinne des Ausführungsbei spieles nach Fig. 25 kann auch dahingehend abge wandelt werden, dass die Steuerung des Halbleiter stromtores 31 mittels einer Tzansduktoranordnung erfolgt, wie sie grundsätzlich in dem Ausführungs beispiel nach Fig. 14 erläutert worden ist.
In einem solchen Falle ist die Spannungsfühleranordnung SF entbehrlich. Der Istwert, der mit dem vom Sollwert geber SG gelieferten Wert entweder unmittelbar elek trisch durch Gegeneinanderschaltung oder durch magnetische Amperewindungs-Differenzbildung ver glichen wird, kann unmittelbar von den Verbrau cherleitungen oder über bzw.
an einem Widerstand mit einem der Verbraucherspannung proportionalen Wert abgenommen werden. Der Differenzwert dient dann zur Abmagnetisierungssteuerung des Transduk- tors 37.: Eine solche abgewandelte Anordnung weist ge genüber derjenigen nach Fig. 25 den technischen Unterschied auf; dass sie mit einer kürzeren Regel zeit arbeiten kann.