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Einrichtung zur unmittelbaren, statischen Entzerrung von Wechselspannungen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur unmittelbaren statischen Entzerrung von Wechselspannungen. Bei einer Entzerrung einer Wechselspannung kann es sich um eine Entzerrung hinsichtlich linearer oder nichtlinearer Verzerrungen oder beider handeln.
Bei Anschluss eines Verbrauchers an das Wechselstrom-Ortsnetz der Elektrizitäts-Gesellschaften muss in Kauf genommen werden, dass die zur Verfügung stehende Wechselspannung Amplituden-Schwankungen und Verzerrungen aufweist, bedingt durch die verschiedene Art der an diesem Netz angeschlossenen Verbraucher und den wechselnden Last-Verhältnissen. Schaltvorgänge im Ortsnetz können auch relativ hohe Tran- sienten erzeugen, die für viele Anwendungen unzulässig sind.
Um die Qualität einer solchen Wechselspannung zu verbessern, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Zur Spannungsstabilisierung verwendet man entweder motorangetriebene Regeltransformatoren oder magnetische Spannungs-Gleichhalter, zum Herabsetzen der nichtlinearen Verzerrungen abgestimmte Resonanz-Fil- ter. In letzter Zeit werden auch Halbleiter-Stabilisatoren verwendet, die dadurch, dass sie den Wechselstrom noch mehr verzerren, nachgeschaltete Filter erfordern.
Alle diese Einrichtungen weisen Nachteile auf, die für hohe Ansprüche nicht in Kauf genommen werden können. Die motorangetriebenen Regeltransformatoren haben wohl einen hohen Wirkungsgrad, weisen aber eine Regel-Zeitkonstante auf, die in der Grössenordnung von Sekunden liegt und sind nicht in der Lage, nichtlineare Verzerrungen auszugleichen. Magnetische Span- nungs-Gleichhalter haben eine viel kleinere Regel-Zeit- konstante, bringen aber zusätzlich nichtlineare Verzerrungen; der Ausgangsstrom muss also für hohe Ansprüche gefiltert werden.
Elektronische Stabilisatoren, die durch Anschnitt-Steuerung oder Amplituden-Begren- zung arbeiten, haben wohl eine sehr kleine Zeitkonstan- te, bringen aber ebenfalls zusätzliche nichtlineare Verzerrungen, die wieder ausgefiltert werden müssen.
Für höchste Ansprüche in bezug auf Spannungs- Konstanz, Transienten und Kurvenform war man bis heute auf den mittelbaren Weg angewiesen (z. B. rotierende Umformergruppen) oder auf die Verwendung statischer Wechselrichter über den Umweg einer Gleichspannung. Diese Lösungen sind aber, abgesehen vom schlechten Wirkungsgrad, nur für grössere Leistungen wirtschaftlich, platzraubend und z. T. geräuschvoll.
Die Einrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung erlaubt es, praktisch beliebigvollkommene Sinusspan- nungen konstanter Amplituden mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten, durch unmittelbare Verarbeitung der Ortsnetz-Spannung, ohne nachträgliche kostspielige und platzraubende Filterung.
Die Wirkungsweise sei anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispiels erläutert. Bei diesem Beispiel soll eine Wechselspannung hinsichtlich ihrer linearen Verzerrungen (Amplituden-Stabilisierung) und ihrer nichtlinearen Verzerrungen entzerrt werden. Im Strompfad einer Wechselstrom-Versorgung liegt eine Gleichrichter-Brückenschaltung Si1-Si4, deren Diagonalpfad durch einen oder mehrere Transistoren (Tsl) gebildet wird der durch Steuerung als variabler Widerstand wirkt.
Es wird eine Steuerspannung für die Diagonal- Transistoren verwendet, die aus der Differenz zwischen einem gleichgerichteten, jedoch ungefilterten Abbild der Ausgangs-Spannung und einer gleichgerichteten, ebenfalls ungefilterten sinusförmigen Amplituden-stabilen Referenzspannung gebildet wird, wobei die Referenzspannung auf einfache Art durch synchronen Anstoss eines Parallel-Resonanz-Schwingkreises durch die Netzwechselspannung gewonnen wird.
Das von einer Hilfswicklung des Ausgangs-Auto-
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transformators Trl gewonnene Abbild der Ausgangs- Spannung wird in der Gleichrichter-Brückenschaltung Se5-8 gleichgerichtet und mit der aus Tr2 gewonnenen, durch Se9-12 ebenfalls gleichgerichteten Referenz-Spannung, über R2-R3 verglichen. Der Momentanwert der Spannungs-Differenz wird dem oder den Diagonal-Zweig-Transistoren als Steuerspannung zugeführt.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass dadurch der Widerstand der Diagonal-Transistoren derart verändert wird, dass die Ausgangs-Spannung versucht, sich an die Referenz-Spannung anzuschmiegen. Die Vollkommenheit, mit der dies gelingt, ist nur abhängig von der Stromverstärkung und der Zeitkonstante der verwendeten Transistoren. Dass dabei auch Transienten der Speise-Wechselspannung eliminiert werden, ist ebenfalls offensichtlich, wenn man weiss, dass moderne Transistoren Grenzfrequenzen in der Grössenordnung von MHz haben.
Die amplitudenkonstante, sinusförmige Referenzspannung wird auf einfachste Art erzeugt durch Anstoss eines Parallel-Resonanz-Schwingkreises C1/L1 mit hohem < < Q , durch die Eingangs-Spannung via Tr2, über die Schaltglieder R7/C3/R5, was einen streng synchronen Anstoss des Schwingkreises gewährleistet, jeweils im Amplituden-Maximum der Eingangs-Spannung.
Die Amplituden-Konstanz wird erreicht durch Stabilisierung der über den Gleichrichter Sel-Se4 gewonnen und mit R4/C2 gefilterten Speise-Gleichspannung für den Schwingkreis Ll/C1 mittels Z1. (Das Selen-Schutzventil Se14 parallel zu den Diagonal-Transistoren dient als deren Schutz gegen Überspannung im Störungsfall Tyl, R1, R6 als deren Schutz gegen Überstrom durch Betätigung eines überstromschutzes, im vorliegenden Fall der Sicherung S1.)
Falls es sich nur um eine Entzerrung hinsichtlich der nichtlinearen Verzerrungen ohne Stabilisierung der Amplitude der Ausgangsspannung handelt, kann beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Element Z1 weggelassen werden. Mit Vorteil wird jedoch eine andere Lösung gewählt. Es werden alle rechts der Linie A-A liegenden Teile der Figur weggelassen wobei die Referenzspannung über eine weitere Wicklung des Transformators Trl abgenommen und über ein Resonanzfilter an die Klemmen a und b angelegt wird. Dieses Resonanzfilter besteht z.
B. aus einem Längsglied mit einem nachfolgenden Querglied, wobei das Längsglied aus einem LC-Serieresonanzkreis und das Querglied aus einem LC-Parallelresonanzkreis besteht. Diese zweite Lösung hat den Vorteil, dass sie eine weitergehende Entzerrung gestattet.
Eine Erhöhung der Wirkung der Schaltung, ob sie nun zur Entzerrung hinsichtlich der nichtlinearen Verzerrungen allein oder sowohl der linearen als auch der nichtlinearen Verzerrungen dienen soll, ist dadurch möglich, dass man die über R2 -R3 auftretende Differenz- spannung vor ihrer Anlegung an den Transistor Ts1 verstärkt.
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Device for direct, static equalization of alternating voltages The present invention relates to a device for direct static equalization of alternating voltages. An equalization of an alternating voltage can be an equalization with regard to linear or non-linear distortion or both.
When connecting a consumer to the local alternating current network of the electricity company, it must be accepted that the available alternating voltage exhibits amplitude fluctuations and distortions due to the different types of consumers connected to this network and the changing load conditions. Switching processes in the local network can also generate relatively high transients, which are impermissible for many applications.
Various possibilities are known for improving the quality of such an alternating voltage. Either motor-driven regulating transformers or magnetic voltage equalizers are used to stabilize the voltage, and tuned resonance filters to reduce the non-linear distortion. Recently, semiconductor stabilizers have also been used which, because they distort the alternating current even more, require downstream filters.
All of these facilities have disadvantages that cannot be accepted for high demands. The motor-driven regulating transformers have a high degree of efficiency, but have a regulating time constant that is on the order of seconds and are not able to compensate for non-linear distortions. Magnetic voltage equalizers have a much smaller control time constant, but also bring about non-linear distortions; the output current must therefore be filtered for high demands.
Electronic stabilizers that work by means of gating control or amplitude limitation have a very small time constant, but also bring additional non-linear distortions that have to be filtered out again.
For the highest demands in terms of voltage constancy, transients and curve shape, one has to this day relied on the indirect route (e.g. rotating converter groups) or on the use of static inverters via the detour of a direct voltage. However, apart from the poor efficiency, these solutions are only economical, space-consuming and z. T. noisy.
The device according to the present invention makes it possible to obtain practically any perfect sinusoidal voltages of constant amplitudes with a high degree of efficiency, through direct processing of the local network voltage, without subsequent costly and space-consuming filtering.
The mode of operation will be explained using an example shown in the drawing. In this example, an AC voltage is to be equalized with regard to its linear distortions (amplitude stabilization) and its non-linear distortions. In the current path of an alternating current supply there is a rectifier bridge circuit Si1-Si4, the diagonal path of which is formed by one or more transistors (Tsl) which, when controlled, acts as a variable resistor.
A control voltage is used for the diagonal transistors, which is formed from the difference between a rectified, but unfiltered image of the output voltage and a rectified, likewise unfiltered sinusoidal amplitude-stable reference voltage, the reference voltage being generated in a simple manner by synchronously triggering a Parallel resonance circuit is obtained by the AC mains voltage.
The output car's auxiliary winding
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The image of the output voltage obtained from transformer Trl is rectified in the rectifier bridge circuit Se5-8 and compared with the reference voltage obtained from Tr2, also rectified by Se9-12, via R2-R3. The instantaneous value of the voltage difference is fed to the diagonal branch transistor or transistors as a control voltage.
It is readily apparent that this changes the resistance of the diagonal transistors in such a way that the output voltage tries to cling to the reference voltage. The perfection with which this succeeds depends only on the current gain and the time constant of the transistors used. It is also obvious that transients of the AC supply voltage are also eliminated if one knows that modern transistors have cutoff frequencies in the order of MHz.
The constant amplitude, sinusoidal reference voltage is generated in the simplest way by triggering a parallel resonance circuit C1 / L1 with high <<Q, through the input voltage via Tr2, via the switching elements R7 / C3 / R5, which is a strictly synchronous triggering of the Resonant circuit guaranteed, each in the amplitude maximum of the input voltage.
The amplitude constancy is achieved by stabilizing the DC supply voltage for the resonant circuit Ll / C1, which is obtained via the rectifier Sel-Se4 and filtered with R4 / C2, using Z1. (The selenium protection valve Se14 parallel to the diagonal transistors serves as their protection against overvoltage in the event of a fault Tyl, R1, R6 as their protection against overcurrent by actuating an overcurrent protection, in this case the fuse S1.)
If it is only a question of equalization with regard to the non-linear distortions without stabilizing the amplitude of the output voltage, the element Z1 can be omitted in the illustrated embodiment. However, another solution is advantageously chosen. All parts of the figure to the right of the line A-A are omitted, the reference voltage being taken off via a further winding of the transformer Trl and applied to the terminals a and b via a resonance filter. This resonance filter consists z.
B. from a longitudinal member with a subsequent cross member, wherein the longitudinal member consists of an LC series resonance circuit and the cross member consists of an LC parallel resonance circuit. This second solution has the advantage that it allows more extensive equalization.
An increase in the effect of the circuit, whether it is used to equalize the non-linear distortions alone or both the linear and the non-linear distortions, is possible by applying the differential voltage across R2-R3 before it is applied to the transistor Ts1 reinforced.