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Die Erfindung bezieht sich auf einen Nachlaufregler mit Rückführung,
der eine physikalische Größe (Regelgröße) auf einem vorgegebenen Sollwert halten
soll und bei dem ein in einem Soll-Ist-Wert-Vergleichskreis erzeugtes Regelabweichungssignal
verstärkt wird und sodann dem Eingangskreis eines Zündsteuersatzes für steuerbare,
als Schalter zwischen einer Last und einer Wechselstromquelle dienende Silizium-Halbleiterventile
(Thyristoren) zugeführt ist, wobei der Ausgangskreis des Zündsteuersatzes aus einem
Transformator mit zwei Sekundärwicklungen besteht, die mit je einer Steuerelektrode
eines Silizium-Halbleiterventils verbunden sind.
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Die Erfindung dient somit dem Zweck, eine beispielsweise im Rahmen
eines industriellen Verfahrensablaufs zu versorgende elektrische Last mit großem
Energiebedarf, welche eine bestimmte Regelgröße in gewünschter Weise beeinflussen
soll, mit elektrischer Energie (Stellgröße) zu versorgen.
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Verstärker zur Steuerung großer Leistungen sind seit langem in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt. Vor allem finden in diesem Rahmen Magnetverstärker und
Hochleistungs-Vakuumröhren Verwendung. Auf Grund des schlechten Wirkungsgrades,
der großen Ansprechzeiten, des großen Raumbedarfs sowie der hohen Fertigungskosten
dieser bekannten Verstärker besteht in der Fachwelt das Bedürfnis, derartige Verstärker
zu verbessern bzw. durch neue Verstärkertypen zu ersetzen.
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Seit einigen Jahren sind Halbleiterventile (Thyristoren) auf dem Markt,
die sich jedoch nicht ohne weiteres für diesen Zweck anwenden lassen, da ihre Masse
und damit ihre Wärmekapazität im Verhältnis zu den von ihnen gesteuerten Leistungen
äußerst gering ist. Auch bei Verwendung von Kühlblechen und anderem technischem
Aufwand in dieser Richtung werden Halbleiterventile bereits nach einer kurzzeitigen
überlastung zerstört, wie sie z. B. durch Schalten im falschen Phasenzeitpunkt oder
Schaltspannungsspitzen bei komplexer und reiner Blindlast entstehen.
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Infolgedessen war die Verwendung von Halbleiterbauelementen nach dem
bisherigen Stand der Technik vor allem bei schnellen Regelverstärkern mit großen
Schaltleistungen nicht möglich.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Nachlaufregler
mit Rückführung anzugeben, welcher unter Verwendung von Halbleiterventilen große
Leistungen zu steuern imstande ist und bei welchem eine mögliche Zerstörung der
Halb- ; leiterbauelemente durch Spannungs- oder Stromspitzen im Last- und Versorgungskreis
unterbunden wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Nachlaufregler der eingangs
genannten Art dadurch ; gelöst, daß im Eingangskreis des Zündsteuersatzes ein vom
Regelabweichungssignal beaufschlagter Magnetverstärker vorgesehen ist, dessen Vormagnetisierungswicklung
über ein vorgespanntes Schwellwertglied gespeist ist und dessen Ausgangswicklungen
über einen Spannungsbegrenzer von der Netzwechselspannung erregt und mit den Eingangsklemmen
des Transformators verbunden sind, dessen Durchfluß mit Starkstrom von dem Augenblick
abhängig ist, in welchem im Magnetkern einer der Ausgangswicklungen des Magnetverstärkers
eine Sättigung auftritt, und dessen Einschaltdauer vom Nulldurchgang der Netzwechselspannung
bestimmt ist. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g.1 ein Blockschaltbild eines Reglers
mit den Merkmalen der Erfindung, F i g. 2 eine Legende für gewisse in den Zeichnungen
benutzte Symbole, F i g. 3, 4 und 5 Einzelheiten darstellende Schaltbilder des Reglers
gemäß F i g. 1, F i g. 6 einen Schnitt durch eine beim Regler gemäß F i g.1 verwendete
Drossel in Aufsicht und F i g. 7 eine schematische Schaltung der in F i g. 6 dargestellten
Drossel.
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Gemäß F i g. 1 wird der Nachlaufregler 10 dazu verwendet, mittels
eines Heizers - allgemein als Last 30 bezeichnet - im Rahmen eines Verfahrensablaufs
die Temperatur eines Stoffs oder Gegenstands zu regeln. Ein Thermoelement 12 dient
dabei als Fühler zur Messung der zu regelnden Temperatur (Regelgröße). Die vom Thermoelement
12 gelieferte Spannung (umgeformte Regelgröße) liegt in Reihe mit einer entgegengerichteten,
eingestellten Spannung (Führungsgröße), welche durch einen Sollwerteinsteller 14
und eine stabilisierte Spannungsquelle 16 geliefert wird. Die Führungsgröße wird
von Hand auf einen Betrag eingestellt, welcher der vom Thermoelement bei der gewünschten
Arbeitstemperatur zu liefernden Spannung entspricht. Bei einer Abweichung der gemessenen
Temperatur vom gewünschten Wert wird eine Differenzspannung (Regelabweichung) erzeugt,
welche dem Unterschied zwischen dem eingestellten Sollwert und der Thermoelementspannung
entspricht und deren Polarität davon abhängt, ob die gemessene Temperatur über oder
unter dem gewünschten Wert liegt.
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Der Nachlaufregler 10 weist eine übliche Vorrichtung zur Einstellung
auf Handsteuerung bzw. automatische Regelung auf. Die Auswahl der gewünschten Arbeitsweise
erfolgt durch entsprechende Einstellung eines Dreistellungsschalters 18. Bei Einstellung
auf automatische Regelung wird die Regelabweichung in einer Kaskadenschaltung verstärkt,
die aus einer hochempfindlichen Verstärkerstufe 20 für sehr schwache Eingangssignale;
einer Verstärkerstufe 22 und einem Magnetverstärker 24 mit steuerbaren Silizium-Halbleiterventilen
(Thyristoren) besteht, welcher die Lieferung elektrischer Energie von einer Spanpungsquelle
26 über einen mit Halbleiterventilen bestückten Steuerkreis 28 an die Last 30 regelt.
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Der erfindungsgemäße Regler weist weiterhin Vorrichtungen zur Nachregelung
und zur Wahrung der Stabilität der Anordnung auf, um eine verbleibende Regelabweichung
zu verhindern.
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Zu diesem Zweck wird die Regelgröße über eine Gleichrichterschaltung
32, ein D-Glied 36, ein 1-Glied 38 und ein P-Glied 39 auf die Verstärkerstufe 20
zurückgekoppelt.
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Da es wünschenswert ist, Größe und Polarität der jeweiligen Regelabweichung
laufend anzuzeigen, ist ein Meßinstrument 40 über einen Meßverstärker 42 und den
Dreistellungsschalter 18 an den Ausgang des Verstärkers 20 angeschlossen.
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Der Handsteuerkreis 44 ermöglicht die Verbindung mit einer Spannungsversorgung
46 nach Umschalten des Dreistellungsschalters 18 von »Automatik« auf »Hand«, eine
bei Verfahrensreglern übliche Handsteuerung.
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Wenn der Dreistellungsschalter 18 auf automatischen
Reglerbetrieb
eingestellt ist, wird die Spannung für Handsteuerung einer Blindlast 48 zugeführt,
die etwa auf den Eingangswiderstand des Magnetverstärkers 24 abgeglichen ist.
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Zwischen den beiden genannten Stellungen des Dreistellungsschalters
18 ist noch eine dritte Stellung vorgesehen, um den übergang von automatischen auf
Handbetrieb unter Vermeidung einer Sprungstörung des Systems vornehmen zu können.
Wenn sich der Dreistellungsschalter 18 in dieser Stellung befindet, liegt das Meßinstrument
40 am Ausgang der Verstärkerstufe 22, um vor dem Umschalten die von Hand
gesteuerte Stellgröße an die vom Regler erzeugte Stellgröße angleichen zu können.
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Gemäß F i g. 3 ist das Thermoelement 12 über eine Leitung 50 an ein
LC-Filter 52 angeschlossen, das seinerseits am Sollwerteinsteller 14 liegt, der
eine Spannung liefert, welche der Thermospannung entgegengerichtet ist und welche
durch einen Spannungsteiler 56 über einen Widerstand 54 erzeugt wird. Der Spannungsteiler
56 wird durch die in F i g. 4 dargestellte kompensierte Spannungsquelle 16 gespeist
und weist ein Potentiometer 58 auf, mit dessen Hilfe die Führungsgröße am Widerstand
54 eingestellt werden kann. Ein temperaturempfindlicher Widerstand 60 dient in üblicher
Weise der Kompensation von Temperaturschwankungen. Ein zweipoliger Umschalter 62
gestattet die Einstellung des Arbeitsbereiches der Führungsgröße auf zwei Temperaturbereiche
der Regelgröße von beispielsweise 260 bis 815° C bzw. 815 bis 13701 C.
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Wenn die vom LC-Filter 52 abgegebene Spannung gegenüber der Spannung
des Widerstands 54 abweicht, wird über Leitungen 64 ein Differenzsignal abgegeben,
dessen Größe der Regelabweichung entspricht und dessen Polarität anzeigt, ob sich
die Ist-Temperatur oberhalb oder unterhalb des Sollwerts befindet.
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Die Verstärkerstufe 20 weist zwei genau aneinander angepaßte Kerne
72, 74 auf, die beispielsweise Toroidform besitzen können. Um die Kerne 72 und
74 sind identische Eingangswicklungen 66 bzw. 68
gelegt, welche
an die die Regelabweichung führende Leitung 64 angeschlossen sind. Die Eingangswicklungen
66 und 68 sind über eine spezielle Drossel 70 mit hoher Impedanz in Reihe geschaltet,
wodurch in ihnen etwa durch die Ausgangswicklungen des Verstärkers 20 induzierte
Wechselströme unter .bückt werden. Die Drossel 70 ist speziell so gewickelt, daß
ihre Streukapazität auf einem sehr niedrigen Wert gehalten wird. Hierdurch wird
einerseits eine unerwünschte Kopplung zwischen den Wicklungen 66 und 68 auf einem
Minimalwert gehalten und andererseits die Wirkung von Störeinflüssen infolge Raum-
oder Gehäusekapazitäten stark vermindert, was dadurch erreicht wird, daß alle vier
Anschlüsse der Wicklungen 66 und 68 praktisch auf demselben Wechselspannungspotential
gegenüber Erde liegen. Auf die Thermoelementleitungen induzierte Wechselspannungen
sind ebenfalls unerwünscht und werden durch das LC-Filter 52 auf einen Minimalwert
herabgesetzt.
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Gemäß den F i g. 6 und 7 weist die Drossel 70
einen Kern 71
auf, auf den zwei symmetrisch angeordnete Wicklungshälften 73 und 75 aufgebracht
sind. Jede Wicklungshälfte ist auf die schematisch in F i g. 7 dargestellte Weise
und Folge gewickelt, so daß ihr Anfang 77 und ihr Ende 79 soweit wie möglich voneinander
entfernt sind, wodurch die Streukapazität der Drossel so gering als möglich gehalten
wird. Die miteinander verbundenen Enden 79 beider Wicklungshälften 73 und 75 sind
zur Verringerung der Aufnahme von Streufeldern an der Verbindungsstelle räumlich
dicht nebeneinander angeordnet, und die Wicklungen sind so in entgegengesetztem
Sinn gewickelt, daß sich ihre Induktivitäten addieren.
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Die ganze Drossel 70 ist von einer in F i g. 4 eingezeichneten Abschirmung
81 eingeschlossen, die an die »Chassiserde« gelegt ist, so daß die Kapazität zwischen
den durch die Anfänge 77 der Wicklungshälften 73, 75 gebildeten Klemmen der Drossel
und der Chassiserde praktisch den gleichen Wert besitzt. Dieses Merkmal unterstützt
die oben beschriebene Unterdrückung von Wechselstromsignalen.
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Auf den Kernen 72 und 74 befinden sich weiterhin identische in Reihe
geschaltete Rückkopplungswicklungen 76 bzw. 78, die über verhältnismäßig hochohmige
Widerstände 80 bzw. 82 an die D- und P-Glieder 36 und 39 und das 1-Glied
38 angeschlossen sind. Auf Grund ihres hohen Widerstands, ihrer geringen Streukapazität
und ihrer symmetrischen Anordnung dienen die Widerstände 80 und
82 ähnlich wie die Drossel 70 zur Verbesserung der Stabilität des
Verstärkers und zur Verringerung von kapazitiven Störeinflüssen.
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Weiterhin sind um die Kerne 72 und 74 identische Vormagnetisierungswicklungen
84 bzw. 86 gelegt, welche in Reihe durch die eingestellte Spannungsquelle 16 gespeist
werden. In diesen Speisekreisen liegen zwei strombegrenzende Widerstände 88 bzw.
90. Die Vormagnetisierungswicklung 84 ist durch einen Widerstand 92 überbrückt,
mit dessen Hilfe der Gesamtfluß aller entweder auf dem Kern 72 oder auf dem Kern
74 aufgebrachten Wicklungen gleich dem Gesamtfluß durch den anderen Kern gemacht
werden kann, um eine Ausgangsleistung Null zu garantieren, wenn die Eingangswicklungen
66, 68, 76 und 78 keinen Strom führen.
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Die Ausgangswicklungen 94 und 96 der Verstärkerstufe 20 werden parallel
zueinander durch zwei Dioden 98 bzw. 100 erregt, deren gemeinsame Anschlußklemmen
an eine 6-Volt-Wicklung 102 eines Netztransformators 104 und deren andere Enden
an einen abgeglichenen RC-Kreis angeschlossen sind, der aus zwei Widerständen 106
und 108 sowie zwei Filterkondensatoren 110 bzw.112 besteht. Der innere Verzweigungspunkt
dieses RC-Kreises ist an die Wicklung 102 zurückgeführt, und die von der Verstärkerstufe
20 abgegebene Spannung wird über den Außenanschlüssen des RC-Kreises abgegriffen.
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Die Verstärkerstufe 20 ist so eingestellt, daß die Kerne 72 und 74
in gleicher Weise magnetisiert werden, wenn durch die Eingangswicklungen 66, 68
und Rückkopplungswicklungen 76, 78 kein Strom fließt. In diesem Fall sind also die
durch die Ausgangswicklungen 94 und 96 fließenden, den Widerständen
106 und 108 zugeführten Stromimpulse gleich. Da diese Widerstände gleichen ohmschen
Widerstand besitzen und gegeneinandergeschaltet sind, ist die an den entgegengesetzten
Enden des RC-Kreises auftretende Gesamtausgangsspannung bei Fehlen eines Eingangssignals
gleich Null.
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Wenn dagegen durch die Eingangswicklungen 66, 68 oder durch die Rückkopplungswicklungen
76, 78 ein Strom fließt, erhöht sich die Magnetisierung des einen Kerns 72 bzw.
74 bei gleichzeitiger Verringerang
der Mägnetisierung des anderen
Kerns 74 bzw. 72 um denselben Betrag. Infolge dieser Differenz in der Durchflutung
der Kerne sind die durch die Ausgangswicklungen 94 und 96 fließenden, vom Verstärker
abgegebenen Ströme nicht mehr gleich, so daß über den äußeren Enden der Widerstände
106 und 108 eine Effektivausgangsspannung auftritt, deren Größe proportional zur
Größe des durch die Eingangswicklungen 66, 68 oder Rückkopplungswicklungen 76, 78
fließenden Eingangssignals ist und deren Polarität durch die Richtung des in den
Verstärker eingegebenen Signals bestimmt ist.
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Es hat sich gezeigt, daß diese Verstärkerstufe 20 besonders gut als
erste Verstärkerstufe für die erfindungsgemäße Regleranordnung geeignet ist, da
sie verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Schwankungen der Speisespannung ist
und daher zur Verstärkung verhältnismäßig kleiner vom Thermoelement 12 abgegebener
Spannung verwendet werden kann. Diese Unempfindlichkeit gegen Schwankungen der Speisespannung
beruht auf der Tatsache, daß beide Ausgangswicklungen 94 und 96 gleichzeitig, d.
h. in derselben Halbwelle der Speisespannung, erregt werden und die von diesen beiden
Wicklungen erzeugten Ausgangsspannungen in Reihe über die Widerstände 106 und 108
gegeneinandergeschaltet werden. Beim Auftreten einer Änderung in der Speisespannung
werden daher über den Widerständen 106 und 108 gleiche, jedoch entgegengerichtete
Spannungsänderungen hervorgerufen, so daß die ; insgesamt vom Verstärker abgegebene
Spannung unbeeinflußt bleibt. Darüber hinaus wird die Stabilität dieses Verstärkers
insbesondere durch die Verwendung getrennter Wicklungen für jeden Kern 72 und 74
sowie durch dis Trennung durch die Drossel 70
und die Widerstände 80 und 82
erhöht, welche etwa in den Eingangs- und Rückkopplungskreisen auftretenden Wechselströmen
eine verhältnismäßig hohe Impedanz entgegensetzen. Die abgeglichene, symmetrische
Konstruktion der Verstärkerstufe 20 macht darüber hinaus die Einheit äußerst unempfindlich
gegen Schwankungen in der Umgebungstemperatur. Eine derartige Stabilität hinsichtlich
Temperatur und Speisespannung läßt sich bei herkömmlichen Verstärkern über längere
Zeit nur äußerst schwer err zielen.
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Die über den Widerständen 106 und 108 abfallende Ausgangsspannung
der ersten Stufe wird der Eingangswicklung 114 der zweiten Verstärkerstufe 22 zugeführt.
Diese Stufe weist ebenfalls zwei getrennte Magnetkerne 116, 118 auf, die wie bei
der ersten Stufe toroidförmig ausgebildet sein können. Diese Magnetkerne sind mit
einer einzigen Vormannetisierungswicklung 120 versehen, welche über einen Widerstand
122 und ein Potentiometer 124 zur Nulleinstellung des Reglers von der Spannungsquelle
16 her versorgt wird.
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Die beiden Ausgangswicklungen 126 und 128 der zweiten Verstärkerstufe
22 werden bei abwechselnden Halbwellen der Speisewechselspannung über Halbleiter
130 und 132 erregt, die ihrerseits an die beiden Klemmen einer 6-Volt-Sekundärwicklung
134 des Netztransformators 104 angeschlossen sind. Die Mittelanzapfung 136 dieser
Wicklung ist über einen Filterkondensator 138 an den Verzweigungspunkt zwischen
den beiden Ausgangswicklungen 126, 128 angeschlossen, so daß die von der zweiten
Verstärkerstufe 22 abgegegebene Spannung über diesem Filterkondensator anliegt.
Diese Spannung wird galvanisch über einen Widerstand 140 einer um beide Magnetkerne
116 und 118 herumgelegten Mitkopplungswicklung 142 zugeführt und gestattet hierdurch
die Einstellung des Verstärkungsgrades der Verstärkerstufe 22. Weiter wird die Spannung
vom Filterkondensator 138 über einen Kondensator 144 und einen Widerstand 146 an
eine zweite Mitkopplungswicklung 148 angelegt. Diese Rückkopplungsanordnung dient
zur Dämpfung der durch Nebenkopplungen hervorgerufenen Instabilitäten der Verstärkerstufe
22 und gestattet die Einstellung der Frequenzempfindlichkeit des Gesamtsystems auf
die gewünschte Charakteristik.
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Das von den Ausgangswicklungen 126 und 128 abgegebene Signal wird
über eine Leitung 150 einem Schleifer des in F i g. 3 dargestellten Dreistellungsschalters
18 zugeführt. Wenn sich dieser Schalter in der in der Zeichnung dargestellten Stellung
für automatischen Betrieb befindet, wird das von der Verstärkerstufe 22 abgegebene
Signal über eine Leitung 154 der Eingangswicklung 156 eines Verstärkers
158
zugeführt, der den Eingangsteil des Magnetverstärkers 24 bildet. Der Verstärker
158 weist zwei Magnetkerne 160, 162 auf, die mit einer gemeinsamen Vormagnetisierungswicklung
164 und zwei Ausgangswicklungen 166 bzw. 168 versehen sind. Der Gleichstrom für
die Vormagnetisierungswicklung 164 wird von einer kompensierten Gleichspannungsquelle
geliefert, welche eine Zenerdiode 170; zwei Widerstände 172, 174 sowie eine ein
Schwellwertglied 176 bildende Doppelweg-Gleichrichterschaltung in Verbindung mit
einer Wicklung 178 eines Netztransformators 180 aufweist, der seinerseits an die
Spannungsquelle 26 angeschlossen ist.
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Die Ausgangswicklungen 166 und 168 sind über Gleichrichter 182 bzw.
184, einen Widerstand 188 und einen Spannungsbegrenzer in Form von zwei entgegengesetzt
geschalteten Zenerdioden 190 an die Sekundärwicklung 186 des Netztransformators
180 angeschlossen. Diese Dioden zünden typischerweise bei einer Spannung von 25
V und erzeugen hierdurch ein Rechtecksignal mit einer Spannung von 50 V Spitze-Spitze.
Der eine Anschluß des Begrenzers liegt am Verbindungspunkt zwischen den Ausgangswicklungen
166 und 168, während der andere Anschluß über die Primärwicklung 192 eines Transformators
194, die durch einen Parallelwiderstand 196 überbrückt ist, an die Gleichrichter
182 und 184 angeschlossen ist.
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Ersichtlicherweise wird während der einen Halbwelle der von den Zenerdioden
190 erzeugten Rechtecksteuerspannung der Magnetkern 160 gesättigt und ermöglicht
so das Fließen von Starkstrom in einer Richtung durch die Primärwicklung 192 des
Transformators 194. Während der zweiten Halbwelle wird der Magnetkern 162 gesättigt
und läßt ebenfalls Starkstrom durch die Primärwicklung 192 fließen. Während jeder
vollen Welle der dem Netztransformator 180 zugeführten Wechselspannung wird der
Augenblick, in welchem diese Sättigung auftritt, durch die Größe des Stromflusses
durch die Eingangswicklung 156 festgelegt.
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Der Transformator 194 besitzt hohe Permeabilität und überträgt sowohl
hohe als auch niedrige Frequenzen genauestens. Dadurch werden die Rechteckwellen
der durch die Zenerdioden 190 entwickelten Spannung genauestens an seine beiden
gegensinnig
gewickelten Sekundärwicklungen 200 und
202 übertragen.
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Die in den Sekundärwicklungen 200 und 202 erzeugten Rechteckwellen
stellen die Ausgangssignale des Magnetverstärkers 24 dar und werden den Steuerelektroden
207 bzw. 209 von zwei steuerbaren Silizium-Halbleiterventilen, beispielsweise Thyristoren
208, 210 zugeführt, welche ihrerseits in Reihe mit zwei anderen Silizium-Halbleiterventilen,
beispielsweise Thyristoren 212 und 214, liegen. Die äußersten Anschlüsse
216 und 218 dieser Reihenschaltung sind zusammengeschaltet und mit dem einen Pol
220 der Spannungsquelle 26 verbunden, deren anderer Pol 222 an die Last
30 angeschlossen ist. Diese Last besteht typischerweise aus der Primärwicklung
226 eines Lasttransformators, dessen Sekundärwicklung 228 an ein Heizelement 230
angeschlossen ist, welches den Gegenstand erwärmt, dessen Temperatur gesteuert werden
soll. Die Last 30 ist weiterhin an den die Mittelanzapfung der Reihenschaltung der
vier Halbleiterventile 212, 208, 214 und 210 bildenden Verbindungspunkt 232 angeschlossen,
so daß während jeder Halbwelle der Speisespannung ein Strom über die Last fließt.
Die Notwendigkeit der Reihenschaltung von je zwei Halbleiterventilen beruht darauf,
daß derartige Ventile für Spannungen, wie sie bei der erfindungsgemäßen Anordnung
benötigt werden, zur Zeit nicht im Handel sind.
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Während jeder positiven Halbwelle der Wechselspannung werden den Halbleiterventilen
212 und 208
von der Spannungsquelle 26 gleiche Wechselspannungen derjenigen
(positiven) Polarität zugeführt, welche erforderlich ist, um sie zu zünden, während
den Halbleiterventilen 214 und 210 gleichzeitig negative Spannungen
zugeführt werden. Parallel zu den Halbleiterventilen 212, 208, 214 und 216 liegen
gleich große Widerstände 234, 236, 238 bzw. 240.
Dadurch hat der Spannungsabfall
über allen Halbleiterventilen jeweils denselben Wert, solange das betreffende Ventil
nicht gezündet hat. Während der nächsten Halbperiode werden den gesteuerten Halbleiterventilen
212 und 208 gleich große negative Spannungen angelegt, während den Halbleiterventilen
214 und 210 gleich große positive Spannungen zugeführt werden.
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In irgendeinem Augenblick jeder Halbwelle der Speisespannung wird
entweder in der Wicklung 200 oder 202 die positive Vorderflanke einer Rechteckspannung
induziert. Wenn beispielsweise die Spannung zuerst in der Wicklung 200 erzeugt wird,
wird das Halbleiterventil 208 in dem Augenblick voll stromleitend, in welchem diese
Spannung an seiner Steuerelektrode 207 anliegt.
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Damit das zweite Halbleiterventil 212 sofort mit dem ersten Halbleiterventil
208 zündet (eine Zündverzögerung des Halbleiterventils 212 von mehr als einigen
Mikrosekunden würde seine Zerstörung zur Folge haben), sind parallel zu den in Reihe
liegenden Widerständen 234 und 236 und parallel zu den Halbleiterventilen 212, 208
zwei gleich große Kondensatoren 242, 244 in Reihe geschaltet. (Während der Sperr-Periode
wirken die Halbleiterventile 212 und 208 im Vergleich zu den Widerständen 234 und
236 praktisch wie Unterbrechungen.) Zwischen den Verbindungspunkten der Kondensatoren
242, 244 und den Verbindungspunkten der Halbleiterventile 212, 208 liegt ein verhältnismäßig
niederohmiger Widerstand 246. Die Steuerelektrode 248 des Halbleiter ventils 212
ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 242, 244 und diesem Widerstand
246 verbunden.
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Bei dieser Anordnung sind die beiden gesteuerten Halbleiterventile
212 und 208 während einer Halbwelle der Speisespannung nichtleitend, so daß die
Spannung gleichmäßig über beiden Kondensatoren 242 und 244 ansteigt. Wenn jedoch
beispielsweise in der Sekundärwicklung 200 ein positiver Impuls induziert
wird, zündet das Halbleiterventil208, wodurch sein Innenwiderstand in weniger als
5 Rs praktisch auf Null absinkt. In diesem Augenblick fließt die Ladung des Kondensators
244 über den Widerstand 246 und das Halbleiterventil 208 ab und erzeugt am Widerstand
246 einen kurzzeitigen positiven Spannungsimpuls, welcher der Steuerelektrode 248
zugeführt wird, wodurch das Halbleiterventil 212 unmittelbar mit dem Zünden des
Halbleiterventils 208 ebenfalls zündet. Die Impulshöhe und -dauer ist dabei durch
die Größen des verwendeten Widerstands und des verwendeten Kondensators festgelegt.
Da die Sekundärwicklung 200 eine Rechteckwelle überträgt, bleiben die Halbleiterventile
208 und 212
in jedem Fall bis zum Ende der Halbperiode gezündet, während
sie möglicherweise bereits vorher sperren würden, wenn über die Sekundärwicklung
200 Spannungsspitzen zur Steuerung und keine Rechteckwellen übertragen würden.
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In entsprechender Weise dienen zwei Kondensatoren 252 und 254 sowie
ein Widerstand 256 zur Steuerung der Zündung des Halbleiterventils 214, wenn während
der nächsten Halbwelle der Speisespannung durch die Sekundärwicklung 202 ein Zündsignal
erzeugt wird.
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Das vorbeschriebene Verfahren der Reihensteuerung von Halbleiterelementen
hat gegenüber anderen Verfahren, beispielsweise der Verwendung einzelner Sekundärwicklungen
zur Zündung jedes einzelnen Halbleiterventils den Vorteil, daß die Zeitdifferenz
zwischen der Zündung benachbarter Halbleiterventile innerhalb enger Grenzen eingestellt
werden kann, während bei Verwendung anderer Verfahren das Zünden der Halbleiterventile
fehlerhaft erfolgen kann.
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Da die über den in Reihe liegenden Halbleiterventilen liegende Spannung
einen gewissen Maximalwert nicht übersteigen soll, liegt zwischen dem Verbindungspunkt
232 und den anderen Enden der Reihenschaltung der vier Halbleiterventile ein Spannungsbegrenzer
258, wofür beispielsweise eine Doppeldiode verwendet werden kann. Ein ähnlicher
Spannungsbegrenzer 260 liegt parallel zur Last 30, um vorübergehende Schalt- und
Lastspitzen kurzzuschließen.
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Der Magnetverstärker 24 ist in einer Weise vorgespannt, daß die Halbleiterventile
und der Lastkreis gegen Einschaltspitzen und Ausfall des Steuersignals geschützt
sind. Zunächst sei das Problem der Einschaltspitzen erörtert. Wenn dem Verstärker
158 von der Gleichrichterschaltung 176 kein Bezugspotential zugeführt wird, würden
alle Halbleiterventile während der ersten Periode nach dem Schließen des Lastschalters
in der Spannungsquelle 26 zünden, sofern die Größe des Steuersignals der Eingangswicklung
156 unter dem normalen Steuerniveau liegt. Durch ein solches plötzliches Einschalten,
insbesondere bei induktiver Last, können vorübergehende
Spannungen
und Ströme entstehen, welche die zulässigen Grenzwerte der Halbleiterventile überschreiten
und diese beschädigen könnten. Unter diesen Umständen könnte auch die Last 30 durch
Spannungsspitzen beschädigt werden. Zur Vermeidung derartiger Ausfälle wird dem
Verstärker 158 durch die vom Netztransformator 180, welcher an die Spannungsquelle
26 angeschlossen ist, gespeiste Vormagnetisierungswicklung 164 eine Vorspannung
zugeführt, deren Richtung und Größe so bemessen ist, daß der Verstärker 158, wenn
kein Steuerstrom durch die Eingangswicklung 156 fließt, weit in den Sperrbereich
vormagnetisiert wird. Auf diese Weise liegt an keinem Halbleiterventil zu irgend
einer Zeit ein Zündsignal, so daß kein Laststrom fließen kann. Die im Vormagnetisierungskreis
liegende Zenerdiode gewährleistet, daß die Vorspannung praktisch unabhängig von
Schwankungen des Netzes ist. Infolge dieser Schaltung wird beim Schließen des Lastschalters
der Spannungsquelle 26 gleichzeitig dem Durchlaßkreis 186 sowie dem Schwellwertglied
176 des Verstärkers 158 Spannung zugeführt. Da anfänglich kein Vormagnetisierungsstrom
fließt, empfangen die Halbleiterventile ein Zündsignal und fangen an, zu leiten,
während jedoch gleichzeitig ein Strom durch die Vormagnetisierungswicklung 164 fließt,
so daß die Halbleiterventile wieder gesperrt werden. Durch geeignete Wahl der Schaltelemente
kann erreicht werden, daß die Halbleiterventile nach ihrem Zünden innerhalb von
drei Perioden der Speisefrequenz vollständig gesperrt werden, wobei die Laststromspitze
30 Q/o des zulässigen Maximalwerts nicht überschreitet. Auf diese Weise werden gefährliche
Einschaltspitzen vermieden und wird die Lebensdauer der Halbleiterventile erheblich
erhöht.
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Der Vormagnetisierungskreis des Verstärkers 158 schützt weiterhin
die Last gegen Ausfall des Reglers oder Unterbrechung der Leitung 154. Die Vormagnetisierung
des Verstärkers 158 durch das Schwellwertglied 176 ist so stark, daß der
Eingangswicklung 156 ein bestimmtes Mindeststeuersignal von beispielsweise 3 mA
zugeführt werden muß, um den in der Vormagnetisierungswicklung 164 fließenden Vormagnetisierungsstrom
zu übersteuern. Wenn daher in den Verstärkerstufen 20, 22 oder in der zugehörigen
Schaltung ein Fehler auftritt, fällt die von der Verstärkerstufe 22 abgegebene Leistung
auf Null oder unter den erforderlichen minimalen Arbeitswert ab, wodurch die Halbleiterventile
automatisch durch die Vormagnetisierung des Schwellwertgliedes 176 gesperrt werden
und eine »ausfallsichere« Arbeitsweise gewährleistet wird.
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Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Ausgangswicklungen 166,
168 auf alle Fälle auch von der Spannungsquelle 26 erregt werden sollten, um zu
gewährleisten, daß die Zündsignale mit der den Halbleiterventilen zugeführten Wechselspannung
synchronisiert sind. Der über der Primärwicklung 192 liegende Widerstand 196 dient
zur Kompensation von geringen aber unvermeidlichen Phasenverschiebungen im Verstärkerkreis
und gewährleistet, daß die den Halbleiterventilen zugeführten Signale in Phase mit
der Speisespannung 26 sind.
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Der Magnetverstärker 24 arbeitet in Verbindung mit dem Steuerkreis
28 folgendermaßen: Im Verlauf einer Halbwelle erhöht sich die Speisespannung so
weit, bis in der Sekundärwicklung 200 ein positives Signal induziert wird, wodurch
die Halbleiterventile 208 und 212 praktisch gleichzeitig zünden und die Last 30
für diese Halbwelle an die Spannungsquelle 26 angelegt wird. Wenn sich die Speisespannung
dem Wert Null nähert, sperren die Halbleiterventile 208 und 212 wieder den Stromfluß.
Diese Folge wiederholt sich während der nächsten Halbwelle der Speisespannung bei
den Halbleiterventilen 210 und 214.
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Die der Last 30 zugeführte Energiemenge wird durch die Dauer festgelegt,
während welcher die Halbleiterventile in jeder Halbperiode leitend sind, d. h. durch
den sogenannten Anschnitt der Gleichrichter. Die vom Transformator 194 erzeugten
Zündsignale sind mit der Speisespannung synchron, da der Netztransformator 180 und
die Halbleiterventile aus derselben Quelle gespeist werden. Infolgedessen hängt
die Höhe des Mittelwerts des Laststroms vom Zeitpunkt in jeder Halbwelle ab, zu
welchem der Zündimpuls an das Halbleiterventil angelegt wird. Dieser Zündimpuls
wird grundsätzlich nach Sättigung der Magnetkerne 160 und 162 durch den in der Eingangswicklung
156 des Magnetverstärkers 24 fließenden Steuerstrom erzeugt.
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Wie erwähnt, ist der durch die Eingangswicklung 156 fließende Strom
eine Funktion der Spannungsdifferenz zwischen der vom Thermoelement 12 gelieferten
Spannung und der über dem Widerstand 54 anliegenden Sollwertspannung. Wenn die gemessene
Temperatur den Sollwert erreicht hat, ist die Thermoelementspannung gleich der Sollwertspannung,
d. h., die Regelabweichung ist Null, und somit liefert die erste Verstärkerstufe
20 praktisch kein Ausgangssignal. In diesem Fall fließt durch die Eingangswicklung
156 ein Strom solcher Größe, daß dem Heizelement 230 so viel Energie zugeführt wird,
daß die Temperatur des erwärmten Gegenstands konstant gehalten wird. Bei Zunahme
der gemessenen Temperatur ändert sich der Stromfluß durch die Eingangswicklung 156,
wodurch der Zündpunkt bzw. Anschnitt der Halbleiterventile so verschoben wird, daß
die der Last 30 zugeführte Leistung verringert wird, wodurch die Regelabweichung
wieder verringert wird. Falls andererseits die Temperatur unter den Sollwert sinkt,
erhöht sich die der Last 30 zugeführte Leistung entsprechend.
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Die Gleichrichterschaltung 32, welche durch die über der Last 30 auftretende
Wechselspannung gespeist wird, führt ihr geglättetes Gleichstrom-Ausgangssignal
dem Meßinstrument 34, dem D-Glied 36, dem 1-Glied 38 und dem P-Glied 39 zu. Das
D-Glied 36 besteht dabei aus zwei Shunts 272 und 274, einem einstellbaren Widerstand
276 und einem Kondensator 278. Die abgegebene Spannung wird dem 1-Glied 38 zugeführt,
welches aus einem Kondensator 280 und einem Potentiometer 282 besteht, das in Reihe
mit einem Festwiderstand 284 liegt. Die vom 1-Glied 38 abgegebene Spannung wird
über zwei Trennwiderstände 286, 288 an das P-Glied 39 weitergegeben, das aus einem
Potentiometer 290 besteht. Ein Kondensator 292 dient dabei zur Ausfilterung eines
etwaigen Netzbrumms. Die über dem Potentiometer 290 abfallende Spannung wird den
Rückkopplungswicklungen 76 und 78 zugeführt.
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Die von der Gleichrichterschaltung 32 abgegebene Spannung wird außerdem
einem aus einem Widerstand 294, einem Kondensator 296 und der Eingangswicklung 114
der zweiten Verstärkerstufe 22 bestehenden Reihenkreis zugeführt. Diese Anordrung
22
verhindert aus Zeitverzögerungen im Verstärker 24 herrührende Instabilitäten im
Steuersystem und erhöht die Hochfrequenzempfindlichkeit der Gesamtschaltung.
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Wie erwähnt, empfiehlt es sich, eine Anzeige der Größe der Regelabweichung
vorzusehen. Das vom Thermoelement abgegebene Signal ist in der Regel äußerst schwach
und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10-6 bis 10-9 V. Ein solches Signal
kann daher unmittelbar nur durch ein äußerst empfindliches Meßinstrument angezeigt
werden. Ein derartiges empfindliches Instrument ist jedoch für industrielle Anwendungszwecke
unbrauchbar, so daß der Meßverstärker 42 vorgesehen werden sollte, um das Fehlersignal
anzuzeigen.
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Für einen genauen Betrieb des Nachlaufreglers sind unter anderem stabile
Versorgungsspannungen ausschlaggebend. Auf ihre Erstellung wurde deshalb besondere
Aufmerksamkeit gerichtet.
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Die Spannungsquelle 16 enthält einen Doppelweggleichrichter mit zwei
Dioden 380 und 382, die in üblicher Weise durch eine Sekundärwicklung
384 mit Mittelabgriff des Netztransformators 104 gespeist werden. Die von diesem
Gleichrichterkreis gelieferte Gleichspannung wird durch ein RC-Filter 386 geglättet
und durch zwei entgegengesetzt geschaltete Zenerdioden 388 und 390 auf dem gewünschten
Wert gehalten. Die von diesen Dioden gelieferte Spannung wird durch einen Widerstand
392 verringert und dann durch eine Zenerdiode 394 geregelt. Widerstände 396, 398
und 400 begrenzen den Stromfluß durch den Sollwerteinsteller 14. Dieser zweistufige
Kaskadenregler hält seine Spannung auf weniger als 0,05% konstant. Der von der Umgebungstemperatur
abhängende Restfehler der Ausgangsspannung wird durch den entsprechend ausgewählten
temperaturempfindlichen Widerstand 396 beseitigt.
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Die Spannungsversorgung 46 entspricht in ihrem Aufbau derjenigen der
Spannungsquelle 16 und weist demnach einen Doppelweggleichrichter mit zwei Dioden
402 und 404 auf, die an die Sekundärwicklung 406 eines Netztransformators 338 angeschlossen
sind. Ein RC-Filter 408 glättet die vom Gleichrichter abgegebene Spannung, welche
dann über einen Widerstand 410 einer zur Spannungsregelung dienenden, entgegengesetzt
gepolten Zenerdiode 412 zugeführt wird.
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Die Verstärkerstufen 20 und 22, die D- und P-Glieder 36 und 39, das
1-Glied 38 und die Spannungsquelle 16 sind alle auf einer in F i g. 4 dargestellten
gemeinsamen Abschirm- bzw. Montageplatte 414 befestigt, und wichtige Teile der Schaltung
sind gemeinsam durch eine »Chassiserde« elektrisch mit dieser Platte verbunden (vgl.
die in F i g. 2 angegebenen Symbole für »Gehäuseerde« und »Chassiserde«). Das Metallgehäuse
416 (F i g. 1) zur Aufnahme der einzelnen Bauteile einschließlich Spannungsquelle
liegt aus Sicherheitsgründen für das Bedienungspersonal auf Schutzleiterpotential
bzw. auf »Gehäuseerde«. Diese beiden »Erden« müssen zwecks Verringerung von 50-Hz-Einstreuungen
und Erdströmen elektrisch gegeneinander isoliert bleiben. Zur weiteren Isolierung
dieser beiden Erdsysteme ist jeder Leistungstransformator mit zwei Sätzen isolierter
Abschirmungen zwischen den Wicklungen versehen, wobei die dem Eingang benachbarten
Abschirmungen mit der »Gehäuseerde« verbunden sind, während die zwischen den Wicklungen
liegenden Abschirmungen mit der »Chassiserde« in Verbindung stehen. Durch diese
Anordnung wird eine kapazitive Ankopplung zwischen den Speisekreisen und den Niedervoltverstärkern
verhindert und bei einem niederen Rauschpegel eine selektive Verstärkung der äußerst
schwachen Regelabweichungen ermöglicht.