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Elektrische Einrichtung zur Frequenzregelung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Einrichtung zur Frequenzregelung unter Verwendung von Ringmodulatoren.
Es ist bereits bekannt, zum Zwecke der Fre- quenzregelung die Soll- und Istfrequenz einem phasenabhängigen Gleichrichter zuzuführen und die Ausgangsspannung dieses Gleichrichters als Regelsignal zu verwenden. Die Istfrequenz kann hierbei beispielsweise einer Wechselstrom-Tachomaschine entnommen werden, die mit der Welle einer auf konstante Drehzahl zu regelnden Gruppe gekuppelt ist, während ein Oszillator die Sollfrequenz liefert. Die bekannte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, dass die beiden Vergleichsfrequenzen synchronisiert werden müssen und dass bei grossen Abweichungen der Istfrequenz von der Sollfrequenz die Gefahr des Kippens besteht.
Das Regelsignal stellt in diesem Fall eine für Regelaufgaben unbrauchbare Wechselspannung dar.
Die Mängel des Bekannten lassen sich dadurch vermeiden, dass erfindungsgemäss die an die Ring- modulatoren angelegte Istfrequenzspannung eine Zweiphasenspannung darstellt und dass Mittel vorgesehen sind, die zur Erzeugung einer für die Regelung verwendeten Spannung dienen, welche nur in einem vorbestimmten Bereich des Phasenwinkels, der zwischen einer Phase der Istfrequenzspannung und der Sollfrequenzspannung besteht, sinusförmig verläuft, während sie ausserhalb dieses Bereichs einen konstanten Wert aufweist. Auf diese Weise ist ein eindeutiges Regelsignal erzeugbar.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungs- beispiel der erfindungsgemässen Regeleinrichtung, und die Fig. 2 bis 7 dienen der Erläuterung der physikalischen Vorgänge.
In Fig. 1 sind mit 1 die Klemmen bezeichnet, an denen eine Spannung liegt, welche die Sollfrequenz besitzt. Die Klemmen 2 und 3 werden von zwei um 90 gegeneinander verschobenen Phasenspannungen gespeist, die mit der Istfrequenz schwingen. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 4, 4' und 5, 5' sind an die Ringmodulatoren 6 und 7 angeschlossen. Der Arbeitspunkt der Modulatordioden wird dabei in bekannter Weise so gewählt, dass ein Kurzschluss der Transformatoren vermieden ist.
Die Widerstände 8, _ 8' und 9, 9' wirken als Spannungs- teiler. Mit 10 ist ein Gleichstromverstärker bezeichnet, mit 11 dessen Vorwiderstand; mit 12 ein Rückkopplungswiderstand. Der Verstärker weist ausserdem eine nicht gezeigte Verbindung zum Nulleiter 0 der Schaltung auf. Die Anordnung enthält weiterhin die Verstärker 13, 14, 15. Das gas- oder dampfgefüllte Ventil 16 ist mit der Anode über den Widerstand 17 an das positive Potential der Schaltanordnung gelegt, während die Kathode an den Nulleiter angeschlossen ist. Das Ventilgitter wird mit den Dioden 18, 19 und 20 verbunden. Zwischen den Anoden der Ventile 16 und 21 liegt der Kondensator 22.
Einen entsprechenden Schaltungsaufbau zeigen die Ventile 23 und 24. Für diese ist jedoch nur der Kopplungskondensator 22' und die Diode 33 mit Bezugszeichen versehen, während die übrigen Dioden und Widerstände nicht besonders bezeichnet sind. Die negative Klemme des Gerätes ist über die Widerstände 25 und 26 mit den Dioden 27 und 28 verbunden. Die Diode 29 wird einerseits an den Ausgang des Verstärkers 10 geschaltet, während sie anderseits am Eingang des Verstärkers 15 liegt, dessen Ausgang mit der Diode 30 in Verbindung steht. Der Regelverstärker ist mit den Klemmen 31 und 32 verbunden, an denen die Spannung UR vorhanden ist.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung dienen die Fig. 2 bis 7.
Die Fig. 2 gibt die Phasenbeziehungen zwischen
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den Spannungen rcl und u1 wieder, die an den einzelnen in Fig. 1 angegebenen Punkten der Schaltung gegenüber dem Nulleiter bestehen. Auf der Abszisse von Fig. 2 ist der Winkel (p aufgetragen, der die Phasenverschiebung zwischen der Sollfrequenzspannung (Klemmen 1 in Fig. 1) und einer Phase der Istfre- quenzspannung (Klemmen 3 in Fig. 1) angibt.
In bekannter Weise sind die an den Mittelanzapfungen der Transformatoren 5 und 5' auftretenden Spannungen u1 und u., der Grösse - sin (p bzw. - cos (p proportional. Aus den Maschengleichungen für die Spannungsteiler 8, 8' und 9, 9' folgen weiterhin die in Fig 2 festgelegten Phasenlagen für die Spannungen u#, und u4. Die Gleichstromverstärker 10, 13, 14 und 1.5 haben die Aufgabe, die Phase der an ihrem Eingang liegenden Spannung um l80 zu drehen.
Zur Erklärung des Regelvorganges seien die Gitterspannungen der Ventile 16, 21 usw. näher betrachtet. über die Diode 18 ist das Gitter des Ventils 16 mit der Spannung u1 und über die Diode 19 mit der Spannung u2 verbunden. In Fig. 3 sind die Gitterspannungen des Ventils 16 und die Spannung u1 in Abhängigkeit vom Winkel cp aufgetragen.
Für das Ventil 21 sind die entsprechenden Zusammenhänge der Fig. 4 zu entnehmen, und die Fig. 5 stellt den Verlauf der Gitterspannungen und der Spannung u1 für das Ventil 23 dar.
Es soll zunächst angenommen werden, dass der Winkel !p den Wert Null habe. In diesem Fall sind die Ventile 16, 21, 23 und 24 gesperrt, weil an ihren Gittern negative Spannungen liegen. Die Gitterspannung der Ventile richtet sich nämlich stets nach der mit dem Gitter verbundenen Diode, die das tiefste Potential aufweist. So erzeugt beispielsweise die Diode 19 am Gitter des Ventils 16 ein negatives Potential, weil für cp = 0 nach Fig. 3 die Spannung u2 negativ ist. Die Diode 18 ist hingegen mit einem positiven Potential verbunden und wird deshalb in der Sperrichtung beansprucht. Auf die Gitterspannung des Ventils 16 kann sie also keinen Einfluss ausüben.
Da sämtliche Ventile für 99 = 0 gesperrt sind, liegt an den Kathoden der Dioden 27 und 28 eine positive Spannung, so dass auch sie gesperrt sind. Die Spannung u' am Eingang des Verstärkers 15 ist demnach bei Vernachlässigung des Spannungsabfalls an der Diode 29 gleich der Spannung - u1, und am Ausgang des genannten Verstärkers tritt dann die Spannung + u1 auf.
Man wählt nun das Potential der in Fig. 1 mit + bezeichneten Klemmen stets etwas höher als die höchste positive Spannung von u1. Daher fliesst über die Diode 30 ein Strom und an der Klemme 32 liegt die Spannung + u1, die für (p = 0 ebenfalls gleich Null ist.
Sinkt infolge einer Störung die Istfrequenz ab, so nimmt der Winkel 9p in negativer Richtung zu und die Spannung ua, folgt dem sinusförmigen Verlauf von u, (Fig. 6). Bei rp = -,-t/4 zündet das Ventil 21, da dessen Gitterspannung positiv wird (Fig.4). Wenn das Ventil ein Schirmgitter besitzt, lässt es sich durch entsprechende Wahl der Schirmgitterspannung erreichen, dass die Zündung beim Nulldurchgang der Gitterspannung erfolgt. Das gezündete Ventil 21 beeinflusst die Spannung uFZ zunächst jedoch nicht. Diese Spannung wird aber im weiteren Verlauf durch das Ventil 16 gesteuert.
Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, zündet dieses Ventil beim Winkel 99 =-W2. Hierdurch sinkt die Anodenspannung auf den geringen Wert der Brennspannung ab, und infolge der Kopplung über den Kondensator 22 fällt die Anodenspannung des Ventils 21 so weit, dass es gelöscht wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass bei (p = -.-r/2 die Gitterspannung des Ventils 21 einen negativen Wert annimmt. Diese Tatsache allein würde aber die Löschung nicht ermöglichen, da bei einer gas- oder dampfgefüllten Röhre lediglich der Zündeinsatz mit Hilfe der Gitterpannung festgelegt werden kann, während eine Löschung auch durch eine negative Spannung nicht erreichbar ist.
Infolge der Zündung des Ventils 16 liegt nun die Diode 27 an einem konstanten negativen Potential, das dem Betrage nach etwas grösser ist als der Grösstwert von u,. Folglich ist jetzt die Diode 29 gesperrt und u' besitzt einen konstanten Wert. Durch den Verstärker 15 wird rcl; für Winkel, die kleiner als - z/2 sind, zu einer konstanten positiven Grösse. Dieser Verlauf ist erforderlich, um eine eindeutige Regelung zu erzielen.
Im Bereich von 97 = -,7/2 bis (p = - 2.7 ist die Sinusfunktion für den Regelvorgang nämlich nicht brauchbar, da trotz Vergrösserung des Winkels - rp die dem Regelverstärker zugeführte Spannung verkleinert oder gar negativ würde. Deshalb erfolgt bei der vorliegenden Einrichtung die vorstehend beschriebene Umschaltung auf eine konstante Spannung. Man könnte an sich bei 2 z auf die Sinus- funktion zurückschalten, doch würde der dabei auftretende Spannungssprung zu Schwingungen Anlass geben. Deshalb wird die Zurückschaltung erst bei einem grösseren negativen Winkel vorgenommen, der durch die erzeugte Zündung des Ventils 21 bestimmt ist.
Aus der Fig. 4 ist zu entnehmen, dass das Ventil 21 bei 9p = -9 ar/4 wieder zündet und damit die Löschung des Ventils 16 bewirkt. Die Spannung uiZ weist demnach einen Verlauf auf, wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Falls nach der Zurückschaltung auf die Sinusfunktion die Istfrequenz immer noch tiefer liegt als die Sollfrequenz, folgt UR dem ansteigenden Ast der Sinusschwingung, im umgekehrten Fall aber dem abfallenden.
Unter der Voraussetzung, dass bereits im Punkte A (Fig. 6) die Istfrequenz mit der Sollfrequenz übereinstimmt, wird die Zurückregelung auf dem durch den Pfeil angedeuteten Wege vorgenommen. Es sei noch bemerkt, dass es erforderlich ist, die Zündung des Ventils 23 zu verhindern, solange das Ventil 16 brennt. Die Spannung ua würde nämlich sonst von einem konstanten positiven Wert auf einen -konstanten negativen Wert umgeschaltet werden, und eine ordnungsgemässe Regelung wäre dann unmöglich. Gemäss Fig. 5 ist der Zündeinsatz für das Ventil 23 bei cp = - 3 .r/4 gegeben.
Die
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Diode 33 verhindert dies jedoch, da sie an das Gitter des Ventils 23 ein negatives Potential legt, wenn die Röhre 16 brennt. Es wird hierdurch die erforderliche Verriegelung erreicht.
Im vorstehenden sind die Vorgänge bei einer Verringerung der Istfrequenz beschrieben worden. Analoge Überlegungen gelten bei ihrem Ansteigen über die Sollfrequenz. Die Ventile 23 und 24 übernehmen dann die den Ventilen 16 und 21 entsprechenden Funktionen, und die Spannung UR verläuft nach Fig. 7.
Die beschriebene Einrichtung kann dazu dienen, eine Maschinendrehzahl konstant zu halten, sie kann aber auch zum Synchronisieren von Synchrongeneratoren verwendet werden. Im letzteren Fall wird das Regelsignal dem Turbinenregler zugeführt.