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Regelungsvorrichtung zur Konstanthaltung der Spannung eines Drehstrom-Synchron-Generators Regelungsvorrichtungen zur Konstanthaltung der Spannung eines elektrischen Generators werden beispielsweise in Prüf- und Eichstationen für Messgeräte, wie z. B. Wattmeter und Elektrizitätszähler, verwendet.
Zum Eichen von Messgeräten wird eine genau geregelte, verzerrungsfreie Spannung verlangt, die höchstens um 0,05% vom Sollwert abweichen darf. Bedenkt man, dass die Spannung der Stromversorgungsnetze Abweichungen von der Nennspannung bis zu 101/o aufweisen kann, so ist es klar, dass eine so hohe Anforderung bezüglich Spannungskonstanz zu besonderen regeltechnischen Problemen führt.
Da statische Wechselspannungsstabilisatoren derartig grosse Netzspannungsschwankungen und die überdies zu berücksichtigenden Belastungsschwankungen von Null- bis Vollast nicht mehr auszuregu- lieren vermögen, wird die Versorgungsspannung einem geregelten Generator entnommen. Bekannte Regelungsvorrichtungen der eingangs erwähnten Art weisen einen vom Versorgungsnetz gespeisten Synchronmotor auf, der mit einem Synchrongenerator und einem Gleichstromgenerator zur Erregung des Hauptgenerators gekoppelt ist.
Da die Netzfrequenz viel geringeren Schwankungen unterworfen ist als die Netzspannung, ist die Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors verhältnismässig konstant und die Schwankungen der Spannung des Synchrongenerators sind daher schon wesentlich geringer als diejenigen der Netzspannung. Die gleichgerichtete Generatorspannung wird dann als Regelgrösse einem Regler zugeführt, der einen magnetischen oder elektronischen Verstärker enthält. Da es mit einem magnetischen Verstärker schwieriger ist, den Oberwellengehalt auf das zulässige Mass einzuschränken, wird für hohe Genauigkeitsanforderungen ein elektronischer Verstärker verwendet.
Die Regelgrösse wird dann mit einer meistens von einer Stabilisiereinrichtung herrührenden Sollwertspannung verglichen, wonach die verstärkte Regelabweichung die Erregung des Syn- chrongenerators so steuert, dass allfällige Abweichungen der Generatorspannung ausreguliert werden. Für Drehstrom kommt oft noch die Bedingung hinzu, dass Verzerrungen des Spannungsdreieckes infolge asymmetrischer Belastung der Phasen ausreguliert werden müssen. Zu diesem Zweck ist bei einer bekannten Regelungsvorrichtung für jede der drei Phasen ein Generator vorgesehen. Die Statorwicklungen der drei Generatoren sind um 120 gegeneinander versetzt.
Jedem Generator ist zur Konstanthaltung seiner Spannung ein Röhrenregler zugeordnet. Der Aufwand solcher Regelungsvorrichtungen ist beträchtlich, insbesondere für grössere Generatorleistun- gen in der Grössenordnung von 10 bis 100 kVA. Mit zunehmender Leistung nimmt nämlich auch die Erregerleistung und damit der erforderliche Röhrenaufwand in der Leistungsstufe zu. Um keinen grossen Aufwand an Leistungsröhren treiben zu müssen, ist bereits vorgeschlagen worden, eine Kombination von drei Generatoren mit einem Transformator vorzusehen.
Diese Generatoren liefern dann einen Teil (etwa 200h) der totalen Energie, der notwendig ist, um die grösstmöglichen Spannungsschwankungen auszugleichen, während dem Transformator der rest- liche Teil (etwa 80% entnommen wird. Dieser be- kannten Anordnung haftet jedoch der schwerwiegende Nachteil an, dass die Verzerrungen der Netzspannungen und alle Störeinflüsse unabgeschwächt in das geregelte Netz eindringen können.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung zur Konstanthaltung der Spannung eines Drehstrom-Synchron-Generators mit einem aus einem Messgleichrichter, einer Frequenzkompensationsein-
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richtung, einer Vorverstärkerstufe und einer Leistungsstufe bestehenden elektronischen Regler in dem die der Differenz des Ist- und Sollwertes entsprechende Regelabweichung gebildet und verstärkt wird und die verstärkte Regelabweichung die Erregung des Generators steuert, bei der die vorerwähnten Nachteile dadurch beseitigt sind, dass zur Speisung der Erregerwicklung des Drehstromsynchrongenera- tors eine Verstärkererregermachine vorgesehen ist,
deren Erregerwicklung durch die Leistungsstufe gesteuert ist und die Vorverstärkerstufe durch einen Differentialverstärker gebildet ist, dessen eine Elektronenröhre als Verstärker zur Verstärkung der Regelabweichung und dessen andere Elektronenröhre als Kathodenfolger geschaltet ist, während die Kathoden beider Röhren über einen gemeinsamen Kathodenwiderstand an einem festen negativen Potential gegenüber der gemeinsamen Bezugsbasis der Regelungsvorrichtung liegen,
wobei Mittel zur Kompensation der Heizspannungsschwankungen der Röhren der Vorverstärkerstufe sowie Mittel zur Kompensation von Anodenspannungsschwankungen und eine an die Erregerspannung des Drehstromsynchrongene- rators angeschlossene Rückführeinrichtung, die auf das Steuergitter des Kathodenfolgers wirkt, vorgesehen sind.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschemä einer Regelungsvorrichtung gemäss der Erfindung und Fig. 2 ein Schaltschema dieser Regelungsvorrichtung.
In der Fig.l bedeutet 1 einen Drehstromsyn- chronmotor, der an das Netz R, S, T angeschlossen ist und einen Drehstromsynchrongenerator 2 antreibt, der ein zu regelndes Netz U, V, W speist. Die Erregung des Generators 2 erfolgt durch eine Erregerwicklung 3, die von einer von einem nicht dargestellten Drehstrommotor angetriebenen Verstärkererregermaschine 4 gespeist wird. Die Erregerwicklung 5 der letzteren wird von einem aus den Teilen 6, 7 und 8 bestehenden Regler gespeist.
Die zu regulierende Netzspannung U, V, W wird dem als Mess- gleichrichter ausgebildeten Teil 6 des Reglers zugeführt, der eine dreiphasige Vollweggleichrichtung vornimmt und an seinem Ausgang eine dem Mittelwert der drei verketteten Phasenspannungen proportionale Gleichspannung abgibt. Diese Gleichspannung bildet die Regelgrösse und wird in dem als Vorverstärker ausgebildeten Teil 7 des Reglers mit einer konstanten Sollwertspannung verglichen. Die verstärkte Differenzspannung steuert über den als Leistungsstufe ausgebildeten Teil 8 des Reglers den Strom für die Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine 4.
Die Anordnung ist so getroffen, dass bei Abweichungen der Regelgrösse vom Sollwert die Leistungsstufe 8 die Erregermaschine 4 und damit die Erregung des Generators 2 derart steuert, dass die Abweichung rückgängig gemacht wird. Die Fig. 2 zeigt die Regelungsvorrichtung im Detail. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen angedeutet wie in der Fig.l. Der Messgleichrichter 6 enthält drei Transformatoren 9, 10, 11, deren Primärwicklungen 12, 13, 14 einerseits an die Phasen U, V, W des Generators 2 angeschlossen und anderseits mit dem Abgriff je eines in Dreieckschaltung an den Phasen U, V, W liegenden Potentiometers 15, 16 und 17 verbunden sind.
Jeder Transformator 9 bis 11 besitzt ferner je eine Vormagnetisierungs- wicklung 18, die in Reihe geschaltet und an eine Spannung gelegt sind, die einem parallel zur Erregerwicklung 5 geschalteten Potentiometer 19 entnommen wird. Die Sekundärwicklungen 20 der Transformatoren 9 bis 11 weisen eine Mittelanzapfung 21 auf und bilden zusammen mit je zwei Ventilen 22 bzw. 23 bzw. 24 drei Gegentaktgleichrichterschal- tungen, die zusammen eine sechsphasige Sternschaltung ergeben.
Dank der sechsphasigen Gleichrichtung kann die Brummspannungskomponente klein gehalten werden, so dass keine umfangreichen Siebmittel vorgesehen zu werden brauchen, die infolge ihrer grossen Zeitkonstante den Regelvorgang beträchtlich verzögern würden. Die an der sechsphasigen Sternschaltung auftretende Gleichspannung ist dem Mittelwert der drei verketteten Spannungen des zu regelnden Netzes U, V, W proportional und bildet die Regelgrösse, die an einem Potentiometer 25 abgegriffen wird. Dank dieser Mittelwertbildung wirken sich Verzerrungen des Spannungsdreieckes infolge asymmetrischer Belastung weniger stark aus, als es der Fall wäre, wenn als Regelspannung nur eine der gleichgerichteten verketteten Spannungen herangezogen würde.
Die Potentiometer 15 bis 17 sind so eingestellt, dass die unvermeidlichen kleinen Unterschiede der Gleichrichtercharakteristiken ausgeglichen werden. Die vom Potentiometer 25 abgenommene Regelspannung wird über einen Widerstand 26 der Vorverstärkerstufe 7 zugeführt. Diese wird durch einen Differentialverstärker gebildet, der aus zwei Elektronenröhren 27, 28 besteht, wobei die Röhre 27 als Verstärkerröhre und die Röhre 28 als Kathodenfolger geschaltet ist. Die Kathoden 29 der Röhren 27, 28 haben einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 30.
Dieser ist an den Minuspol einer durch zwei Stabilisatorröhren 31, 32 stabilisierten Gleichspannung U1 angeschlossen, die von einem nicht dargestellten Netzgleichrichter geliefert wird. Die Stabilisatorröhren sind über einen Widerstand 33 an die Gleichspannung Ui angeschlossen und ein Kondensator 34 liegt parallel zu den Stab.ilisatorröh- ren 31, 32. Die Anode 35 der Röhre 28 ist an den Pluspol der durch die Stabilisatorröhren 31, 32 stabilisierten Gleichspannung U1 angeschlossen.
Ein Widerstand 36 verbindet das Steuergitter 38 des Kathodenfolgers 28 mit der Verbindungsleitung 37 zwischen den beiden Stabilisatorröhren 31, 32, wodurch die Stabilisatorröhre 32 gleichzeitig als Ver- gleichsspannungsquelle dient. Die Anode 39 der
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Verstärkerröhre 27 ist über einen Anodenwiderstand 40 an den Pluspol einer Gleichspannung UZ angeschlossen, die von einem zweiten, ebenfalls nicht dargestellten Netzgleichrichter herrührt. Die Leistungsstufe 8 besteht aus einer Anzahl parallel geschalteter Röhren 41 in Kathodenfolgerschaltung, von denen einfachheitshalber nur zwei dargestellt worden sind.
Die Anoden 42 und die Schirmgitter 43 dieser Röhren sind je über einen niederohmigen Schutzwiderstand 44 bzw. 45 an den Pluspol der Gleichspannung U2 angeschlossen. Die Steuergitter 46 der Röhren 41 sind je über einen Schutzwiderstand 47 mit der Anode 39 der Röhre 27 der Vorverstärkerstufe 7 verbunden. Die Spannung für das Schirmgitter 48 der Röhre 27 wird an einem an die Gleichspannung U2 angeschlossenen Potentiometer 49 abgegriffen. In Reihe mit den Kathoden 50 der Röhren 41 liegt die Erregerwicklung 5 der Verstär- kererregermaschine 4, welche ihrerseits die Erregerwicklung 3 des Drehstromsynchrongenerators 2 speist.
An die Kathoden 50 der Röhren 41 ist ferner ein Kondensator 51 angeschlossen, der anderseits mit dem Steuergitter 52 der Röhre 27 verbunden ist. Ein parallel zur Erregerwicklung 3 liegendes Potentiometer 53 bildet mit einem Kondensator 54 und dem Widerstand 36 des Vorverstärkers 7 eine Rückführung. Schliesslich ist noch eine Frequenzkom- pensationseinrichtung 55 vorgesehen, welche die Fre- quenzabhängigkeit des Messgleichrichters 6 kompensiert. Sie enthält einen an die Phasen U und W des zu regelnden Netzes angeschlossenen Serieresonanz- kreis, bestehend aus einem Kondensator 56 und der Primärwicklung 57 eines Transformators 58.
Die Resonanzfrequenz dieses Serieresonanzkreises ist grösser gewählt als die Frequenz des Netzes U, V, W, so dass im linearen Teil der Resonanzkurve gearbeitet wird, in dem die Stromänderungen den Frequenz- änderungen proportional sind. Die an der Sekundärwicklung 59 des Transformators 58 abgegebene Spannung ist dann der Frequenzabweichung proportional. Zu dieser Spannung wird eine frequenzunabhängige Spannung addiert, die an einem ebenfalls an die Phasen U, W des zu regelnden Netzes U, V, W angeschlossenen Potentiometer 60 abgegriffen wird.
Die vektorielle Summe der beiden Spannungen wird der Primärwicklung 61 eines Transformators 62 zuge- führt. Die an der Sekundärwicklung 63 des Transformators 62 einstellbar abgegriffene frequenzabhän- gige Sekundärspannung wird mit einem Gleichrichter 64 in eine frequenzabhängige Gleichspannung umgewandelt und über den Widerstand 26 in kompensierendem Sinne in den Steuergitterkreis der Verstärkerröhre 27 des Vorverstärkers 7 eingeführt, wodurch letzterer frequenzunabhängig gesteuert wird. Die beschriebene Schaltungsanordnung liegt an einer Bezugsbasis 65, die vorzugsweise geerdet ist.
In der Fig.2 ist diese durch dick ausgezogene Linien angedeutet.
Die Regelungsvorrichtung arbeitet folgendermassen: Sinkt beispielsweise die Spannung U, V, W des Drehstromsynchrongenerators 2, so sinkt auch die Regelspannung am Gitter 52 der Verstärkerröhre 27. Der Anodenstrom der Verstärkerröhre 27 geht infolgedessen zurück, so dass das Potential an der Anode 39 und damit das Gitterpotential an den Leistungsröhren 41 steigt. Der an den Leistungsröhren 41 auftretende Spannungsabfall nimmt daher ab, was eine Vergrösserung der Spannung an der Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine 4 zur Folge hat.
Die Spannung der Verstärkererreger- maschine 4 nimmt folglich zu, so dass der Drehstromsynchrongenerator 2 stärker erregt und damit seine Ausgangsspannung U, V, W auf den Sollwert zurückgeführt wird. Steigt die Spannung U, V, W des Drehstromsynchrongenerators 2 über den Sollwert an, so erfolgt der Regelvorgang in umgekehrtem Sinne. Da das Potential der Kathoden 29 der Röhren 27, 28 dank der Stabilisierung des Gitterpotentials der Kathodenfolgerröhre 28 konstant ist, kommt die Änderung des Gitterpotentials der Röhre 27 praktisch als Änderung ihres Anodenstromes voll zur Wirkung. Die mit der Röhre 27 erzielbare Verstärkung wird daher voll ausgenutzt.
Der Regulier- widerstand 33 ist so eingestellt, dass der Einfluss von Schwankungen der Spannung U1 und der Heizspan- nung der Röhren 27, 28 auf die Spannung des Dreh- stromsynchrongenerators 2 auf ein Minimum reduziert ist. Auch der Einfluss von Schwankungen der Spannung U., wird durch geeignete Einstellung des Potentiometers 49 grösstenteils kompensiert. Steigt beispielsweise die Spannung U2, so wird auch die Spannung am Schirmgitter 48 der Röhre 27 grösser.
Das Potential der Anode 39 dieser Röhre nimmt daher ab, was eine Vergrösserung des Innenwiderstandes der Leistungsröhren 41 zur Folge hat. Der dadurch entstehende vergrösserte Spannungsabfall an diesen Röhren wirkt der durch den Anstieg der Spannung U2 bedingten Vergrösserung ihrer Anodenströme entgegen. M.it zusätzlichen Stabilisierungsmitteln kann die Reduktion des Einflusses der Spannungsschwankungen von U1 und U2. auf die Spannung des Drehstromsynchrongenerators 2 natürlich vergrössert werden.
Der dadurch bedingte Mehraufwand wird jedoch bei der vorliegenden Regelungsvorrichtung in sehr zweckmässiger Weise dadurch umgangen, dass die Spannung für die Speisung der Netzgleichrichter für die Erzeugung der Spannungen Ui und U2, sowie die Spannung für die Heizung der Röhren 27, 28 und 41 nach der Inbetriebnahme der Regelungsvorrichtung von der geregelten Generatorspannung her bezogen wird. Der Kondensator 51 dient zur Kompensation des Einflusses der Brummspannungskomponente der gleichgerichteten Regelspannung, in dem die verstärkte Brummspannungskomponente von der Kathodenseite der Leistungsstufe 8 her gegenphasig auf das Steuergitter 52 der Röhre 27 zurückgeführt wird.
Die auf den Transformatoren 9 bis 11 vorgesehenen Vormagnetisierungswicklungen 18, die über das Poten-
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tiometer 19 von einer der Erregerspannung der Ver- stärkererregermaschine 4 proportionalen Gleichspannung gespeist werden, ergeben einen zusätzlichen Steuereffekt, der zusammen mit der Verstärkung der Vorverstärkerstufe 7 eine Regelgenauigkeit von mindestens 1 : 2000 (0,05 O/o) gewährleistet.
Neben dem Vorzug des geringen Brummspannungsanteils ergibt die dreiphasige Gleichrichteranordnung den Vorteil, dass die Summe der in den Vormagnetisie- rungswicklungen 18 induzierten Wechselspannungen Null ist, weil diese gegeneinander um 120 phasenverschoben sind. Die Rückführung 53, 54, 36 dient dazu, die Regelung zu stabilisieren, was im Hinblick auf die durch die Zeitkonstanten im Regelkreis bedingte Phasendrehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal notwendig ist. Das Potentiometer 53 ist so eingestellt, dass der stationäre Endzustand beim Regelvorgang gerade ohne Überschwingen erreicht wird, die Regelgrösse dem Sollwert also aperiodisch zustrebt.
Dadurch, dass zur Speisung der Erregerwicklung 3 des Drehstromsynchrongenerators 2 eine Verstärkererregermaschine 4 vorgesehen ist, bleibt der Aufwand an Leistungsröhren 41 gering. Um dabei die Spannung an der Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine 4 auf den bei Leerlauf des Drehstromsynchrongenerators 2 erforderlichen kleinen Wert bringen zu können, sind die Röhren 27, 28 des Vorverstärkers 7 kathodenseitig an ein festes negatives Potential gegenüber der gemeinsamen Bezugsbasis 65 gelegt.
Da die Vorver- stärkerstufe 7 als Differentialverstärker geschaltet ist, kann über dessen Kathodenfolgerteil 28 die Rückführgrösse der Rückführeinrichtung 53, 54, 36 die Verstärkerröhre 27 steuern, trotzdem das Steuergitter 52 bereits für die Steuerung durch die Regelgrösse belegt ist. Die Vorkehrungen, die zur Kompensation des Einflusses der Heizspannungsschwan- kungen der Röhren 27, 28 getroffen sind, sorgen dafür, dass Netzspannungsschwankungen keinen unerwünschten Einfluss auf die Regelgenauigkeit mehr haben.
Insgesamt ergeben die vorgeschriebenen Massnahmen eine ausserordentlich hohe Regelgenauigkeit, die auch bei starken Netzspannungs- und Belastungsschwankungen eingehalten wird. Dank der konsequenten Durchführung einer gemeinsamen Bezugsbasis 65 arbeitet die Regelungsvorrichtung sehr stabil und neigt nicht zu Selbsterregung.