DE1045517B - Elektrisch betaetigte Steuereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch betätigte Steuereinrichtung mit einem wechselstromgespeisten Thyratron und einem Multivibrator zur Korrektur einer beliebigen physikalischen Größe, wobei die Korrektur durch einen Regler ausgelöst wird, dessen Ausgangsstrom eine Komponente enthält, welche proportional der Abweichung der zu regelnden Größe von ihrem Sollwert ist.

Die Verwendung von Thyratrons in Regeleinrichtungen zur Konstanthaltung des Wertes einer physikalischen Größe auf einem Sollwert ist allgemein bekannt. In solchen Anordnungen tritt das Thyratron in Funktion, sobald die zu regelnde Größe von ihrem Sollwert abweicht; es arbeitet dabei so, daß es seinerseits Regeleinrichtungen wie z. B. ein Heizelement, ein Ventil oder andere Regelglieder so einstellt, daß der Gleichgewichtszustand wieder erreicht wird. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß eine Proportionalitätsregelung erreicht wird, d. h., daß der Ausgangsstrom des Thyratrons proportional der Abweichung der zu regelnden Größe von ihrem Sollwert ist, also dem in dem System auftretenden Fehler entspricht.

In Regeleinrichtungen wie dieser wird üblicherweise die Anode des Thyratrons mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist, und die Schaltung ist so· ausgelegt, daß das Thyratron einen Ausgangsstrom ergibt, der dem im System auftretenden Fehler entspricht, indem die Zeit, während der das Thyratron in jeder Halbwelle leitet, verändert wird (bei einem einzelnen Thyratron tritt während der negativen Halbwellen der Speisespannung keine Stromleitung auf).

Einen Betrieb des Thyratrons in dieser Form erreicht man dadurch, daß man den Zündzeitpunkt innerhalb der Dauer der positiven Halbwelle verschiebt. Die übliche Art und Weise, um ein Thyratron zu zünden, besteht in einer Absenkung seiner negativen Gittervorspannung bis zu einem kritischen Gittervorspannungswert. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, daß der negativen Gittervorspannung eine Gleich- oder Wechselspannung überlagert wird, oder aber dadurch, daß man das 'Gitter an eine Impulsquelle legt. Die Wirkungsweise dieser Methoden beruht darauf, daß während der Dauer der einzelnen Perioden der überlagerten Steuerspannung der kritische Wert der Gittercharakteristik durchlaufen wird. Die Zeit, während der das Thyratron in jeder positiven Halbwelle leitet, wird im Falle der Gleichstromsteuerung durch eine Veränderung des Gittervorspannungspegels bestimmt. Im Falle der Steuerung mit Wechselstrom oder Impulsen kann die Länge der Zeitintervalle, während denen das Thyratron leitet, durch eine Verschiebung der Phase der sinusförmigen Elektrisch betätigte Steuereinrichtung

Anmelder:

The Distillers Company Ltd.,
Edinburgh (Großbritannien)

Vertreter:

Dr. W. Schalk und Dipl.-Ing. P. Wirth, Patentanwälte, Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 13. Mai 1955

Michael Henry Spearing,

Great Burgh, Epsom, Surrey (Großbritannien),

ist als Erfinder genannt worden

Wechselspannung oder durch eine Verschiebung der Impulse im Verhältnis zur Anodenspannung des Thyratrons erreicht werden. Das Gitter kann auch bei Vorhandensein einer einstellbaren direkten Grundgittervorspannung in Reihe mit dieser mit Wechselstrom gespeist werden. Die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen zeigen die Steuerung eines Thyratrons in dieser bekannten Art bei Verwendung einer Impulsquelle.

Bisher war es nicht möglich, einen für viele An-Wendungen genügend genauen Grad der Regelung der Zeitabschnitte, in denen das Thyratron leitend wird, zu erreichen. Zur Erzielung eines genauen und gleichmäßigen Zündens des Thyratrons muß das Zündsignal den kritischen Wert der Gittercharakteristik unter einem großen Winkel gegenüber der Zeitachse schneiden. Dies ist mit Gleich- oder mit Wechselstrom nicht oder nur sehr schwer zu erreichen, nämlich nur dann, wenn ein Wechselstrom großer Amplitude zur Verfügung steht, dessen Verwendung aber aus anderen Gründen nicht wünschenswert erscheint. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei Verwendung von Impulsen oder von Wechselstrom mit hoher Amplitude zwar ein großer Zündwinkel erreicht wird, dafür aber die Phasenschieberanordnung zur Veränderung der Leitfähigkeitszeit nicht genügend empfindlich gemacht werden kann. Die Phasenverschiebung kann entweder mechanisch eingestellt werden, in welchem Falle die Genauigkeit der erreichten Regelung nur grob ist, oder aber elektrisch, wobei es nötig wird, komplizierte

809 697/43+

Schaltungen anzuwenden, die eine oder mehrere Röhren enthalten und meist noch außerdem einen Servomechanismus benutzen. Das ganze System solcher Einrichtungen ist dabei meist wenig anpassungsfähig und bedarf häufiger und kritischer Ein-Stellungen.

Es ist auch bekannt, zur Erzielung einer höheren Genauigkeit bei einer Regelung dieser Art das von einem Multivibrator ausgehende Signal dem von dem Wechselstrom gebildeten Zündsignal zu überlagern, um Pendelerscheinungen auszuschalten. Dabei wird ein Gleichstromfehlersignal von einem Detektor einem Phasenschieber zugeführt und steuert am Gitter eines Thyratrons eine Wechselspannung, indem es den Zündzeitpunkt des Thyratrons festlegt.

Demgegenüber dient die Erfindung dazu, bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art eine empfindlichere und genauere Regelung zu ermöglichen, als dies mit den bisher bekannten Einrichtungen möglich war. Zur Korrektur des Wertes der physikalischen Meßgröße, die durch irgendwelche Einflüsse von einem vorgeschriebenen Sollwert abweicht, soll dabei die Regelung durch ein Fehlersignal ausgelöst werden, das von einer Aufnahmeeinrichtung empfangen wird, die ihrerseits einen Ausgangsstrom liefert, der eine Komponente enthält, die in jedem Augenblick den Abweichungen der geregelten Größe von ihrem Sollwert proportional ist. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß der Multivibrator mit einer Frequenz schwingt, die entweder der Netzfrequenz oder einem ihrer ganzzahligen Vielfachen oder einem echten Bruchteil der Netzfrequenz synchron ist, daß er das Fehlersignal von dem Regler erhält und in seinem Anodenkreis die Zündspannung für das Thyratron erzeugt, wobei das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsabstand des Stromes im Anodenkreis des Multivibrators durch das Fehlersignal gesteuert wird und wodurch wiederum eine Steuerung des Zündmomentes des Thyratrons (während jeder positiven Halbwelle) erfolgt.

Der Multivibrator kann in diesem Falle ein Kippgenerator bekannter Ausführung sein, der im wesentlichen aus einem zweistufigen widerstandgekoppelten Verstärker besteht, bei dem die Ausgangsspannung jeder der beiden Röhren dem Gitter der anderen Röhre zugeführt wird. Bei Speisung des Anodenkreises des Multivibrators mit Gleichstrom schwingt dieser, d. h. der Anodenstrom einer Röhre steigt schnell auf einen hohen Wert an, während derjenige der zweiten Röhre auf Null abfällt, und zwar während eines Zeitintervalls, das von der Wahl der Widerstands- und Kondensatorwerte der Kopplungselemente abhängt; danach kehrt sich das Verhältnis um, und der Anodenstrom der zweiten Röhre steigt an, während derjenige der ersten Röhre auf den Wert Null abfällt. Der Ausgangsstrom an der Anode jeder der beiden Röhren besitzt daher eine Rechteckform. Der Multivibrator kann durch entsprechende Wahl der Schaltelemente auf jede beliebige Frequenz eingestellt werden; er kann leicht durch Anlegen eines regelmäßigen Impulses an das Gitter einer der Röhren synchronisiert werden, wodurch die Röhre zum Kippen gebracht wird.

Der Multivibrator, mit dem das Thyratron in der Regeleinrichtung der vorliegenden Erfindung zusammenarbeitet, ist so ausgelegt, daß er mit einer Schwingungsfrequenz arbeitet, die entweder mit der Frequenz des Speisewechselstromes für das Thyratron selbst oder aber mit einem ganzzahligen Vielfachen oder einem geradzahligen Bruchteil dieser Frequenz synchronisiert ist. Die Synchronisation kann auf ver-.schiedene bekannte Arten erreicht werden, z. B. mechanisch oder mittels eines Impulsgenerators. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Multivibrator mit einem Synchronisierungs-Impulsgenerator zusammen. Eine zum Phasenvergleich dienende Sinusschwingung der gleichen Frequenz wie der dem Thyratron zugeführte Wechselstrom wird einem Transformator entnommen und dem Impulsgenerator zugeleitet, der zuerst die Schwingung zu einem Rechteck formt und sie dann differenziert, so daß eine Folge von abwechselnden Impulsen der gleichen Frequenz wie die ursprüngliche Sinuswelle entsteht. Die Impulse werden an das Gitter der ersten Röhre des Multivibrators angelegt, der durch eine entsprechende Wahl der Widerstands- und Kondensatorwerte der Kopplungselemente auf eine Grundfrequenz abgestimmt ist, die etwas niedriger liegt als die Frequenz der Impulse und wobei die Synchronisation nur durch die positiven und nicht durch die negativen Impulse erfolgt.

Das Fehlersignal, das vom Aufnahmegerät kommt, wird dem Multivibrator am Gitter der zweiten Röhre zugeführt, und zwar als eine Gittervorspannung, die den Zeitpunkt des Kippens der Röhre regelt. Der Zeitpunkt des Kippens der ersten Röhre des Multivibrators wird also durch eine Frequenz bestimmt, die mit derjenigen des Speisewechselstroms des Thyratrons identisch ist, während der Zeitpunkt des Kippens der zweiten Röhre durch die Größe der in Abhängigkeit vom Fehlersignal angelegten Gittervorspannung bestimmt wird. Eine Änderung des Fehlersignals verursacht daher eine Änderung des Zeitpunktes während der betreffenden Halbwelle, zu dem die zweite Röhre kippt, mit anderen Worten, eine Änderung im Verhältnis von Impulslänge zu Impulsabstand des Stromes im Anodenkreis der zweiten Röhre. In der folgenden Beschreibung soll unter Impulslänge die Größe χ und unter Impulsabstand die Größe y nach Fig. 3 verstanden werden.

Die Spannung aus dem Anodenkreis der zweiten Röhre des Multivibrators wird dem Gitter des Thyratrons als Zündsignal zugeführt. Da dieses Signal eine Rechteckform mit steiler Flanke besitzt, wird eine sichere Steuerung erreicht. Es ist jedoch auch möglich, den Anodenwechselstrom in einem Impulsgenerator zu differenzieren, der dem entspricht, der zur Synchronisation verwendet wird, so daß das Gitter des Thyratrons mit einer Impulsfolge gespeist wird. Es ist leicht einzusehen, daß eine Änderung des Verhältnisses der Impulslänge zum Impulsabstand der Stromstöße aus dem Anodenkreis der zweiten Röhre des Multivibrators, welche durch ein von Abnahmegerät geliefertes Fehlersignal verursacht wird, eine entsprechende Änderung des Zündzei.tpunktes des Thyratrons während der positiven Halbwellen zur Folge hat und somit die Zeit verändert, während der das Thyratron in jeder Halb welle leitet. Es entsteht also· ein Ausgangsstrom des Thyratrons, der eine Funktion des in der Anordnung aufgetretenen Fehlers ist.

Es ist zwar möglich, eine Steuerung des Thyratrons bei jeder Phasenbeziehung zwischen dem Speisewechselstrom des Thyratrons und dem Anodenstrom der zweiten Röhre des Multivibrators zu erreichen, aber zur Erzielung einer sicheren Steuerung während einer vollen Halbwelle ist es zweckmäßig, das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsabstand nicht unter einen kritischen Wert zu senken. Aus diesem Grunde wird die Phase des Anodenstromes des Multivibrators vorzugsweise so> weit vorverschoben, daß eine Phasen-

differenz zwischen ungefähr 45 und 135°, am besten aber von 90° entsteht. Dies kann durch Verwendung eines üblichen Phasenschiebers zusammen mit dem synchronisierten Impulsgenerator erreicht werden.

Es ist günstig, das Thyratron durch eine negative Gittervorspannung zu schützen, so daß bei auftretenden Fehlern, z. B. dann, wenn der Multivibrator ausfällt, das Thyratron nicht dauernd unter Strom steht.

Die Erfindung wird im einzelnen an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 und 2 sind graphische Darstellungen, welche die bekannte und übliche Steuerung eines Thyratrons durch eine Impulsquelle und ein Phasenschiebernetzwerk zeigen;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Synchronisation eines Multivibrators und den Einfluß der Veränderung des Verhältnisses von Impulslänge zu Impulsabstand zeigt, wenn der Anodenstrom der zweiten Röhre des Multivibrators an das Gitter des Thyratrons gelegt wird;

Fig. 4 ist ein Schaltschema einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 stellt die Kurve 1 eine sinusförmige Wechselspannung dar, die der Anode des Thyratrons zugeführt wird.

Die Kurve 2 zeigt die kritische Gittercharakteristik des Thyratrons, d. h. die Gittervorspannung, bei der die Röhre bei Anlegen einer gewissen Anodenspannung leitfähig wird. Das Gitter des Thyratrons wird von einer Impulsquelle gespeist, in der die Phasenlage der Impulse 3 veränderbar ist. Das Thyratron zündet in dem Augenblick, in welchem der Impuls die kritische Gittercharakteristik schneidet. Die Länge der Leitfähigkeitsperioden des Thyratrons wird durch eine Verschiebung der Phasenlage der Impulse in bezug auf die Wechselspannung an der Anode erreicht. In Fig. 1 leitet das Thyratron während beinahe einer ganzen Halbwelle. Dieser Zeitraum der Leitfähigkeit ist durch Schraffierung angedeutet.

In Fig. 2 ist durch eine Verschiebung der Phasenlage der Impulse in bezug auf die Anodenwechselspannung die Dauer der Leitfähigkeit des Thyratrons auf einen kleineren Wert verringert.

Fig. 3 zeigt die Steuerung eines Thyratrons gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kurve 4 deutet den Ausgangsstrom eines Synchronisations-Impulsgenerators S an. Die Kurven 5 und 6 sind sinngemäß die Darstellungen der Gitterspannung und des Anodenstromes der ersten Röhre V₁ eines Multivibrators. Entsprechend zeigen die Kurven 7 und 8 die Gitterspannung und den Anodenstrom der zweiten Röhre V₂. Kurve 9 ist die Wechselspannung, die der Anode des Thyratrons zugeführt wird und Kurve 10 eine Darstellung der kritischen Gittercharakteristik des Thyratrons.

Die Synchronisierimpulse 4, die durch 5¹ erzeugt werden, haben dieselbe Frequenz wie die Wechselspannung 9 des Thyratrons, jedoch eine Phasendifferenz von + 90°; sie werden dem Gitter der Röhre 1 zugeführt, wie durch die kleinen Pfeile angedeutet. Die Impulse bringen die Röhre zum Kippen und synchronisieren den Multivibrator mit dem Thyratron. Der Anodenstrom 8 der Röhre V₂ liegt am Gitter des Thyratrons und bringt das Thyratron während einer jeden positiven Halbwelle dann zum Zünden, wenn der Schnittpunkt zwischen dem Anodenstrom 8 und der kritischen Gittercharakteristik 10 erreicht wird. Die Zeichnung zeigt, daß das Thyratron während eines Zeitraumes leitet, der während der Halbwellen A und B etwas kleiner als die Hälfte der positiven Halbwelle ist, wie durch die schraffierten Teile angedeutet. Zwischen den Halbwellen B und C wird ein Fehlersignal vom Aufnahmegerät her dem Gitter der Röhre 2 als eine Spannung V_e zugeführt, die die negative Vorspannung des Gitters erniedrigt. Hierdurch werden die Impulse in ihrer Form verändert, und der Schnittpunkt mit der kritischen Gitterspannung tritt in der folgenden Halbwelle

ίο früher ein, so daß das Kippen der Röhre ebenfalls früher stattfindet. Damit ändert sich das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsabstand des Anodenstromes der Röhre V₂, und es entsteht eine entsprechende Verschiebung des Zündzeitpunktes während der positiven Halbwelle. Die Dauer der Leitfähigkeitsperiode des Thyratrons wird auf diese Weise bis fast zur vollen Länge der positiven Halbwelle verlängert, und zwar um einen Betrag, der eine Funktion des in dem System aufgetretenen Fehlers darstellt.

Fig. 4 ist ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Am Transformator 11 wird eine Sinusschwingung abgegriffen und dem Phasenschiebernetzwerk 12 zugeführt, in welchem die Phase der Sinusschwingung vorverschoben wird, so daß gegenüber dem Speisewechselstrom für das Thyratron 13, der ebenfalls dem Transformator entnommen wird, eine Phasendifferenz von ungefähr + 90° entsteht. Die Ausgangsspannung des Phasenschiebernetzwerkes gelangt über einen Gleichstromtrennkondensator 14 auf das Gitter einer Röhre 15, welche die Sinusschwingungen zu Rechtecken verformt. Die Rechteckschwingungen werden durch ein differenzierendes Netzwerk, das aus dem Kopplungskondensator 16 und dem Widerstand 17, der gleich- zeitig der Gitterwiderstand der ersten Röhre des Multivibrators 18 ist, differenziert, und so die Synchronisierungsimpulse gebildet. Die Synchronisierungsimpulse liegen am Gitter dieser Röhre V₁. Das Aufnahmegerät (nicht gezeichnet) stellt die Abweichungen vom Sollwert der kontrollierten physikalischen Größe fest und erzeugt eine Regelspannung, die zwischen dem Anschluß 19 und HT zugeführt wird.

Die Anodenspannung für die Impulsformungsröhre 15 und die beiden Röhren V₁ und V₂ des Multivibrators 18 wird bei 20 zugeführt. Der im Anodenkreis der Röhre V₂ auftretende Impulsstrom wird dem Gitter des Thyratrons 13 als Zündsignal zugeführt. Die Anode des Thyratrons ist mit dem Regelglied 21 verbunden. Wenn erwünscht, kann dem Thyratron über die Verbindung 22 eine negative Gittervorspannung erteilt werden.

Zum besseren Verständnis soll die Anwendung der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung für die Steuerung der Temperatur eines elektrischen Ofens im folgenden beschrieben werden.

In diesem Falle wird der Anodenausgang des Thyratrons den Heizelementen des Ofens zugeführt, die hier das Regelglied 21 darstellen. Das Aufnahmegerät, das mit dem Anschluß 19 verbunden ist, kann aus einem Widerstandsthermometer oder einer entsprechenden anderen Vorrichtung bestehen, die eine Ausgangsspannung ergibt, welche der Temperatur des Ofens proportional ist. Wenn sich das ganze System im Gleichgewichtszustand befindet, so entspricht die dem Ofen zugeführte Wärmemenge derjenigen Wärmemenge, die an die umgebende Atmosphäre verlorengeht. Wenn die Umgebungstemperatur sinkt, so nimmt der Wärmeverlust zu, und die Temperatur des Ofens sinkt ebenfalls. Dies wirkt sich in einer pro-

portionalen Änderung der Steuerspannung aus, die dem Multivibrator vom Aufnahmegerät zugeführt wird, und diese verursacht eine entsprechende Zunahme der Leitfähigkeitszeit des Thyratrons, wodurch wiederum die Wärmezuführung zum Ofen erhöht wird.

In der Beschreibung wurde die Anwendung des Steuergerätes nur zur Erzielung einer Proportionalitätssteuerung gezeigt. Die Erfindung kann jedoch auch in Verbindung mit einer integrierenden Steuerung Anwendung finden, d. h., um auf das oben beschriebene Beispiel Bezug zu nehmen, um die Temperatur auf den Sollwert zurückzuführen. Auch kombinierte oder abgeleitete Steuerungsvorgänge sind

15

möglich.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrisch betätigte Steuereinrichtung mit einem wechselstromgespeisten Thyratron und einem ao Multivibrator zur Korrektur einer beliebigen physikalischen Größe, wobei die Korrektur durch einen Regler ausgelöst wird, dessen Ausgangsstrom eine Komponente enthält, welche proportional der Abweichung der zu regelnden Größe von ihrem Sollwert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator mit einer Frequenz schwingt, welche entweder der Netzfrequenz oder einem ihrer ganzzahligen Vielfachen oder einem echten Bruchteil der Netzfrequenz synchron ist und daß er das Fehlersignal.von dem Regler erhält und in seinem Anodenkreis die Zündspannung für das Thyratron erzeugt, wobei das Verhältnis von Impulslänge zu Impulsabstand des Stromes im Anodenkreis des Multivibrators durch das Fehlersignal gesteuert wird und hierdurch wiederum eine Steuerung des Zündmomentes des Thyratrons erfolgt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator mittels eines Impulsgenerators vom Speisewechselstrom her synchronisiert wird.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator mit einer Grundfrequenz arbeitet, die etwas niedriger ist als die Frequenz der Synchronisierimpulse, daß die Synchronisierimpulse dem Gitter einer seiner beiden Röhren zugeführt werden und daß das jeweilige Kippen der synchronisierten Röhre durch die positiven und nicht durch die negativen Impulse ausgelöst wird.

4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator so ausgelegt ist, daß die Synchronisierimpulse dem Gitter der einen Röhre zugeführt werden, während das vom Aufnahmegerät gelieferte Fehlersignal dem Gitter der anderen Röhre als Gittervorspannung zugeführt und dadurch der Zeitpunkt des Kippens dieser Röhre bestimmt wird.

5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsspannung aus dem Anodenkreis des Multivibrators in einem Impulsgenerator differenziert wird, bevor sie zum Gitter des Thyratrons gelangt.

6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator so ausgelegt ist, daß sein Anodenstrom mit einer Phasendifferenz von 45 bis 135° dem Wechselstrom voraneilt, der dem Multivibrator zugeführt wird.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator so' ausgelegt ist, daß sein Anodenstrom mit einer Phasendifferenz von ungefähr 90° dem Wechselstrom voraneilt, der dem Multivibrator zugeführt wird.

8. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator mit einem Phasenschiebernetzwerk zusammenarbeitet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 668 208.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©809· 697/434 11.5»