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Selbsttätige Regeleinrichtung mit einem Magnetverstärker Bei bekannten
Regeleinrichtungen, die mit einem Magnetverstärker arbeiten, erfolgt der Vergleich
zwischen Soll- und Istwert der Regelgröße durch Spannungsvergleich zwischen einer
Soll- und einer Istspannung in einem besonderen Stromkreis über eine Vormagnetisierungs-oder
Steuerwicklung des Magnetverstärkers. Eine einstellbare, dem Sollwert der Regelung
verhältige Sollspannung wird einer dem Istwert der Regelung verhältigen Istspannung
entgegengeschaltet. Die entstehende Differenzspannung, die dem Fehler der Regelung
verhältig ist, steuert den Magnetverstärker. Bei einer anderen bekannten Regelschaltung
mit einem Magnetverstärker hat der Magnetverstärker je eine besondere Vormagnetisierungswicklung
für die Istspannung und für die Sollspannung. Der Regelvergleich erfolgt hier statt
galvanisch auf magnetischem Wege.
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Fig. 1 zeigt eine selbsttätige Regeleinrichtung mit einem Magnetverstärker
nach der erstgenannten bekannten Art. Die Einrichtung hat die Aufgabe zu erfüllen,
den Verbraucher 1, beispielsweise einen Gleichstrommotor, unabhängig von dessen
Belastung mit einer konstanten Verbraucherspannung zu versorgen. Der Verbraucher
1 liegt am Ausgang eines Magnetverstärkers 2 an sich bekannter Art, der in einer
Ventilbrückenschaltung mit vier Ventilen 6 ausgeführt ist und aus einem Wechselstromnetz
über die Klemmen 7 und 8 gespeist wird. Der Magnetverstärker arbeitet mit Selbstsättigung,
d. h., die Lastwicklungen 9 und 10 werden jeweils nur von einer Halbwelle des Wechselstromes
durchflossen. Die dargestellte Schaltung wird als Selbstsättigungsschaltung bezeichnet.
Zur selbsttätigen Regelung der Verbraucherspannung wird die als Istspannung einer
fremden Sollspannung Ui, die über ein Potentiometer 11 von einer Sollspannungsquelle
12 mit der Spannung U geliefert wird, entgegengeschaltet. Die Differenzspannung,
die sowohl positiv als auch negativ sein kann, erzeugt in den Steuerwicklungen 13
und 14 einen entsprechenden Vormagnetisierungsstrom, wodurch der die Lastwicklungen
9 und 10 durchfließende Strom im Sinne der Regelung vergrößert oder verkleinert
wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige Regeleinrichtung
mit einem Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung zum Erzeugen einer lastunabhängigen
Verbraucherspannung in Abhängigkeit von einer einstellbaren Sollspannung. Gemäß
der Erfindung wird die Sollspannung in den Lastwicklungskreis des Magnetverstärkers
eingeführt und mit der Verbraucherspannung verglichen unter gleichzeitiger Steuerung
des Magnetverstärkers durch den im Lastwicklungskreis fließenden Vergleichsstrom.
Es sind also keine besonderen Steuerwicklungen für den Regelvergleich zwischen der
Soll- und der Istspannung erforderlich. Bei einem Magnetverstärker in Ventilbrückenschaltung
mit mindestens vier Ventilen und je einer Magnetverstärkerlastwicklung für die verschieden
gerichteten Halbwellen des Magnetverstärkereingangsstromes wird die Einrichtung
nach der Erfindung vorzugsweise so getroffen, daß die über ein einstellbares Potentiometer
abgenommene Sollspannung den lastabgewandten Anschlüssen der Lastwicklungen gleichpolig
zugeführt wird.
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Es ist an sich bekannt, bei Magnetverstärkern in Selbstsättigungsschaltung
den Steuergleichstrom nicht einer besonderen Steuerwicklung, sondern direkt den
Arbeitswicklungen zuzuführen. Hierdurch ist jedoch noch kein unmittelbarer Vergleich
zwischen Soll- und Istspannung und damit keine selbsttätige Regelung möglich. Im
Gegensatz hierzu gestattet die Erfindung die Regelabweichung unmittelbar im Stromkreis
der Lastwicklungen zu bilden und dort zwecks gleichzeitiger Steuerung des Magnetverstärkers
zur Einwirkung zu bringen. Es braucht also im Stromkreis der Lastwicklungen des
Magnetverstärkers lediglich die Sollspannung zugeführt zu werden.
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Die Vorteile der neuen Einrichtung bestehen zunächst äußerlich im
Fortfall der besonderen Vormagnetisierungswicklungen, die bisher zum Durchführen
des Regelvergleichs und zur Steuerung erforderlich waren. Der Magnetverstärker kann
dadurch baulich kleiner und somit auch billiger ausgeführt werden. Zugleich ergeben
sich durch die neue Schaltung wichtige Vorteile in bezug auf regeltechnische Eigenschaften.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung und der durch sie erreichten regeltechnischen
Verbesserungen sei auf die Ausführungsbeispiele in der Zeichnung verwiesen. -
Fig.2
zeigt eine Ausführung der neuen Regel einrichtung.
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Als Regelaufgabe liegt wie in Fig. 1 die Aufgabe vor, den Verbraucher
1 mit einer lastunabhängigen Gleichspannung zu versorgen. Der verwendete Magnetverstärker
2 liegt mit seinen Lastwicklungen ebenfalls in einer Ventilbrückenschaltung, so
daß jede Halbwelle des Eingangswechselstromes des Magnetverstärkers, der an den
Klemmen 7 und 8 zugeführt wird, ausgenutzt wird. Für die positiven und negativen
Halbwellen ist jeweils eine der Lastwicklungen 3 bzw. 4 vorgesehen. Bis hierher
unterscheidet sich die Einrichtung nach Fig. 2 nicht von der nach Fig. 1. Das Neue
besteht nun darin, daß keine besonderen Vormagnetisierungswicklungen vorhanden sind
und daß der Regelvergleich über die Lastwicklungen 3 und 4 selbst erfolgt. Hierzu
wird die vorzugsweise über ein einstellbares Potentiometer 11 abgenommene Sollspannung
der Sollspannungsquelle 12 den lastabgewandten Anschlüssen 15 und 16 der Lastwicklungen
3 und 4 gleichpolig zugeführt und mit der Istspannung am Verbraucher 1 verglichen.
Die Steuerung des Magnetverstärkers erfolgt also durch den über die Lastwicklungen
3 und 4 fließenden Vergleichsstrom. Es findet je nach den Vorzeichen und der Größe
der Differenz von Soll- und Istspannung entweder eine der Selbstsättigung entgegenwirkende
oder eine diese unterstützende Mabgnetisierung des Kernes statt. Dadurch wird der
Strom in den Lastwicklungen 3 und 4 und somit auch die Spannung an den Ausgangsklemmen
17 und 18 des Magnetverstärkers entsprechend beeinflußt.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 sei zunächst
angenommen, daß die Regelgröße abgeglichen, d. h. die Istspannung E gleich der Sollspannung
U1 sei. Wird nun beispielsweise der '\7»erbraucher 1 stärker belastet, so sinkt
die Istspannung und wird somit kleiner als U1. Dadurch liegt eine positive Differenzspannung
vor, die durch die beiden Lastwicklungen 3 und 4 einen zusätzlichen Strom in Richtung
des Arbeitsstromes erzeugt. Der Magnetverstärker 2 wird alsöh stärker gesättigt.
Infolgedessen -ti.-ird der Strom in den Lastwicklungen 3 und 4 größer, und dadurch
steigt die an dem Verbraucher 1 liegende Spannung so lange an, bis sie wieder mit
der torgegebenen Sollspannung U1 übereinstimmt. Im Fall bei einer Entlastung des
Verbrauchers 1 spielt sich der umgekehrte Vorgang ab. Dann überwiegt die Istspannung
E, und es ergibt sich eine negative Differenzspannung, die einen Strom entgegen
dem Arbeitsstrom durch die Lastwicklungen 3 und 4 treibt. Der Magnetverstärker wird
entsättigt, d. h., der Strom in den Lasttvicklungen 3 und 4 geht zurück, und die
Istspannung E nimmt so lange ab, his sie wieder gleich der Sollspannung U1 ist.
Ähnliche Vorgänge spielen sich ab, wenn die Sollspannung auf einen größeren oder
kleineren Wert eingestellt wird. Es treten ebenfalls wieder Differenzspannungen
auf, die den Magnetverstärker entsprechend steuern.
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Zur Erläuterung der regeltechnischen Vorteile der Einrichtung nach
der Erfindung, die diese gegenüber den bekannten Einrichtungen mit besonderen Steueriv-icklungen
aufweist, sei auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Die niedrigste erreichbare Lastspannung
am Ausgang der Magnetverstärker 2 in Fig. 1 und 2 ist durch den Magnetisierungs.strom
der Magnetverstärker bestimmt und außerdem durch den Gesamtwiderstand des Verbraucherkreises.
Werden in den Fig. 1 und 2 für den Verbraucher 1 und die Lastwicklungen 3 und 4
die jeweils gleichen Widerstandswerte sowie allgemein die gleichen Verhältnisse
zugrunde gelegt, so ergibt sich für den Gesamtwiderstand des Lastkreises bei der
erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2 ein geringerer Wert als bei der Schaltung
nach Fig. 1, da bei der letzteren der Widerstand des dem Lastkreis parallel liegenden
Regelvergleichskreises um die Widerstände der hochohmigen Steuerwicklungen 13 und
14 größer ist. Die niedrigstmögliche Ausgangsspannung bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung ist also in jedem Falle kleiner, insbesondere aber wenn . der Abgriff
des Sollwertpotentiometers 11 weit nach links gestellt ist, wie dies zum Erreichen
einer niedrigen Drehzahl der Fall ist. Die Einrichtung nach der Erfindung weist
also, ohne daß hierzu besondere Maßnahmen erforderlich sind, einen weiter nach unten
ausgedehnten Regelbereich auf. Der Widerstand des Sollwertpotentiometers wird vorteilhaft
gering gewählt, wodurch zugleich ein kleiner statischer Regelfehler erreicht wird.
Die untere Grenze des Potentiometerwiderstandes ist dabei durch den tragbaren Querstrom
gegeben.
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Ein zweiter durch die Erfindung erreichter Vorteil besteht in der
verhältnismäßig kurzen Regelzeit der neuen Einrichtung. Die Regelzeit, das ist die
Zeit, in der eine Regelabweichung ausgeglichen wird, ist durch die Zeitkonstante
des Regelkreises festgelegt. Diese ist in den vorhandenen Induktivitäten proportional.
Bei der bekannten Einrichtung nach Fig. 1 liegen im Zuge des Regelkreises die Steuerwicklungen
13 und 14, die eine verhältnismäßig große Windungszahl und somit eine große Induktivität
haben. Beim Regelkreis der neuen Einrichtung nach Fig. 2 gehen statt dessen die
Lastwicklungen 3 und 4 des Magnetverstärkers mit bedeutend kleinerer Windungszahl
und damit kleinerer Induktivität ein. Die Regelzeit der Einrichtung nach der Erfindung
ist daher kleiner.
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Die Zeitkonstante des Regelkreises bestimmt in Verbindung mit der
Zeitkonstante des Verbrauchers die Pendelneigung einer Regeleinrichtung. Bei Schaltungen
der bekannten Art treten die gefürchteten Regelpendelungen bei der Verwendung von
Motoren als Verbraucher verhältnismäßig oft in Erscheinung. Es müssen dann besondere
Maßnahmen getroffen werden, um die Pendelneigung zu bekämpfen. Ein wirksames Mittel
stellt eine Rückführung dar, bei der der erste Differentialquotient der Regelschwingung
vom Verbraucher auf den Steuerkreis der Regelung zurückgeführt wird. Um hier eine
ausreichende Wirkung zu erhalten, ist stets eine Verstärkung des Differentialquotienten
durch eine besondere Verstärkereinrichtung erforderlich. Bei der neuen Einrichtung
werden Regelpendelungen durch die kleine Zeitkonstante des Regelkreises verhindert.
Des weiteren wirkt sich in der gleichen Richtung die durch den geringen ohmschen
Widerstand des Regelvergleichskreises bedingte Dämpfung aus. Die Rückführung und
der Vorverstärker bekannter Art, die in vielen Fällen trotz ihres Vorhandenseins
nicht befriedigend arbeiten, sind bei der Einrichtung nach der Erfindung nicht erforderlich.
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Fig.3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltung nach Fig.
2. Die Sollspannung U1 wird hier anstatt aus einer fremden Gleichsspannungsquelle
12 (Fig. 2) gleichphasig mit denn Magnetverstärkerarbeitsstromüber eine Ventilanordnung
19 in BrÜckenschaltung und einen Transformator 20 aus demselben Wechselstromnetz
entnommen, das auch den Magnetverstärker 2 speist. Dadurch kann auf Siebmittel hinter
der Ventilanordnung 19 verzichtet werden. Als zusätzliche Maßnahme ist bei der Schaltung
nach Fig. 3 eine an sieh bekannte Kompoundierung zum Ausgleich
der
durch die Eingangswiderstände des Verbrauchers 1 und des Magnetverstärkers 2 bedingten
Spannungsabfälle der Verbraucherspannung vorgesehen. Hierzu ist ein Stromwandler
21 in den Eingangskreis des Magnetverstärkers 2 eingeschaltet, der über eine ebenfalls
in Brückenschaltung ausgeführte Ventilanordnung 22 eine Hilfsspannung in den Regelvergleichskreis
einführt. Diese Hilfsspannung liegt an einem veränderlichen Widerstand 23, der beispielsweise
in Reihe mit dem Gesamtwiderstand des Sollspannungspotentiometers 11 geschaltet
ist. Für die Kompoundi.erung ergibt sich durch die Schaltung nach der Erfindung
ein weiterer Vorteil. Die Kompoundierungsspannung kann nämlich bedeutend kleiner
gehalten werden, als zum Erzielen der gleichen Wirkung in dem hochohmigen Regelvergleichskreis
der bekannten Schaltung nach Fig. 1 erforderlich ist. Die Kompoundierung ist hier
außerdem im Gegensatz zu der bekannten Schaltung vor allem im oberen Sollspannungsbereich
bei großer Last wirksamer.
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Bei der Schaltung nach Fig. 3 empfiehlt es sich, für den Fall, daß
bei hohem Innenwiderstand eines Verbrauchers und infolge der höheren notwendigen
Kompoundierungsspannung Pendelungen auftreten sollten, in den Lastkreis des Magnetverstärkers
2 eine Dämpfungsdrossel 24 einzuschalten.
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Ein weiterer Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung wird erkennbar,
wenn die Wirkung einer plötzlichen Entlastung im Verbraucherkreis bei der bekannten
Schaltung nach Fig. 1 und bei den erfindungsgemäßen Schaltungen nach Fig. 2 und
3 betrachtet wird. Bei der Schaltung nach Fig. 1 ruft eine plötzliche Entlastung
des Verbrauchers 1 eine plötzliche Stromänderung in den Wicklungen 3 und 4 hervor,
die in den Steuerwicklungen 13 und 14 eine dem Verhältnis der Windungszahlen entsprechende
Induktionsspannung zur Folge hat. Es können sich je nach der Windungszahl recht
hohe Spannungsstöße ergeben, die eine Beschädigung der Steuerwicklungen 13 und 14
hervorrufen können. Ebenso schädlich können sich auch Abschaltungen der zugeführten
Verbraucherspannung sowie der Sollspannung auswirken. Bei den Schaltungen nach Fig.2
und 3 können sich Induktionsspannungen dagegen nur in den Lastwicklungen ausbilden,
die aber hier wegen der geringen Windungszahl relativ klein bleiben und für die
Wicklungen keine Gefahr bedeuten.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht auf die an Hand der Zeichnungen
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. An Stelle der einphasigen Anordnungen,
die im allgemeinen wohl in erster Linie für eine praktische Anwendung in Betracht
kommen werden, ist wie bei der bekannten Einrichtung auch eine mehrphasige Anordnung
möglich. Als Verbraucher kommen außer den genannten Gleichstrommotoren auch beliebige
andere Verbraucher in Betracht. Es ist für die einwandfreie Wirkungsweise der neuen
Einrichtung an sich gleichgültig, ob die Belastungsänderung im Verbraucherkreis
mittelbar durch eine mechanische oder unmittelbar durch eine elektrische Laständerung
hervorgerufen wird. Besonders vorteilhaft erscheint eine Verwendung der neuen Einrichtung
für regelbare Beleuchtungsanlagen. Bisher war es ein Nachteil bei der Verwendung
von Magnetverstärkern, d.aß die geregelten Lampen nicht ohne weiteres stetig bis
auf völlige Dunkelheit herunter regelbar waren. Die Einrichtung nach der Erfindung
ermöglicht dies im weiten Bereich unabhängig davon, wieviel Lampen jeweils gerade
angeschlossen sind.