-
Elektrischer Regler Die Erfindung betrifft einen elektrischen Regler
mit einem Verstärker, der einen Eingangskreis, einen Ausgangskreis und einen Rückführkreis
aufweist, der innerhalb eines vorbestimmten Bereiches relativ niedriger Werte einer
elektrischen Größe des Ausgangs-und des Eingangskreises eine relativ niedrige Verstärkung
einer elektrischen Größe des Ausgangskreises in bezug auf eine elektrische Größe
des Eingangskreises und über einen anschließenden Wertbereich eine relativ hohe
Verstärkung bewirkt. Die durch Verstärkung erhaltene Größe wird dazu benutzt, den
Fehler auf ein Minimum herabzusetzen.
-
Bei einfacher und zuverlässiger Bauart sollen durch die Erfindung
Pendelungen, wie sie bei hoher Verstärkung leicht auftreten, vermieden werden.
-
Es ist bereits bekannt, in einem Rückführkreis einen spannungsabhängigen
Widerstand zu verwenden, um eine von einer Spannungsdifferenz abhängige Rückführspannung
zu erhalten. Ein Bereich niedriger Verstärkung, an den sich ein Bereich hoher Verstärkung
anschließt und wie er zur Vermeidung von Pendelungen brauchbar ist, fehlt.
-
Gemäß der Erfindung wird nun in dem Rückführkreis ein durch eine Bezugsspannungsquelle
vorgespannter Sperrgleichrichter angeordnet, der in an sich bekannter Weise die
Wirkung der Rückführung begrenzt. Hierdurch erhält man im Bereich der Rückführwirkung
eine geringe und außerhalb dieses Bereiches eine hohe Verstärkung. Durch Spannungs-und
Widerstandsänderungen im Rückführkreis ist es möglich, den Übergangspunkt zwischen
den beiden Bereichen und den Verstärkungsgrad im Bereich niedriger Verstärkung festzulegen.
-
Zur vollständigen Erläuterung der Erfindung wird in der folgenden
Beschreibung auf die Zeichnung Bezug genommen. In dieser ist Fig. 1 ein Schaltschema
einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher als Regelverstärker eine Verstärkermaschine
verwendet wird, Fiz. 2 ein Schaltschenla einer anderen Ausführungsform, bei der
der Verstärker die Gestalt eines im Gegentakt geschalteten magnetischen Verstärkers
hat, Fig. 3 ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsforrn, bei welcher
der Verstärker ein zweistufiger elektronischer Verstärker ist, und Fig. 4,
5 und 6 Kurvenbilder der Verstärkercharakteristiken.
-
Gemäß Fig. 1 wird als Regelverstärker eine dynamoelektrische
Verstärkermaschine 1, die unter der Bezeichnung Amplidyne bekannt ist, verwendet.
Ihr Anker ist mit zwei Gruppen von Bürsten versehen, die gegeneinander um
90' versetzt sind. Der in der Haupt- oder Lastachse des Ankers angeordnete
erste Bürstensatz umfaßt die Bürsten 2 und 3, die über Leitungen 4 und
5 mit einem Stellorgan, z. B. mit einem Elektromotor, der Feldwicklung eines
Generators oder der Steuerwicklung eines magnetischen Verstärkers, verbunden sind.
Der in der elektrisch rechtwinklig zur Hauptachse versetzten Achse angeordnete zweite
Bürstensatz besteht aus den Bürsten 6 und 7 und ist kurzgeschlossen.
Der die Amplidyne 1 steuernde magnetische Steuerfluß wird mit Hilfe einer
Steuerwicklung 8, durch die ein der Regelabweichung proportionaler Steuerstrom
fließt, erzeugt. Die Amplidyne 1 wird durch eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung
mit konstanter Drehzahl angetrieben.
-
Infolge der außergewöhnlich hohen Ansprechgeschwindigkeit und des
hohen Verstärkungsfaktors ist die Amplidyne als Regelverstärker besonders geeignet.
Eine Amplidyne kann normalerweise so ausgelegt werden, daß sich ihre Ausgangsleistung
bei einer Änderung der Steuerleistung von 1 Watt innerhalb 116o Sekunde um
20 000 Watt ändert. Eine Amplitude mit einem so hohen Verstärkungsgrad oder
einer solchen Empfindlichkeit neigt dazu, den Regelkreis instabil zu machen und
Pendelungen hervorzurufen.
-
Um solche Pendelerscheinungen merklich herabzusetzen oder vollständig
zu beseitigen, ist zur Erzeugung einer toten Zone im Sollwertbereich der Regelcharakteristik
eine speziell ausgebildete Rückführung vorgesehen. Durch diese wird erreicht, daß
die Amplidyne eine relativ kleine Verstärkung aufweist, solange die Regelabweichung
sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches bewegt, der Verstärkungsgrad aber einen
verhältnismäßig hohen Wert annimmt, sobald die Regelabweichung diesen Bereich überschreitet.
Der Rückführkreis besteht aus einem variablen Widerstand
9
und einer Rückführ;.witklung: j#O, die in -Reihe zwischen den Bürsten 2 und
3 der Am#l-idyne ge-
schaltet sind. Die Rückführwicklung
10 ist -so gepolt, daß ihre magnetomotorische Kraft der magnetöm-o"torischen
Kraft der Steuer-#ilcklung 8 entgegengerichtet ist.
-
- Beim Fehlen des Rückführkreises ist die Beziehung zwischen
der dem Eingangskreis zugeführten Steuergröße und der iin Ausgang der Amplidyne
auftretenden Spannung linear, wie dies, durch die lineare Kurve 11 in Fig. 4 wiedergegeben'ist,
deren Ordinaten die Ausgangsspannung und de# ' dn Abszis.sen Einheiten der
Steuergröße wiedergeben" wobei es sich entweder um Spannung oder um Strom handeln
kann; zum Zwecke der Erläuterung sei hier 'angenommen, daß es sich um eine Spannung
handelt.. Die Steilheit der Kurve 11, die ein Maß des Verstärkungsgrades
des Verstärkers, ist, -zeigt, daß der Verstärkungsgrad des Systems relativ hoch
ist.
-
Wenn die Rückführung nun wirksam ist und ihr Wirkungsbereich nicht
beäähränkt ist, so ist die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung
durch die lineare Kurve 12 wiedergegeben. Der relativ niedrige Wert der Neigung
dieser Kurve 12 zeigt, daß die Rückführung außerordentlich stark ist und den Verstärkungsgrad
des Verstärkers auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert herabgesetzt hat. Die Einstellung
des Gleitkontaktes 9a zwecks Verstellung des Wertes des Widerstandes9 ändert den
Grad der Rückführung. Bewegt man den Gleitkontakt 9 a so, daß - der
wirksame - Wert des Widerstandes 9 vergrößert .-wird, so nimmt die
Rückführung ab, wodurch gleichzeitig der Verstärkungsgrad erhöht wird, wie dies
durch die Kurve 12u, wiedergegeben ist, deren- Neigung größer ist als
- die der Kurve 12. Auf diese Weise kann man durch Änderung der Stellung
des Gleitkontaktes 9 a eine Folge von Kurven 12, 12 a 12 b usw. erzeugen,
die je eine verschiedene Neigung haben, wobei jede Neigung einen anderen
Verstärkungsgrad des Verstärkers wiedergibt.
-
Um innerhalb eines Bereiches relativ niedriger Werte der Eingangs-
und Ausgangsspannungen einen verhältnismäßig niedrigen Verstärkungsgrad und in ,einem
benachbarten Bereich verhältnismäßig hoher Werte dieser Spannungen einen verhältnismäßig
hohen Verstärkungsgrad zu erzielen, sind Mittel vorgesehen, um den Einfluß des Rückführkreises
auf diesen vorbestimmten niedrigen Bereich zu beschränken. Bei dem Ausführungsbeispiel
wird zu diesem Zweck in den Rückführkreis ein Gleichrichter 17, der durch
eine konstante Gleichspannungsquelle, z. B. eine Batterie 13 mit einem Spannungsteiler
14, vorgespannt ist, angeordnet. Die Polarität der Ausgangsspannung der Amplidyne
ist umkehrbar je nach der Polarität der Fehlerspannung, -die der Steuerwicklung
8 zugeführt wird. Wenn durch die Erregung der Steuerwicklung 8
die
Spannung an der Lastbürste 2 positiv und die Spannung an der Lastbürste
3 negativ ist sowie die Spannung des linken Anschlusses der Rückführwicklung
10 positiv und die Spannung des rechten An-
schlusses negativ ist,
so ist bei der dargestellten Schaltung der Spannungsabfall an der Rückführwicklung
10 entgegengesetzt zur Spannung am wirksamen Teil des Spannungsteilers 14.
Mittels eines Gleitkontaktes 14a kann der Spannungsabfall an der Rückführwicklung
10 mit irgendeinem Bruchteil der Gesamtspannung am Widerstand 14 abgeglichen
werden.
-
Ein Sperrgleichrichter 17 (vorzugsweise ein Trockengleichrichter,
z. B. ein Kupferoxyd- oder Selengleichrichter) in - der- Leitung
15 zwischen den positiven Ansthlüssen' der-Rückführwicklung 10 und
des Spannungsteilers 14 sperrt den Stromfluß vom positiven Ende des Widerstandes
14 zum positiven Anschluß der -Pückfühfwicklung 10. Solange daher die Spannung
zwischen - dem Gleitkontakt 14 a und dem positiven Ende des Spannungsteilers
14 den Spafinungsabfall an der Rückführwicklung 10 übersteigt, fließt in
keiner Richtung ein Strom. Wenn jedoch der Spannungsabfall an der Rückführwicklung
den Spannungsabfall am wirksamen Teil des Spannungsteilers 14 übersteigt, so fließt
unabhängig von dem Maß des Überschreitens, ein Strom vom positiven Anschluß der
Rückführwicklung durch den Gleichrichter 17 zur negativen Bürste der Amplidyne.
Sobald der Gleichrichter 17 leitend geworden ist, liegt das positive Ende
der Rückführwicklung am positiven Ende des Spannungsteilers 14, und der Spannungsabfall
an der Rückführwicklung 10 bleibt auch bei weiterem Steigen der Amplidyne-Ausgangsspannung
ungefähr gleich der Spannung am wirksamen Teil des Widerstandes. Da der Spannungsabfall
an der Rückführwicklung 10 auf diese Weise begrenzt ist, kann praktisch der
Strom in ihr nicht weiter steigen. jeder weitere Anstieg der Ausgangsspannung der
Amplidyne verstärkt den Spannungsabfall am variablen Widerstand 9, und jeder
weitere Anstieg des Stromes durch den Widerstand 9
wird durch den Gleichrichter
17 und die Batterie 13
an der Rückführwicklung 10 vorbeigeleitet.
Infolgedessen kann die Rückführung die Charakteristik der Amplidyne nicht weiter
beeinflussen.
-
Diese Wirkungsweise ist in Fig. 5 dargestellt, wobei die Ordinaten
die Ausgangsspannung der Amplidyne und die Abszissen die Steuerspannung darstellen.
Bei niedriger Ausgangsspannung (zwischen Null und der Spannung, bei welcher der
Spannungs# abfall an der Rückführwicklung 10 gleich dem Span-.nungsabfall
am wirksamen Teil des Spannungsteilers 14 wird) bewirkt die Rückführwicklung
10, daß die Beziehung zwischen der Steuerspannung und der Ausgangsspannung
durch den Teil der Kurve'18 zwischen dem Wert Null und dem Punkt 18 a gegeben
ist. Die Verstärkung innerhalb dieses Bereiches ist relativ gering, Bei dem durch
die Ordinate des Punktes 18 a
wiedergegebenen Wert der Ausgangsspannung
wird der Gleichrichter 17 leitend, und infolgedessen steigt der Strom in
der Rückführwicklung bei einem weiteren. Anstieg -der Steuerspannung nicht mehr
merklich. Infolgedessen -ist die Rückführwirkung der Rückführwicklung
10 ungefähr auf den Wert beschränkt, den sie hat, wenn der Gleichrichter
17 leitend wird.
-
Falls der Widerstandswert des Widerstandes 14 relativ klein ist, bleibt
die Verstärkung bei weiterem Anstieg der Steuerspannung weitgehend dieselbe, als
wenn die Amplidyne keinen Rückführkreis hätte, und die Verstärkung wird demgemäß
durch den Teil der Kurve 18 auf der rechten Seite des Punktes 18a wiedergegeben,
welcher dieselbe Neigung hat wie die lineare Kurve 11 der Fig. 4. Der tatsächliche
Neigungswinkel dieses Teiles der Kurve hängt jedoch vom Verhältnis des Widerstandswertes
des Spannungsteilers 14 zum Widerstand der Rückführwicklung 10
ab. Demgemäß
ist in dem Bereich der Kurve 18 mit relativ hoher Verstärkung die Neigung
abhängig vom Gesamtwiderstandswert des Spannungsteilers 14 und kann geändert werden,
indem man den Spannungsteiler 14 durch einen Widerstand von höherem oder niedrige,rem
Widerstandswert ersetzt. Auf diese Weise ist innerhalb eines Bereiches relativ niedriger
Werte der Steuer- und Ausgangsspannungen die Verstärkung
relativ
niedrig, während sie innerhalb eines benachbarten Bereiches relativ hoher Werte
verhältnismäßig größer ist.
-
Bei umgekehrten Polaritäten der Steuer- und Ausgangsspannungen erzeugen
eine Batterie 19, ein Spannungsteiler20 und ein Gleichrichter21 ähnliche
Verhältnisse (s. linke Seiie# der Fig. 5 ):'- '
Die Einstellung
der Gleitkontakte 14 a oder 20 a auf den Spannungsteiler 14 verschiebt die Lage
des Punktes 18 a bzw. 18 b. Auf diese Weise werden durch Bewegen der
Gleitkontakte 14 a und 20 a nach links die Punkte 18 a und 18 b zu
Punkten 18 c bzw. 18 d verschoben. Dies bedeutet, daß der Bereich
niedriger Verstärkung verkleinert und der Bereich relativ hoher Verstärkung vergrößert
wird. Da jede Änderung in der Stellung der Gleitkontakte 14 a und 20 a die
Lage der Punkte 18 a und 18 b ändert, erhält man durch die Bewegung
der Gleitkontakte eine ganze Folge charakteristischer Kurven.
-
Die Verstärkung kann im Bereich niedriger Verstärkung durch Ändern
der Stellung des Gleitkontaktes 9 a am variablen Widerstand 9 eingestellt
werden. So erhält man durch ein Verschieben des Gleitkontaktes 9a nach rechts in
verschiedene Stellungen eine Vergrößerung seines wirksamen Wertes, wobei die Gegenkopplung
entsprechend herabgesetzt wird. Dies ist durch die geraden Kurven 22 und
23 der Fig. 6 angedeutet.
-
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird ein magnetischer Verstärker
in Form eines einstufigen Gegentaktverstärkers benutzt. Eine Hälfte des Verstärkers
umfaßt einen (nicht dargestellten) magnetischen Kern mit den Arbeitswicklungen 24
und 24 a. Der Kern kann aus dreischenkeligen, lamellierten Blechen bestehen, wobei
sich die Wicklungen 24 und 24a auf den Außenschenkeln befinden. Diese Wicklungen
liegen bei 25 gemeinsam an dem einen Pol einer Wechselspannungsquelle, z.
B. einer Sekundärwicklung 26 eines Speisetransformators. Zwischen den Anschlüssen
der Arbeitswicklungen 24 und 24a und den entgegengesetzten Anschlüssen der Sekundärspule
26 befindet sich eine Vollweggleichrichterbrücke 27,
vorzugsweise mit
Trockengleichrichtern, z. B. Selen-oder Kupferoxydgleichrichtern. Infolge dieser
Schaltung fließt bei der dargestellten Polarität in der Arbeitswicklung 24 während
der positiven Halbwellen der Speisespannung ein pulsierender, gleichgerichteter
Strom, und ein gleichartig pulsierender Strom fließt während der negativen Ha.Ibwelle
in der Arbeitswicklung 24 a. An den Ausgangsanschlüssen 28 und
29 tritt dann eine Gleichspannung auf, deren Größe durch die Steuerwicklung
30 geändert werden kann, welche vorzugsweise auf dem Mittelschenkel des Kernes
angebracht ist.
-
Die gleich gebaute entgegengesetzte Hälfte des Gegentaktverstärkers
umfaßt Arbeitswicklungen 31
und 32, eine Vollweggleichrichterbrücke
33 und eine Steuerwicklung 34. An den gemeinsamen Anschluß 35
der Arbeitswicklungen
31 und 32 und an den Anschluß 36 der Gleichrichterbrücke
33 ist eine Wechselspannung gelegt, z. B. von der Sekundärwicklung
37 eines Transformators. Vorzugsweise sind die Transformatorwicklungen
26 und 37 Sekundärwicklungen desselben Transformators. An denAusgangsanschlüssen
38
und 39 des Gleichrichters 33 tritt eine Gleichspannung auf.
Die Ausgangsanschlüsse 29 und 38 der beiden Hälften des Gegentaktverstärkers
sind verbunden, so daß die Leiter 28 und 39 die zusammengehörigen
Ausgangsanschlüsse beider Hälften des Gegentaktverstärkers bilden. . Die
beiden Steuerwicklungen 30 und 34 liegen in Reihe an der Steuerspannungsquelle
40, 41.
-
Die obere Hälfte des Gegentaktverstärkers ist mit einer Rückführwicklung
42 versehen, die vorzugsweise auf dem Mittelschenkel des Kernes angebracht ist,
auf welchem sich auch die Stenerwicklung 30 befindet. Die Rückführwicklung
42 wird von den Ausgangsanschlüssen 28 und 29 der Gleichrichterbrücke
27 gespeist und ist so gepolt, daß ihre magnetomotorische Kraft der magnetomotorischen
Kraft der Steuerwicklung 90 entgegengesetzt ist. In Reihe mit der Rückführwicklung
42 ist ein variabler Widerstand 43 vorgesehen, umdie Empfindlichkeit einstellen
zu können. Er bestimmt also die Neigung der Charakteristik und entspricht dem variablen
Widerstand 9 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Parallel zur Rückführwicklung42
sind ein Spannungsteiler44 und ein Gleichrichter45 miteinander in Reihe geschaltet.
Der Spannungsteiler 44 überbrückt eine Batterie 46 und ist mit einem Gleitkontakt
44 a versehen, damit man diejenige Spannung einstellen kann, bei welcher die Rückführung
gegenüber jeder weiteren Steigung der Ausgangsspannung relativ unempfindlich wird.
Er dient also zur Einstellung des Trennpunktes zwischen dem Bereich geringer Empfindlichkeit
und dem Bereich hoher Empfindlichkeit. Bei dieser Schaltung entsprechen der Spannungsteiler
44, der Gleichrichter 45 und die Batterie 46 dem Spannungsteiler 14, dem Gleichrichter
17 und der Batterie 13 der Fig. 1, und sie arbeiten ähnlich.
-
Die andere Hälfte des Gegentaktverstärkers ist mit einer gleichartigen
Rückführung versehen, d. h. mit einer Rückführwicklung 47, einem die Empfindlichkeit
einstellenden variablen Widerstand 48, einem Spannungsteiler 49, einem Gleichrichter
50 und einer Batterie 51. Diese Elemente entsprechen dem variablen
Widerstand 9, dem Spannungsteiler 20, dem Gleichrichter 21 bzw. der Batterie
19 der Fig. 1. Die Gesamtarbeitsweise des Gegenstandes der Fig. 2
entspricht weitgehend der Arbeitsweise des Gegenstandes der Fig. 1.
-
Da jede Hälfte des Gegentaktverstärkers mit einem selbständigen
Rückführkreis und mit selbständigen variablen Einstellwiderständen 43 und 48 versehen
sind, können die Neigungen der Charakteristikteile mit verhältnismäßig niedrigem
Verstärkungsgrad (18 a,
bis 18b) sowohl für positive als auch
für negative Werte unabhängig voneinander eingestellt werden. Dies bedeutet, daß
durch unabhängige Einstellung der variablen Widerstände 43 und 48 der Bereich der
Kurve 18 zwischen der Ordinate und dem Punkt 18 a
eine andere
Neigung erhalten kann als der Teil zwischen der Ordinate und dem Punkt
18 b.
-
Die Fig. 3 zeigt die Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf
einen zweistufigen Röhrenverstärker mit einem Rückführkreis. Der Verstärker hat
drei Gleichspannungszuführungen 52, 53 und 54. Die Spannung der Leitung
52 sei positiv, die Spannung der Leitung 54 negativ, und die Spannung der
Leitung 53
liege zwischen den Spannungen der Leiter 52 und 54. Die
Spannungen zwischen den Leitungen 52 und 53
einerseits und zwischen
53 und 54 andererseits können gleich groß sein.
-
Die erste Stufe des Verstärk:ers enthält eine Röhre 55 mit
einer Anode 55 a einer Kathode 55 b und einem Gitter 55
c. Die Kathode 55 b ist unmittelbar an die Leitung53 angeschlossen,
während die Anode55(L über einen Widerstand 56 an der positiven Leitung
52
liegt. Zwischen der Anode und der negativen Leitung 54 liegen zwei Widerstände
57 und 58 in Reihe. Eine
Punkte, an denen der Übergang
vom Bereich relativ niedriger Verstärkung auf den Bereich relativ hoher Verstärkung
erfolgt, hängen also von der Einstellung der Widerstände 63 und 64 ab. Röhre
59 liegt zwischen der positiven und der mittleren Leitung 52 bzw.
53 und bildet die zweite Stufe des Verstärkers. Sie hat eine Anode
59 a, eine Kathode 59 b und ein Gitter 59 c. Zwischen der Anode
und der positiven Leitung 53 liegt eine Wicklung 60, die eine Steuerwicklung
sein kann, z. B. die Steuerwicklung einer elektromagnetisch betätigten Vorrichtung,
die Steuerwicklung einer dynamoelektrischen Maschine oder die eines magnetischen
Verstärkers. Das Gitter 59 c liegt am Verhindungspunkt der Widerstände
57
und 58 und spricht daher auf Änderungen der Spannung oder des Stromes
imAnodenkreis derersten Stufean.
-
Zwischen dem Verbindungspunkt 57a und dem Gitter 55 c der Röhre
55 befindet sich ein Rückführkreis mit einem variablen Widerstand
61 und einem Festwiderstand 62 in Reihe. Der variable Widerstand
61
entspricht dem variablen Widerstand.9 der Fig. 1.
Zwei Spannungsteiler
63 und 64 sind in 'Reihe zwischen der positiven und der negativen Leitung
52 bzw. 54 gelegt und entsprechen den Spannungsteilern 14 und 20 der Fig.
1.
-
Die Anode 65 a einer Zweielektrodenröhre 65 liegt am
Verbindungspunkt der Widerstände 61 und 62,
wogegen die Kathode
65 b an den - Gleitkontakt 63 a
des Spannungsteilers
63 gelegt ist. Die Anode 66 a einer zweiten Zweielektrodenröhre
66 ist an den Gleitkontakt 64 a des Spanungsteilers 64 angeschlossen, wogegen
die Kathode 66 b am Verbindungspunkt der Widerstände 61 und
62 im Rückführkreis liegt.
-
Die Steuerspannung wird über einen Spannungsteiler, der aus den Serienwiderständen
67 und 68 besteht, zugeführt, an deren Verbindungspunkt die Steuerelektrode
55 c der Röhre der ersten Stufe angeschlossen ist.
-
Falls beide Zweielektrodenröhren 65 oder 66 gesperrt
sind, wird der Ausgang der ersten Stufe des Verstärkers über die Widerstände
61 und 62 zur Steuerelektrode 55 c zurückgeführt, so -daß der
Verstärkungsgrad gemäß der Einstellung des variablen Widerstandes 61 im Rückführkreis
bestimmt wird. Bei einem durch den Gleitkontakt 63 a vorbestiriimten positiven
Wert der Spannung der ersten Stufe am Verbindungspunkt57a der Widerstände57 und
58
wird die Zweielektrodenröhre65 leitend, und die Rückführwirkung wird so
wesentlich herabgesetzt, daß der Verstärkungsgrad wieder auf den normalen Wert gebracht
wird, welchen er ohne jede Rückführung hatte. Bei einem vom Gleitkontakt 64a vorbestimmten
Wert der negativen Spannung des Punktes 57 a wird die Zweielektrodenröhre
66 leitend und beseitigt auch den Einfluß der Rückführung, Die genauen