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Regelschaltung für einen von einem Gleichstrommotor angetriebenen
Wechselstromgenerator Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für einen Wechselstromgenerator,
welcher von einem Gleichstrommotor angetrieben wird.
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Es ist bekannt, die von einem elektrischen Generator gelieferte Spannung
dadurch zu regeln, daß ein Magnetverstärker den Feldstrom für eine Erregermaschine
liefert, welche die Erregung des zu regelnden Generators bildet; dabei wird der
Magnetverstärker von der von dem zu regelnden Generator an der belastungserzeugten
Spannung und dem an dieselbe gelieferten Strom geregelt.
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Es ist ferner bekannt, bei einem Wechselstromgenerator einen Frequenzdiskriminator
vorzusehen, welcher von dem von dem Generator erzeugten Wechselstrom gesteuert wird,
um über einen Magnetverstärker einen Regelstrom der Feldwicklung des den Generator
treibenden Motors zuzuführen.
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Eine erfindungsgemäße Regelschaltung für einen von einem Gleichstrommotor
angetriebenen Wechselstromgenerator mit einem ersten Magnetverstärker, welcher von
der Frequenz des erzeugten Wechselstromes des zu regelnden Wechselstromgenerators
beaufschlagten Frequenzdiskriminator gesteuert wird und einen Regelstrom der Feldwicklung
des Motors zuführt, und einem zweiten Magnetverstärker, welcher durch die von dem
zu regelnden Wechselstromgenerator gelieferte Spannung und den von demselben an
die Belastung gelieferten Strom gesteuert wird und einen Regelstrom der Erregerwicklung
des Wechselstromgenerators zuführt, kennzeichnet sich dadurch, daß der erste Magnetverstärker
von dem von dein Wechselstromgenerator gelieferten Wechselstrom und von der dem
Gleichstrommotor zugeführten Gleichspannung zusätzlich gesteuert wird und daß der
zweite Magnetverstärker zusätzlich in einem gegenkoppelnden Sinn über ein stabilisierendes
Netzwerk gesteuert wird.
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Der erste Magnetverstärker wird nach Maßgabe der Ausgangsspannung
eines Frequenzdiskriminators und zusätzlich in Abhängigkeit des dem Verbraucher
zugeführten Stromes und in Abhängigkeit der dem Motor zugeführten Betriebsspannung
gesteuert und wirkt selbst auf den Antriebsmotor des Generators zurück, so daß eine
Änderung der Motorgeschwindigkeit und dadurch eine Frequenzänderung der erzeugten
Wechselspannung des Generators kompensiert wird.
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Der zweite Magnetverstärker wird in Abhängigkeit der erzeugten Wechselspannung
des Generators und des von demselben abgegebenen Stromes und zusätzlich über ein
Stabilisierungsnetzwerk gesteuert und wirkt auf die Erregung des Wechselstromgenerators,
also nicht auf seine Erregung zurück.
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Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Schaltungsweise, die
ihre Regelkriterien aus der Betriebsspannung, der Frequenz, der Spannung und dem
Strom der erzeugten Ausgangsleistung ableitet, zu außerordentlich konstanten Verhältnissen
derselben unter hoher Stabilität der Anlage führt.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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In der Figur ist 1 ein Motor, welcher über eine Welle 3 den Generator
2 antreibt. Der Motor kann eine Serienfeldwicklung 4 und eine Parallelfeldwicklung
5 sowie einen Anker 6 besitzen. Die Wicklung 4 liegt über die Leitungen 7, 8 und
9 in Serie mit dem Anker 6 zwischen den Zuführungsleitungen 10 und 11. Die Zuführungsleitungen
10 und 11 sind an eine geeignete elektrische Stromquelle angeschlossen. Das eine
Ende der Wicklung 5 ist über die Leitung 12 an die Verbindungsleitung 8 geführt,
während das andere Ende der Wicklung 5 über die Leitung 13 an die eine Klemme eines
Widerstandes 14 geleitet ist. Die andere Klemme des Widerstandes 14 ist über die
Verbindungsleitung 15 mit dem Leiter 11 verbunden. Der Widerstand 14 ist so bemessen,
daß in der parallelen Wicklung 5 nur eine äußerst geringe Erregung zustande kommt.
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Der Generator 2 besitzt eine rotierende Feldwicklung 16 und eine als
Ausgangswicklung dienende Statorwicklung 17. Der Generator 2 ist als ein Einphasen-"01
enerator dargestellt, er könnte aber auch ein Mehrphasengenerator sein. An das eine
Ende der Wicklung 16 ist über die Verbindungsleitung 18 und übliche
Schleifringe
die Leitung 10 angeschlossen. Das andere Ende der Wicklung ist über die Leitung
19 an das eine Ende eines Widerstandes 20 geführt, während das andere Ende des Widerstandes
20 über die Leitung 21 an die_ Zuführungsleitung 11 gelegt ist. Der Widerstand 20
ist so bemessen, daß in der Feld-,,vicklung 16 nur eine äußerst geringe Erregung
zustande kommt. Das eine Ende der Wicklung 17 ist an die Ausgangsleitung 22 angeschlossen,
während das andere Ende der Wicklung 17 an die Ausgangsleitung 23 angeschlossen
ist. Die Ausgangsleitungen 22 und 23 führen zu einer nicht dargestellten Belastung.
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Das wesentlich Neue der Erfindung liegt in den Mitteln zur Regelung
der Frequenz und -der Spannung der Anlage. Die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung
kannpraktisch konstant gehalten werden gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung,
der Belastung, der Temperatur der Umgebung und gegenüber dem gleichzeitigen Auftreten
der genannten Schwankungen. Frequenzregelung wird dadurch erzielt, daß die Energiezufuhr
zur Wicklung 5 geregelt wird und dadurch die Geschwindigkeit des Motors 1 unter
Anwendung eines magnetischen Verstärkers 24 gesteuert wird. Der Verstärker 24 umfaßt
zwei Kompensations-Steuerwicklungen 25 und 25a, die beiden Arbeitswicklungen26
und 26d und Steuerwicklungen 27 und 27a. Die Anordnungen 25 und 25a können Toroidkerne
besitzen. Das eine Ende der Wicklung 26 ist über eine Leitung 29 an das eine Ende
der Transformatorspule 30 geführt, die einen Mittelabgriff besitzt. Die Primärwicklung
32 des Transformators 31 ist über die Leitungen 33 und 34 an die Ausgangsleitungen
22 und 23 gelegt. Der Transformator 31 ist so dargestellt, daß er eine Mehrzahl
Sekundärwicklungen besitzt; es ist jedoch offensichtlich, daß auch statt dessen
verschiedene einzelne Transformatoren benutzt werden können. Das andere Ende der
Wicklung 26 ist über die Leitung 35 an die eine Klemme eines Vollweggleichrichters
36 mit Mittelabgriff geführt.
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Das eine Ende der Wicklung 26a ist über die Leitung 29a an das andere
Ende der Sekundärwicklung 30 des Transformators 31 angeschlossen. Das andere Ende
der Wicklung 26 a ist über die Leitung 35 a an die andere Klemme des Gleichrichters
36 geführt. Die Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung 36 ist über die Leitung
37 an das eine Ende der Wicklung 5 des Motors 1 geführt. Das andere Ende der Wicklung
5 ist über die Leitung 38 mit dem Mittelabgriff der Sekundärspule 30 verbunden.
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Die Steuerspulen 27 und 27a sind über die Verbindungsleitungen 39,
40 und 41 an die Ausgangsklemmen eines Frequenzdetektors 42 geführt. Der Frequenzdetektor
42 umfaßt zwei abgestimmte Serienkreise 43 und 43a, von denen der eine auf eine
Frequenz etwas oberhalb der Sollfrequenz abgestimmt ist und der andere auf eine
Frequenz etwas unterhalb der Sollfrequenz. Der abgestimmte Kreis 43 umfaßt eine
Induktivität 44, eine Kapazität 45 in Serie mit der Sekundärspule 46 des Transformators
31 und liegt an den Eingangsklemmen eines Vollweggleichrichters 47. Der abgestimmte
Kreis 43a umfaßt eine Induktivität 44a, eine Kapazität45a in Serie mit der Sekundärspule
46a des Transformators 31 und liegt an den Eingangsklemmen eines Vollweggleichrichters
47a. Eine Verbindungsleitung 48 verbindet die Ausgangsklemmen einer Polarität der
Gleichrichteranordnungen 47 und 47a miteinander. Die anderen Ausgangsklemmen der
Gleichrichter 47 und 47a sind über die Verbindungsleitungen 49, den Widerstand 50,
die Leitung 51, den Widerstand 52 und die Leitung 53 miteinander verbunden. Der
Leiter 48 ist über die Verbindungsleitung 54 an einen einstellbaren Abgriff 55 des
Widerstandes 50 geführt. Die Ausgangsspannung des Frequenzdetektors 42 ist an die
Eingangswicklungen 27 und 27a in zuvor erörterter Weise über die Leitungen 41 und
40 geführt. Ein Widerstand 56 und eine Induktivität 57 kann in die Verbindungsleitung
40 eingeschaltet sein. Der Widerstand 56 vergrößert die Zeitkonstante des Steuerkreises
und bedingt dadurch größere Stabilität. Die Induktivität 57 stellt für Harmonische,
die in die Steuerwicklungen induziert werden können, eine hohe Impedanz dar.
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Eine Kompensation des Einflusses von Schwankungen der Eingangsspannung
wird mittels des Eingangsspannungsdetektorkreises 58 erzielt. Der Detektorkreis
58 umfaßt die nichtlinearen Widerstände 59 und 60, die in gegenüberliegenden Zweigen
einer die Widerstände 61 und 62 umfassenden Brücke angeordnet sind. Ein regelbarer
Widerstand 63 liegt in Serie mit dem Widerstand 62 in dem einen Arm der Brücke.
Die eine Eingangsklemme des Detektorkreises 58 ist über die Verbindungsleitung 64
an die eine Eingangsleitung 10 geführt, und die andere Eingangsklemme des Detektorkreises
58 ist über die Verbindungsleitung 65 an die Eingangsleitung 11 geführt. Die Ausgangsklemmen
der Detektorstufen 58 sind über die Verbindungsleitungen 66 und 67 an die Wicklungen
27 und 27a angeschlossen. Ein regelbarer Widerstand 68 kann in der Leitung 67 vorgesehen
sein, um die Steilheit der Kurve zu ändern, die -das Ausgangssignal als Funktion
der Eingangsspannung darstellt.
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Kompensation gegenüber Belastungsschwankungen wird durch Anwendung
des Transformators 69 erzielt; 71 ist seine Sekundärspule und 70 seine Primärspule.
Die Spule 70 liegt in Serie in der Ausgangsleitung 22. Eine Gleichrichterbrücke
72 ist an die Sekundärwicklung angeschlossen. Die Kompensationswicklungen 28 und
28a liegen miteinander in Serie über die Verbindungsleitungen 73, 74 und 75 und
die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung 72. Ein veränderbarer Widerstand
76 kann in der Verbindungsleitung 73 für die Zwecke des Abgleiches eingeschaltet
sein. Ein Widerstand 77 liegt an den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 72 und bewirkt,
daß die von dem Gleichrichter 72 gelieferte Ausgangsspannung direkt mit dem Ausgangsstrom
des Generators sich ändert.
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Spannungsregelung wird durch Steuerung der der Wicklung 16 des Generators
2 zugeführten Energie bewirkt unter Anwendung des magnetischen Verstärkers 78. Der
Verstärker besitzt zwei Steuerwicklungen 79; 79a, zwei Arbeitswicklungen 80 und
80a und zwei Kompensationssteuerwicklungen 82 und 82a. Die Spulenanordnungen 79
und 79 a können Toroidkerne besitzen. Das eine Ende der Spule 80 ist über die Verbindungsleitung
83 an die eine Klemme der einen Mittelabgriff besitzenden Sekundärspule 84 des Transformators
31 geführt. Das andere Ende der Spule 80 ist über einen Verbindungsleiter 85 an
die eine Eingangsklemme einer einen Mittelabgriff besitzenden Gleichrichteranordnung
86 geführt.
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Das eine Ende der Wicklung 80a der Spulenanordnung 79a ist über eine
Verbindungsleitung 83a an das andere Ende der Sekundärwicklung 84 des Transformators
31 geführt. Das andere Ende der Wicklung 80 a ist über eine Verbindungsleitung 85
a zu der anderen Eingangsklemme des Gleichrichters 86 geführt. Die Ausgangsklemme
der Gleichrichteranordnung 86
ist über eine Verbindungsleitung 88
an den Mittelabgriff der Wicklung 90 eines Stabilisierungstransformators 91 geführt.
Das eine Ende der Wicklung 90 ist über die Verbindungsleitung 92 an die Leitung
18 angeschlossen. Der Mittelabgriff der Wicklung 84 des Transformators 31 ist über
die Leitung 93 an die Leitung 19 angeschlossen.
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Schwankungen der Ausgangsspannungen werden in der nichtlinearen Brückendetektoranordnung
94, welche nichtlineare Widerstände 95 und 96 in gegenüberliegenden Armen der Brücke
besitzt, ermittelt. Die anstoßenden Brückenarme umfassen einen Widerstand 97 und
einen Temperatur kompensierenden Widerstand 98 im einen Brückenarm und einen Widerstand
99 und einen variablen Widerstand 100 im anderen. Die Eingangsklemmen der Detektorstufe
sind über Verbindungsleitungen 101, 102 an die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung
103 angeschlossen. Die Eingangsklemmen der Gleichrichterstufe 103 sind über Verbindungsleitungen
104 und 105 an die Sekundärwicklung 84 des Transformators 31 geführt. Die Steuerwicklungen
81 und 81 a des Verstärkers 78 sind in Serie mit der Wicklung 106 des Transformators
91 unter Benutzung der Verbindungsleitungen 107, 108, 109 und 110 an die Ausgangsklemmen
der Detektorstufe 94 angeschlossen. Ein Widerstand 111 kann in der Verbindungsleitung
109 vorgesehen sein.
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Um zu verhindern, daß der Transformator 91 im Sättigungszustand arbeitet,
besitzt der Transformator dadurch eine Vorpolarisierung, daß ein Teil der Wicklung
90 in Serie mit dem Widerstand 112 und der Induktivität 113 über die Verbindungsleitungen
114, 115 und 116 an die Leitung 19 angeschlossen ist. Die Induktivität 113 bewirkt
eine Zeitverzögerung des vorpolarisierenden Stromes, so daß sich an der Wicklung
106 bei einer vorgegebenen Schaltstörung vorübergehenden Charakters eine maximale
Energieübertragung ergibt. Ferner bietet die Wicklung 106 für Harmonische, die in
den Spulen 81 und 81a induziert werden, eine hohe Impedanz.
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Eine Kompensation von Belastungsschwankungen wird durch den Transformator
117 mit Primärspule 118 und Sekundärspule 119 erzielt. Die Primärwicklung 118 liegt
in Serie in der Ausgangsleitung 22. Eine Gleichrichterbrücke 120 ist an die Sekundärwicklung
119 angeschlossen. Die kompensierenden Wicklungen 82 und 82a sind in Serie über
die Verbindungsleitungen 121, 122 und 123 an die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung
120 angeschlossen. Ein veränderbarer Widerstand 124 und eine Induktivität 125 können
in der Leitung 12 vorgesehen sein. Der Widerstand 124 wird so eingestellt, daß das
gewünschte Steuersignal für die kompensierenden Wicklungen erhalten wird, und die
Induktivität 125 unterstützt die Aufrechterhaltung der Spannungsstabilität. Ein
Widerstand 126 liegt an den Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung 120 und liefert
eine Ausgangsspannung an der Gleichrichteranordnung 120, die sich direkt mit dem
Nutzstrom des Gerätes ändert.
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Im Betrieb erhält die Feldwicklung 5 des Motors nur eine geringe Erregung
in Anbetracht des Widerstandes 14, der im Eingangsgleichstromkreis liegt. Eine zusätzliche
Erregung erfährt sie von dem Magnetverstärker 24. Die Impedanz der Arbeitswicklungen
26 und 26a ändert sich nach Maßgabe des Stromes, der in den Steuer- und Kompensationswicklungen
fließt. Im Frequenzdetektor 42 ist der eine abgestimmte Kreis so bemessen, daß seine
Resonanz etwas oberhalb der Betriebsfrequenz liegt und die des anderen etwas unterhalb.
Bei der Betriebsfrequenz liefert daher der Frequenzdetektor ein verschwindendes
Signal, sonst ein positives oder negatives Signal an seinen Ausgangsklemmen. Die
Ausgangsklemmen sind mit den Steuerwicklungen 27 und 27a verbunden. Ein Abweichen
von der Betriebsfrequenz ändert daher die Erregung der Steuerwicklungen 27 und 27a
in einem Sinne und mit einer Größe, die proportional dem Sinn und der Größe der
Abweichung von der Betriebsfrequenz sind. Der Widerstand 52 stellt ein Mittel dar,
um die Motorgeschwindigkeit bei Änderung der Umgebungstemperatur konstant zu halten.
Er stellt eine Belastung des Gleichrichters 47 dar, die proportional der Umgebungstemperatur
ist. Schwankungen der Eingangsspannung werden durch die Eingangsspannungsdetektorstufe
58 festgestellt und überlagern ein Steuersignal den Steuerwicklungen 27 und 27a,
welches proportional den Schwankungen der Eingangsspannung ist.
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Kompensation gegenüber Belastungsschwankungen ergibt sich durch Steuerung
der Erregung der Kompensationswicklungen 28 und 28a nach Maßgabe des in der Ausgangsleitung
22 fließenden Stromes und unter Anwendung eines Transformators und Gleichrichters.
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Eine Regelung der Spannung wird dadurch bewirkt, daß die Impedanz
der Ausgangsspulen 80 und 80a des Spannungsverstärkers 78 nach Maßgabe der Schwankungen
der Ausgangsspannung geändert wird. Eine Spannungsdetektorstufe 94 stellt die Schwankungen
der Ausgangsspannung fest und erregt die Steuerwicklungen 81 und 81c, in einem Sinn
und mit einer Größe, die von dem Sinn und der Größe der Spannungsschwankung abhängig
sind. Die Impedanz der Ausgangsspulen ist eine Funktion der Erregung der Steuerspulen.
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Die Stabilität wird dadurch erreicht, daß ein Stabilisierungstransformator
vorgesehen ist, wobei eine Wicklung in Serie mit der Generator-Feldwicklung 16 liegt
und eine Sekundärspule in Serie mit den Steuerwicklungen geschaltet ist. Einschwingspannungen,
die in der Sekundärwicklung induziert werden, liefern ein dämpfendes Signal an die
Steuerwicklungen.
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Eine Belastungskompensation wird durch Erregung der Kompensationswicklungen
82, 82a nach Maßgabe des in der Ausgangsleitung 22 fließenden Stromes unter Anwendung
eines Transformators in einer Gleichrichteranordnung bewirkt.
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Die Einschaltung eines Widerstandes 20 in Serie mit der Feldwicklung
16 des Generators im Gleichstromkreis bewirkt eine extrem geringe Erregung der Generator-Feldwicklung
16.
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Die Temperaturkompensation des die Schwankungen der Ausgangsspannung
anzeigenden Detektors 94 wird durch Anwendung eines Widerstandes 99 von positivem
Temperaturkoeffizient bewirkt, dergestalt, daß das Ausgangssignal dieser Stufe sich
entsprechend den Änderungen der Umgebungstemperatur ändert zu dem Zweck, daß die
Generatorspannung wesentlich unabhängig von der Umgebungstemperatur und konstant
wird.