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Meßwertumformer zur Anzeige einer Frequenzabweichung von einem Sollwert
Gegenstand der Erfindung ist ein Meßwertumformer, der eine frequenzabhängige Ausgangsspannung
liefert. Solche Umformer werden vorzugsweise in Regelkreisen verwendet, um die Frequenz
der Ausgangsspannung von Wechselspannungsgeneratoren konstant zu halten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits Anordnungen bekanntgeworden,
bei denen die Ausgangsspannung des zu regelnden Generators einem aus Spulen und
Kondensatoren bestehenden Filter zugeführt wird. Am Ausgang dieses Filters ergibt
sich dann eine Spannung, deren Höhe sowohl von der Amplitude wie auch von der Frequenz
der vom Generator gelieferten Spannung abhängig ist. Diese Spannung wird dann gleichgerichtet
und mit einer weiteren Gleichspannung verglichen, die durch direkte Gleichrichtung
der vom Generator gelieferten Wechselspannung gewonnen wird.
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Mit einer solchen Anordnung läßt sich eine sehr empfindliche Frequenzregelung
erzielen, wenn der Arbeitspunkt auf der Filterflanke geeignet gewählt wird. Als
Nachteil steht dem aber gegenüber, daß die bisher bekannten Anordnungen ein schlechtes
dynamisches Verhalten aufweisen, d. h., daß bei plötzlichen Frequenzänderungen der
Generatorspannung die von dem Meßwertumformer gelieferte Ausgangsspannung sich erst
nach längerem Einschwingen auf den neuen Spannungswert einstellt. Dieses Überschwingen
dauert um so länger, je empfindlicher der Meßwertumformer arbeitet. Außerdem ist
bei solchen Anordnungen die Ausgangsspannung des Umformers sehr stark von der Kapazität
der verwendeten Kondensatoren abhängig. Da diese Meßwertumformer vorzugsweise bei
der üblichen Netzfrequenz von 5O Hz arbeiten, sind hohe Kapazitätswerte für die
Kondensatoren des Filters erforderlich. Solche lassen sich jedoch nicht mehr ohne
großen Aufwand mit geringen Toleranzen herstellen. Sie sind überdies meist stark
temperaturabhängig.
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Die Anwendung solcher in Verbindung mit Röhrenverstärkern verwendeten
Meßwertumformer zur direkten Aussteuerung eines Magnetverstärkers stößt jedoch auf
Schwierigkeiten. Durch die in einem solchen Falle hervorgerufene Strombelastung
des Filters des Meßwertumformers wird dessen Durchlaßkurve und damit dessen Ausgangsspannung
verändert. Dies hat eine Unbestimmtheit der Regelverhältnisse der gesamten Anordnung
zur Folge, die in sehr vielen Fällen untragbar ist.
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Diese Schwierigkeiten können dadurch vermieden werden, daß ein Meßwertumformer
zur Anzeige einer Frequenzabweichung von einem Sollwert, vorzugsweise für Regeleinrichtungen
vorgesehen wird, bei dem durch die in ihrer Frequenz zu messende Spannun- zwei galvanisch
getrennte Zweige gespeist werden, von denen der eine, bestehend aus einer LC-Tiefpaßschaltung,
an seinem Ausgang einen von der Frequenz und der Höhe der Wechselspannung abhängigen
Wert liefert, während der zweite Zweig an seinem Ausgang eine nur von der Höhe der
Wechselspannung abhängigen Wert liefert, und in dem aus den von den beiden Zweigen
gelieferten Ausgangswerten nach Gleichrichtung ein Differenzwert gebildet wird,
der beim Vorliegen des Sollwertes der Frequenz am Ausgang des Meßwertumformers den
Wert Null, im Falle einer Abweichung von dem Soll-,,vert jedoch einen der Frequenzabweichung
entsprechenden hohen Wert bestimmten Vorzeichens liefert, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß, wenn L den Wert seiner Reiheninduktivität, C den Wert seines Ouerkondensators
und f die zu messende Sollfrequenz bezeichnen, etwa die Bezeichnung gilt LC
= 1/(2,c f)2, und daß der Tiefpaß mit einem Widerstand abgeschlossen ist,
dessen Größe durch die Bezeichnung
gegeben ist.
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Der Meßwertumformer ist zweckmäßig derart aufgebaut, daß er nach Bedarf
für verschiedene Frequenzsollwerte einstellbar ist. Das kann in Weiterbildung der
Erfindung in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß der eine der beiden am Ausgang
der beiden Zweige vorgesehenen Ohmschen Widerstände nach Art eines Spannungsteilers
ausgebildet und benutzt wird. Für die Einstellung des Frequenzsollwertes wird in
der Weise vorgegangen, daß an dem Potentiometer
ein solcher Spannungswert
abgegriffen wird, daß bei Übereinstimmung von Frequenzsollwert und Frequenzistivert
der an dem einen Ohmschen Widerstand anfallende Spannungswert und der an dem am
Potentiometer abgegriffenen Widerstandsteil anfallende Spannungswert einander gleich
sind. Gegebenenfalls können auch beide Ausgangswiderstände als Spannungsteilerwiderstände
ausgebildet sein. Ein Meßwertumformer kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
in demjenigen Zweig, der einen Ausgangswert liefert, der nach Frequenz und Höhe
von der Eingangsspannung abhängig ist, entweder mit einem einstufigen Spannungsteiler
oder einem mehrstufigen Spannungsteiler ausgestattet sein. Im Falle eines mehrstufigen
Spannungsteilers wird dann jeweils die Reihenschaltung aus der Drossel und der Querkapazität
angeschlossen an die Kapazität der Reihenschaltung des Spannungsteilers der vorausgehenden
Stufe.
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Es hat sich in Fortbildung der Erfindung bei dem Aufbau einer Anordnung
zur Anzeige einer Frequenzabweichung von einem Sollwert als zweckmäßig erwiesen,
den Spannungsteiler, der die frequenzbestimmende Wechselspannung in dem einen Zweig
liefert und die ihm nachfolgenden Glieder derart zu bemessen, daß der dem Spannungsteiler
für die Messung entnommene Strom nur relativ klein ist gegenüber demjenigen Strom,
den der Ohmsche Widerstand dieses Spannungsteilers führt, der dem Kondensator des
Spannungsteilers parallel geschaltet ist. Hierfür hat sich beispielsweise ein Verhältnis
von etwa 1:10 als geeignet erwiesen.
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Durch die Erfindung gelingt es, einen Meßwertumformer zu schaffen
für die Umformung einer Frequenzabweichung von einer Sollwertfrequenz in eine Gleichspannung,
der die Vorzüge aufweist, daß 1. an ihm in einem bestimmten Bereich eine besonders
einfache Einstellung des Sollwertes möglich ist, 2. an seinem Ausgang eine relativ
große elektrische Leistung entnommen werden kann, 3. die Anordnung nur wenig abhängig
ist von der betriebsmäßigen Konstanz des Querkondensators, welcher in dem frequenzabhängigen
Spannungsteiler des einen Zweiges des Meßwertumformers benutzt wird, und 4. der
eingestellte Frequenmollwert in weiten Grenzen unabhängig ist von der Größe der
Spannung, deren Frequenz unter Benutzung der Anordnung geregelt werden soll.
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Einige Ausführungsbeispiele für die Anwendung der Erfindung zeigen
die Fig. 1 und 3 der Zeichnung. In der Regelanordnung nach Fig. 1 treibt ein Gleichstromantriebsmotor
1 einen Drehstromgenerator 2 an, der ein nicht besonders dargestelltes Verbrauchernetz
speist und dessen Frequenz durch Beeinflussung des Stromes in der Feldwicklung 1
a des Antriebsmotors 1 geregelt wird. Die Einrichtung zur Regelung der Spannung
des Generators 2 ist nicht besonders dargestellt. Zur Frequenzregelung werden die
Frequenzänderungen der Generatorspannung in einem Meßwertumformer 3 in Gleichspannungen
umgewandelt. Diese werden in einem Verstärker 4, der beispielsweise ein Magnetverstärker
ist, verstärkt und der Feldwicklung 1 a des Antriebsmotors 1 in einem solchen Sinne
zugeführt, daß die daraus resultierende Drehzahländerung der an den Eingangsklemmen
5 und 6 gemessenen Frequenzabweichung vom Sollwert entgegenwirkt.
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Der Meßwertumformer 3 weist zur Erzielung dieses Effektes zwei Zweige
auf, die von den Eingangsklemmen 5 und 6 mit der zu messenden Spannullg beliefert
werden. Der eine dieser Zweige umfaßt einen Spannungsteiler, der aus der Reihenschaltung
der Drossel 8 und der Parallelschaltung des Kondensators 9 und des Ohmschen Widerstandes
10 besteht. Von der Parallelschaltung aus dem Kondensator 9 und dem Ohmschen Widerstand
10 wird ein Gleichrichter 11 gespeist. Dieser speist über die Glättungsmittel, welche
durch die Reihendrossel 13 und die Querkapazität 14 gebildet werden, den Ausgangswiderstand
17, welcher als Potentiometer ausgebildet ist und einen einstellbaren Abgriff 17a
aufweist. Der zweite Zweig, der mit der Eingangsspannung beliefert wird, umfaßt
einen Transformator 7 mit gegeneinander isolierten Wicklungen, einen von diesem
sekundärseitig gespeisten Gleichrichter 12 sowie die Glättungsmittel 15 und 16 und
einen von dem Gleichrichter gespeisten Ausgangswiderstand 18. Die beiden Ausgangswiderstände
17 bzw. 18 sind an ihrem negativen Pol miteinander verbunden. Das andere des Widerstandes
18 und der Abgriff 17a am Widerstand 17 sind an die Ausgangsklemmen 20 und 19 des
Meßwertumformers angeschlossen. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, sind die
an den beiden Widerständen 18 und 17 entstehenden Spannungen gegeneinandergeschaltet.
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Die Bauelemente werden vorzugsweise so bemessen, daß der durch den
Widerstand 10 fließende Strom groß ist im Verhältnis zu dem Strom, der über die
Gleichrichterbrücke 11 durch die Drossel 13 und den Widerstand 17 fließt. Ein Verhältnis
von z. B. etwa 10:1 liefert gute Ergebnisse. Bei der größten Frequenz, die als Sollwert
am Meßwertumform»-r eingestellt werden soll, muß die Spannung am Widerstand 10 gleich
der Sekundärspannung am Transformator 7 sein. Dann sind auch die Spannungen an den
Widerständen 17 und 18 entgegengesetzt gleich, und bei der Stellung des Abgriffes
des Widerstandes 17 an dem in der Fig. 1 oberen Ende des Widerstandes 17 entsteht
zwischen den Ausgangsklemmen 19 und 20 für diesen höchsten Frequenzsollwert die
Spannungsdifferenz Null.
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Die Wirkungsweise des Frequenzumformers läßt sich, wie folgt, beschreiben.
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Bei einer höheren Frequenz der als konstant unterstellten Speisespannung
als der am Potentiometer 17 eingestellten Sollfrequenz ändert sich die Gleichspannung
am Widerstand 18 nicht. Dagegen folgt aus dem Frequenzgang der Kombination aus der
Drossel 8,
dem Kondensator 9 und dem Widerstand 10, daß bei der höheren Frequenz
dein Geichrichter 11 eine kleinere Spannung zugeführt wird. Demgemäß liegt auch
am Widerstand 17 eine kleinere Ausgangsspannung, und die Ausgangsklemme 20 des iließwertumformers
wird positiv gegenüber seiner Klemme 19.
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Die Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen 20 und 19 dient als Steuerspannung
für den nachgeschalteten Verstärker 4.
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Bei gegenüber der eingestellten Sollfrequenz kleinerer Frequenz der
konstant unterstellten Eingangsspannung U an den Klemmen 5 und 6 tritt der umgekehrte
Vorgang ein. Die Spannung am Widerstand 18 bleibt wiederum konstant, jedoch erhöht
sich wegen des Frequenzganges der Kombination aus den Bauelementen 8, 9 und
10 die Spannung am Widerstand 17, so daß nun die Klemme 19 gegenüber der
Klemme 20 positiv wird und somit die Steuerspannung des Verstärkers 4 ihr Vorzeichen
wechselt.
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Bei geeigneter Bemessung der Bauelemente ist im Beispiel nach Fig.1
die Änderung der Spannung
zwischen den klemmen 19 und 20, bezogen
auf die Spannung am Widerstand 18, etwa gleich groß der Frequenzänderung der Eingangsspannung
an den Klemmen 5 und 6, bezogen auf die Sollfrequenz. Das heißt, daß bei einer Istfrequenzabweichung
von z. B. ± 1% von der Sollfrequenz. zwischen den Klemmen 19 und 20 eine Spannung
von etwa + 1% cler Spannung am Widerstand 18 auftritt.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen ist leicht ersichtlich, daß beim
Verschieben des Abgriffes am Widerstand 17 in Richtung auf das in Fig. 1 untere
Ende des Widerstandes 17 die Spannung Null zwischen den Klemmen 19 und 20 bei einer
tieferen Frequenz entsteht, so daß sich auf sehr einfache Weise die Einstellung
verschiedener erwünschter Frequenzsollwerte erreichen läßt.
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Änderungen der Größe der Eingangsspannung L' zwischen den Klemmen
5 und 6 bei konstanter Frequenz wirken sich nicht auf die Größe des eingestellten
Frequenzsollwertes des Meßwertumformers aus, da sowohl die Spannung am Widerstand
18 als auch die Spannung am Widerstand 17 proportional der Eingangsspannung U sind.
Es ändert sich lediglich die Steilheit der Kennlinie des Meßwertumformers und damit
im Hinblick auf den Regelkreis mit Proportionalverhalten die Regelverstärkung.
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Eine weitere Fehlermöglichkeit, wie sie bei anderen Frequenzmeßwertumformern
eintreten kann, nämlich durch das Wandern des Frequenzsollwertes beim Dauerbetrieb
als Folge von Kapazitätsänderungen der verwendeten Kondensatoren, läßt sich bei
der erfindungsgemäßen Anordnung leicht vermeiden. Bezeichnet man mit L die Induktivität
der Drossel 8, mit C die Kapazität des Kondensators 9, mit R den Ohmwert des Widerstandes
10 und mit f die Sollfrequenz, so ergibt sich unter der Voraussetzung einer gegenüber
dem Widerstand 10 niederohmigen Drossel 8 bei Wahl von LC=1/(2nf)2 näherungsweise
ein Verhältnis von Eingangsspannung U (an den Klemmen 5 und 6) zur Spannung am Widerstand
10 wie 2jz fL zu R.
Kleine Kapazitätsänderungen des Kondensators während seines
Betriebes machen sich also im eingestellten Frequenzsollwert praktisch kaum bemerkbar.
Wenn f die größte einstellbare Sollfrequenz ist, dann wird vorzugsweise das Übersetzungsverhältnis
von Primär- zu Sekundärspannung des Transformators 7 ebenfalls zweckmäßig etwa 2n
fL/R gewählt. Eine günstige Wahl für dieses Verhältnis ist, wie bereits angegeben,
ein Wert von etwa 2.
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Fig.2 zeigt noch die Kennlinie eines Meßwertumformers nach Fig. 1.
Aufgetragen ist das Verhältnis der Ausgangsspannung an den Klemmen 19/20 zur Eingangsspannung
an den Klemmen 5/6 über der Frequenz. Der Schnittpunkt mit der f-Achse entspricht
dem Frequenzsollwert.
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Fig. 3 zeigt die Schaltung einer anderen beispielsweisen Ausführung
eines erfindungsgemäßen Frequenzmeßwertumformers. In dieser Figur sind für die gleichen
Teile, die bereits in Fig. 1 vorhanden sind, die gleichen Bezugszeichen beibehalten
worden. Ein Unterschied dieser Schaltung gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 besteht
darin, daß an Stelle der Spannungsteilerschaltung aus der Drossel 8 und dem Kondensator
9 mit dem Parallelwiderstand 10 der Fig. 1 nunmehr eine Kaskadenschaltung zweier
Spannungsteiler verwendet wird. Der eine Spannungsteiler besteht aus Elementen 8a
und 9a, der andere aus den Elementen 8b, 9 b und 10. Bei Anwendung dieser
Schaltung kann die Steilheit der Kennlinie und damit die Empfindlichkeit des Meßwertumformers
um etwa eine Zehnerpotenz gegenüber einer Schaltung nach F ig. 1 vergrößert werden.
Im übrigen dürfte die Wirkungsweise dieser Schaltung nach den zu Fig. 1 gegebenen
Erläuterungen verständlich sein.
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Die Teile 8 a, 9 a, 8 b und 9 b werden vorzugsweise so bemessen,
daß die Spannungsteiler 8 a/9 a bzw. 8 b/9 b in ihrem Spannungsteilerverhältnis
voneinander verschieden sind, d. h. also, daß vorzugsweise weder die Drosseln 8
a und 8 b noch die Kondensatoren 9 a und 9 b untereinander gleich sind, da anderenfalls
bei stark vom Sollwert abweichenden Frequenzen, z. B. während des Hochfahrens des
Generators Resonanzspitzen auftreten können.
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Ein weiterer Unterschied dieser Schaltung nach Fig. 3 gegenüber der
Schaltung nach Fig. 1 besteht in der Verwendung des Transformators 7a. Dieser besitzt
zwei Sekundärwicklungen 7ci und 7ci', von denen die eine, 7a; den Zweig für die
Lieferung des Ausgangswertes speist, der von der Frequenz und Höhe der Eingangsspannung
abhängig ist, und die andere, 7ä', den Zweig des Meßwertumformers, der einen nur
von der Höhe der Eingangsspannung abhängigen Ausgangswert liefert.
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Ein solcher Transformator könnte an sich auch in einer Schaltung nach
Fig. 1 Anwendung finden. Ein solcher Transformator nach Art von 7a. bietet den Vorteil,
daß einerseits der gesamte Meßwertumformer galvanisch vom Netz des Generators getrennt
ist und andererseits eine Anpassung des Meßwertumformers an verschiedene Generatoren
mit unterschiedlichen Nennspannungen, jedoch gleicher Frequenz. dadurch erfolgen
kann, daß ein Transformator 7a ;nit einer solchen Primärwicklung verwendet wird,
die für einen Anschluß an die verschieden hohen Wechselspannungen geeignet ist.
Alle übrigen Teile des Meßwertumformers können dabei im allgemeinen gleichbleiben.
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Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere gedacht für Meßwertumformer
zur Speisung von Wechsel- oder Drehstromhilfsnetzen mittels eines Frequenzumformersatzes,
der aus einem entsprechenden Generator und z. B. aus einem Gleichstromantriebsmotor
besteht, wobei die Spannung des Hilfsnetzes durch Beeinflussung der Erregung des
Generators konstant gehalten und die Frequenzregelung durch Drehzahlregelung des
Antriebsmotors vorgenommen wird. In solchen Anlagen ist es nämlich häufig nicht
zweckmäßig, die Drehzahl des Aggregates als Frequenzistwert zu erfassen, weil z.
B. der Anbau einer für diese Zwecke geeigneten Tachometermaschine Schwierigkeiten
bereitet. Es wird dann ein Meßwertumformer benötigt, der Abweichungen von der Sollfrequenz
in Spannungswerte umformt, die den Verstärkereinrichtungen des Regelkreises des
genannten Umformersatzes zugeführt werden.