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Regelvergleichskreis mit einem vom Istwert magnetisch erregten Hallwandler
Es ist bekannt, den Hallgenerator in Form eines Hallwandlers zur Messung von Strömen
und Spannungen, insbesondere des Istwertes in Regelkreisen, heranzuziehen. Hierbei
ist die erzielbare Meßgenauigkeit unmittelbar von der Genauigkeit abhängig, mit
der der Steuerstrom des Hallgenerators konstant gehalten werden kann.
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Bei einem Regelvergleich tritt noch die Notwendigkeit hinzu, auch
den Sollwert mit entsprechender Genauigkeit konstant zu halten. Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, den zur Stabilisierung von Steuerstrom und Sollwert erforderlichen
hohen Aufwand zu vermeiden.
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Es ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden, einen Regelvergleichskreis
aus zwei Hallwandlern aufzubauen, von denen der erste zur Sollwert- und der -zweite
zur Istwertbildung dient. Der erste erhält eine konstante magnetische Erregung und
wird von einem Steuerstrom durchflossen, der dem Erregerstrom des zweiten Hallwandlers
proportional ist. Infolge dieser Anordnung bleiben Schwankungen des Steuerstromes
in gewissen Grenzen unschädlich. Dagegen muß das Erregerfeld des Sollwert-Hallwandlers
nach wie vor exakt konstant gehalten werden.
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Die Erfindung bietet demgegenüber die Möglichkeit, mit nur einem Hallwandler
auszukommen, und macht jegliche Konstanthaltung elektrischer oder magnetischer Größen
entbehrlich.
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Ein Regelvergleichskreis mit einem vom Istwert magnetisch erregten
Hauwandler, dessen Ausgangsgröße dem Sollwert entgegengeschaltet ist, ist gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom des Hallwandlers und der
Sollwert aus der gleichen Stromquelle entnommen sind. Die Regelabweichung ergibt
sich als Differenz des Sollwertes und der Hallspannung.
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Beim Erfindungsgegenstand ist weder eine Stabilisierung des Sollwertes
noch des Steuerstromes erforderlich, da Schwankungen der Netzspannung auf die Regelgenauigkeit
keinen Einfluß haben. Dies wird im folgenden noch näher erläutert. Der Erfindungsgegenstand
hat ferner den in vielen Regelanlagen wichtigen Vorteil, daß zwischen dem Meßort
und dem Regler eine Potentialtrennung gegeben ist, so daß der Regler für sich geerdet
werden kann.
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Wenn man den Steuerstrom des Hallwandlers und den Sollwert in Form
von Gleichstromgrößen vorgibt, so entsteht als Regelabweichung eine Gleichspannung.
Da es manchmal Schwierigkeiten macht, kleine Gleichspannungen zu verstärken, kann
es vorteilhaft sein, die Regelabweichung in Form einer Wechselstromgröße zu gewinnen,
indem man den Steuerstrom für den Hallwandler und den Sollwert als Wechselstromgrößen
einführt. Der Regelvergleich kann erdfrei an zwei gleich großen Widerständen erfolgen
oder durch Vergleich von Sollwert und gewandeltem Istwert als Spannungen gegenüber
einem Erdpotential.
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Aufbau und Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes seien im folgenden
an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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In Fig. 1 ist zunächst der bekannte Hallwandler dargestellt. Er besteht
aus einem Eisenkreis 1 mit einem kleinen Luftspalt, der in der Zeichnung der Deutlichkeit
wegen übertrieben breit dargestellt ist. Im Luftspalt ist das wirksame Halbleiterplättchen
2 angeordnet, das aus Indium-Arsenid, Indium-Antimonid oder anderen für diesen Zweck
geeigneten und bekannten Stoffen bestehen kann. An den Klemmen 3 und 4 wird eine
Steuerspannung US angelegt, die durch das Halbleiterplättchen den Steuerstrom IS
treibt. Auf Grund des Halleffektes entsteht an den Klemmen 5 und 6 die Hauspannung
Uho. Sie ist proportional dem Produkt aus Steuerstrom und Induktion B, die mit Hilfe
einer Wicklung 9 im Eisenkreis erzeugt wird. Den Klemmen 7 und $ wird der Magnetisierungsstrom
zugeführt, der beim Erfindungsgegenstand dem Istwert entspricht.
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Fig.2 zeigt eine Möglichkeit zum Aufbau eines Regelvergleichkreises
nach der Erfindung. Gleichartige Schaltungselemente sind mit den gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 versehen. Zur Erzeugung des Steuerstromes dient im Ausführungsbeispiel
ein Netzstromtransformator 10 mit Gleichrichtersatz 11
und Glättungskondensator
12. Zur Einstellung des
Steuerstromes dient ein Widerstand 13, so
daß der Eingangswiderstand des Steuerstromkreises sich aus den Anteilen des Halbleiterplättchens
2 und des Widerstandes 13 zusammensetzt.
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Der Sollwert wird aus dem gleichen Netz über einen Transformator 14
und einen Gleichrichtersatz 15 mit Glättungskondensator 16 in Form eines Spannungsabfalls
an einem Widerstand 19 vorgegeben. Der Widerstand 17 dient dazu, den Eingangswiderstand
des Sollwertkreises dem Eingangswiderstand des Steuerstromkreises anzupassen. Der
Sollwert kann durch Einstellen eines Widerstandes 13, der mit dem Widerstand 19
einen Spannungsteiler bildet, nach Wunsch vorgegeben werden.
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An die Klemmen 5 und 6 wird ein Widerstand 20 angeschlossen, der vorteilhaft
den gleichen Widerstandswert wie der Widerstand 19 hat Er kann so bemessen werden,
daß in an sich bekannter Weise eine lineare Anpassung des Hallwandlers erzielt wird.
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Sollspannung und Hallspannung werden als Spannungsabfall an den Widerständen'
19 und 20 miteinaiider verglichen und die Differenz dem Verbraucher 21 zugeführt,
der sich im Eingang eines Regelverstärkers, beispielsweise eines Magnetverstärkers,
befinden kann. Der Widerstand des Verbrauchers 21 soll groß gegen die Summe der
Widerstandswerte der beiden Widerstände 19 und 20 sein.
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Die Erregerwicklung 9 des Hauwandlers wird so ausgebildet, daß bei
den betriebsmäßig auftretenden Istwerten und Istwertänderungen eine geeignete Größe
; der Regelabweichung erzielt wird. Bei der Festlegung der Windungszahl ist jedoch
darauf zu achten, daß die Zeitkonstante des Erregerkreises, die für die Ansprechzeit
des Regelvergleichskreises maßgeblich ist, innerhalb des vorgeschriebenen Bereiches
liegt. In vielen Fällen wird die Wicklung 9 von einem eingeprägten Strom durchflossen
sein, so daß die Zeitkonstante der Wicklung keine Rolle spielt. In Fällen, wo der
Istwert unmittelbar als magnetische Feldstärke verfügbar ist, kann man den Eisenkreis
samt Erregerwicklung weglassen.
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In der in Fig.2 dargestellten Schaltung wird die Regelabweichung als
Gleichstromgröße gewonnen. Läßt man jedoch die Gleichrichter 11 und 15 fort, gibt
man also Sollwert und Steuerstrom als Wechselstromgrößen vor, so entsteht auch die
Regelabweichung am Widerstand des Verbrauchers 21 als Wechselspannung. Es ist in
diesem Fall jedoch darauf zu achten, daß Phasenverschiebungen zwischen dem Steuerstromkreis
und dem Sollwertkreis weitgehend vermieden werden. Dies ist bei der Speisung beider
Kreise aus einer gemeinsamen Stromquelle ohne Schwierigkeit zu erzielen.
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Es wurde früher bereits erwähnt, daß bei einem Regelvergleichskreis
nach der Erfindung eine Stabilisierung des Sollwertes nicht erforderlich ist. Bei
Spannungsschwankungen ändert sich sowohl der am Widerstand 19 stehende Sollwert
als auch der Steuerstrom des Hallwandlers und damit die diesem Steuerstrom direkt
proportionale Hallspannung. Sind Sollspannung und Hauspannung gleich groß, ist also
die Regelabweichung gleich Null, so bleibt auch die Differenz der beiden Spannungen
bei Schwankungen Gier Netzspannung unverändert gleich Null.
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Im stationären Zustand arbeitet die Regeleinrichtung also völlig unbeeinflußt
von Schwankungen des die Sollspannung und den Steuerstrom liefernden Netzes. Nur
bei Auftreten von Regelabweichungen, d. h. im nicht ausgeregelten Zustand, rufen
Netzspannungsänderungen im Regelvergleichskreis geringfügige Fehler hervor, die
jedoch auf die Wirkungsweise des Reglers praktisch keinen Einfluß haben.
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In Fig.3 ist ein Diagramm der Regelabweichung X ", und des Fehlers
der Regelabweichung d X", in Abhängigkeit von der Induktion B, die durch
den Istwert erzeugt wird, dargestellt. Dementsprechend erhält man gemessene Regelabweichungen
nach Fig.4. Man erkennt, daß der durch Netzspannungsschwankungen von 5, 10 und 20°/a
hervorgerufene Fehler verhältnismäßig klein ist und bei der Regelabweichung Null
völlig verschwindet.
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Der Regelvergleichskreis nach der Erfindung kann auch so ausgebildet
sein, daß Sollwert und gewandelter Istwert als Spannungen gegen Erdpotential miteinander
verglichen werden. Diese Erdung ist von Vorteil, wenn im Betrieb Störeinflüsse,
wie beispielsweise Störfelder, kapazitive Einstreuungen oder Oberwellenspannungen,
auftreten. Ein Ausführungsbeispiel auf dieser Grundlage zeigt Fig.5, in der wieder
gleichartige Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1
und 2 bezeichnet sind. Die Schaltung unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch,
daß der mittels Transformator 14 und Gleichrichter 15 erzeugte, durch ein RC-Glied
16, 22 geglättete Sollwert über Widerstände 23 und 24 der Hauspannung des Halbleiterplättchens
2 in einen Kreis eingeführt wird, der an einer der beiden Hallspannungsklemmen geerdet
ist. An den Verbindungspunkt der Widerstände 23 und 24 ist der Eingangskreis eines
Verstärkers 25 geschaltet, wobei der zwischen diesem Punkt und Erde liegende Eingangswiderstand
gestrichelt dargestellt ist. In an sich bekannter Weise ist ein Gegenkopplungskreis
über den Widerstand 26 vorgesehen.
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Für die praktische Ausbildung des Erfindungsgegenstandes bestehen
darüber hinaus noch verschiedene andere Möglichkeiten. Insbesondere können auch
mehrere Meßgrößen gleichzeitig verarbeitet werden, z. B. wenn der Istwert sich aus
mehreren elektrischen Größen zusammensetzt. Zur Summen-oder Differenzbildung kann
man zwei oder mehrere Erregerwicklungen verwenden, während zur Produkt-und Quotientenbildung
die beim Hallgenerator bekannten Schaltungen herangezogen werden können. Von Bedeutung
ist in allen Fällen, daß Steuerstrom und Sollwert durch Anschluß an die gleiche
Stromquelle sich immer im gleichen Sinne ändern, so daß bei der Regelabweichung
Null unter allen Umständen eine richtige Messung erzwungen wird.