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Spannungsregler für einen Drehstromgenerator mit durch einen Röhrenverstärker
geregelter Erregung An Prüf- und Eichstationen für Meßgeräte, wie Wattmeter und
Elektrizitätszähler od, dgl., wird eine konstante Spannung gefordert, welche höchstens
± 0,5 0%o vom Sollwert abweichen darf. Da die Spannung eines Kraftnetzes üblicherweise
bis etwa ±5"/o Abweichung aufweisen kann, muß die Betriebsspannung für Prüf- und
Eichstationen durch einen geregelten Generator erzeugt werden, da Spannungsstabilisatoren
für so große Netzspannungsschwankungen einerseits und Belastungsschwankungen von
den Prüf- und Eichstationen her andererseits den Anforderungen nicht mehr genügen.
Da die Netzfrequenz in den meisten Verteilnetzen geregelt und wesentlich stabiler
ist als die Spannung und üblicherweise Abweichungen von ±0,1 bis 0,2% der Sollfrequenz
nicht überschreitet, bedarf es keiner weiteren Stabilisierung der Frequenz. Zur
Erzeugung einer hinreichend konstanten Spannung werden in bekannter Weise Regeleinrichtungen
verwendet. Bekannte Regeleinrichtungen für diesen Zweck enthalten einen an der Netzspannung
liegenden Synchronmotor, welcher mit einem Generator mit Fremderregung und einer
Gleichstromerregermaschine gekuppelt ist. Der Generator liefert eine Spannung, welcher
der Netzfrequenz proportional ist und nur mit der Belastung durch die Eich- und
Prüfstation schwankt. Die abgegebene Generatorspannung wird als Regelgröße auf einen
Röhrenregler gegeben, welcher die Erregung des Generators beeinflußt. Röhrenregler
bekannter Art für den genannten Zweck sind meistens dreistufige Gleichstromverstärker.
Solche neigen zu Selbsterregung, und infolge der erforderlichen großen Verstärkung
benötigen sie einen beträchtlichen Aufwand in schaltungstechnischem Baumaterial
und an schaltungstechnischen Maßnahmen. Ein bemerkenswerter Nachteil bekannter Hochvakuumröhrenregler
für den genannten Zweck besteht darin, daß die Erregerwicklung im Anodenkreis der
Leistungsverstärkerstufe liegt. Wohl wird dabei erreicht, daß die Leistungsstufe
auch als Spannungsverstärker wirkt, jedoch liegt dann die Erregerwicklung dauernd
auf einem hohen Potential gegen Masse. Diese Anordnung erfordert zudem einen Potentialausgleich
zwischen der Vorverstärkerstufe und der Leistungsverstärkerstufe, welcher mittels
einer Batterie erreicht wird. Vielfach genügt ferner in den genannten Reglern eine
Stabilisatorröhre in der Spannungsvergleichstufe den Anforderungen nicht, indem
die abgegebene Brennspannung zur Bildung einer Differenzspannung mit der Meßspannung
nicht absolut konstant ist, sondern sich bei gewissen Betriebszuständen ändert,
z. B. beim Übergang von Leerlauf auf Belastung der Erregermaschine, bei Raumtemperaturänderung
oder Änderung der Temperatur der Erregermaschine. Solche störende Spannungsschwankungen
führten zu der Maßnahme, zur Erzeugung einer konstanten Spannung für den Spannungsvergleich
eine Batterie zu verwenden. Es sind Regler bekannt, welche die beiden genannten
Batterien gleichzeitig verwenden. Die Verwendung von Batterien in einer automatischen
Regelanlage wird wegen der ständig erforderlichen Wartung als nachteilig empfunden.
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Es ist ferner eine Regeleinrichtung zur Regelung der Spannung eines
Drehstromgenerators bekannt, bei der die Erregerwicklung der den Erregerstrom des
Drehstromgenerators liefernden Gleichstrommaschine in dem Gleichstromkreis eines
mehlphasigen Stromtorgleichrichters liegt. Die Zündzeitpunkte der Stromtore hängen
von dem Spannungsabfall an einem zwischen dem Sternpunkt des Gittertransformators
und den Kathoden liegenden Widerstand ab, der im Anodenstromkreis einer Verstärkerröhre
liegt. Diese erhält ihre Gitterspannung von einer aus je zwei linearen und nichtlinearen,
trägheitsbehafteten Widerständen bestehenden, von der gleichgerichteten Regelspannung
gespeisten Brückenschaltung, die eine der Abweichung der Regelspannung von ihrem
Sollwert entsprechende Gitterspannung erzeugt. Die Regelspannung wird einem dreiphasigen
Transformator entnommen, dessen in Dreieck geschaltete Primärwicklung an den drei
Phasen des Drehstromgenerators
liegt. An jede Sekundärwicklung
dieses Transformators ist je ein Gleichrichter in Brückenschaltung angeschlossen;
gleichstromseitig sind die Gleichrichter hintereinandergeschaltet und liefern die
Regelspannung als Summe ihrer Gleichspannungen. Um die Stabilität der Regelung zu
erhöhen, ist im Gitterkreis der Verstärkerröhre ein Widerstand vorgesehen, der über
einen Kondensator an die Erregerwicklung des - Drehstromgenerators derart angeschlossen
ist, daß die bei Änderungen der Erregerspannung des Drehstromgenerators an dem Widerstand
auftretende Spannung als negative Rückführung dient.
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Die Erfindung betrifft einen Spannungsregler für einen Drehstromgenerator
mit durch einen Röhrenverstärker geregelter Erregung, bei dem zwischen je zwei Phasen
des Drehstromgenerators die Primärwicklung je eines Transformators liegt und an
die Sekundärseiten der Transformatoren angeschlossene Vollweggleichrichteranordnungen
die Eingangsspannung für den Röhrenverstärker liefern sowie Mittel zur Rückführung
verwendet sind.
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Dieser Spannungsregler ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichrichter zu einer sechsphasigen Gleichrichterschaltung verbunden sind
und die Eingangsspannung direkt dem Steuergitter einer Vorverstärkerstufe des Röhrenverstärkers
zuführen, während die Kathode der Vorverstärkerstufe mittels einer Stabilisatorröhre
auf ein konstantes Potential angehoben ist. so daß in der Vorverstärkerstufe deren
konstantes Potential mit der Eingangsspannung verglichen wird, daß ferner zwischen
der Anode der Vorverstärkerstufe und einem in ihrer Anodenleitung eingeschalteten
hochohmigen Widerstand eine Verbindungsleitung zum Steuergitter einer in ihrer Kathodenleitung
die Erregerwicklung des Drehstromgenerators aufweisenden Leistungsverstärkerstufe
angeschlossen ist und daß schließlich über ein zur Erregerwicklung des Drehstromgenerators
parallel geschaltetes Potentiometer ein Gleichstrom abgegriffen und über in Reihe
geschaltete zusätzliche Wicklungen den Transformatoren als Rückführung zugeleitet
wird.
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Durch die Erfindung werden zunächst die oben geschilderten Nachteile
vermieden. Wesentlich ist dabei weiterhin, daß im Gitterkreis der Vorverstärkerröhre
keinerlei trägheitsbehaftete Glieder vorhanden sind, sondern daß die Meßspannung
unmittelbar dem Gitter der Vorverstärkerröhre zugeführt wird und der Vergleich mit
dem Sollwert in dieser Röhre dadurch stattfindet, daß ihre Kathode durch eine Stabilisatorröhre
auf ein festes Potential angehoben ist. Die die Meßspannung liefernden Gleichrichter
dienen ausschließlich als Meßwertumformer und werden nicht noch zur Lieferung von
Mlfsspannungen herangezogen, wodurch sich eine größere Regelgenauigkeit ergibt.
Dadurch, daß die Erregerwicklung des Drehstromgenerators in der Kathodenleitung
des der Vorverstärkerröhre nachgeschalteten Leistungsverstärkers liegt, befindet
sie sich praktisch auf Erdpotential. Durch den Anschluß von Vormagnetisierungswicklungen
der die Meßspannung liefernden Transformatoren an ein Potentiometer, das zur Erregerwicklung
des Drehstromgenerators parallel liegt, wird nicht eine negative Rückführung, sondern
eine positive Rückkopplung erzielt, welche die Regelkennlinie steiler gestahet.
Weil die Rückführgröße unmittelbar von der Erregerspannung des Generators abhängt,
braucht die Rückführung, um wirksam zu werden, nicht erst das Ergebnis des Regelvorganges
am Generatorausgang abzuwarten. Es ergibt sich damit- der Vorteil, daß die geregelte
Spannung von Belastungsschwankungen des Generators fast völlig unabhängig wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Blockschema der Regeleinrichtung, in
Fig. 2 ein Schaltschema der Regeleinrichtung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 ist eine Maschinengruppe,
bestehend aus einem Drehstrom-Synchronreaktionsmotor M, der einen Drehstromgenerator
G mit angekuppelter Erregermaschine GE antreibt, angeordnet. Der Synchronmotor liegt
an einem Dreiphasennetz mit den Phasen R, S, T. Der Generator liefert ebenfalls
eine Dreiphasenspannung mit den Phasen U, V, W. Es ist ein zweistufiiger
elektronischer Regler mit einem Meßgleichrichter angeordnet, und die Gleichspannung,
welche die Erregermaschine GE erzeugt, wird über den elektronischen Regler der Erregerwicklung
E des Drehstromgenerators G zugeführt und wird so gesteuert, daß die erzeugte Wechselstromspannung
für Belastungsänderungen von Null bis Vollast innerhalb ± 0,5 0%o konstant bleibt.
Der elektronische Regler wird durch die drei Teile A, B, C gebildet. Teil
A enthält eine Meßgleichrichteranordnung und ist an die spannungsgeregelten Phasen
U, V, W angeschlossen. Die vom Meßgleichrichter abgegebene Gleichspannung
ist proportional dem Mittelwert der verketteten Phasenspannungen. Sie wird als Steuerspannung
der Spannungsvergleichsstufe B zugeführt, welche eine Elektronenröhre enthält, deren
Gitter durch die Steuerspannung gesteuert und deren Kathode auf einem konstanten
Potential gehalten wird. Beim Vorhandensein einer Differenzspannung findet eine
Verstärkung statt, und das Anodensignal wird auf das Steuergitter der Leistungsstufe
C geführt, welche mehrere parallel geschaltete Leistungsverstärkerröhren enthält,
deren Anzahl durch die abzugebende Leistung bestimmt ist. Die Erregerwicklung E
liegt im Kathodenkreis der parallel geschalteten Verstärkerröhren. Die Spannung
der Erregerwicklung erfährt zwischen Leerlauf und Vollast des Generators eine Änderung
von etwa 50 bis 60°,%o, wodurch sich das Potential der Leistungsröhrenkathoden verschiebt.
Infolge einer nur beschränkt möglichen Verstärkung beeinflußt diese Potentialverschiebung
die geregelte Generatorspannung, so daß besondere Maßnahmen notwendig sind, um diesen
Einfluß zu kompensieren. Bei einer etwa 500fachen Verstärkung würde die Generatorspannung
zwischen Leerlauf und Vollast eine Änderung von etwa 2.4 0@'0@@ erfahren. Zulässig
sind aber höchstens 0,5 %o. Durch Vormagnetisieren der Transformatoren im Meßgleichrichterteil
A gelingt es, die Steuerspannung so zu beeinflussen, daß dieser Effekt ausgeglichen
wird. Zu diesem Zweck haben diese Transformatoren eine Vormagnetisierungswicklung,
und die Spannung der Erregerwicklung E wird zur Vormagnetisierung auf die Meßgleichrichterstufe
A zurückgeführt.
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Der Ausbau der drei Teile A, B, C ist aus Fig. "_' ersichtlich.
Der Meßgleichrichterteil enthält drei Transformatoren Tr1, Tr2, Tr3, deren Primärwicklungen
1-2 in Dreieckschaltung an den Phasen U, V, W
des Generators G liegen und
über Potentiometer P 1,
P 2, P 3 einstellbar sind. Jeder Transformator
hat eine Vormagnetisierungswicklung 3-4. Diese drei Wicklungen sind in Reihe geschaltet,
und die Vormagnetisierungsspannung wird einem Potentiometer P 6 entnommen, welches
an der Spannung der Erregerwicklung E liegt. Die Sekundärwicklungen 5-6 haben je
eine Mittelanzapfung 7 und sind in Stern geschaltet. Sie speisen die Gleichrichter
GL 1, GL 2, GL 3,
welche ihre Spannung auf das Potentiometer
P 4 geben, von welchem die Steuerspannung für die Spannungsvergleichsstufe abgegriffen
wird. Die Meßgleichrichterschaltung ist sechsphasig gewählt, um die Welligkeit der
Gleichspannung klein zu halten. In der getroffenen Anordnung ist die resultierende
Gleichspannung am Potentiometer P 4 proportional dem Mittelwert der drei verketteteten
Spannungen U, V, W,
und Verzerrungen des Spannungsdreiecks bei unsymmetrischer
Belastung wirken sich dadurch weniger stark aus, als wenn nur einphasige Gleichrichtung
vorgesehen wäre. Zum Ausgleich von unvermeidlichen kleinen unterschiedlichen Gleichrichtercharakteristiken
dienen die Potentiometer P 1, P 2, P 3, die als Spannungsteiler an den verketteten
Primärspannungen liegen. Diese Spannungsteiler werden so eingestellt, daß alle Gleichrichter
gleich große Anteile an die Steuergleichspannung liefern. Durch diese Anordnung
können auch Alterungen der Selenventile jederzeit ausgeglichen werden.
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Die Spannungsvergleichsstufe enthält eine Vorverstärkerröhre T2, deren
Steuergitter über einen ohmschen Widerstand R 1 mit dem Potentiometer P 4 gekoppelt
ist. Die Kathode dieser Röhre wird mittels einer Präzisionsstabilisatorröhre T1
auf konstantem Potential gehalten. Das Potentiometer P 5 dient als Spannungsteiler
für die Schirmgitterspannung der Röhre T2. Als Speisespannung des ganzen Verstärkerkreises
wird die Spannung des Gleichstromgenerators GE verwendet, und der Abgriff des Potentiometers
P 5 kann so gewählt werden, daß die kleinen Änderungen der Brennspannung der Röhre
T1 infolge Änderung der Gleichstromgeneratorspannung keine Änderung des Anodenstromes
der Röhre T2 bewirken. Die Röhre T2 arbeitet mit einer sehr hohen Verstärkung, und
der Anodenstrom ist dabei sehr klein. Dies hat zur Folge, daß sich der Einfluß von
Heizspannungsschwankungen bemerkbar machen kann, der unerwünschte Änderungen des
Anodenstromes zur Folge hat. Der Heizstrom der Röhre T2 und aller übrigen Röhren
wird in üblicher Weise über einen nicht gezeichneten Transformator direkt dem Ortsnetz
entnommen, so daß dieser den Netzschwankungen unterworfen ist. Um den Einfluß dieser
Schwankungen auf die geregelte Spannung auszuschalten, ist im Kathodenkreis der
Röhre T2 ein Widerstand R 6 angeordnet, an welchem ein der Heizspannung verhältnisgleicher
Spannungsabfall erzeugt wird. Der Strom hierzu wird einem an der Heizspannung liegenden
Gleichrichter GL 4 entnommen und durch den Kondensator C 2 gesiebt. An dem
Regulierwiderstand P8 wird der gewünschte Spannungsabfall eingestellt, der an R
6 auftreten soll. Die Einrichtung arbeitet so, daß bei steigender Heizspannung der
Spannungsabfall am Widerstand R 6 auch größer wird. Dadurch verschiebt sich das
Gitterpotential in der negativen Richtung und vermindert die störende Zunahme des
Anodenstromes.
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Die Leistungsverstärkerröhren T3 sind parallel geschaltet, und ihre
Steuergitter liegen über je einen Widerstand R 3 an der Anode der Vorverstärkerröhre
T2. Die Schirmgitter liegen über einen Widerstand R 4 und die Anoden über einen
Widerstand R 5 am Pluspol des Gleichstromgenerators GE, während die Erregerwicklung
E im Kathodenkreis der Leistungsverstärkerröhren liegt.
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Diese Schaltung der Leistungsstufe C als Kathodenfolger hat verschiedene
Vorteile: Zunächst kann die Ankopplung der Leistungsstufe an die Vorstufe potentialrichtig
und direkt, d. h. ohne Hilfsspannung und ohne Koppelglieder, vorgenommen werden.
Sodann wird mit dem Kondensator C 1 in einfacher Weise eine phasenrichtige Rückführung
der Restwelligkeit der Meßgleichrichterspannung im Sinne einer wechselstrommäßigen
Gegenkopplung zur Verminderung der Welligkeit des Erregerstromes des Drehgenerators
G ausgebildet. Außerdem befindet sich ein Ende der Erregerwicklung dauernd auf Erdpotential.
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Zur Verminderung der Anzahl parallel geschalteter Röhren in der Leistungsstufe
C auf ein Minimum wird nicht der ganze Erregerstrom über diese Röhren geführt, sondern
ein Teil davon über den einstellbaren Widerstand P 7 geleitet.
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Die vorstehend beschriebenen verschiedenen Schaltungsmaßnahmen ergeben
zusammen das für eine sehr genaue Konstanthaltung äußerst wichtige Merkmal, daß
alle kritischen Punkte des gesamten Regelkreises sich auf demselben Bezugspotential
befinden, nämlich auf dem Potential der Leitung, die in Fig. 2 -
durch eine
starke und mit O bezeichnete Linie dargestellt ist.
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Die Meßgleichrichteranordnung ist frequenzabhängig, indem eine Frequenzänderung
von +-6% bei 50 Hz die geregelte Spannung um etwa ± 2 %o beeinflußt. Da Frequenzänderungen
im Netz allgemein langsam verlaufen und selten 1'% überschreiten, kann ihr Einfluß
auf die geregelte Spannung jedoch meistens vernachlässigt werden. Soll der Frequenzeinfluß
berücksichtigt werden, so kann durch eine einfache Kompensationseinrichtung der
Frequenzeinfluß auf weniger als 0,5 %o bei 1% Frequenzabweichung herabgesetzt werden.
Hierzu dienen die Transformatoren Tr4, Tr5, der Kondensator C3, ein Potentiometer
P 9 und ein Gleichrichter GL 5. Die Primärwicklung des Transformators Tr4
bildet mit dem Kondensator C 3 einen Serieresonanzkreis, dessen Arbeitsbereich unterhalb
der Resonanzfrequenz liegt. An der Sekundärwicklung wird eine Spannung gewonnen,
die der Frequenzabweichung proportional ist. Der Resonanzkreis ist an die geregelte
Generatorspannung angeschlossen, in Fig. 2 an die Phasen F' und W. An dieser Spannung
liegt auch das Potentiometer P9 als ohmscher Spannungsteiler, an dem eine frequenzunabhängige
Spannung abgegriffen wird. Die Sekundärspannung des Transformators Tr4 wird mit
dieser Spannung geometrisch addiert und die vektorielle Summenspannung der Primärwicklung
des Transformators Tr5 zugeführt. Die Sekundärspannung des Transformators Tr5 wird
gleichgerichtet und mittels des Kondensators C 4 gesiebt. Die so erzeugte frequenzabhängige
Gleichspannung wird über den Widerstand R 1 dem Steuergitter der Röhre T2 aufgedrückt
und steuert somit die Vorverstärkerstufe im kompensierenden Sinne.
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Der Regelvorgang spielt sich folgermaßen ab: Die konstant zu haltende
Generatorspannung wird in der Meßgleichrichterstufe transformiert und gleichgerich-
!et.
Diese Gleichspannung steuert die Vorverstärkerröhre T2. Steigt nun beispielsweise
die Generatorspannung, so steige auch die Gitterspannung an der Röhre T2 und damit
ihr Anodenstrom. Diese Stromerhöhung bewirkt eine Zunahme des Spannungsabfalls am
Anodenwiderstand R 2, wodurch die Gitterspannung der Leistungsröhren T3 abnimmt.
Die Leistungsstufe wird somit stärker gesperrt, d. h., deren Innenwiderstand nimmt
zu. Da dieser Innenwiderstand in Reihe mit der ErregerwicklungE des Generators G
liegt, hat die Widerstandszunahme eine Verkleinerung der Spannung an der Erregerwicklung
zur Folge, so daß die Generatorspannung wieder auf den Ausgangswert zurückgeführt
wird. Bei sinkender Generatorspannung erfolgt der Regelvorgang in umgekehrtem Sinn.
Der Regler arbeitet also stets einer Abweichung der Generatorspannung entgegen.