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Leistungsabhängige elektronische Regeleinrichtung Die Erfindung betrifft
eine elektronische Regeleinrichtung zur Regelung eines Verbrauchers elektrischer
Energie in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme des Verbrauchers.
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In der Praxis ist es häufig notwendig, die von irgendeinem Verbraucher,
beispielsweise einem Motor, aufgenommene elektrische Leistung zu ermitteln oder
zu überwachen, um so schnell als möglich jede sich als notwendig herausstellende
Regelung dieser Leistung durchführen zu können. Eine ideale Lösung dieser Aufgabe
würde ein Gerät ergeben, das in Abhängigkeit von der aufgenommenen Leistung sofort
auf den Verbraucher regelnd einwirken könnte.
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Bisher benutzte man meist zur Messung der von einem Verbraucher aufgenommenen
elektrischen Leistung übliche Wattmeter, deren beweglicher Meßsystemteil einen zur
Anzeige dienenden Zeiger oder in besonderen Fällen eine Schreibfeder trägt bzw.
bewegt.
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Geräte dieser Art gestatten keine unmittelbare Regelung des Systems,
sie müssen infolgedessen mit Vorrichtungen für das Nachführen von Regelorganen kombiniert
werden, die mechanisch empfindlich und in ihrer Herstellung außerordentlich kostspielig
sind. So kann man beispielsweise mit der Achse des beweglichen Meßsystems des Wattmeters
einen Bauteil bzw. eine Platte eines veränderbaren Kondensators verbinden, während
der andere Bauteil bzw. die andere Platte des Kondensators um die gleiche Achse
drehbar ist und von einem Servomotor bewegt wird, dessen Drehung genau der Drehung
des beweglichen Wattmetersystems folgt. Eine derartige Vorrichtung hat neben ihrer
mechanischen Empfindlichkeit noch den Nachteil, daß die Ansprechzeit durchaus nicht
zu vernachlässigen ist.
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Die Erfindung verfolgt den Zweck, eine elektronische Regeleinrichtung
zu schaffen, die in einfacher Weise die Regelung der von einem Verbrauchersystem
aufgenommenen elektrischen Leistung gestattet, wobei die Funktionen der Messung
oder der Beurteilung der aufgenommenen elektrischen Leistung und die Regelung dieser
Leistung in einem einzigen Gerät kombiniert werden.
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Die Erfindung macht von der speziellen Eigenschaft einer Doppelelektronenröhre
- insbesondere einer Doppeltriode - Gebrauch, der man bei entsprechender Schaltung
eine multiplikative Gitter-Anoden-Charakteristik geben kann.
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Doppelelektronenröhren, insbesondere Doppeltrioden, werden als Verstärkerröhren,
als Oszillatoren, Flip-Flop-Stufen oder Multivibratoren, für Phasenumkehrstufen
sowie in Gegentaktendstufen kleiner Leistung verwendet. Sie sind ferner für selbstschwingende
Mischstufen und für den Einsatz in elektronischen Rechenmaschinen bzw. in mit Impulsen
arbeitenden Schaltungen geeignet. Die Erkenntnis, daß sich eine Doppelelektronenröhre
auch unter Ausnutzung einer multiplikativen Gitter-Anoden-Charakteristik gewissermaßen
als elektronisches Wattmeter verwenden läßt, bildet die Grundlage der vorliegenden
Erfindung.
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Die erfindungsgemäße elektronische Regeleinrichtung zur Regelung eines
Verbrauchers elektrischer Energie in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme ist
im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß an eines der Steuergitter einer Doppelelektronenröhre
mit multiplikativer Gitter-Anoden-Charakteristik eine der Spannung des Verbraucherstromkreises
proportionale Spannung und an das zweite Steuergitter eine dem Strom im Verbraucherstromkreis
proportionale und mit dem Strom gleichphasige Spannung angelegt ist und daß eine
aus dem beiden Anoden gemeinsamen Anodenstromkreis der Doppelelektronenröhre abgegriffene
Spannung, deren Wert der von dem Verbraucher aufgenommenen elektrischen Leistung
proportional ist, nach ihrer entsprechenden Verstärkung durch irgendein geeignetes
Mittel, beispielsweise eine Leistungstriode, eine Regelvorrichtung des zu steuernden
oder zu regelnden Verbrauchers beeinflußt.
Die erfindungsgemäß'
zu- verwendende doppelt steuerbare Elektronenröhre kann insbesondere eine Doppeltriode
sein. über ein vorher einzustellendes Potentiometer gibt man -einen Teil der Netzspannung
auf eines der Steuergitter der Röhre und auf das andere Gitter - ebenfalls mittels
eines vorher einstellbaren Potentiometers - eine Spannung, die proportional zu und
in Phase mit dem Strom ist, welcher den Verbraucherstromkreis durchfließt. Man erhält
auf diese Weise in dem Anodenstromkreis der Doppelröhre - an den Klemmen eines Lastwiderstandes
- eine Spannung, die proportional der dem Verbraucher zugeführten Netzspannung,
multipliziert mit dem Betrag des diesen Stromkreis durchfließenden Stromes und einem
Phasenverschiebungsfaktor zwischen diesen beiden Größen, ist; diese Spannung ist
also proportional zu der aufgenommenen elektrischen Leistung.
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Es ist infolgedessen leicht, ein Voltmeter, welches diese Spannung
im Anodenstromkreis mißt, so zu eichen, daß seine Anzeige z. B. bei Drehstrom unmittelbar
den Wert der aufgenommenen Leistung, nämlich
liefert, wobei W die aufgenommene Leistung, U die Phasenspannung (bzw.
die Spannung einer Phase gegenüber dem neutralen oder Null-Leiter), 1 die Stromstärke
in jeder der Phasen und 9p der Phasenverschiebungswinkel zwischen der einfachen
Phasenspannung und dem Phasenstrom des Verbraucherstromkreises ist. Die Doppelröhrenschaltung
stellt also gewissermaßen ein elektronisches Wattmeter dar und wird im folgenden
kurz mit »Wattmeter« bezeichnet.
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Die Leistungsverstärkerstufe, die zwischen das eigentliche Wattmeter
und ein Stellorgan geschaltet wird, hat den Zweck, gleichzeitig eine ausreichend
große Leistung für die Betätigung des Stellorgans zu liefern und - falls dieses
Stellorgan eine höhere Leistung benötigt - jede störende Energieaufnahme aus dem
eigentlichen Wattmeter zu vermeiden, die gegebenenfalls in unzulässiger Weise die
Anzeige dieses Wattmeters beeinträchtigen würde.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht diese
Verstärkerstufe aus einer einfachen Leistungstriode, deren Gitter von der aus dem
Anodenstromkreis der Elektronenröhre des Wattmeters entnommenen Spannung gespeist
wird. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann es auch vorteilhaft sein,
einen magnetischen Verstärker zu verwenden, insbesondere- dann, wenn die Stellvorrichtung
eine bedeutende Leistung verbraucht.
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Das Stellorgan des Motors kann von beliebiger bekannter Art sein,
beispielsweise ein Thyratronstellglied, wenn es sich um einen Elektromotor für Gleichstrom
handelt, oder ein Stellglied, das entweder eine Bürstenverstellung vornimmt oder
Widerstände in einen Stromkreis einschaltet, wenn es sich um einen Wechselstrom-
bzw. Induktionsmotor handelt.
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Eines der wesentlichsten Merkmale bzw. ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Wattmeters für Regelzwecke ist seine außerordentliche Einfachheit,
die sich daraus ergibt, daß man unmittelbar die Leistung durch Bildung des Produktes
der Momentan-, werte u - i mißt, d. h. des Produktes aus Momentanspannung
und -strorn; -und nicht wie bei den bisherigen Ausführungsarten derartiger regelnder
Wattmeter ein Produkt von zwei Funktionen f (u, l) ' g (u, i), die ihrerseits
Funktionen der Spannung und des Stromes sind.
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Hieraus ergibt sich für das vollständige Regelwattmeter gemäß der
vorliegenden Erfindung ein sehr niedriger Beschaffungspreis (dieser Preis beträgt
etwa ein Zehntel des Preises für bekannte Wattmeter mit besonderer Nachführvorrichtung
für Regelzwecke), weiterhin eine hohe Betriebssicherheit bzw. Störungsfreiheit und
sehr kleine Abmessungen, die die Verwendung des neuen Gerätes bei zahlreichen Einrichtungen
gestatten, wie Antriebsmotoren für Brechwerke, Pumpen, Ventilatoren usw., bei denen
das Gegenmoment plötzlich in sehr weiten Grenzen schwanken kann und bei denen man
infolgedessen die Steuerung für den Motor sehr schnell betätigen muß.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird diese an einem lediglich
als Beispiel zu wertenden, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert,
bei dem von einem erfindungsgemäßen Wattmeter Gebrauch gemacht wird. Die in Zusammenhang
mit diesem Beispiel beschriebenen Ausführungseinzelheiten der Erfindung sind als
Teile der erfinderischen Offenbarung anzusehen; es dürfte jedoch klar sein, daß
sämtliche äquivalenten Maßnahmen oder Vorrichtungen benutzt werden können, ohne
den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.
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Die Zeichnung zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen
Wattmeters für Regelzwecke.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das speisende Netz drei Phasen
1, 2, 3. Der Verbraucher 4 soll ein mit Dreiphasenwechselstrom gespeister
Kollektormotor sein. Mit 5 ist eine nur schematisch dargestellte bekannte Stellvorrichtung
bezeichnet, die durch Verschiebung der Bürsten auf dem Kollektor des Motors
4
eine Veränderung des Schlupfes des Motors bewirkt.
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Die Phasen 1 und 3 sind unmittelbar mit dem Verbraucher 4 verbunden.
Zwischen den Phasen 1 und 2 = bzw. zwischen der Phase 2 und dem Nulleiter des Netzes
- liegt ein Potentiometer 6, das einen Spannungsteiler zwischen diesen beiden Phasen
bildet. An den Klemmen dieses Potentiometers 6 liegt die primäre Wicklung eines
Transformators 7, dessen Sekundärwicklung an eine Gleichrichterbrückenschaltung
8 angeschlossen ist. Der in dieser Brückenschaltung gleichgerichtete Strom wird
sodann mit Hilfe eines n-Gliedes gefiltert, das aus zwei Elektrolytkondensatoren
9 und 10 sowie einem Widerstand 11 besteht. Hinter diesem -i-Glied liegt
ein zweiter Widerstand 12, der mittels zweier Neonspannungsstabilisatoren
13 und 14 entkoppelt ist. Der gleichgerichtete und geglättete Strom speist eine
Doppeltriodenelektronenröhre 15, deren Anoden 16 und 17 einen gemeinsamen Belastungswiderstand
18 haben, der mit ihnen in Reihe geschaltet ist.
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In Reihe mit der Phase 2 liegt ein Potentiometer 19 mit geringem Widerstand.
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Das Potentiometer 6 und das Potentiometer 19 dienen zur Speisung der
beiden Steuergitter 20 und 21 der Doppeltriode 15. Die Doppeltriode 15 wirkt
als Doppeldetektor mit quadratischer Charakteristik bzw. multiplikativer Mischung,
und- der ihre beiden Anodenstromkreise durchfließende Strom ist porportional dem
Produkt der an ihre beiden Steuergitter ängelegten Signale- oder Momentanspannungen.
Der
Anodenstrom erzeugt in dem von ihm durchflossenen Lastwiderstand
18 eine Spannung, die ihrerseits ein Maß für die von dem Verbraucher 4 aufgenommene
Leistung ist. Diese Spannung wird an das Gitter der Leistungsverstärkertriode 22
angelegt, die in ihrem Anodenstromkreis einen Strom liefert, der zur Speisung der
Bürstenverstellvorrichtung 5 benutzt wird. Die Bürstenverstellung erfolgt über einen
besonderen Mechanismus 23, der in der Zeichnung nur angedeutet ist und seinerseits
keinen Bestandteil der Erfindung bildet.
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Das elektronische Wattmeter für Regelzwecke gemäß der vorliegenden
Erfindung ergibt eine sofortige und sehr wirksame Leistungsregelung, ohne daß irgendwelche
zusätzlichen Eingriffe von Hand vorgenommen werden müssen. Eine derartige selbsttätige
und sehr rasche Einwirkung ist vor allem dann von Vorteil, wenn der Verbraucher
der Antriebsmotor einer Vorrichtung, beispielsweise eines Brechers oder einer Quetschvorrichtung
für Mineralien, ist, deren Energieaufnahme plötzlich in weiten Grenzen schwanken
kann.