Regelungsvorrichtung zur Konstanthaltung der Spannung eines elektrischen
Generators Regelungsvorrichtungen zur Konstanthaltung der Spannung eines elektrischen
Generators werden beispielsweise in Prüf- und Eichstationen für Meßgeräte, wie z.
B. Wattmeter und Elektrizitätszähler, verwendet. Zum Eichen von Meßgeräten wird
eine genau geregelte, verzerrungsfreie Spannung verlangt, die höchstens um 0,05
%, vom Sollwert abweichen darf. Bedenkt man, daß die Spannung der Stromversorgungsnetze
Abweichungen von der Nennspannung bis zu 10 r aufweisen kann, so ist es klar, daß
eine so hohe Anforderung bezüglich Spannungskonstanz zu besonderen regeltechnischen
Problemen führt. Da statische Wechselspannungsstabilisatoren derartig große Netzspannungsschwankungen
und die überdies zu berücksichtigenden Belastungsschwankungen von Null- bis Vollast
nicht mehr auszuregulieren vermögen, wird die Versorgungsspannung einem geregelten
Generator entnommen. Bekannte Regelungsvorrichtungen der eingangs erwähnten Art
weisen einen vom Versorgungsnetz gespeisten Synchronmotor auf, der mit einem Synchrongenerator
und einem Gleichstromgenerator zur Erregung des Hauptgenerators gekoppelt ist. Da
die Netzfrequenz viel geringeren Schwankungen unterworfen ist als die Netzspannung,
ist die Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors verhältnismäßig konstant, und die
Schwankungen der Spannung des Synchrongenerators sind daher schon wesentlich geringer
als diejenigen der Netzspannung. Die gleichgerichtete Generatorspannung wird dann
als Regelgröße einem Regler zugeführt, der einen magnetischen oder elektronischen
Verstärker enthält. Da es mit einem magnetischen Verstärker schwieriger ist, den
Oberwellengehalt auf das zulässige Maß einzuschränken, wird für hohe Genauigkeitsanforderungen
ein elektronischer Verstärker verwendet. Die Regelgröße wird dann mit einer meistens
von einer Stabilisiereinrichtung herrührenden Sollwertspannung verglichen, wonach
die verstärkte Regelabweichung die Erregung des Synchrongenerators so steuert, daß
allfällige Abweichungen der Generatorspannung ausreguliert werden. Für Drehstrom
kommt oft noch die Bedingung hinzu, daß Verzerrungen des Spannungsdreieckes infolge
asymmetrischer Belastung der Phasen ausreguliert werden müssen. Zu diesem Zweck
ist bei einer bekannten Regelungsvorrichtung für jede der drei Phasen ein Generator
vorgesehen. Die Statorwicklungen der drei Generatoren sind um 120° gegeneinander
versetzt. Jedem Generator ist zur Konstanthaltung seiner Spannung ein Röhrenregler
zugeordnet. Der Aufwand solcher Regelungsvorrichtungen ist beträchtlich, insbesondere
für größere Generatorleistungen in der Größenordnung von 10 bis 100 kVA. Mit zunehmender
Leistung nimmt nämlich auch die Erregerleistung und damit der erforderliche Röhrenaufwand
in der Leistungsstufe zu. Um keinen großen Aufwand an Leistungsröhren treiben zu
müssen, ist bereits vorgeschlagen worden, eine Kombination von drei Generatoren
mit einem Transformator vorzusehen. Diese Generatoren liefern dann einen Teil (etwa
20 ö) der totalen Energie, der notwendig ist, um die größtmöglichen Spannungsschwankungen
auszugleichen, während dem Transformator der restliche Teil (etwa 80ö) entnommen
wird. Dieser bekannten Anordnung haftet jedoch der schwerwiegende Nachteil an, daß
die Verzerrungen der Netzspannungen und alle Störeinflüsse unabgeschwächt in das
geregelte Netz eindringen können.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Drehstromsynchronmotor, der an das
Netz R, S, T angeschlossen ist und einen Drehstromsynchrongenerator 2 antreibt,
der ein zu regelndes Netz U, V, W speist. Die Erregung des Generators 2 erfolgt
durch eine Erregerwicklung 3, die von einer von einem Drehstrommotor M angetriebenen
Verstärkererregermaschine 4 gespeist wird. Die Erregerwicklung 5 der letzteren wird
von einem aus den Teilen 6, 55, 7 und 8 bestehenden Regler gespeist. Die zu regulierende
Netzspannung U, V, W wird dem als Meßgleichrichter ausgebildeten Teil 6 des
Reglers zugeführt, der eine dreiphasige Vollweggleichrichtung vornimmt und an seinem
Ausgang eine dem Mittelwert der drei verketteten Phasenspannungen proportionale
Gleichspannung abgibt. Diese Gleichspannung bildet die Regelgröße und wird unter
Zwischenschaltung einer Frequenzkompensationseinrichtung 55 in dem als Vorverstärker
ausgebildeten Teil 7 des Reglers mit einer konstanten Sollwertspannung verglichen.
Die verstärkte Differenzspannung steuert über den als Leistungsstufe ausgebildeten
Teil 8 des Reglers den Strom für die Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine
4. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei Abweichungen der Regelgröße vom Sollwert
die Leistungsstufe 8 die Erregermaschine 4 und damit die Erregung des Generators
2 derart steuert, daß die Abweichung rückgängig gemacht wird. Die Fig.2 zeigt die
Regelungsvorrichtung im Detail. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen
angedeutet wie in der Fig. 1. Der Meßgleichrichter 6 enthält drei Transformatoren
9, 10, 11, deren Primärwicklungen 12,13, 14 einerseits an die Phasen
U, V, W
des Generators 2 angeschlossen und andererseits mit dem Abgriff je
eines in Dreieckschaltung an den Phasen U, V, W liegenden Potentiometers 15,16 und
17 verbunden sind. Jeder Transformator 9 bis 11 besitzt ferner je eine Vormagnetisierungswicklung
18, die in Reihe geschaltet und an eine Spannung gelegt sind, die einem parallel
zur Erregerwicklung 5 geschalteten Potentiometer 19 entnommen wird. Die Sekundärwicklungen
20 der Transformatoren 9 bis 11 weisen eine Mittelanzapfung 21 auf und bilden zusammen
mit je zwei Ventilen 22 bzw. 23 bzw. 24 drei Gegentaktgleichrichterschaltungen,
die zusammen eine sechsphasige Sternschaltung ergeben. Dank der sechsphasigen Gleichrichtung
kann die Brummspannungskomponente klein gehalten werden, so daß keine umfangreichen
Siebmittel vorgesehen zu werden brauchen, die infolge ihrer großen Zeitkonstante
den Regelvorgang beträchtlich verzögern würden. Die an der sechsphasigen Sternschaltung
auftretende Gleichspannung ist dem Mittelwert der drei verketteten Spannungen des
zu regelnden Netzes U, V, W proportional und bildet die Regelgröße, die an
einem Potentiometer 25 abgegriffen wird. Dank dieser Mittelwertbildung wirken sich
Verzerrungen des Spannungsdreiecks infolge asymmetrischer Belastung weniger stark
aus, als es der Fall wäre, wenn als Regelspannung nur eine der gleichgerichteten
verketteten Spannungen herangezogen würde. Die Potentiometer 15 bis 17 sind so eingestellt,
daß die unvermeidlichen kleinen Unterschiede der Gleichrichtercharakteristiken ausgeglichenwerden.
Die vom Potentiometer 25 abgenommene Regelspannung wird über einen Widerstand 26
der Vorverstärkerstufe 7 zugeführt. Diese wird durch einen Differenzverstärker gebildet,
der aus zwei Elektronenröhren 27, 28 besteht, wobei die Röhre 27 als Verstärkerröhre
und die Röhre 28 als Kathodenfolger geschaltet ist. Die Kathoden 29 der Röhren 27,
28 haben einen gemeinsamen Kathodenwiderstand 30. Dieser ist an den Minuspol einer
durch zwei Stabilisatorröhren 31, 32 stabilisierten Gleichspannung U1 angeschlossen,
die von einem
nicht dargestellten Netzgleichrichter geliefert wird.
Die Stabilisatorröhren sind über einen Widerstand 33 an die Gleichspannung U1 angeschlossen,
und ein Kondensator 34 liegt parallel zu den Stabilisatorröhren 31, 32. Die Anode
35 der Röhre 28 ist an den Pluspol der durch die Stabilisatorröhren 31, 32 stabilisierten
Gleichspannung Ui angeschlossen. Ein Widerstand 36 verbindet das Steuergitter 38
des Kathodenfolgers 28 mit der Verbindungsleitung 37 zwischen den beiden Stabilisatorröhren
31, 32, wodurch die Stabilisatorröhre 32 gleichzeitig als Vergleichsspannungsquelle
dient. Die Anode 39 der Verstärkerröhre 27 ist über einen Anodenwiderstand 40 an
den Pluspol einer Gleichspannung U2 angeschlossen, die von einem zweiten, ebenfalls
nicht dargestellten Netzgleichrichter herrührt. Die Leistungsstufe 8 besteht aus
einer Anzahl parallel geschalteter Röhren 41 in Kathodenfolgerschaltung, von denen
einfachheitshalber nur zwei dargestellt worden sind. Die Anoden 42 und die Schirmgitter
43 dieser Röhren sind je über einen niederohmigen Schutzwiderstand 44 bzw. 45 an
den Pluspol der Gleichspannung U, angeschlossen. Die Steuergitter 46 der Röhren
41 sind je über einen Schutzwiderstand 47 mit der Anode 39 der Röhre 27 der Vorverstärkerstufe
7 verbunden. Die Spannung für das Schirmgitter 48 der Röhre 27 wird an einem an
die Gleichspannung Uz angeschlossenen Potentiometer 49 abgegriffen. In Reihe mit
den Kathoden 50 der Röhren 41 liegt die Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine
4, welche ihrerseits die Erregerwicklung 3 des Drehstromsynchrongenerators 2 speist.
An die Kathoden 50 der Röhren 41 ist ferner ein Kondensator 51 angeschlossen, der
andererseits mit dem Steuergitter 52 der Röhre 27 verbunden ist. Ein parallel zur
Erregerwicklung 3 liegendes Potentiometer 53 bildet mit einem Kondensator 54 und
dem Widerstand 36 des Vorverstärkers 7 eine Rückführung. Schließlich ist noch eine
Frequenzkompensationseinrichtung 55 vorgesehen, welche die Frequenzabhängigkeit
des Meßgleichrichters 6 kompensiert. Sie enthält einen an die Phasen U und
W des zu regelnden Netzes angeschlossenen Serieresonanzkreis, bestehend aus
einem Kondensator 56 und der Primärwicklung 57 eines Transformators 58. Die Resonanzfrequenz
dieses Serieresonanzkreises ist größer gewählt als die Frequenz des Netzes U, V,
W, so daß im linearen Teil der Resonanzkurve gearbeitet wird, in dem die Stromänderungen
den Frequenzänderungen proportional sind. Die an der Sekundärwicklung 59 des Transformators
58 abgegebene Spannung ist dann der Frequenzabweichung proportional. Zu dieser Spannung
wird eine frequenzunabhängige Spannung addiert, die an einem ebenfalls an die Phasen
U, W des zu regelnden Netzes U, V, W angeschlossenen Potentiometer
60 abgegriffen wird. Die vektorielle Summe der beiden Spannungen wird der Primärwicklung
61 eines Transformators 62 zugeführt. Die an der Sekundärwicklung 63 des Transformators
62 einstellbar abgegriffene frequenzabhängige Sekundärspannung wird mit einem Gleichrichter
64 in eine frequenzabhängige Gleichspannung umgewandelt und über den Widerstand
26 in kompensierendem Sinne in den Steuergitterkreis der Verstärkerröhre 27 des
Vorverstärkers 7 eingeführt, wodurch letzterer frequenzunabhängig gesteuert wird.
Die beschriebene Schaltungsanordnung liegt an einer Bezugsbasis 65, die vorzugsweise
geerdet ist. In der Fig. 2 ist diese durch dick ausgezogene Linien angedeutet. Die
Regelungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Sinkt beispielsweise die Spannung
U, V, W des Drehstromsynchrongenerators 2, so sinkt auch die Regelspannung
am Gitter 52 der Verstärkerröhre 27. Der Anodenstrom der Verstärkerröhre 27 geht
infolgedessen zurück, so daß das Potential an der Anode 39 und damit das Gitterpotential
an den Leistungsröhren 41 steigt. Der an den Leistungsröhren 41 auftretende Spannungsabfall
nimmt daher ab, was eine Vergrößerung der Spannung an der Erregerwicklung5 der Verstärkererregermaschine
4 zur Folge hat. Die Spannung der Verstärkererregermaschine 4 nimmt folglich zu,
so daß der Drehstromsynchrongener ator 2 stärker erregt und damit seine Ausgangsspannung
U, V, W auf den Sollwert zurückgeführt wird. Steigt die Spannung
U, V, W des Drehstromsynchrongenerators 2 über den Sollwert an, so erfolgt
der Regelvorgang in umgekehrtem Sinne. Da das Potential der Kathoden 29 der Röhren
27, 28 dank der Stabilisierung des Gitterpotentials der Kathodenfolgerröhre 28 konstant
ist, kommt die Änderung des Gitterpotentials der Röhre 27 praktisch als Änderung
ihres Anodenstromes voll zur Wirkung. Die mit der Röhre 27 erzielbare Verstärkung
wird daher voll ausgenutzt. Der Regulierwiderstand 33 ist so eingestellt, daß der
Einfluß von Schwankungen der Spannung Ui und der Heizspannung der Röhren 27, 28
auf die Spannung des Drehstromsynchrongenerators 2 auf ein Minimum reduziert ist.
Auch der Einfluß von Schwankungen der Spannung UZ wird durch geeignete Einstellung
des Potentiometers 49 größtenteils kompensiert. Steigt beispielsweise die Spannung
U2, so wird auch die Spannung am Schirmgitter 48 der Röhre 27 größer. Das Potential
der Anode 39 dieser Röhre nimmt daher ab, was eine Vergrößerung des Innenwiderstandes
der Leistungsröhren 41 zur Folge hat. Der dadurch entstehende vergrößerte Spannungsabfall
an diesen Röhren wirkt der durch den Anstieg der Spannung U2 bedingten Vergrößerung
ihrer Anodenströme entgegen. Mit zusätzlichen Stabilisierungsmitteln kann die Reduktion
des Einflusses der Spannungsschwankungen von Ui und U2 auf die Spannung des Drehstromsynchrongenerators
2 natürlich vergrößert werden. Der dadurch bedingte Mehraufwand wird jedoch bei
der vorliegenden Regelungsvorrichtung in sehr zweckmäßiger Weise dadurch umgangen,
daß die Spannung für die Speisung der Netzgleichrichter für die Erzeugung der Spannungen
Ui und U2 sowie die Spannung für die Heizung der Röhren 27, 28 und 41 nach der Inbetriebnahme
der Regelungsvorrichtung von der geregelten Generatorspannung her bezogen wird.
Der Kondensator 51 dient zur Kompensation des Einflusses der Brummspannungskomponente
der gleichgerichteten Regelspannung, indem die verstärkte Brummspannungskomponente
von der Kathodenseite der Leistungsstufe 8 her gegenphasig auf das Steuergitter
52 der Röhre 27 zurückgeführt wird. Die auf den Transformatoren 9 bis 11 vorgesehenen
Vormagnetisierungswicklungen 18, die über das Potentiometer 19 von einer der Erregerspannung
der Verstärkererregermaschine 4 proportionalen Gleichspannung gespeist werden, ergeben
einen zusätzlichen Steuereffekt, der zusammen mit der Verstärkung der Vorverstärkerstufe
7 eine Regelgenauigkeit von mindestens 1: 2000 (0,05 %) gewährleistet. Neben dem
Vorzug des geringen Brummspannungsanteils ergibt die dreiphasige Gleichrichteranordnung
den Vorteil, daß die Summe der in den Vormagnetisierungswicklungen 18 induzierten
Wechselspannung
Null ist, weil diese gegeneinander um 120° phasenverschoben sind. Die Rückführung
53, 54, 36 dient dazu, die Regelung zu stabilisieren, was im Hinblick auf die durch
die Zeitkonstanten im Regelkreis bedingte Phasendrehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal
notwendig ist. Das Potentiometer 53 ist so eingestellt, daß der stationäre Endzustand
beim Regelvorgang gerade ohne Überschwingen erreicht wird, die Regelgröße dem Sollwert
also aperiodisch zustrebt. Dadurch, daß zur Speisung der Erregerwicklung 3 des Drehstromsynchrongenerators
2 eine Verstärkererregermaschine 4
vorgesehen ist, bleibt der Aufwand an Leistungsröhren
41 gering. Um dabei die Spannung an der Erregerwicklung 5 der Verstärkererregermaschine
4 auf den bei Leerlauf des Drehstromsynchrongenerators 2 erforderlichen kleinen
Wert bringen zu können, sind die Röhren 27, 28 des Vorverstärkers 7 kathodenseitig
an ein festes negatives Potential gegenüber der gemeinsamen Bezugsbasis 65 gelegt.
Da die Vorverstärkerstufe 7 als Differenzverstärker geschaltet ist, kann über dessen
Kathodenfolgerteil 28 die Rückführgröße der Rückführeinrichtung 53, 54, 36
die Verstärkerröhre 27 steuern, trotzdem das Steuergitter 52 bereits für die Steuerung
durch die Regelgröße belegt ist. Die Vorkehrungen, die zur Kompensation des Einflusses
der Heizspannungsschwankungen der Röhren 27, 28 getroffen sind, sorgen dafür, daß
Netzspannungsschwankungen keinen unerwünschten Einfluß auf die Regelgenauigkeit
mehr haben. Insgesamt ergeben die vorgeschriebenen Maßnahmen eine außerordentlich
hohe Regelgenauigkeit, die auch bei starken Netzspannungs- und Belastungsschwankungen
eingehalten wird. Dank der konsequenten Durchführung einer gemeinsamen Bezugsbasis
65 arbeitet die Regelungsvorrichtung sehr stabil und neigt nicht zu Selbsterregung.