DE1513876B2 - Anordnung zur selbsttaetigen regelung einer wechselspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selbsttätigen Regelung einer Wechselspannung mit einer in Reihe mit der ungeregelten Spannungsquelle liegenden Zusatzspannungsquelle, deren Spannung in Abhängigkeit von der geregelten Ausgangs-Wechselspannung über Zwischenverstärker beeinflußt ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 004 269 ist eine Anordnung der eingangs geschilderten Art bekanntgeworden, bei der über einen Transformator in Abhängigkeit von der zu regelnden Ausgangsspannung der Eingangsspannung eine Zusatzspannung zugefügt wird, deren Größe von der Änderung der zu regelnden Ausgangsspannung abhängt und die im Sinne einer KonstanthaltungderAusgangs-Wechselspannungwirkt. Der Transformator wird durch eine Brückenschaltung aus gleichstromsteuerbaren Drosseln gespeist, die die Quelle belasten.

Nachteilig bei der bekannten Anordnung ist es, daß wegen der großen Steuerdurchflutung der Drosseln diese eine nicht unerhebliche Zeitkonstante aufweist, die ein verzögertes Ansprechen der Regelung bewirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die nur eine sehr geringe Ausgangsimpedanz hat, weitgehend verzögerungsfrei auf Änderungen der Eingangs-Wechselspannung anspricht unddie Wechselspannungsquclle nur wesentlich belastet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zusatzspannung im wesentlichen eine konstante Spannungsamplitude hat und daß die Frequenz der Zusatzspannung von einem an den Steuereingang der Zusatzspannungsquelle angeschlossenen Oszillator bestimmt ist, dessen Steuereingang in der Weise an einen Amplituden-Detektor für die geregelte Wechselspannung angeschlossen ist, daß die Frequenz der Zusatzspannung proportional zur geregelten Wechselspannung ist. Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung werden im Gegensatz zur Anordnung nach der deutschen Auslegeschrift 1 004 269 keine Gleichstromdrosseln verwendet, so

ίο daß eine durch diese Drosseln bedingte Verzögerung beim Ansprechen der Regelung verhindert wird. Die Wechselspannungsquelle wird nur durch den Amplituden-Detektor belastet, der einen sehr hohen Eingangswiederstand haben kann. Die erfindungsgemäße Anordnung ist damit auch für Wechselspannungsquellen geeignet, welche einen größeren Innenwiderstand aufweisen. Der Regelbereich ist im wesentlichen nur durch die Empfindlichkeit der Anordnung beschränkt. Setzt man nämlich voraus, daß die erfindungsgemäße Anordnung zu stark auf große sprunghafte Änderungen der Wechselspannung anspricht, so kann es theoretisch passieren, daß die Regelung nicht mehr in dem gewünschten Sinne arbeitet.

Demgegenüber ist aber der Regelbereich nicht wie bei der Anordnung gemäß der deutschen Auslegeschrift 1004 269 (durch den Sättigungsstrom der Drosseln) scharf begrenzt. Der Ausgangswiderstand der erfindungsgemäßen Anordnung ist im wesentlichen konstant und nicht vom Zustand der Regelung abhängig, was einen weiteren Vorteil darstellt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung empfiehlt es sich, daß die Zusatzspannungsquelle mit einem Transformator und einem Verstärker versehen ist und daß die Ausgangsspannung des Oszillators dem Eingang des Verstärkers über Tiefpaßfilter zugeführt ist. Durch eine derartige Maßnahme erzielt man zum einen besonders niedrigen Ausgangswiderstand, da der Widerstand der Zusatzspannung jetzt nur noch durch eine Wicklung des Transformators gebildet wird. Da die Zusatzspannung erfindungsgemäß eine im wesentlichen konstante Spannungsamplitude hat, kann auch der Transformator in einem für ihn günstigen Leistungsbereich konstant ausgenutzt werden. Der Verstärker erhöht die Empfindlichkeit der Regelung, während der Tiefpaßfilter gegebenenfalls im Regelkreis entstandene Oberwellen heraussiebt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der Spannungsregelanordnung nach der Erfindung,

F i g. 2A, 2B und 2C Vektordiagramme mit der Darstellung der Beziehungen von Amplitude und Phase der in den verschiedenen Teilen der im Betrieb befindlichen Anordnung auftretenden Spannungen,

F i g. 3 die Schaltung eines in der Anordnung nach F i g. 1 verwendbaren Oszillators veränderbarer Frequenz und

F i g. 4 das Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Anordnung.

Nach F i g. 1 sind zwei Eingangsklemmen 10 und 11 vorgesehen, die an eine Quelle einer Wechselspannung angeschlossen sind. Die ungeregelte Wechselspannung ist hier mit E₁ bezeichnet. Die geregelte Ausgangs-Wechselspannung E.j erscheint an den Ausgangsklemmen 14 und 15. Die Eingangsklemme 10 ist

unmittelbar mit der Ausgangsklemme 14 verbunden. Die Eingangsklemme 11 liegt an einer Endklemme 22 einer Sekundärwicklung 21 eines Transformators 20. Das andere Ende 23 der Wicklung 21 geht unmittelbar an die Ausgangsklemme 15. Die Primärwicklung 24 dieses Transformators hat die Endklemmen 25 und 26.

Ein Amplituden-Detektor 30 ist mit zwei Eingangsklemmen unmittelbar an die Ausgangsklemmen 14 und 15 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Amplitudendetektors 30 ist das mit E₄ bezeichnete Steuersignal, das proportional der Spannungsarm^- tude der geregelten Ausgangs-Wechselspannung E₃ ist. Der Amplituden-Detektor 30 kann ein einfacher Gleichrichterkreis bekannter Art sein. Das Steuersignal E₄, wird einem Oszillator 40 zugeführt, dessen Ausgangssignal ein Wechselsignal ist, dessen Frequenz sich als Funktion der Amplitude von E₄, die dem Eingang des Oszillators 40 zugeführt wird, verändert. Das Ausgangssignal E₅ des Oszillators 40 wird durch einen Tiefpaßfilter 50 geschickt und dem Eingang eines Leistungsverstärkers 60 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird auf die Primärwicklung 24 des Transformators 20 gegeben. Das Signal aus der Primärwicklung 24 wird auf die Sekundärwicklung 21 übertragen und von dieser als Zusatzspannung E₂ in den Stromkreis eingefügt.

Die Arbeitsweise des in F i g. 1 gezeigten Gerätes läßt sich am bestsen an Hand der Vektordiagramme der F i g. 2 beschreiben. E₁ ist die ungeregelte Wechselspannung von im wesentlichen konstanter Frequenz. £₃ ist die geregelte Ausgangs-Wechselspannung und hat daher im wesentlichen eine konstanteAm'plitude. Die Zusatzspannung E₂ erscheint über der Wicklung 21 in einem Signal von im wesentlichen konstanter Spannungsamplitude, dessen Phasenlage gegenüber der ungeregelten Wechselspannung E₁ gesteuert werden kann.

Für einen Augenblick sei angenommen, daß die Amplitude von E₁ sich gerade nicht ändert. Die Summe von E₁ und E₂ erzeugt eine Spannung E₃ konstanter Amplitude, wie beschrieben. Solange die Amplitude von E₁ sich nicht ändert, ändert sich auch die Phasenlage zwischen den beiden nicht. Es sei angenommen, daß die jetzt gerade erreichte Beziehung durch F i g. 2 B wiedergegeben ist.

Wenn jetzt E₁ plötzlich abnimmt, wird die Folge das Bestreben sein, eine ähnliche Abnahme von E₃ hervorzurufen. Die Änderung von E₃ wird sofort durch den Amplitudendetektor 30 festgestellt, was zu einer Abnahme des Stuersignals E₁ führt. Die Abnähme der Amplitude von £₄ hat ihrerseits die Wirkung, daß die Frequenz des Oszillators 40 verringert wird, wodurch sich die Frequenz des Signals E₅ verkleinert. Dieselbe Frequenzabnahme tritt daher auch in £_e und ebenso in E₂ auf. Die Frequenz von E₂ ist jetzt ein wenig kleiner als die Frequenz von E₁. Diese Frequenzdifferenz kann als eine Änderungsgeschwindigkeit der Phasendifferenz zwischen E₁ und E₂ aufgefaßt werden. Die Richtung dieser Phasenänderungsgeschwindigkeit ist so, daß der Phasenwinkel Θ größer zu werden bestrebt ist, wie aus F i g. 2 A ersichtlich ist. Dadurch wird die Phasensumme von E₁ und E₂ vergrößert, was zu einem vergrößerten E₃ führt. Sowie sich E₃ vergrößert, wird auch E₁₁ größer werden und dadurch die Frequenz des Oszillators 40 steigern und die Frequenzdifferenz zwischen E₁ und E., vermindern. Die Phase wird sich weiter ändern, bis der Betrag von E₃ auf seinen ursprünglichen Wert zurückgekehrt ist, und die Frequenz von E₂ und E₁ wird im wesentlichen dieselbe bleiben.

Eine Zunahme von E₁ ruft eine Tendenz zur Zunähme von E₃ hervor. Diese Zunahme von E₃ erzeugt eine entsprechende Zunahme von E₁ und der Oszillatorfrequenz. Die Frequenz von E₂ wird also vorübergehend die Frequenz von E₁ übersteigen, und eine Änderungsgeschwindigkeit der Phase zwischen E₁ und £₂ wird in einer Richtung gehen, die den Phasenwinkel© zu vermindern bestrebt ist, wie in F i g. 2 C gezeigt ist. Dies führt zu einer Verringerung der Vektorsumme von E₁ und E₂ und so zu einer Verminderung des Betrages von E₃. Die Abnahme von E₃ wird zu einer entsprechenden Abnahme von .E₄ und Verkleinerung der Frequenz des Oszillators 40. Die Phase wird sich weiter ändern, bis der Betrag von E₃ auf seinen ursprünglichen Wert zurückgekehrt ist, und die Frequenz von E₂ und E₁ wird weider dieselbe sein.

Es sind verschiedene Arten von Amplitudendetektoren bekannt. Viele von ihnen sind in dem Vorliegenden Gerät verwendbar. Sie können einfache Gleichrichtungsschaltungen sein, die derart wirken, daß ihr Ausgangssignal £₄ ein Gleichspannungssignal ist, dessen Amplitude proportional zur Amplitude von E₃ ist.

Der Oszillator 40 veränderbarer Frequenz kann einer dier vielen bekannten Oszillatoren sein, in denen die Frequenz als Funktion der Eingangsspannung veränderbar ist. In einer erfolgreichen Ausführungsform dieser Erfindung ist ein magnetischer Oszillator gemäß F i g . 3 verwendet worden.

Der magnetische Oszillator nach F i g. 3 hat zwei Eingangsklemmen 63 und 73 und zwei Ausgangsklemmen 74 und 75. Er hat zwei Transistoren 61 und 62. Die Emitter der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und an die Eingangsklemme 63 angeschlossen, die das Signal U₄ aus dem Amplitudendetektor 30 der F i g. 1 empfängt. Die Basen der Transistoren sind an die Außenenden einer Rückkopplungswicklung 64 eines Transformators 65 angeschlossen. Letzterer hat eine zweite Wicklung 66, deren Enden entsprechend an die Kollektoren der Transistoren 61 und 62 angeschlossen sind. Der Transformator 65 hat eine weitere Ausgangswicklung 68, deren Enden zwischen die Ausgangsklemmen 74 und 75 gelegt sind. Der Transformatorkern 67 ist sättigbar. Die Wicklungen 64 und 66 haben je einen Mittelabgriff. Der Mittelabgriff der Wicklung 66 ist an die Eingangsklemme 73 und ferner über einen Widerstand 76 an den Abgriff der Wicklung 64 angeschlossen. Das Ausgangssignal E₅ erscheint über der Sekundärwicklung 68 zwischen den Ausgangsklemmen 74 und 75.

Das Ausgangssignal E₅ des magnetischen Oszillators hat die Form einer Rechteckwelle, deren Frequenz in bezug auf das Steuersignal £₄ durch folgende Gleichung beschrieben wird:

ρ —

4 N0

Darin ist
ρ

= Frequenz des Ausgangssignals Er₁,

# = Zahl der aktiven Oszillatorwindungen,

φ_ι0 = maximaler Fluß (Sättigungsfluß) des

Oszillatorkerns.

Wenn die ungeregelte Wechselspannung E₁ ein Sinussignal ist, dann ist es notwendig, daß die Zusatz-

spannung E₂ auch eine Sinuswelle ist. Aus diesem Grunde ist das Filter 50 vorgesehen, um alle Oberwellen mit Ausnahme der Grundfrequenzkomponente aus E_s zu eliminieren. Es versteht sich jedoch, daß E₁ und E₂ nicht notwendigerweise sinusförmig sein müssen. Sie können beispielsweise Rechteckwellen oder andere, durch den jeweiligen Anwendungsfall gegebene Wellen sein.

F i g. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Während in F i g. 1 das Signal aus dem Oszillator 40 veränderbarer Frequenz durch einen Tiefpaßfilter 50 geschickt wird, ehe das Signal der Spannung E₁ hinzugeführt wird, wird in der Einrichtung nach F i g. 4 das Summieren zuerst ausgeführt (Summiereinrichtung 70), und das sich ergebende Signal wird dann durch das Tiefpaßfilter 50 geschickt, ehe es den Ausgangsklemmen 13 und 14 zugeführt wird. Abgesehen von dieser Abwandlung ist die Arbeitsweise des Gerätes nach F i g. 4 dieselbe ίο wie die des Gerätes nach F i g. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur selbsttätigen Regelung einer Wechselspannung mit einer in Reihe mit der ungeregelten Spannungsquelle liegenden Zusatzspannungsquelle, deren Spannung in Abhängigkeit von der geregelten Ausgangs-Wechselspannung über Zwischenverstärker beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung (E₂) im wesentlichen eine konstante Spannungsamplitude hat und daß die Frequenz der Zusatzspannung von einem an den Steuereingang der Zusatzspannungsquelle angeschlossenen Oszillator (40) bestimmt ist, dessen Steuereingang in der Weise an einen Amplituden-Detektor (30) für die geregelte Wechselspannung (.E₃) angeschlossen ist, daß die Frequenz der Zusatzspannung (E₂) proportional zur geregelten Wechselspannung (E₃) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannungsquelle mit einem Transformator (20) und einem Verstärker (60) versehen ist und daß die Ausgangsspannung (E₅) des Oszillators (40) dem Eingang des Verstärkers (60) über ein Tiefpaßfilter (50) zugeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Wechselspannung (.E₃) von einem Tiefpaßfilter (50) abgenommen ist, dessen Eingang die Summe aus der ungeregelten Wechselspannung (.E₁) und der Zusatzspannung (£",) zugeführt ist.