DE264669C - - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

REl CH S PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- Ju. 264669 KLASSE 21 c. GRUPPE

. HANS THOMA in GOTHA.

des Spannungsmessers.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 5. November 1912 ab.

Bei der Untersuchung von selbsttätigen elektrischen Spannungsreglern, worunter hier im Gegensatz zu Kompoundierungsanordnungen solche mit mechansich bewegten Teilen zu verstehen sind, zeigt sich, daß statische Regler, d. h. solche, die bei schwächerer Belastung der Stromquelle eine höhere Spannung als bei starker Belastung einstellen, geringere Neigung zum Pendeln aufweisen als astatische.

Nach der Erfindung arbeitet der Regler in

. Analogie mit der nachgiebigen Rückführung bei der indirekten Geschwindigkeitsregelung

von Kraftmaschinen zu Beginn des Regulier-Vorganges im wesentlichen wie ein statischer; er stellt also beispielsweise nach einer Entlastung zunächst eine etwas höhere Spannung ein. Erst,im weiteren Verlaufe des Reguliervorganges wird, vergleichsweise langsam zum ersten Teile desselben, durch einen sekundären Prozeß die oben erklärte, durch die statischen Eigenschaften des Reglers bedingte Veränderung der Spannung infolge der Laständerung ganz oder zum Teil beseitigt oder sogar in ihrem Vorzeichen geändert, so daß im letzteren Falle bei einer stärkeren Belastung schließlich eine höhere Spannung eingestellt wird, was häufig erwünscht ist.
Kennzeichnend für die Erfindung ist der Umstand, daß diese Nachwirkung nicht mit mechanischen Einrichtungen, wie solche bei indirekten Geschwindigkeitsreglern z. B. in Form von Ölbremsen mit Federn oder Reibradgetrieben verwendet werden, erfolgt, sondern daß sie auf rein elektrischem Wege erreicht wird. <

In den folgenden Ausführangsbeispielen der Fig. ι bis 4 sei g das Netz, dessen Spannung geregelt werden soll. An dieses Netz ist die auf die Spannung. ansprechende Vorrichtung geschaltet, im folgenden Spannungsmesser genannt. Der Spannungsmesser ist mit α bezeichnet und beherrscht unter Vermittelung des Hebels / die Funktion der übrigen Teile des Reglers; die Einrichtung derselben ist für die Erfindung nicht wesentlich; daher sind sie nicht einzeln dargestellt und nur als Ganzes mit b bezeichnet. Mittels der gezeichneten Verbindungsleitungen wirkt der Regler auf das mit d bezeichnete Erregernetz, welches die das Netz g speisenden Generatoren erregt. Die Generatoren sind hier nicht dargestellt. -

Für die folgenden Ausführungsbeispiele der Fig. ι bis 4 ist angenommen, daß der Spannungsmesser α aus einem Solenoid mit vertikaler Achse bestehe, welches entgegen der Wirkung der Schwere einen an der Verbindungsstange I befestigten Eisenkern zu heben sucht.

Der Erfinder nimmt ferner für das Ausführungsbeispiel (Fig. i) an, daß der Spannungsmesser so eingerichtet ist, daß der Eisenkern für jede Spannung des Netzes g in dem Bereich, welcher für den Reguliervorgang in Frage kommt, eine andere stabile Gleichgewichtslage innerhalb seines Hubes finde, und zwar entspreche einer höheren Netzspannung in g auch

eine räumlich höhere Gleichgewichtslage des Eisenkernes.

Endlich setzt der Erfinder voraus, daß jeder Stellung des Eisenkernes und damit der Verbindungsstange I eine bestimmte Erregerspannung im Erregernetze d entspreche, und zwar entspreche den höheren Lagen des Eisenkernes eine niedrigere Erregerspannung.

Die Gesamteinrichtung des Reglers ist dann

ίο derart, daß, wenn man von den schnell vorübergehenden Schwankungen nach plötzlichen Belastungsänderungen absieht, einer niedrigeren Erregerspannung eine höhere Netzspannung in g entspricht. Da bei einer stärkeren Belastung ■ der Generatoren aber eine höhere Erregerspannung erforderlich ist, resultiert schließlich unter den angegebenen Bedingungen die Erscheinung, daß der Regler bei stärkerer Belastung eine niedrigere Spannung im Generatorennetz g einstellt.. Der Erfinder will einen Regler, welcher die Eigenschaft hat, bei stärkerer Belastung des geregelten Generators eine niedrigere Spannung einzustellen als bei schwächerer Belastung, einen »statischen« nennen. Es ist nun bekannt, daß statische Regler einen günstigeren Verlauf des Reguliervorganges ermöglichen und insbesondere weniger Neigung zum Pendeln als astatische zeigen. Die Gründe hierfür sind erklärt in der Schrift von A. Schwaiger, »Das Regulierproblem in der Elektrotechnik«, Leipzig 190g, S/23.

Der Verwendung statischer Regler steht jedoch die Unannehmlichkeit entgegen, daß sie nicht auf konstante Spannung regeln, vielmehr bei stärkerer Belastung der geregelten Maschinen dauernd niedrigere Spannung einstellen, während im Gegenteil eher das Umgekehrte, nämlich höhere Spannung bei stärkerer Belastung, erwünscht wäre.

Die Erfindung ermöglicht nun die Verwendung eines statischen Reglers, bei welchem der Reguliervorgang also günstig verläuft, ohne daß man in der Wahl der schließlichen Endeinstellung des Reglers beschränkt wäre., -Fig. ι zeigt eine Ausführungsform derselben.

Um die verbleibenden Spannungsänderungen ganz oder teilweise zu kompensieren oder auch überzukompensieren, dient der Hilfsstromkreis H₁, welcher an die Erregerspannung angeschaltet ist und die Spule e enthält, welche den Spannungsmesser α beeinflußt. Man kann durch Wahl der Windungs-

zahl der Spule e oder durch Änderung des Widerstandes im Hilfsstromkreis erreichen, daß die Spule e den Regler astatisch macht, so daß stets der gleiche Endwert der Spannung erreicht wird, oder ihn sogar überkompensieren, so daß einer höheren Belastung der Generatoren oder, was im allgemeinen auf das Gleiche hinauskommt, einer höheren Erregerspannung eine höhere Netzspannung entspricht. ■,.-■■'..

Nach der Erfindung wird nun in den Hilfsstromkreis eine große ,Selbstinduktion S geschaltet; diese gestattet nur langsame Veränderungen des Hilfsstromes im Kreise H₁, bei Eintritt einer Spannungsschwankung im Netze g zeigen sich daher zunächst nur die günstigen statischen Eigenschaften des Reglers, da die Stromstärke im Kreise H₁ zunächst unverändert bleibt. Erst nachdem der Regelungsvorgang wie bei. einem statischen Regler im wesentlichen beendet ist, macht sich die Veränderung des Hilfsstromes im Kreise H₁ bemerkbar und bewirkt nachträglich durch die Kraftwirkung auf den Eisenkern das Zurückgehen der Gerieratorspahnung auf den normalen Wert.

Fig. 2 zeigt ein anderes Äusführungsbeispiel. Es ist hier vorausgesetzt, daß, wie beim Regler Fig. i, jeder Lage des Hebels I eine bestimmte Erregerspannung entspricht. Ferner sei hier im Gegensatz zu obigem Regler der Spannungsmesser α so justiert, daß er nur bei einer bestimmten Netzspannung im Gleichgewicht sei, und zwar, darm an jeder Stelle seines Hubes. Unter diesen Voraussetzungen ist der Regler ein asiatischer, d. h. er stellt im Netz g stets dieselbe Spannung ein, wie groß auch die jeweilige Belastung des Generators sei. Um nun dem Reguliervorgange die günstigen Eigenschaften eines statischen Reglers zu verleihen, ohne die Annehmlichkeit der Konstanz der Netzspannung in g aufgeben zu müssen, sind nach der Erfindung zwei Spulen f und e angebracht, welche auf den Eisenkern des Spannungsmesser Kräfte ausüben. Die Spule / ist an die Erregerspannung angeschaltet, und der Sinn ihrer Wirkung auf den Eisenkern ist derart, daß sie bei höherer Erregerspannung den Eisenkern stärker zu lüften sucht als bei niedriger Erregerspannung. Dies hat zur Folge, daß der Gleichgewichtslage des Eisenkernes bei höherer Erregerspannung eine niedrigere Netzspannung in g entspricht als bei niedriger Erregerspannung. Der Regler ist demnach jetzt durch den Einfluß der Spule e ein statischer geworden, und der Reguliervorgang wird günstig verlaufen. Im übrigen erfolgt nach der Erfindung die Kompensation der bleibenden Spannungsveränderungen, welche durch den statischen Charakter des mit der Spule f versehenen Reglers bedingt sind, mittels eines zweiten Hilfsstromkreises H₁, der eine große Selbstinduktion S und eine Spule e enthält, welche im Beharrungszustand, d. h. nachdem einige Zeit seit einer Belastungsänderung verflossen ist, die Einwirkung der Spule f kompensiert, so daß schließ-

vom Regler eine konstante Netzspannung in g eingestellt wird. Unmittelbar nach einer Belastungsänderung variiert nur die Stromstärke in der Spule f; der Strom in der Spule e bleibt annähernd konstant, daher, erscheint fast nur die¹ Einwirkung der Spule f auf den Spannungsmesser, und der Reguliervorgang erfolgt so günstig wie bei einem statischen Regler.

ίο Ein anderes Mittel zur Erzielung einer nachwirkenden Kompensation bietet sich in der Verwendung eines Metalldrahtwiderstandes (besonders eines Eisendrahtwiderstandes) mit genügender Wärmekapazität. Ein Eisendrahtwiderstand mit ausreichender Wärmekapazität läßt zwar vorübergehende Stromstöße passieren, stellt aber nach einiger Zeit, sobald er die entsprechende Temperatur angenommen hat, in dem Stromkreis, in welchen er eingeschaltet ist, unabhängig von der an seinen Klemmen herrschenden Spannung eine ■ konstante Stromstärke her. ,

Fig. 3 zeigt schematisch die Einrichtung eines solchen Reglers. Jeder Lage des Hebels I entspreche wie früher eine bestimmte Erregerspannung in d. Auf den Spannungsmesser wirkt außer seiner an das Netz g geschalteten Haupt wicklung nach die Hilfsspule e, welche unter Zwischenschaltung des Eisendrahtwiderstandes E an das Erregernetz d angeschlossen ist. Sehen wir zunächst von den Vorgängen unmittelbar nach einer Belastungsänderung ab und betrachten nur den Beharrungszustand des Reglers, so wird, wie oben erklärt, der Eisendrahtwiderstand E unabhängig von der Erregerspannung in d einen in allen Fällen gleichbleibenden Strom in seinem Stromkreis H₁ fließen lassen. Der Erfinder nimmt nun an, daß der Spannungs-

messer α so justiert sei, daß er bei diesem dem betreffenden Eisendrahtwiderstand eigentümlichen Beharrungsstrom nur für' eine bestimmte Netzspannung in g, und zwar dann an jeder Stelle seines Hubes, im Gleichgewicht sei. Es ergibt sich daraus, daß bei dem konstanten Beharrungsstrom im Hilfsstromkreis der Regler astatisch ist, d. h. unabhängig von der Erregerspannung und damit der Belastung stets auf die gleiche Spannung im Netz g reguliert. Allerdings würde er, eben wegen seiner astatischen Eigenschaften, zum Pendeln neigen, wenn nicht nach der Erfindung der Eisendrahtwiderstand E mit einer passenden Wärmekapazität ausgeführt wird. Bei genü-

gender Wärmekapazität dieses Widerstandes ändert sich nach der einer Belastungsschwankung folgenden Verstellung der Erregerspannung durch den Regler zunächst auch der Strom im Hilfsstromkreis, und der Regulier-Vorgang spielt sich vorläufig wie bei einem statischen Regler ab. Erst nach einiger Zeit verändert der Eisendraht widerstand allmählich seine Temperatur, da seine Wärmekapazität schnelle Schwankungen derselben hindert, und er bringt den Strom im Stromkreis AT₁ langsam auf seiden Anfangswert zurück: Damit verstellt auch der Regler die Netzspannung in g nach den oben gemachten Voraussetzungen. wieder auf ihren Anfangswert.

Bringt man an der sonst beibehaltenen Einrichtung des soeben beschriebenen Reglers eine weitere Spule f an (s. Fig. 4), welche an die Erregerspannung mittels des Hilfsstromkreises H₂ geschaltet ist, so bietet sich die Möglichkeit der freien Wahl der Abhängigkeit des Beharrungszustandes in g von der Erregerspannung und' damit von der Belastung. Denn die zweite Spule f übt auf den Eisenkern mit der Erregerspannung veränderliche Zusatzkräfte aus; daher entspricht dem Beharrungszustand des Reglers nicht mehr stets ein " und . dieselbe Netzspannung in g, sondern die vom Regler eingestellte Netzspannung . ist in ,willkürlicher, durch dje. freie Wahl der Richtung und· Stärke des Einflusses der Spule /".gegebener Weise, mit,der Erregerspannung und damit der Belastung verknüpft. Der Einfluß der durch den Eisendrahtwiderstand .. vorübergehend zugelassenen Stromschwankungen muß jedoch während des primären Teiles des Reguliervorganges genügend groß sein, um während dieser Zeit den etwaigen entgegengesetzten Einfluß der Spule f auf den Spannungsmesser reichlich zu, überwiegen, damit eben der Reguliervorgang zunächst so günstig wie bei einem statischen Regler erfolge.

Für die hier beschriebene Verwendung eines Metallwiderstandes ist es nicht notwendig, daß derselbe wirklich in seinem Stromkreise stets dieselbe Stromstärke einstelle. Wesentlich ist vielmehr, daß er einen genügend großen Temperaturkoeffizienten und ausreichende Wärmekapazität besitzt.. Denn so erzielt man eine Nachwirkung in dem Hilfs-Stromkreis H₁, d. h. der Strom ist nicht nur von dem Augenblickswert der Erregerspannung, sondern auch von dessen bereits verflossenen .Veränderungen abhängig. Mittels der Spule f läßt sich endlich die gewünschte Endeinstellung der Spannung erreichen, ohne daß man durch die Abhängigkeit des Beharrungsstromes im Metallwiderstand von der Erregerspannung behindert wäre. <

Auch Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten sind brauchbar. Soll z. B. der Faden einer Kohlenfadenglühlampe als solcher verwendet werden, so ist die Anordnung dieselbe wie in Fig. 4. Wird nämlich der Faden derselben mit genügender Wärme-• kapazität ausgestattet, d. h. sehr dick gewählt, so bleibt während des ersten Teiles

des Reguliervorganges seine Temperatur und damit sein' Widerstand annähernd konstant, und die sofort eintretenden Veränderungen des Stromes im Kreise H₁ sind dadurch gegeben, daß der Strom der ersten Potenz der Erregerspannung proportional ist. In dem Stromkreis H₂ ist der Strom ebenfalls der ersten Potenz der Erregerspannung proportional, jedoch mit dem Unterschied, daß

ίο der Beharrungszustand sofort und ohne merkliche Nachwirkung eintritt.

Schaltet man nun die Spule f so, daß sie den Regler in der oben erklärten Weise statisch macht, und wählt die Stärke ihres Einflusses genügend groß, so verläuft der Reguliervorgang zunächst wie bei einem statischen Regler. Ist ferner der Sinn der Einwirkung der Spule e entgegengesetzt dem der Spule f, so wird nach Beendigung des ersten Teiles des Reguliervorganges die infolge der Temperaturveränderung des Kohlenfadens erfolgte weitere Steigerung der Veränderung des Stromes im Kreise H₁ allmählich den Einfluß der Spule f ganz oder teilweise kompensieren, je nachdem man die Widerstände in dem Hilfsstromkreise und die Windungszahlen der Spulen gewählt hat. Es läßt sich demnach nach der Erfindung auch mit einem Widerstände, welcher Wärmekapazität und einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, eine nachwirkende Kompensation erzielen. Es ist auch eine gleichzeitige Verwendung der beiden oben beschriebenen Mittel zur Erzielung einer nachwirkenden Kompensation möglich, nämlich der · Einschaltung eines Widerstandes mit Wärmekapazität und großem Temperaturkoeffizienten in einem Hilfsstromkreis (z. B. H₁) und einer Selbstinduktion in einem anderen Hilfsstromkreis (z. B. H₂).

Bei der Beschreibung der obigen Ausführungsbeispiele war die Eigenschaft des Reglers, statisch oder astatisch zu sein, d. h. die Beantwortung der Frage, ob er bei stärkerer Belastung auf niedrigere Spannung regelt als bei schwacher Belastung, von bestimmten Eigenschaften desselben hergeleitet. Zum Beispiel würde der Regler nach Fig. 1 (unter Weglassung des HilfsStromkreises H₁) für statisch erklärt, wenn erstens jeder Stellung des

Hebels I eine bestimmte Erregerspahnung zugeordnet ist und zweitens der Spannungsmesser für jede während des Betriebes in Frage kommende Netzspannung in g innerhalb seines Hubes eine andere stabile Gleichgewichtslage findet. Es sind nun auch Regler bekannt, welche trotz Nichterfüllung einer dieser Bedingungen im oben definierten ■ Sinne statisch sein können. Ihr statischer Charakter hängt eben von anderen verwickeiteren Bedingungen ab. In allen Fällen läßt sich jedoch durch Beeinflussung des Spannungsmessers ein Regler statisch oder astatisch machen, so daß die mit dieser Erfindung gegebene nachwirkende Kompensation für alle Reglerbauarten verwendbar ist. '

Für die Erfindung ist es nicht wesentlich, daß die Speisung der Hilfsstromkreise H₁ und H₂ durch die Erregerspannung erfolgt. Man kann ohne wesentliche Änderung den Strom in den Hilfsstromkreisen auch in Abhängigkeit von dem Erregerstrom bringen. Erfolgt die Speisung des Erregernetzes von einer Quelle konstanter Spannung, indem der Regler einen Widerstand vor das Erregernetz schaltet, so liegt es auch sehr nahe, die Hilfs-Stromkreise H₁ und H₂ durch die an diesem Widerstand abgedrosselte Spannung zu speisen. ''

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen war angenommen, daß die Hilfsspulen e und f direkt auf den Eisenkern des Spannungsmessers α wirken. Man kann auch anstatt dessen die Hilfsspulen auf besondere, mit dem Haupteisenkern verbundene Eisenkerne wirken lassen, ohne daß sich daraus irgendwelche Veränderungen für den Reguliervorgang ergeben würden.

Auch die angenommene" Bauart .des Spannungsmessers, nämlich Solenoid mit Eisenkern, ist durchaus willkürlich. Vielmehr kann 90 · man den Regler mit andersartigen Spannungsmessern ausrüsten und doch die nötige Einwirkung der Hilfsspulen auf den Spannungsmesser ermöglichen.

Anstatt zur Regelung einer Spannung kann man den nach der Erfindung nachwirkend kompensierten Regler auch zur Regelung eines Stromes und anderer elektrischer Größen verwenden, wobei sich ähnliche Vorteile der nachwirkenden Kompensation wie bei der Spannungsregelung ergeben.

Handelt es sich um die Regelung eines Wechselstromnetzes, so können weitere, auf den Spannungsmesser wirkende Spulen angebracht werden, welche eine Abhängigkeit der Endeinstellung der Spannung im Netze g von dessen Watt- und wattlosem Strom und Leistungsfaktor erzielen.

Bei Regelung eines Gleichstromnetzes .läßt sich eine Spule anbringen, welche die Endeinstellung der Netzspannung in g von dessen Strombelastung abhängig macht.

Mit den hier beschriebenen Mitteln ist es nun immer möglich, den Reguliervorgang zunächst wie bei einem statischen Regler verlaufen zu lassen. Erst im weiteren Verlaufe desselben läßt man dann den' Einfluß der übrigen Bedingungen hervortreten, welche ohne Anwendung der Nachwirkung einen, astaüschen oder überkompensierten Regler erfordern würden. So erreicht man schließlich den gewünschten Beharrungszustand, ohne bei dessen

Wahl von dem Wunsche, einen günstigen Verlauf der Regelung überhaupt zu erhalten, beschränkt zu sein oder, wie z. B. bei dem Tirillregler, durch ^tarke Dämpfung des steuernden Spannungsmessers das Arbeiten des Reglers verlangsamen zu müssen.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Elektrischer Spannungsregler mit ίο nachwirkender Kompensation durch Beeinflussung des Spannungsmessers, dadurch gekennzeichnet, daß die nachwirkende Kompensation auf rein elektrischem Wege ohne mechanische Hilfsmittel erreicht wird.
2. 2. Elektrischer Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachwirkung durch Einschaltung einer großen Selbstinduktion in den Stromkreis einer auf den Spannungsmesser wirkenden Spule erreicht wird.
3. 3. Elektrischer Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachwirkung durch Einschaltung eines Widerstandes mit großem Temperaturkoeffizienten und genügender Wärmekapazität in den Stromkreis einer auf den Spannungsmesser wirkenden Spule erreicht wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.